CN107070300B - 一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器及方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器及方法，该作动器包括外壳，具有一级放大特点和钳位功能的一体化驱动机构，驱动机构内部安装着两个过盈配合的压电堆，角位移输出轴，以及将驱动机构与外壳固定在一起的两个螺钉；其中一个压电堆起到钳位的功能，另一个压电堆，通过控制电压的极性和幅值来驱动输出轴发生双向的旋转运动；本发明仅使用两个压电堆来完成作动功能，不仅通过一级放大，还具有结构简单，便于装配，作动精准的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电角位移作动装置，具体涉及一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器及方法。
背景技术
基于逆压电效应的压电作动器具有分辨率高、输出力大、功耗小等优点，在国防、航天航空、机械制造等重要领域有广泛的应用，随着需求和技术手段的不断发展，对作动器的要求也越来越高。
由于压电材料输出位移较小，目前的角位移作动器大多需要三个或三个以上的压电堆驱动，故迫切需要一种结构简单，分辨率高，易于控制的压电作动装置。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器及方法，通过两个压电堆的相互配合，实现高精度的角位移作动，同时具有钳位功能，能对输出角位移进行保持。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器，包括外壳5，具有一级放大特点和钳位功能的一体化驱动机构1，一体化驱动机构1包括一端固定在外壳5上位于x方向上的支撑臂102，所述支撑臂102另一端一体化对称设置有第一钳位臂104和第二钳位臂105，第一钳位臂104和第二钳位臂105上对称设置有实现控制钳位功能的钳位臂柔性铰链103，第一钳位臂104和第二钳位臂105相连接处临近钳位臂柔性铰链103处安装有过盈配合的位于y方向上的第一压电堆3，第一钳位臂104和第二钳位臂105端部内侧与角位移输出轴2接触；所述支撑臂102与外壳5固定处设置有支撑臂柔性铰链101，支撑臂102侧壁临近支撑臂柔性铰链101处一体化设置有位移输入机构，位移输入机构内设置有位于y方向上的第二压电堆4安装完成后，角位移输出轴2的圆心应在第一钳位臂104和第二钳位臂105的对称轴上，以确保作动的精确性。
所述第一压电堆3用来控制钳位状态，并且在解除钳位状态时，通过控制第二压电堆4的电压极性和幅值大小驱动第二压电堆4的伸长与缩短，再通过支撑臂102进行一级位移放大，使其中一个钳位臂的内壁与角位移输出轴2发生摩擦接触，带动角位移输出轴2向某一方向发生一个角度的旋转。
所述的一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器的作动方法，角位移作动器的初始状态，初始状态时，第二压电堆4通电并处于预压紧状态，并且此时整个作动器处于平衡状态，即支撑臂柔性铰链101处于无变形状态，记此时初始电压为平衡电压，第一压电堆3处于断电状态，作动器处于钳位状态；
角位移作动器输出逆时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆3通一定正向电压，第一压电堆3在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链103的作用下，第一钳位臂104、第二钳位臂105与角位移输出轴2不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂104与第二钳位臂105不再平行，并且与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆4所加载的电压由平衡电压正向增大至设定电压值，记为最大正向电压，使第二压电堆4在此电压变化的作用下伸长，其一端被螺钉6固定，另一端输出y方向的伸长位移，使支撑臂102以支撑臂柔性铰链101为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂104和第二钳位臂105构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第二钳位臂105与角位移输出轴2发生摩擦接触，由于此时的第二钳位臂105与角位移输出轴2的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第二钳位臂105与角位移输出轴2发生接触摩擦，会带动角位移输出轴2输出逆时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆3的正向电压，使第一钳位臂104、第二钳位臂105的张角更大，第二钳位臂105与角位移输出轴2再次接触；给第二压电堆4通的电压减小到平衡电压，一体化驱动机构1的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链101没有变形；第四步，给第一压电堆3断电，第一钳位臂104、第二钳位臂105回复到初始位置，作动器处于钳位状态；至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转；
角位移作动器输出顺时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆3通一定正向电压，第一压电堆3在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链103的作用下，第一钳位臂104、第二钳位臂105与角位移输出轴2不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂104与第二钳位臂105不再平行，与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆4所加载的电压由平衡电压反向减小至设定电压值，记为最大反向电压，使第二压电堆4在此电压变化的作用下收缩，其一端被螺钉6固定，另一端输出y方向的收缩位移，使支撑臂102以支撑臂柔性铰链101为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂104和第二钳位臂105构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第一钳位臂104与角位移输出轴2发生摩擦接触，由于此时的第一钳位臂104与角位移输出轴2的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第一钳位臂104与角位移输出轴2发生接触摩擦，会带动角位移输出轴2输出顺时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆3的正向电压，使第一钳位臂104、第二钳位臂105的张角更大，第一钳位臂104与角位移输出轴2再次接触；给第二压电堆4通的电压增大到平衡电压，一体化驱动机构1的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链101没有变形；第四步，给第一压电堆3断电，第一钳位臂104、第二钳位臂105回复到初始位置，作动器处于钳位状态；至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转。
所述第二压电堆4的通电电压涉及三个参数，分别是平衡电压，最大正向电压，最大反向电压。压电材料在极化方向分别通正向、反向电压，会有极化方向上的伸长、缩短趋势，即为压电材料的逆压电效应，由于压电材料在一定条件下的伸长能力远大于缩短能力，分别对应最大正向电压和最大反向电压，故最大正向电压和最大反向电压并不关于零电压对称，为了实现顺时针、逆时针一个步进的旋转角度相等且最大化，取平衡电压为最大正向电压和最大反向电压的平均值；
给第二压电堆4通平衡电压时，整个作动器平衡状态，支撑臂柔性铰链101不发生形变；当电压从平衡电压变为最大正向电压时，第二压电堆4伸长，与第一压电堆3配合，使输出轴逆时针旋转一个角度；当电压从平衡电压变为最大反向电压时，第二压电堆4收缩，与第一压电堆3配合，使输出轴顺时针旋转一个角度；当电压在最大反向电压和最大正向电压范围内变化的时，第二压电堆的长度与所通电压为线性关系。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明具有钳位功能，能保持角度的输出状态。
2)本发明通过压电堆驱动，经过一级杠杆放大，可实现高精度、大行程输出。
3)本发明仅使用两个压电堆，通过互相配合实现作动，结构简单，易于控制。
附图说明
图1为本发明的结构图(隐藏部分外壳)。
图2为本发明的俯视图。
图3(a)为本发明中钳位状态的示意图，图3(b)为本发明中钳位解除状态的示意图。
图4为本发明中第二压电堆的三个关键电压的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图3a和图3b所示，角位移作动器的初始状态，初始状态时，第二压电堆4通电使其处于预压紧状态，并且此时整个作动器处于平衡状态，即支撑臂柔性铰链101处于无变形状态，此时初始电压为平衡电压，第一压电堆3处于断电状态，作动器处于钳位状态。
角位移作动器输出逆时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆3通一定正向电压，第一压电堆3在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链组103的作用下，第一钳位臂104、第二钳位臂105与角位移输出轴2不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂104与第二钳位臂105不再平行，与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆4所加载的电压由平衡电压正向增大至最大正向电压，使第二压电堆4在此电压变化的作用下伸长，其一端被螺钉6固定，另一端输出y方向的伸长位移，使支撑臂102以支撑臂柔性铰链101为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂104和第二钳位臂105构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第二钳位臂105与角位移输出轴2发生摩擦接触，由于此时的第二钳位臂105与角位移输出轴2的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第二钳位臂105与角位移输出轴2发生接触摩擦，会带动角位移输出轴2输出逆时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆3的正向电压，使第一钳位臂104、第二钳位臂105的张角更大，第二钳位臂105与角位移输出轴2再次不接触；给第二压电堆4通的电压减小到平衡电压，一体化驱动机构1的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链101没有变形；第四步，给第一压电堆3断电，第一钳位臂104、第二钳位臂105回复到初始位置，作动器处于钳位状态。至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转。
角位移作动器输出顺时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆3通一定正向电压，第一压电堆3在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链组103的作用下，第一钳位臂104、第二钳位臂105与角位移输出轴2不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂104与第二钳位臂105不再平行，与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆4所加载的电压由平衡电压反向减小至最大反向电压，使第二压电堆4在此电压变化的作用下收缩，其一端被螺钉6固定，另一端输出y方向的收缩位移，使支撑臂102以支撑臂柔性铰链101为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂104和第二钳位臂105构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第一钳位臂104与角位移输出轴2发生摩擦接触，由于此时的第一钳位臂104与角位移输出轴2的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第一钳位臂104与角位移输出轴2发生接触摩擦，会带动角位移输出轴2输出顺时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆3的正向电压，使第一钳位臂104、第二钳位臂105的张角更大，第一钳位臂104与角位移输出轴2再次不接触；给第二压电堆4通的电压增大到平衡电压，一体化驱动机构1的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链101没有变形；第四步，给第一压电堆3断电，第一钳位臂104、第二钳位臂105回复到初始位置，作动器处于钳位状态。至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转。
如图4所示，所述第二压电堆4的通电电压涉及三个参数，分别是平衡电压，最大正向电压，最大反向电压。压电材料在极化方向分别通正向、反向电压，会有极化方向上的伸长、缩短趋势，即为压电材料的逆压电效应，由于压电材料在一定条件下的伸长能力远大于缩短能力，分别对应最大正向电压和最大反向电压，故最大正向电压和最大反向电压并不关于零电压对称，为了实现顺时针、逆时针一个步进的旋转角度相等且最大化，取平衡电压为最大正向电压和最大反向电压的平均值；
给第二压电堆4通平衡电压时，整个作动器平衡状态，支撑臂柔性铰链101不发生形变；当电压从平衡电压变为最大正向电压时，第二压电堆4伸长，与第一压电堆3配合，使输出轴逆时针旋转一个角度；当电压从平衡电压变为最大反向电压时，第二压电堆4收缩，与第一压电堆3配合，使输出轴顺时针旋转一个角度；当电压在最大反向电压和最大正向电压范围内变化的时，第二压电堆的长度与所通电压为线性关系。
Claims (4)
1.一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器，其特征在于：包括外壳(5)，具有一级放大特点和钳位功能的一体化驱动机构(1)，一体化驱动机构(1)包括一端固定在外壳(5)上位于x方向上的支撑臂(102)，所述支撑臂(102)另一端一体化对称设置有第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)上对称设置有实现控制钳位功能的钳位臂柔性铰链(103)，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)相连接处临近钳位臂柔性铰链(103)处安装有过盈配合的位于y方向上的第一压电堆(3)，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)端部内侧与角位移输出轴(2)接触；所述支撑臂(102)与外壳(5)固定处设置有支撑臂柔性铰链(101)，支撑臂(102)侧壁临近支撑臂柔性铰链(101)处一体化设置有位移输入机构，位移输入机构内设置有位于y方向上的第二压电堆(4)安装完成后，角位移输出轴(2)的圆心应在第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)的对称轴上，以确保作动的精确性。
2.根据权利要求1所述的一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器，其特征在于：第一压电堆(3)用来控制钳位状态，并且在解除钳位状态时，通过控制第二压电堆(4)的电压极性和幅值大小驱动第二压电堆(4)的伸长与缩短，再通过支撑臂(102)进行一级位移放大，使其中一个钳位臂的内壁与角位移输出轴(2)发生摩擦接触，带动角位移输出轴(2)向某一方向发生一个角度的旋转。
3.权利要求1所述的一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器的作动方法，其特征在于：角位移作动器的初始状态，初始状态时，第二压电堆(4)通电并处于预压紧状态，并且此时整个作动器处于平衡状态，即支撑臂柔性铰链(101)处于无变形状态，记此时初始电压为平衡电压，第一压电堆(3)处于断电状态，作动器处于钳位状态；
角位移作动器输出逆时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆(3)通一定正向电压，第一压电堆(3)在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链(103)的作用下，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂(104)与第二钳位臂(105)不再平行，并且与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆(4)所加载的电压由平衡电压正向增大至设定电压值，记为最大正向电压，使第二压电堆(4)在此电压变化的作用下伸长，其一端被螺钉(6)固定，另一端输出y方向的伸长位移，使支撑臂(102)以支撑臂柔性铰链(101)为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)发生摩擦接触，由于此时的第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)发生接触摩擦，会带动角位移输出轴(2)输出逆时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆(3)的正向电压，使第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)的张角更大，第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)再次接触；给第二压电堆(4)通的电压减小到平衡电压，一体化驱动机构(1)的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链(101)没有变形；第四步，给第一压电堆(3)断电，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)回复到初始位置，作动器处于钳位状态；至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转；
角位移作动器输出顺时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆(3)通一定正向电压，第一压电堆(3)在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链(103)的作用下，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂(104)与第二钳位臂(105)不再平行，与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆(4)所加载的电压由平衡电压反向减小至设定电压值，记为最大反向电压，使第二压电堆(4)在此电压变化的作用下收缩，其一端被螺钉(6)固定，另一端输出y方向的收缩位移，使支撑臂(102)以支撑臂柔性铰链(101)为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)发生摩擦接触，由于此时的第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)发生接触摩擦，会带动角位移输出轴(2)输出顺时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆(3)的正向电压，使第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)的张角更大，第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)再次接触；给第二压电堆(4)通的电压增大到平衡电压，一体化驱动机构(1)的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链(101)没有变形；第四步，给第一压电堆(3)断电，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)回复到初始位置，作动器处于钳位状态；至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转。
4.根据权利要求3所述的一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器的作动方法，其特征在于：所述第二压电堆(4)的通电电压涉及三个参数，分别是平衡电压，最大正向电压，最大反向电压；压电材料在极化方向分别通正向、反向电压，会有极化方向上的伸长、缩短趋势，即为压电材料的逆压电效应，由于压电材料在一定条件下的伸长能力远大于缩短能力，分别对应最大正向电压和最大反向电压，故最大正向电压和最大反向电压并不关于零电压对称，为了实现顺时针、逆时针一个步进的旋转角度相等且最大化，取平衡电压为最大正向电压和最大反向电压的平均值；
给第二压电堆(4)通平衡电压时，整个作动器平衡状态，支撑臂柔性铰链(101)不发生形变；当电压从平衡电压变为最大正向电压时，第二压电堆(4)伸长，与第一压电堆(3)配合，使输出轴逆时针旋转一个角度；当电压从平衡电压变为最大反向电压时，第二压电堆(4)收缩，与第一压电堆(3)配合，使输出轴顺时针旋转一个角度；当电压在最大反向电压和最大正向电压范围内变化的时，第二压电堆的长度与所通电压为线性关系。
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| Title |
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| "菱形微位移压电作动器的输入输出线性建模";张春林，张希农，陈杰等;《西安交通大学》;20140531;第48卷(第5期);第102-106页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107070300A (zh) | 2017-08-18 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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