CN107968593B - 一种四自由度弯矩作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四自由度弯矩作动器；该弯矩作动器采用压电堆作为执行机构，通过对不同压电单元施加不同的电压，输出大小、方向不同的控制力矩，作用于挠性平面结构上，补偿挠性平面结构的变形。弯矩作动器的底座作为压电作动器安装平面，拉力压电堆沿菱形放大环的短边方向位于拉力菱形放大环中，二者采用过盈配合固连，拉力菱形放大环位于上方；推力压电堆沿菱形放大环的长边方向位于推力菱形放大环中，二者采用过盈配合固连，推力菱形放大环位于下方，且拉力菱形放大环与推力菱形放大环二者的安装方向相互垂直。弯矩作动器结构简单，易于安装，具有较大的驱动力和力矩，而且控制精度高，在形状控制方面有很好的应用前景。

Description

一种四自由度弯矩作动器
技术领域
本发明涉及微小形变控制技术领域，具体地说，涉及一种利用压电材料特性来控制挠性平面变形的弯矩作动器。
背景技术
压电作动器是一种利用新型智能材料压电陶瓷的逆压电效应制作而成的作动器。作动器具有精度高、工作频带宽、响应速度快的特点，同时能提供较大驱动力、易于安装和更换、机械输出效率较高。
目前，在空间应用的结构如天线反射器、主镜等对形状控制精度要求很高，可达到λ/20次微米甚至纳米级精度，其中λ为微波或光波波长。空间冷热交变环境及结构应力的改变，导致天线反射器、主镜等在空间冷热交变环境中由于温度的急剧变化产生热变形，以及内部结构应力的改变，导致其产品表面产生微米级的变形，不能满足苛刻的形状控制精度要求，需要提供大输出力矩、正负双向调整形状的多自由度弯矩作动器。
现有公开的技术文献“充气可展开天线精度分析和形面调整”(空间科学学报，2006年04期)中，针对可展开天线系统，利用天线反射器表面与支承结构间连接的索段来调整形面精度。通过改变索段的初始张力，来调整形面偏差，并进行了实验。但初始张力是通过改变索段的初应变或降温而导入的，在太空冷热交变环境下很难改变温度，同时索段的初应变改变量不易测量，故无法精确的改变初始张力。同时，对于索网式结构，其初始张力的精确测量很难实现，该方法实现较为困难。
在文献“型面可调整反射器结构与调整技术概述”(空间电子技术，2010年第3期)中,所涉及的利用PVDF薄膜作动器调整形面精度。但是形状控制的薄膜作动器片出力有限，变形位移小，对作动材质要求较高，适合粘贴在光滑物体表面，不适合大变形、高刚度的复杂空间结构。
在文献“大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制”(计算力学学报，2016年8月第33卷第4期)中，提出在索网天线竖向张力索中用压电堆(PZT)作动器进行主动控制以提高反射面的形面精度。但是这种压电堆只能产生一个方向的弯矩，无法提供多自由度的弯矩，并且只能补偿一个方向的变形。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种四自由度弯矩作动器；该弯矩作动器采用压电堆作为执行机构，通过对不同压电单元施加不同的电压，输出大小、方向不同的控制力矩，作用于挠性平面结构上，补偿挠性平面结构的变形。弯矩作动器结构简单，易于安装，具有较大的驱动力和力矩，而且控制精度高，在形状控制方面有很好的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括底座、拉力压电堆、拉力菱形放大环、连接板、推力菱形放大环、推力压电堆、双头螺栓，所述底座为十字形结构，中间有矩形中空凸台，每个十字边上外侧部有与中间凸台相对的矩形凸块，在凸块上的四个角均布有螺孔，在底座的每个十字边的外边缘均布有底座安装孔，底座作为压电作动器安装平面，拉力菱形放大环在上方，推力菱形放大环在下方，且拉力菱形放大环与推力菱形放大环的安装方向相互垂直；
所述连接板的四个角上设有圆通孔，圆通孔与螺孔直径相同，且位于同一轴线上；连接板的中间部分有两个连接板轴向螺孔，连接板轴向螺孔与双头螺栓直径相同；
所述拉力菱形放大环的两侧面有拉力菱形放大环侧端螺孔，螺孔与双头螺栓直径相同，连接板与拉力菱形放大环通过双头螺栓螺纹配合安装，拉力压电堆沿菱形放大环的短边方向位于拉力菱形放大环中心，二者采用过盈配合固连；
所述推力菱形放大环的两侧面有推力菱形放大环侧端螺孔，螺孔与双头螺栓直径相同，连接板与推力菱形放大环通过双头螺栓螺纹配合安装，推力压电堆沿菱形放大环的长边方向位于推力菱形放大环中轴线上，二者采用过盈配合固连。
所述双头螺栓为圆柱形杆，两端有螺纹。
拉力压电堆和拉力菱形放大环组成的拉力压电作动器，推力菱形放大环和推力压电堆组成的推力压电作动器，四组作动器依底座中心轴对称安装。
有益效果
本发明提出的一种四自由度弯矩作动器，采用压电堆作为执行机构，通过对不同压电单元施加不同的电压，输出大小、方向不同的控制力矩，作用于挠性平面结构上，补偿挠性平面结构的变形。
本发明四自由度弯矩作动器，输出力较大，根据压电堆的大小输出力可达几百牛甚至上千牛，输出弯矩范围较广，能实现对微米级变形的控制。只需通过改变不同压电堆上所加电压的大小，就能得到需要的控制弯矩，控制方法简单，且精度高。控制电压可根据空间挠性平面结构的变形大小由相应的控制器求解出。该四自由度弯矩作动器将输出力转化为弯矩，而且在xOy平面四个象限内均可以产生正负双向的独立控制力矩，即产生四自由度变形控制力矩。
本发明四自由度弯矩作动器,利用压电材料的压电逆效应实现对挠性平面结构的变形控制的结构，结构简单，易于安装，具有较大的驱动力和力矩，而且控制精度高，在形状控制方面有很好的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种四自由度弯矩作动器作进一步详细说明。
图1为本发明四自由度弯矩作动器轴测图。
图2为本发明四自由度弯矩作动器的底座示意图。
图3为本发明的拉力压电作动器的轴测图。
图4为本发明的推力压电作动器的轴测图。
图5为本发明的连接板示意图。
图6为本发明的双头螺栓示意图。
图中
1.底座 2.拉力压电堆 3.拉力菱形放大环 4.连接板 5.推力菱形放大环 6.推力压电堆 7.双头螺栓 8.螺孔 9.底座安装孔 10.圆通孔 11.连接板轴向螺孔 12.拉力菱形放大环侧端螺孔 13.推力菱形放大环侧端螺孔
具体实施方式
本实施例是一种四自由度弯矩作动器。
参阅图1～图6,本实施例四自由度弯矩作动器，是利用压电材料的压电逆效应实现对挠性平面结构的变形控制的结构，由底座1、拉力压电堆2、拉力菱形放大环3、连接板4、推力菱形放大环5、推力压电堆6、双头螺栓7、螺孔8、底座安装孔9、圆通孔10、连接板轴向螺孔11、拉力菱形放大环侧端螺孔12、推力菱形放大环侧端螺孔13组成；其中，底座1为十字形结构，中间有矩形中空凸台，每个十字边上外侧部有与中间凸台相对的矩形凸块，在凸块上的四角均布有螺孔8，在底座的每个十字的外边缘均布有两个底座安装孔9。底座1作为压电作动器的安装平面，拉力菱形放大环3在上方，推力菱形放大环5在下方，且拉力菱形放大环3与推力菱形放大环5二者的安装方向相互垂直。底座1为压电作动器提供安装平面，方便压电作动器与被控结构的耦合，以及后续维修与替换。连接板4的四个角上设有圆通孔10，圆通孔10与螺孔8直径相同，且位于同一轴线上；连接板4的中间部分有两个连接板轴向螺孔11，连接板轴向螺孔11与双头螺栓7直径相同。
本实施例中，拉力菱形放大环3的两侧面有拉力菱形放大环侧端螺孔12，该螺孔的直径与双头螺栓7相同，连接板4与拉力菱形放大环通过双头螺栓7螺纹配合安装，拉力压电堆2沿菱形放大环的短边方向位于拉力菱形放大环3中，二者采用过盈配合固连。推力菱形放大环5的两侧面有推力菱形放大环侧端螺孔13，该螺孔与双头螺栓7直径相同，连接板与推力菱形放大环通过双头螺栓7螺纹配合安装，推力压电堆6沿菱形放大环的长边方向位于推力菱形放大环5中，二者采用过盈配合固连。拉力压电堆和拉力菱形放大环组成的拉力压电作动器，推力菱形放大环和推力压电堆组成的推力压电作动器，四组作动器依底座中心轴对称安装。双头螺栓7为圆柱形杆，两端有螺纹。用于将两个物体固连在一起。
根据被控挠性平面的形状设计底座1的大小及外观，改变底座1的形状；通过设计拉力菱形放大环3和推力菱形放大环5的两个对角线长度之比，改变压电作动器的放大倍数；通过设计拉力菱形放大环3和推力菱形放大环5距底座1的距离，改变该弯矩作动器的输出弯矩，从而满足不同挠性平面上变形控制的要求。
安装步骤:
步骤1，将拉力压电堆2按菱形放大环的短边方向放入拉力菱形放大环3中，二者采用过盈配合固连。
步骤2，将推力压电堆6按菱形放大环的长边方向放入推力菱形放大环5中，二者采用过盈配合固连。
步骤3，取四个双头螺栓7，其中两个双头螺栓7的一端与拉力菱形放大环3两个侧面的拉力菱形放大环侧端螺孔12固定连接，另外两个双头螺栓7的一端与推力菱形放大环5两个侧面的推力菱形放大环侧端螺孔13固定连接。每个双头螺栓7的另一端与连接板4中间部分的两个连接板轴向螺孔11固定连接。拉力菱形放大环3在上方，推力菱形放大环5在下方，且二者的安装方向相互垂直。
步骤4，连接板4通过双头螺栓7与拉力菱形放大环3和推力菱形放大环5固连后，放入底座1的两个凸台之间，螺钉将连接板4四个角处的圆通孔10与底座1凸台上的螺孔8相连接，实现二者的固连；底座1的四个十字边上对称安装。
步骤5，将整个四自由度弯矩作动器放入被控结构上，底座1边缘的底座安装孔9与被控结构通过螺栓连接。
作动方式
以底座1的中心为原点，推力菱形放大环5的输出力方向为x轴，在底座1的平面内垂直于x轴的方向为y轴，建立直角坐标系。
虽然压电堆的精确模型较为复杂，但在在实际应用过程中，可假设输入的电压和输出力基本成线性关系，即：
F＝ku (1)
其中，k表示输入电压u和输出力之间的系数，与压电堆本身的特性有关；输入电压u的大小根据挠性平面结构形面控制的控制器求解得出。
假设挠性平面x方向产生变形，给推力压电堆6两端施加电压u，对推力菱形放大环5产生一个向外的轴向力F,从而形成绕y轴正向的弯矩Ma，设推力压电堆轴向距离与底座1的距离为h1,则：
Ma＝Fh1 (2)
该弯矩可控制挠性平面绕y轴向下转动，从而补偿挠性平面向上的变形。
给拉力压电堆2通电，对拉力菱形放大环3产生一个沿z轴方向向外输出一个向外的轴向力F1，同时菱形放大环3输出一个沿x轴方向向内的竖向位移，对菱形放大环3产生一个向内的轴向力F2,轴向力F2与F1成正比,且F2与F1的比值与菱形放大环3两条对角线的长度之比有关。由于向内的轴向力F2的作用，对挠性平面产生一个绕y轴反向的弯矩，假设菱形放大环3的轴线距底座1的距离为h2，则产生的弯矩为：
Ma＝F2h2 (3)
该弯矩可控制挠性平面绕y轴向上转动，从而补偿挠性平面向下的变形。

Claims (3)

1.一种四自由度弯矩作动器，其特征在于:包括底座、拉力压电堆、拉力菱形放大环、连接板、推力菱形放大环、推力压电堆、双头螺栓，所述底座为十字形结构，中间有矩形中空凸台，每个十字边上外侧部有与中间凸台相对的矩形凸块，在凸块上的四个角均布有螺孔，在底座的每个十字边的外边缘均布有底座安装孔，底座作为压电作动器安装平面，拉力菱形放大环在上方，推力菱形放大环在下方，且拉力菱形放大环与推力菱形放大环的安装方向相互垂直；
所述连接板的四个角上设有圆通孔，圆通孔与底座凸块上四个角的螺孔直径相同，且圆通孔与螺孔位于同一轴线上；连接板的中间部分有两个连接板轴向螺孔，连接板轴向螺孔与双头螺栓直径相同；
所述拉力菱形放大环的两侧面有拉力菱形放大环侧端螺孔，螺孔与双头螺栓直径相同，连接板与拉力菱形放大环通过双头螺栓螺纹配合安装，拉力压电堆沿菱形放大环的短边方向位于拉力菱形放大环中心，二者采用过盈配合固连；
所述推力菱形放大环的两侧面有推力菱形放大环侧端螺孔，螺孔与双头螺栓直径相同，连接板与推力菱形放大环通过双头螺栓螺纹配合安装，推力压电堆沿菱形放大环的长边方向位于推力菱形放大环中轴线上，二者采用过盈配合固连。
2.根据权利要求1所述的四自由度弯矩作动器，其特征在于:所述双头螺栓为圆柱形杆，两端有螺纹。
3.根据权利要求1所述的四自由度弯矩作动器，其特征在于:拉力压电堆和拉力菱形放大环组成的拉力压电作动器，推力菱形放大环和推力压电堆组成的推力压电作动器，四组作动器依底座中心轴对称安装。
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