CN107222126A - 反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器 - Google Patents

反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器 Download PDF

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Abstract

反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器，该作动器由上端盖、轴承、输出轴、旋转圆盘及作动机构组成；作动机构一体化加工，关于其内的菱形环中心呈反对称布置，该菱形环内部沿轴向过盈配合有压电堆，菱形环沿轴向的两侧平面分别刚性连接有L形杠杆放大机构，L形杠杆放大机构的轴向杆件一端经柔性铰链与安装台连接，另一端与横向杆件固连，该横向杆件上方突出加工有摩擦足；旋转圆盘水平放置于作动机构的摩擦足上方，其上表面盘心处设有输出轴，该输出轴通过轴承与呈纺锤形的上端盖连接，上端盖的两端设有安装通孔，经过螺栓与底端的作动机构紧密连接；本发明体积小巧，结构新颖，仅通过驱动单个压电堆便能平稳实现高精度的双向旋转运动。

Description

反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器
技术领域
本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器及作动方法。
背景技术
惯性式压电作动器是一类采用非对称的驱动信号、非对称的机械夹持结构或非对称的摩擦力为控制方式，通过惯性冲击运动形成驱动的机构。
与其他类型的压电驱动比较，惯性压电作动器具有结构简单、响应速度快、分辨率高、大行程、运动速度快和成本低等主要优点，可实现较大行程且同时具有纳米级定位精度。因此，惯性压电作动器适用于需要高分辨率、大行程的场合。目前，科技工作者已成功将惯性压电作动器应用于高精度定位机构，多自由度驱动器，微型机器人关节以及微操作手等领域。
一般地，旋转式惯性压电作动器常常利用双晶片或多个压电堆作为驱动元件，结构复杂且成本较大；目前在多数旋转式惯性作动器中，仅依靠线接触进行钳位，作动过程中容易因表面磨损而钳位失效；另外，大量压电惯性作动器的步距很小，为了实现高速转角的输出对驱动系统的要求往往很高，作动效率较低。
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反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器及作动方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并稳定驱动负载双向旋转；此作动器结构小巧新颖，钳位可靠，仅需驱动单个压电堆便能平稳实现双向的高精度转角输出。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器，包括上端盖1、轴承2、输出轴4、旋转圆盘5及作动机构6；所述作动机构6为一体化加工，关于其内的菱形环7中心呈反对称布置，该菱形环7内部沿轴向过盈配合有压电堆8，菱形环7沿轴向的两侧平面分别刚性连接有L形杠杆放大机构，L形杠杆放大机构的轴向杆件9-2一端经柔性铰链9-1与安装台10连接，另一端与横向杆件9-3固连，该横向杆件9-3上方突出加工有摩擦足9-4；旋转圆盘5水平放置于L形杠杆放大机构的摩擦足9-4上方，其盘心与菱形环7中心位于同一条垂直直线，旋转圆盘5上表面盘心处设有输出轴4，该输出轴4通过轴承2与呈纺锤形的上端盖1连接，上端盖1的两端设有安装通孔3，螺栓穿过安装通孔3并螺纹连接于作动机构6两侧的安装台10内部，由此上端盖1与底部的作动机构6实现紧密连接，使得旋转圆盘5下表面与摩擦足9-4接触并产生正压力。所述摩擦足4为设置在第一作动件5和第二作动件6底部的突出粗糙面，摩擦足4与圆盘2上表面紧密接触，两者之间能够产生可靠的摩擦力。
所述L形杠杆放大机构的轴向杆件9-2一端经柔性铰链9-1与安装台10连接，另一端与横向杆件9-3固连，轴向杆件9-2在靠近柔性铰链9-1处的前端与菱形环7轴向的两侧平面刚性连接，当压电堆8沿轴向输出位移时，该位移首先经过菱形环7放大并由菱形环7轴向的两侧平面输出横向位移，该横向位移推动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1旋转，使轴向杆件9-2末端产生经杠杆放大的横向位移并带动横向杆件9-3运动，由此可见，压电堆8的轴向位移能够经过菱形环7放大和杠杆放大即两次放大后转换为横向杆件9-3的横向位移。
所述摩擦足9-4为设置在L形杠杆放大机构中横向杆件9-3上方的突出粗糙面，摩擦足9-4与旋转圆盘5之间能够产生可靠的摩擦力。
所述的反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器的作动方法，未通电时，输出轴4处于钳位状态；为使输出轴4顺时针旋转，第一步，对作动机构6中的压电堆8缓慢施加电压，压电堆8沿其轴向缓慢伸长，菱形环7轴向的两侧平面相互靠近，拉动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1顺时针旋转，摩擦足9-4产生沿顺时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩能够提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4保持相对静止，带动输出轴4顺时针旋转一个微小角度；第二步，对作动机构6中的压电堆8迅速降电，压电堆8沿其轴向迅速收缩，菱形环7轴向的两侧平面相互远离，推动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1逆时针旋转，摩擦足9-4产生沿逆时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩无法提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4之间出现相对滑动，在降电极短的时间内，输出轴4基本保持原位，由此输出轴4保留一个顺时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴4连续地驱动负载顺时针旋转；类似地，为使输出轴4逆时针旋转，第一步，对作动机构6中的压电堆8迅速加电，压电堆8沿其轴向迅速伸长，菱形环7轴向的两侧平面相互靠近，拉动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1顺时针旋转，摩擦足9-4产生沿顺时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩无法提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4之间出现相对滑动，在加电极短的时间内，输出轴4基本保持原位；第二步，对作动机构6中的压电堆8缓慢降电，压电堆8沿其轴向缓慢收缩，菱形环7轴向的两侧平面相互远离，推动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1逆时针旋转，摩擦足9-4产生沿逆时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩能够提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4保持相对静止，带动输出轴4逆时针旋转一个微小角度，由此输出轴4保留一个逆时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴4连续地驱动负载逆时针旋转。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明上端盖1的两端设有安装通孔3，螺栓穿过安装通孔3并螺纹连接于作动机构6两侧的安装台10内部，上端盖1与底部的作动机构6由此实现紧密连接，使得旋转圆盘5下表面与摩擦足9-4实现面接触并产生可靠的摩擦力，降低了外在环境及接触面磨损对钳位能力的影响，提高了作动器的输出性能
2)本发明的L形杠杆放大机构的轴向杆件9-2一端经柔性铰链9-1与安装台10连接，另一端与横向杆件9-3固连，轴向杆件9-2在靠近柔性铰链9-1处的前端与菱形环7轴向的两侧平面刚性连接，当压电堆8沿轴向输出位移时，该位移首先经过菱形环7放大并由菱形环7轴向的两侧平面输出横向位移，该横向位移推动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1旋转，使轴向杆件9-2末端产生经杠杆放大的横向位移并带动横向杆件9-3运动，进而通过摩擦足9-4转换为旋转圆盘5的转角位移，由此可见，压电堆8的轴向位移能够经过菱形环7放大和杠杆放大即两次放大后转换为角位移输出，使得在相同驱动条件下，增大了作动器的角位移输出速度，大幅提高作动效率。
3)本发明仅通过驱动单个压电堆8便能实现双向旋转运动，结构内部空间利用合理，小巧紧凑，极大降低制造成本与使用成本。
附图说明
图1为本发明作动器结构立体图。
图2为本发明作动器剖面图。
图3为本发明作动机构立体图。
图4为本发明顺时针旋转的驱动电压时序图。
图5为本发明逆时针旋转的驱动电压时序图。
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至图3所示，本发明反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器，包括上端盖1、轴承2、输出轴4、旋转圆盘5及作动机构6；所述作动机构6为一体化加工，关于其内的菱形环7中心呈反对称布置，该菱形环7内部沿轴向过盈配合有压电堆8，菱形环7沿轴向的两侧平面分别刚性连接有L形杠杆放大机构，L形杠杆放大机构的轴向杆件9-2一端经柔性铰链9-1与安装台10连接，另一端与横向杆件9-3固连，该横向杆件9-3上方突出加工有摩擦足9-4；旋转圆盘5水平放置于L形杠杆放大机构的摩擦足9-4上方，其盘心与菱形环7中心位于同一条垂直直线，旋转圆盘5上表面盘心处设有输出轴4，该输出轴4通过轴承2与呈纺锤形的上端盖1连接，上端盖1的两端设有安装通孔3，螺栓穿过安装通孔3并螺纹连接于作动机构6两侧的安装台10内部，由此上端盖1与底部的作动机构6实现紧密连接，使得旋转圆盘5下表面与摩擦足9-4接触并产生正压力。
作为本发明的优选实施方式，所述L形杠杆放大机构的轴向杆件9-2一端经柔性铰链9-1与安装台10连接，另一端与横向杆件9-3固连，轴向杆件9-2在靠近柔性铰链9-1处的前端与菱形环7轴向的两侧平面刚性连接，当压电堆8沿轴向输出位移时，该位移首先经过菱形环7放大并由菱形环7轴向的两侧平面输出横向位移，该横向位移推动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1旋转，使轴向杆件9-2末端产生经杠杆放大的横向位移并带动横向杆件9-3运动，由此可见，压电堆8的轴向位移能够经过菱形环7放大和杠杆放大即两次放大后转换为横向杆件9-3的横向位移。
作为本发明的优选实施方式，所述摩擦足9-4为设置在L形杠杆放大机构中横向杆件9-3上方的突出粗糙面，摩擦足9-4与旋转圆盘5之间能够产生可靠的摩擦力。
如图4和图5所示，反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器的作动方法，未通电时，输出轴4处于钳位状态；为使输出轴4顺时针旋转，第一步，对作动机构6中的压电堆8缓慢施加电压，压电堆8沿其轴向缓慢伸长，菱形环7轴向的两侧平面相互靠近，拉动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1顺时针旋转，摩擦足9-4产生沿顺时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩能够提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4保持相对静止，带动输出轴4顺时针旋转一个微小角度；第二步，对作动机构6中的压电堆8迅速降电，压电堆8沿其轴向迅速收缩，菱形环7轴向的两侧平面相互远离，推动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1逆时针旋转，摩擦足9-4产生沿逆时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩无法提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4之间出现相对滑动，在降电极短的时间内，输出轴4基本保持原位，由此输出轴4保留一个顺时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴4连续地驱动负载顺时针旋转；类似地，为使输出轴4逆时针旋转，第一步，对作动机构6中的压电堆8迅速加电，压电堆8沿其轴向迅速伸长，菱形环7轴向的两侧平面相互靠近，拉动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1顺时针旋转，摩擦足9-4产生沿顺时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩无法提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4之间出现相对滑动，在加电极短的时间内，输出轴4基本保持原位；第二步，对作动机构6中的压电堆8缓慢降电，压电堆8沿其轴向缓慢收缩，菱形环7轴向的两侧平面相互远离，推动轴向杆件9-2绕柔性铰链9-1逆时针旋转，摩擦足9-4产生沿逆时针方向的切向运动，此时摩擦足9-4与旋转圆盘5之间的静摩擦力对轴心产生的力矩能够提供旋转圆盘5随摩擦足9-4一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘5与摩擦足9-4保持相对静止，带动输出轴4逆时针旋转一个微小角度，由此输出轴4保留一个逆时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴4连续地驱动负载逆时针旋转。

Claims (4)

1.一种反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器，其特征在于：包括上端盖(1)、轴承(2)、输出轴(4)、旋转圆盘(5)及作动机构(6)；所述作动机构(6)为一体化加工，关于其内的菱形环(7)中心呈反对称布置，该菱形环(7)内部沿轴向过盈配合有压电堆(8)，菱形环(7)沿轴向的两侧平面分别刚性连接有L形杠杆放大机构，L形杠杆放大机构的轴向杆件(9-2)一端经柔性铰链(9-1)与安装台(10)连接，另一端与横向杆件(9-3)固连，该横向杆件(9-3)上方突出加工有摩擦足(9-4)；旋转圆盘(5)水平放置于L形杠杆放大机构的摩擦足(9-4)上方，其盘心与菱形环(7)中心位于同一条垂直直线，旋转圆盘(5)上表面盘心处设有输出轴(4)，该输出轴(4)通过轴承(2)与呈纺锤形的上端盖(1)连接，上端盖(1)的两端设有安装通孔(3)，螺栓穿过安装通孔(3)并螺纹连接于作动机构(6)两侧的安装台(10)内部，由此上端盖(1)与底部的作动机构(6)实现紧密连接，使得旋转圆盘(5)下表面与摩擦足(9-4)接触并产生正压力。
2.根据权利要求1所述的反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器，其特征在于：所述轴向杆件(9-2)在靠近柔性铰链(9-1)处的前端与菱形环(7)轴向的两侧平面刚性连接，当压电堆(8)沿轴向输出位移时，该位移首先经过菱形环(7)放大并由菱形环(7)轴向的两侧平面输出横向位移，该横向位移推动轴向杆件(9-2)绕柔性铰链(9-1)旋转，使轴向杆件(9-2)末端产生经杠杆放大的横向位移并带动横向杆件(9-3)运动，由此可见，压电堆(8)的轴向位移能够经过菱形环(7)放大和杠杆放大即两次放大后转换为横向杆件(9-3)的横向位移。
3.根据权利要求1所述的反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器，其特征在于：所述摩擦足(9-4)为设置在L形杠杆放大机构中横向杆件(9-3)上方的突出粗糙面，摩擦足(9-4)与旋转圆盘(5)之间能够产生可靠的摩擦力。
4.权利要求1所述的反对称布置式单压电堆驱动型双向旋转惯性作动器的作动方法，其特征在于：未通电时，输出轴(4)处于钳位状态；为使输出轴(4)顺时针旋转，第一步，对作动机构(6)中的压电堆(8)缓慢施加电压，压电堆(8)沿其轴向缓慢伸长，菱形环(7)轴向的两侧平面相互靠近，拉动轴向杆件(9-2)绕柔性铰链(9-1)顺时针旋转，摩擦足(9-4)产生沿顺时针方向的切向运动，此时摩擦足(9-4)与旋转圆盘(5)之间的静摩擦力对轴心产生的力矩能够提供旋转圆盘(5)随摩擦足(9-4)一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘(5)与摩擦足(9-4)保持相对静止，带动输出轴(4)顺时针旋转一个微小角度；第二步，对作动机构(6)中的压电堆(8)迅速降电，压电堆(8)沿其轴向迅速收缩，菱形环(7)轴向的两侧平面相互远离，推动轴向杆件(9-2)绕柔性铰链(9-1)逆时针旋转，摩擦足(9-4)产生沿逆时针方向的切向运动，此时摩擦足(9-4)与旋转圆盘(5)之间的静摩擦力对轴心产生的力矩无法提供旋转圆盘(5)随摩擦足(9-4)一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘(5)与摩擦足(9-4)之间出现相对滑动，在降电极短的时间内，输出轴(4)基本保持原位，由此输出轴(4)保留一个顺时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴(4)连续地驱动负载顺时针旋转；类似地，为使输出轴(4)逆时针旋转，第一步，对作动机构(6)中的压电堆(8)迅速加电，压电堆(8)沿其轴向迅速伸长，菱形环(7)轴向的两侧平面相互靠近，拉动轴向杆件(9-2)绕柔性铰链(9-1)顺时针旋转，摩擦足(9-4)产生沿顺时针方向的切向运动，此时摩擦足(9-4)与旋转圆盘(5)之间的静摩擦力对轴心产生的力矩无法提供旋转圆盘(5)随摩擦足(9-4)一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘(5)与摩擦足(9-4)之间出现相对滑动，在加电极短的时间内，输出轴(4)基本保持原位；第二步，对作动机构(6)中的压电堆(8)缓慢降电，压电堆(8)沿其轴向缓慢收缩，菱形环(7)轴向的两侧平面相互远离，推动轴向杆件(9-2)绕柔性铰链(9-1)逆时针旋转，摩擦足(9-4)产生沿逆时针方向的切向运动，此时摩擦足(9-4)与旋转圆盘(5)之间的静摩擦力对轴心产生的力矩能够提供旋转圆盘(5)随摩擦足(9-4)一起运动所需的惯性力矩，旋转圆盘(5)与摩擦足(9-4)保持相对静止，带动输出轴(4)逆时针旋转一个微小角度，由此输出轴(4)保留一个逆时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴(4)连续地驱动负载逆时针旋转。
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