CN107994805A - 钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器及方法 - Google Patents
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Abstract
钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器及方法，该作动器由底座、轴承、压电堆、菱形环、弹性元件以及装配和调节所需要的轴承垫片和螺钉组成；菱形环驱动机构通过摩擦内圈固定在底座上的轴承的外圈驱动轴承旋转，轴承外圈通过轴承垫片和外壳连接，将旋转运动输出；菱形环摩擦块和轴承外圈之间的摩擦力即是钳位力，通过调节螺钉挤压弹性元件产生变形，改变菱形环摩擦块与轴承外圈之间的正压力可以实现对钳位力的调节；通过布置在弹性元件表面的应变片可以准确得到作动器钳位力的大小；本发明在切向驱动轴承使其产生旋转，具有测量并调节钳位力的功能；结构内部含有通孔，在光学领域有重要用途；结构紧凑，装配简单，兼具高分辨率和无限大行程的优点，作动性能稳定。
Description
技术领域
本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种钳位力可调切向驱动型含通孔的旋转惯性式压电作动器及作动方法。
背景技术
压电驱动具有体积小、精度高、频率响应高、不发热、易于控制等优点；惯性式压电作动器基于摩擦和惯性冲击原理，可以实现将压电堆微小的单步位移持续输出，同时兼具高精度和大行程的优点。
惯性式压电驱动已被广泛应用于纳米级高精度的直线定位机构、高精度旋转平台、微型机器人、多自由度驱动器等领域；但传统的作动器一般是实心结构，内部不存在通孔，在卫星系统中的光路调节上应用存在缺陷。
惯性式压电作动器一般采用非对称信号、非对称机械夹持或非对称摩擦力的设计，通过惯性冲击实现驱动；采用非对称机械夹持的结构和使用非对称摩擦力设计的结构一般体积较大，设计复杂，装配困难；常用的采用非对称信号控制的机构结构简单，易于实现，但是这一类结构装配好之后驱动机构与运动机构之间的接触面会因为摩擦产生损耗，逐渐降低作动器的精度甚至导致无法作动。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计一种内部存在通孔并且可以实时调整钳位力，从而控制作动器驱动机构与运动机构之间的摩擦力，保证作动器性能不会因为摩擦磨损而降低的旋转式惯性压电作动器及作动方法；在高频率的锯齿波驱动下，作动器可以实现快速响应驱动负载双向旋转；断电情况下能够锁止，保持其位置；并且可以通过钳位力的调节对摩擦损耗进行补偿，保证作动器的性能稳定；此作动器含有通孔，可应用与光路调节，具有结构简单、单步精度高、响应迅速、无限大行程、钳位可调的优点，能够实现断电锁止和驱动负载双向旋转。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器，主要零件包括底座1、轴承2、外壳17和两个反对称布置的驱动机构，整个结构具有旋转对称性，内部含有通孔；内圈垫片15粘接到轴承2的内圈上，通过螺钉固定到底座1上；轴承2的外圈和外圈垫片16粘接，外圈垫片16通过螺钉和外壳17固定；两个反对称布置的驱动机构包含第一菱形环3和第二菱形环10以及通过过盈配合分别安装在第一菱形环3和第二菱形环10内的第一压电堆4和第二压电堆9；第一菱形环3和第二菱形环10一端为摩擦端，与轴承2的外圈表面通过面接触配合，另一端为固定端，固定端底部凸起，固定在底座1上，除了固定端以外的部分悬空，不与底座1接触；圆弧状的第一弹性元件5和第二弹性元件11一端分别与第一菱形环3和第二菱形环10摩擦端面相对的面接触，另一端分别固定在第一调节块6和第二调节块12上；第一调节块6和第二调节块12与分别底座1上的第一凸台7和第二凸台13接触；第一凸台7和第二凸台13上开有螺纹孔，第一螺钉8和第二螺钉14分别通过第一凸台7和第二凸台13上的螺纹孔挤压第一调节块6和第二调节块12，使第一弹性元件5和第二弹性元件11产生变形，从而改变第一菱形环3和第二菱形环10与轴承2的外圈之间的正压力，起到调节钳位力的功能。
所述第一压电堆4和第二压电堆9在未通电时第一菱形环3和第二菱形环10的摩擦端与轴承2的外圈表面紧密接触，轴承2能够承受一定的扭矩，具有断电锁止功能；对第一压电堆4和第二压电堆9施加锯齿波电压，能够使第一菱形环3和第二菱形环10推动轴承2的外圈旋转，从而带动与外圈固定的外壳17旋转，输出位移；通过改变锯齿波的占空比，改变旋转的方向；作动器能够实现顺时针和逆时针双向驱动。
所述第一弹性元件5和第二弹性元件11表面贴有应变片，能够实时测量弹性元件的变形，由此计算得到正压力的准确值，根据需要实时测量并调节钳位力大小。
所述的钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器的作动方法，未通电时，轴承2处于钳位状态，不能随意转动；开始作动时，第一步，同时对第一压电堆4和第二压电堆9施加缓慢上升的电压，压电堆将沿长度方向即轴承外圈圆周的切向伸长，同时使第一菱形环3和第二菱形环10沿此方向伸长，此阶段惯性力小于第一菱形环3和第二菱形环10与轴承2的外圈之间的摩擦力，第一菱形环3和第二菱形环10将带动轴承2的外圈顺时针旋转一个较大的角度α；第二步，同时对第一压电堆4和第二压电堆9施加快速下降的电压，压电堆将沿长度方向快速回缩，带动第一菱形环3和第二菱形环10回缩，此阶段惯性力大于第一菱形环3和第二菱形环10与轴承外圈之间的摩擦力，第一菱形环3和第二菱形环10摩擦端与轴承2的外圈之间会产生相对滑动，轴承2的外圈几乎不动或沿逆时针旋转一个很小的角度β；两步之后，第一压电堆4和第二压电堆9回到原位，轴承2的外圈顺时针转动的角度为α-β；连续重复第一步和第二步，能够使轴承2的外圈顺时针持续转动；改变驱动电压占空比，使第一步的电压快速上升，第二步的电压缓慢下降，能够实现驱动轴承2逆时针转动。
和现有的技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明具有断电锁止的功能，当第一压电堆4和第二压电堆9处于断电状态时，第一菱形环3和第二菱形环10的摩擦端面与轴承2的外圈表面紧密接触，存在静摩擦力，使作动器外壳17能够承受一定的扭矩，不会自由旋转；改变了一般压电作动器需要通电钳位而断电解锁的现状，可以在断电情况下提供可靠的钳位。
2)本发明具备调节正压力的功能，通过旋转第一螺钉8和第二螺钉14可以挤压第一调节块6和第二调节块12，挤压第一弹性元件5和第二弹性元件11产生弹性变形；能够包容加工误差和装配误差，保证了作动器性能的稳定。
3)本发明作动器提供的钳位力可以通过第一弹性元件5和第二弹性元件11上贴有的应变片测得的正压力计算得到，能够实时得到准确的钳位力，并根据需求对钳位力进行调整；保证了作动器性能不会因为摩擦磨损而降低。
4)本发明作动器内部具有通孔结构，在激光通讯、卫星成像系统光路调节等领域具有重要应用价值；结构整体空间利用合理、体积小、质量轻、兼具了高分辨率和无限大行程量大优点。
附图说明
图1是作动器各个零件的装配立体图。
图2是作动器去掉外壳和外圈垫片的俯视图。
图3是作动器的剖视图。
图4是作动器顺时针旋转的驱动电压波形示意图。
图5是作动器逆时针旋转的驱动电压波形示意图。
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和图3所示，本发明钳位力可调型切向驱动型旋转惯性式压电作动器，主要零件包括底座1、轴承2、外壳17和两个反对称布置的驱动机构，整个结构具有旋转对称性，内部含有通孔；内圈垫片15粘接到轴承2的内圈上，通过螺钉固定到底座1上；轴承2的外圈和外圈垫片16粘接，外圈垫片16通过螺钉和外壳17固定；两个反对称布置的驱动机构包含第一菱形环3和第二菱形环10以及通过过盈配合分别安装在第一菱形环3和第二菱形环10内的第一压电堆4和第二压电堆9；第一菱形环3和第二菱形环10一端为摩擦端，与轴承2的外圈表面通过面接触配合，另一端为固定端，固定端底部凸起，固定在底座1上，除了固定端以外的部分悬空，不与底座1接触；圆弧状的第一弹性元件5和第二弹性元件11一端分别与第一菱形环3和第二菱形环10摩擦端面相对的面接触，另一端分别固定在第一调节块6和第二调节块12上；第一调节块6和第二调节块12与分别底座1上的第一凸台7和第二凸台13接触；第一凸台7和第二凸台13上开有螺纹孔，第一螺钉8和第二螺钉14分别通过第一凸台7和第二凸台13上的螺纹孔挤压第一调节块6和第二调节块12，使第一弹性元件5和第二弹性元件11产生变形，从而改变第一菱形环3和第二菱形环10与轴承2的外圈之间的正压力，起到调节钳位力的功能。
所述第一压电堆4和第二压电堆9在未通电时第一菱形环3和第二菱形环10的摩擦端与轴承2的外圈表面紧密接触，轴承2能够承受一定的扭矩，具有断电锁止功能；对第一压电堆4和第二压电堆9施加锯齿波电压，能够使第一菱形环3和第二菱形环10推动轴承2的外圈旋转，从而带动与外圈固定的外壳17旋转，输出位移；通过改变锯齿波的占空比，改变旋转的方向；作动器能够实现顺时针和逆时针双向驱动。
所述第一弹性元件5和第二弹性元件11表面贴有应变片，能够实时测量弹性元件的变形，由此计算得到正压力的准确值，根据需要实时测量并调节钳位力大小。
所述的钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器的作动方法，未通电时，轴承2处于钳位状态，不能随意转动；开始作动时，第一步，同时对第一压电堆4和第二压电堆9施加缓慢上升的电压，压电堆将沿长度方向即轴承外圈圆周的切向伸长，同时使第一菱形环3和第二菱形环10沿此方向伸长，此阶段惯性力小于第一菱形环3和第二菱形环10与轴承2的外圈之间的摩擦力，第一菱形环3和第二菱形环10将带动轴承2的外圈顺时针旋转一个较大的角度α；第二步，同时对第一压电堆4和第二压电堆9施加快速下降的电压，压电堆将沿长度方向快速回缩，带动第一菱形环3和第二菱形环10回缩，此阶段惯性力大于第一菱形环3和第二菱形环10与轴承外圈之间的摩擦力，第一菱形环3和第二菱形环10摩擦端与轴承2的外圈之间会产生相对滑动，轴承2的外圈几乎不动或沿逆时针旋转一个很小的角度β；两步之后，第一压电堆4和第二压电堆9回到原位，轴承2的外圈顺时针转动的角度为α-β；连续重复第一步和第二步，能够使轴承2的外圈顺时针持续转动；改变驱动电压占空比，使第一步的电压快速上升，第二步的电压缓慢下降，能够实现驱动轴承2逆时针转动。
通过调节第一螺钉8和第二螺钉14，使其挤压调节块6和第二调节块12使第一弹性元件5和第二弹性元件11产生弹性变形，从而改变第一菱形环3和第二菱形环10的摩擦端与轴承2外径之间的正压力，实现改变钳位力的功能；第一弹性元件5和第二弹性元件11表面贴有应变片，可以实时测量弹性元件的变形，由此计算得到正压力的准确值，可以根据需要实时测量并调节钳位力大小。
下面对本发明的作动方法进行详细说明：
未通电时，轴承2处于钳位状态，不能随意转动；开始作动时，如图4所示，第一步，同时对第一压电堆4和第二压电堆9施加缓慢上升的电压，压电堆将沿长度方向即轴承外圈圆周的切向伸长，同时使第一菱形环3和第二菱形环10沿此方向伸长，此阶段惯性力小于第一菱形环3和第二菱形环10与轴承2的外圈之间的摩擦力，第一菱形环3和第二菱形环10将带动轴承2的外圈顺时针旋转一个较大的角度α；第二步，同时对第一压电堆4和第二压电堆9施加快速下降的电压，压电堆将沿长度方向快速回缩，带动第一菱形环3和第二菱形环10回缩，此阶段惯性力大于第一菱形环3和第二菱形环10与轴承外圈之间的摩擦力，第一菱形环3和第二菱形环10摩擦端与轴承2的外圈之间会产生相对滑动，轴承2的外圈几乎不动或沿逆时针旋转一个很小的角度β；两步之后，第一压电堆4和第二压电堆9回到原位，轴承2的外圈顺时针转动的角度为α-β；连续重复第一步和第二步，能够使轴承2的外圈顺时针持续转动；如图5所示，改变驱动电压占空比，使第一步的电压快速上升，第二步的电压缓慢下降，能够实现驱动轴承2逆时针转动。
Claims (4)
1.一种钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器，其特征在于：主要零件包括底座(1)、轴承(2)、外壳(17)和两个反对称布置的驱动机构，整个结构具有旋转对称性，内部含有通孔；内圈垫片(15)粘接到轴承(2)的内圈上，通过螺钉固定到底座(1)上；轴承(2)的外圈和外圈垫片(16)粘接，外圈垫片(16)通过螺钉和外壳(17)固定；两个反对称布置的驱动机构包含第一菱形环(3)和第二菱形环(10)以及通过过盈配合分别安装在第一菱形环(3)和第二菱形环(10)内的第一压电堆(4)和第二压电堆(9)；第一菱形环(3)和第二菱形环(10)一端为摩擦端，与轴承(2)的外圈表面通过面接触配合，另一端为固定端，固定端底部凸起，固定在底座(1)上，除了固定端以外的部分悬空，不与底座(1)接触；圆弧状的第一弹性元件(5)和第二弹性元件(11)一端分别与第一菱形环(3)和第二菱形环(10)摩擦端面相对的面接触，另一端分别固定在第一调节块(6)和第二调节块(12)上；第一调节块(6)和第二调节块(12)与分别底座(1)上的第一凸台(7)和第二凸台(13)接触；第一凸台(7)和第二凸台(13)上开有螺纹孔，第一螺钉(8)和第二螺钉(14)分别通过第一凸台(7)和第二凸台(13)上的螺纹孔挤压第一调节块(6)和第二调节块(12)，使第一弹性元件(5)和第二弹性元件(11)产生变形，从而改变第一菱形环(3)和第二菱形环(10)与轴承(2)的外圈之间的正压力，起到调节钳位力的功能。
2.根据权利要求1所述的钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器，其特征在于：所述第一压电堆(4)和第二压电堆(9)在未通电时第一菱形环(3)和第二菱形环(10)的摩擦端与轴承(2)的外圈表面紧密接触，轴承(2)能够承受一定的扭矩，具有断电锁止功能；对第一压电堆(4)和第二压电堆(9)施加锯齿波电压，能够使第一菱形环(3)和第二菱形环(10)推动轴承(2)的外圈旋转，从而带动与外圈固定的外壳(17)旋转，输出位移；通过改变锯齿波的占空比，改变旋转的方向；作动器能够实现顺时针和逆时针双向驱动。
3.根据权利要求1所述的钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器，其特征在于：第一弹性元件(5)和第二弹性元件(11)表面贴有应变片，能够实时测量弹性元件的变形，由此计算得到正压力的准确值，根据需要实时测量并调节钳位力大小。
4.权利要求1所述的钳位力可调切向驱动型旋转惯性式压电作动器的作动方法，其特征在于：未通电时，轴承(2)处于钳位状态，不能随意转动；开始作动时，第一步，同时对第一压电堆(4)和第二压电堆(9)施加缓慢上升的电压，压电堆将沿长度方向即轴承外圈圆周的切向伸长，同时使第一菱形环(3)和第二菱形环(10)沿此方向伸长，此阶段惯性力小于第一菱形环(3)和第二菱形环(10)与轴承(2)的外圈之间的摩擦力，第一菱形环(3)和第二菱形环(10)将带动轴承(2)的外圈顺时针旋转一个较大的角度α；第二步，同时对第一压电堆(4)和第二压电堆(9)施加快速下降的电压，压电堆将沿长度方向快速回缩，带动第一菱形环(3)和第二菱形环(10)回缩，此阶段惯性力大于第一菱形环(3)和第二菱形环(10)与轴承外圈之间的摩擦力，第一菱形环(3)和第二菱形环(10)摩擦端与轴承(2)的外圈之间会产生相对滑动，轴承(2)的外圈几乎不动或沿逆时针旋转一个很小的角度β；两步之后，第一压电堆(4)和第二压电堆(9)回到原位，轴承(2)的外圈顺时针转动的角度为α-β；连续重复第一步和第二步，能够使轴承(2)的外圈顺时针持续转动；改变驱动电压占空比，使第一步的电压快速上升，第二步的电压缓慢下降，能够实现驱动轴承(2)逆时针转动。
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