CN108258931A - 大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统及其方法。它包括压电复合材料双晶片、非对称高压供电回路；压电复合材料双晶片是在中间层的上下表面贴敷两片压电复合材料的复合梁、梁的自由端与一轴固定、轴的两端套上两只微型轴承，轴承上套上预制卡槽的外环，在卡槽内嵌入弹性带，弹性带的另一端的两头与固定基座相连，紧绷的弹性带提供悬臂梁预压力；非对称高压供电系统包括了直流‑直流变压器、电阻、二极管、从而组成不对称的分压电路。本发明可使压电复合材料双晶片在全驱动电压下变形，从而大幅提高作动器输出位移，并克服传统压电陶瓷双晶片不可大幅弯曲的缺点；能够作为内部空间狭小、操控带宽大的微型飞行器伺服作动器。
Description
技术领域
本发明涉及大位移压电作动技术领域。具体涉及一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统。
背景技术
微型飞行器广泛应用于侦查、打击、搜寻、物流及急救等军民领域。为了提高飞行器的隐蔽性和机动能力，进一步微型化是该领域的趋势之一，但目前的电动舵机控制带宽较窄(<20Hz)，且需要占据机身内部较大的体积和重量，因而逐渐不能适应飞行器微型化的要求。
压电作动器具有较大的控制带宽和响应速率，作为大力小位移作动器传感器已在航空航天以及机械领域广泛运用，然而压电作动器较小的输出位移限制了其在大位移作动场合的应用。如何通过机电设计实现压电作动器的大行程作动引起广泛关注。目前提出的柔性铰链法、位移累积法等都是增大压电作动器输出位移的方法，但是这些作动器通常结构形式复杂、零件较多、体积较大，因而也难以满足微型飞行器的操控要求。
压电复合材料是一种新型的压电作动器，其相较于压电陶瓷材料的优点在于具有较大的柔度，因而可以作为一种承受较大曲率的压电作动器；但缺点在于驱动电压较高且不对称，如MFC的作动电压为-500～1500V，一般的微型无人机上供电设备难以达到这一不对称的高驱动幅值，因而限制了其作动能力。另外根据专利US6236143B1可知，压电双晶片作动器需要产生大位移主要是要克服其横向弯曲刚度，可通过轴向预压力的施加从而减小梁的等效横向弯曲刚度，然而当施加方式不合理，如轴向力施加单元与作动器端部有较大的摩擦力，不但不能增大作动位移反而会阻碍作动，另外专利US6236143B1提出的增大压电双晶片输出位移是针对压电陶瓷双晶片，由于压电陶瓷的抗拉性能较差，因而作动器也无法达到更大的行程。
发明内容
为了克服现有压电双晶片由于材料以及供电电路对输出位移的限制，本发明的目的在于提供一种增大压电复合材料双晶片作动器输出位移的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：包括压电复合材料双晶片悬臂梁、非对称高压供电回路；在压电复合材料双晶片悬臂梁的中间层的上下表面分别贴敷上层压电复合材料和下层压电复合材料，中间层的自由端与轴固连，轴的两端分别设置于轴承中，在左右两侧的轴承外分别套有预制卡槽轴承套，预制卡槽轴承套外壁上周向预先开设有卡槽；两条弹性带分别布置在压电复合材料双晶片悬臂梁的左右两侧，且两条弹性带的端部分别固定于固定基座上，再分别将两条弹性带中间段各箍入一个预制卡槽轴承套的卡槽内，用于对压电复合材料双晶片悬臂梁施加预压力；上层压电复合材料和下层压电复合材料的正负电极均引出导线接入非对称高压供电回路。
作为优选，所述的轴以过盈配合方式设置于轴承中。
作为优选，所述的预制卡槽轴承套以过盈配合方式套设于轴承外。
作为优选，非对称高压供电回路的供电回路包括，直流-直流变压器DC-DC1的输入端与控制信号V1相连，直流-直流变压器DC-DC1的输出端的正极与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端和直流-直流变压器DC-DC1的输出端负极相连并接地，二极管D1的阴极与电阻R1相连的一端与电阻R2的一端、上层压电复合材料的正极、以及二极管D6的阴极分别相连，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与上层压电复合材料的负极以及下层压电复合材料的负极相连；二极管D2的阴极与电阻R3的一端以及电阻R6的一端相连，并与二极管D5的阴极相连；二极管D6的阳极与电阻R6的另一端相连；电阻R3的另一端与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与下层压电复合材料的正极、电阻R5的一端、电阻R4的一端、以及二极管D4的阴极相连，电阻R5的另一端与二极管D5的阳极相连，二极管D4的阳极与直流-直流变压器DC-DC2的输入端正极相连，直流-直流变压器DC-DC2的输入端负极与电阻R4的另一端相连并接地；直流-直流变压器DC-DC2的输入端与控制信号V2相连。
作为优选，所述的压电复合材料为AFC、MFC材料。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述系统的大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动方法，具体为：将上层压电复合材料和下层压电复合材料的正负极分别接入非对称高压供电回路，通过两端直流-直流变压器DC-DC1、DC-DC2等比例升压，当控制信号V1>V2时，此时施加于上层压电复合材料的电压为K×(V1-V2)×R2/(R2+R3)，K为电压放大增益，施加于下压电复合材料的电压为K×(V2-V1)×R3/(R2+R3)，此时上层压电复合材料伸长，下层压电复合材料缩短，使得压电复合材料双晶片悬臂梁向下弯曲；当V1<V2时，此时施加于下层压电复合材料的电压为K×(V2-V1)×R5/(R5+R6)，施加于上层压电复合材料的电压为K×(V1-V2)×R6/(R5+R6)，使得下层压电复合材料伸长，上层压电复合材料缩短，使得压电复合材料双晶片悬臂梁向上弯曲；在压电复合材料双晶片悬臂梁弯曲过程中，通过箍入预制卡槽轴承套卡槽内的弹性带对压电复合材料双晶片悬臂梁施加轴向预压力，该轴向预压力小于一阶轴向屈曲力，利用该轴向预压力减小梁的等效弯曲刚度，从而增大压电复合材料双晶片悬臂梁作动器的输出位移。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过预压力的施加，压电复合材料悬臂梁作动器的输出位移增加数倍，增加倍数与轴向预压力的大小及驱动电压的幅值有关。加入非对称高压供电回路7能够使得压电复合材料双晶片能够在全驱动电压下工作，进一步增大了其输出位移。该压电复合材料双晶片悬臂梁作动器可以直接插入微型飞行器翼梁固定，从而直接驱动翼面偏转，不需要像传统的电动机需要布置在机体内部，以及一套附加的减速机构，从而增大了微型飞行器的有效载荷及内部空间，还能够提高微型飞行器操控带宽。
附图说明
图1是本发明的大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统的示意图；
图2是压电复合材料双晶片作动器示意图；
图3是轴预压力施加机构示意图；
图4是本发明的非对称高压供电回路示意图；
图5是本发明的非对称高压供电回路(V1>V2)情况下的示意图；
图6是本发明的非对称高压供电回路(V2>V1)情况下的示意图；
图中，固定基座1、左弹性带2-1、右弹性带2-2、左轴承3-1、右轴承3-2、左预制卡槽轴承套4-1、右预制卡槽轴承套4-2、压电复合材料双晶片5、压电复合材料双晶片中间层5-1、上下压电复合材料层5-2、5-3、非对称高压供电回路7、V1>V2与V1<V2分压电路7-1、7-2、导线8。
具体实施方式
本发明是一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，通过轴向预压力减小作动器梁的等效横向刚度，并将上下压电复合材料层接入非对称高压供电回路，实现全驱动电压作动，从而实现大行程作动。
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图3所示，大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：包括压电复合材料双晶片悬臂梁5、非对称高压供电回路7；在压电复合材料双晶片悬臂梁5的中间层5-1的上下表面分别贴敷上层压电复合材料5-2和下层压电复合材料5-3，中间层5-1的自由端与轴6固连，轴6的两端分别以过盈配合方式设置于轴承3中，在左轴承3-1、右轴承3-2外分别以过盈配合方式套有左预制卡槽轴承套4-1、右预制卡槽轴承套4-2，左预制卡槽轴承套4-1、右预制卡槽轴承套4-2外壁上均周向预先开设有与弹性带2相匹配的卡槽。左弹性带2-1、右弹性带2-2分别布置在压电复合材料双晶片悬臂梁5的左右两侧，且左弹性带2-1的端部均固定于固定基座1上的左侧，右弹性带2-2的端部均固定于固定基座1上的右侧，再分别将左弹性带2-1、右弹性带2-2中间段分别箍入预制卡槽轴承套4-1、右预制卡槽轴承套4-2的卡槽内，左弹性带2-1、右弹性带2-2均处于绷紧状态，对压电复合材料双晶片悬臂梁5施加预压力；上层压电复合材料5-2和下层压电复合材料5-3的正负电极均引出导线8接入非对称高压供电回路7。
如图4所示，非对称高压供电回路7的供电回路包括，直流-直流变压器DC-DC1的输入端与控制信号V1相连，直流-直流变压器DC-DC1的输出端的正极与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端和直流-直流变压器DC-DC1的输出端负极相连并接地，二极管D1的阴极与电阻R1相连的一端与电阻R2的一端、上层压电复合材料5-2的正极、以及二极管D6的阴极分别相连，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与上层压电复合材料5-2的负极以及下层压电复合材料5-3的负极相连；二极管D2的阴极与电阻R3的一端以及电阻R6的一端相连，并与二极管D5的阴极相连；二极管D6的阳极与电阻R6的另一端相连；电阻R3的另一端与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与下层压电复合材料5-3的正极、电阻R5的一端、电阻R4的一端、以及二极管D4的阴极相连，电阻R5的另一端与二极管D5的阳极相连，二极管D4的阳极与直流-直流变压器DC-DC2的输入端正极相连，直流-直流变压器DC-DC2的输入端负极与电阻R4的另一端相连并接地；直流-直流变压器DC-DC2的输入端与控制信号V2相连。
本发明利用预压方法减小压电复合材料双晶片梁的等效弯曲刚度，利用非对称高压供电回路对压电复合材料实现全驱动电压供电，从而大幅提高作动位移。本发明采用的压电复合材料为AFC(Active fiber composite)、MFC(Macro fiber composite)等材料。
采用上述系统的大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动方法，具体是采用如下方案实现的：将上层压电复合材料5-2和下层压电复合材料5-3的正负极分别接入非对称高压供电回路7，通过两端直流-直流变压器DC-DC1、DC-DC2等比例升压，当控制信号V1>V2时，如图5所示的分压电路导通，此时施加于上层压电复合材料5-2的电压为K×(V1-V2)×R2/(R2+R3)，K为电压放大增益，施加于下压电复合材料5-3的电压为K×(V2-V1)×R3/(R2+R3)，此时上层压电复合材料5-2伸长，下层压电复合材料5-3缩短，使得压电复合材料双晶片悬臂梁5向下弯曲；当V1<V2时，如图6所示的分压电路导通，此时施加于下层压电复合材料5-3的电压为K×(V2-V1)×R5/(R5+R6)，施加于上层压电复合材料5-2的电压为K×(V1-V2)×R6/(R5+R6)，使得下层压电复合材料5-3伸长，上层压电复合材料5-2缩短，使得压电复合材料双晶片悬臂梁向上弯曲；在压电复合材料双晶片悬臂梁5弯曲过程中，通过箍入预制卡槽轴承套4卡槽内的弹性带2对压电复合材料双晶片悬臂梁5施加轴向预压力，该轴向预压力小于一阶轴向屈曲力，利用该轴向预压力减小梁的等效弯曲刚度，从而增大压电复合材料双晶片悬臂梁5作动器的输出位移。
本发明可使压电复合材料双晶片在全驱动电压下变形，从而大幅提高作动器输出位移，并克服传统压电陶瓷双晶片不可大幅弯曲的缺点；能够作为内部空间狭小、操控带宽大的微型飞行器伺服作动器。
Claims (6)
1.一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：包括压电复合材料双晶片悬臂梁(5)、非对称高压供电回路(7)；在压电复合材料双晶片悬臂梁(5)的中间层(5-1)的上下表面分别贴敷上层压电复合材料(5-2)和下层压电复合材料(5-3)，中间层(5-1)的自由端与轴(6)固连，轴(6)的两端分别设置于轴承(3)中，在左右两侧的轴承(3)外分别套有预制卡槽轴承套(4)，预制卡槽轴承套(4)外壁上周向预先开设有卡槽；两条弹性带(2)分别布置在压电复合材料双晶片悬臂梁(5)的左右两侧，且两条弹性带(2)的端部分别固定于固定基座(1)上，再分别将两条弹性带(2)中间段各箍入一个预制卡槽轴承套(4)的卡槽内，用于对压电复合材料双晶片悬臂梁(5)施加预压力；上层压电复合材料(5-2)和下层压电复合材料(5-3)的正负电极均引出导线(8)接入非对称高压供电回路(7)。
2.根据权利要求1所述的一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：所述的轴(6)以过盈配合方式设置于轴承(3)中。
3.根据权利要求1所述的一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：所述的预制卡槽轴承套(4)以过盈配合方式套设于轴承(3)外。
4.根据权利要求1所述的一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：非对称高压供电回路(7)的供电回路包括，直流-直流变压器DC-DC1的输入端与控制信号V1相连，直流-直流变压器DC-DC1的输出端的正极与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端和直流-直流变压器DC-DC1的输出端负极相连并接地，二极管D1的阴极与电阻R1相连的一端与电阻R2的一端、上层压电复合材料(5-2)的正极、以及二极管D6的阴极分别相连，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与上层压电复合材料(5-2)的负极以及下层压电复合材料(5-3)的负极相连；二极管D2的阴极与电阻R3的一端以及电阻R6的一端相连，并与二极管D5的阴极相连；二极管D6的阳极与电阻R6的另一端相连；电阻R3的另一端与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与下层压电复合材料(5-3)的正极、电阻R5的一端、电阻R4的一端、以及二极管D4的阴极相连，电阻R5的另一端与二极管D5的阳极相连，二极管D4的阳极与直流-直流变压器DC-DC2的输入端正极相连，直流-直流变压器DC-DC2的输入端负极与电阻R4的另一端相连并接地；直流-直流变压器DC-DC2的输入端与控制信号V2相连。
5.根据权利要求1所述的一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：所述的压电复合材料为AFC、MFC材料。
6.一种采用如权利要求5所述系统的大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动方法，其特征在于：将上层压电复合材料(5-2)和下层压电复合材料(5-3)的正负极分别接入非对称高压供电回路(7)，通过两端直流-直流变压器DC-DC1、DC-DC2等比例升压，当控制信号V1>V2时，此时施加于上层压电复合材料(5-2)的电压为K×(V1-V2)×R2/(R2+R3)，K为电压放大增益，施加于下压电复合材料(5-3)的电压为K×(V2-V1)×R3/(R2+R3)，此时上层压电复合材料(5-2)伸长，下层压电复合材料(5-3)缩短，使得压电复合材料双晶片悬臂梁(5)向下弯曲；当V1<V2时，此时施加于下层压电复合材料(5-3)的电压为K×(V2-V1)×R5/(R5+R6)，施加于上层压电复合材料(5-2)的电压为K×(V1-V2)×R6/(R5+R6)，使得下层压电复合材料(5-3)伸长，上层压电复合材料(5-2)缩短，使得压电复合材料双晶片悬臂梁向上弯曲；在压电复合材料双晶片悬臂梁(5)弯曲过程中，通过箍入预制卡槽轴承套(4)卡槽内的弹性带(2)对压电复合材料双晶片悬臂梁(5)施加轴向预压力，该轴向预压力小于一阶轴向屈曲力，利用该轴向预压力减小梁的等效弯曲刚度，从而增大压电复合材料双晶片悬臂梁(5)作动器的输出位移。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190709 Termination date: 20220111 |
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