CN108494288A - 基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法，该作动器包括外壳、挠曲电梳齿式作动单元、输出轴、控制中枢和控制器；其中挠曲电梳齿式作动单元由梳齿式上钳位机构、螺旋式旋转机构和梳齿式下钳位机构一体化加工而成，上下梳齿式钳位机构的结构相同，都是由每一层开口对立且互相保留间隙的弧形梳齿结构嵌套在一起形成的环形梳齿阵列；本发明还公开了该作动器的作动方法；该作动器锁止及驱动结构一体化加工，避免了机械间隙，且单步作动位移极小，精度高，作动方法可以实现双向角位移输出，对其角位移输出速度、大小、方向精确可控。
Description
技术领域
本发明涉及微位移作动器装置，具体涉及一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法。
背景技术
极微小位移的作动及基于极高精度的大变形作动技术是科学仪器、航天器精确指向、材料工程、高精度机加工等领域的核心技术。现阶段大多数精密作动任务采用具备良好微位移输出特性的压电材料作为输出部件，但压电材料在直线微位移控制方面具有优异的特性，但无法直接输出角位移且具有居里温度，极化效应会随时间衰减，位移输出量级最高在亚纳米量级等问题，在一定程度上限制了作动精度及方式的发展。逆挠曲电效应是由电场梯度导致结构应变，存在于几乎所有电介质材料中，不需要极化，不存在居里温度，输出量级在皮米范围，且挠曲电材料结构可设计性强，因此可以作为极高精度作动的一种新方法。
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基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法，为解决宽温度环境范围下的极微小位移输出(输出精度)及基于步进式的大变形作动技术提供了有效的解决方案。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，包括外壳1、置于外壳1内的挠曲电梳齿式作动单元2和预紧设置在挠曲电梳齿式作动单元2内的输出轴3，所述挠曲电梳齿式作动单元2由上至下依次包括梳齿式上钳位机构2-1、螺旋式旋转机构2-2和梳齿式下钳位机构2-3，还包括控制中枢4以及用于控制梳齿式上钳位机构2-1的上锁止控制器7构成、控制螺旋式旋转机构2-2的旋转控制器6、控制梳齿式下钳位机构2-3的下锁止控制器5。
所述挠曲电梳齿式作动单元2采用挠曲电材料，梳齿式上钳位机构2-1和梳齿式下钳位机构2-3结构相同，都是由每一层开口对立且互相保留间隙的弧形梳齿结构嵌套在一起形成的环形梳齿阵列构成，由于是环形结构，内外涂有电极施加电压时能产生沿径向的电场梯度，从而实现逆挠曲电效应，环形结构能够向内收紧抱住输出轴3；由于是互相嵌套的弧形梳齿结构，每一个弧形梳齿结构输出锁止力时，对输出轴3都产生均匀的环向力，避免对输出轴有一个横向的干扰力。
所述梳齿式上钳位机构2-1、螺旋式旋转机构2-2、梳齿式下钳位机构2-3一体化加工而成，将钳位装置和驱动装置集成在同一结构，避免了机械间隙，通过布置不同的电极施加不同的电信号来达到角位移输出的目的，且单步作动位移极小，精度高；也能够根据不同的输出载荷要求和选择相应挠曲电系数和弹性模量比值大的挠曲电材料。
所述的一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器的作动方法，顺时针作动时，第一步当控制中枢4下达顺时针旋转命令时，下锁止控制器5输出电压信号，使得梳齿式下钳位机构2-3每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，梳齿式上钳位机构2-1处于松开状态；第二步旋转控制器6输出相应电压信号，使得中间的螺旋式旋转机构2-2发生顺时针旋转，带动输出轴3顺时针旋转，第三步上锁止控制器7输出相应的电压信号，使得梳齿式上钳位机构2-1每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，下锁止控制器5输出相应电压信号，使得梳齿式下钳位机构2-3每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴3，旋转控制器6输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构2-2初始状态，将已松开的梳齿式下钳位机构2-3带动顺时针旋转，从而完成一个顺时针步进周期的作动；逆时针旋转时，第一步当控制中枢4下达逆时针旋转命令时，上锁止控制器7输出电压信号，使得梳齿式上钳位机构2-1每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，梳齿式下钳位机构2-3处于松开状态；第二步旋转控制器6输出相应电压信号，因为此时固定的为梳齿式上钳位机构2-1，所以中间的螺旋式旋转机构2-2发生逆时针旋转，带动输出轴3逆时针旋转；第三步下锁止控制器5输出相应的电压信号，使得梳齿式下钳位机构2-3每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，上锁止控制器7输出相应电压信号，使得梳齿式上钳位机构2-1每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴3，旋转控制器6输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构2-2初始状态，将已松开的梳齿式上钳位机构2-1带动逆时针旋转，从而完成一个逆时针步进周期的作动；能够实现双向角位移输出，对其角位移输出速度、大小、方向精确可控。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相对于传统的压电材料作动器技术，本发明具有单步位移输出数量级更小，适应的温度范围更广，尺度效应明显，选材范围更广，器件服役可靠性更高等明显优势。
2)本发明将两个钳位部件和一个驱动部件集成于一体，避免了三者安装装配的机械间隙，且梳齿式钳位结构可以使得钳位部件输出的钳位力均匀可靠，避免了常规钳位结构对输出轴的冲击力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中挠曲电梳齿式作动单元结构示意图。
图3为基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器作动原理图，其中图3a为松开状态和钳位状态图，图3b为作动过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，包括外壳1、挠曲电梳齿式作动单元2，输出轴3，控制中枢4以及用于控制梳齿式上钳位机构2-1的上锁止控制器7、控制螺旋式旋转机构2-2的旋转控制器6、控制梳齿式下钳位机构2-3的下锁止控制器5。其中挠曲电梳齿式作动单元2采用挠曲电材料，梳齿式上钳位机构2-1和梳齿式下钳位机构2-3结构相同，都是由每一层开口对立且互相保留间隙的弧形梳齿结构嵌套在一起形成的环形梳齿阵列构成，由于是环形结构，内外涂有电极施加电压时可产生沿径向的电场梯度，从而实现逆挠曲电效应，环形结构可以向内收紧抱住输出轴3。由于是互相嵌套的弧形梳齿结构，每一个钳位结构输出锁止力时，对输出轴3都产生均匀的环向力，避免了一般常规的钳位结构会对输出轴有以一个横向的干扰力。将钳位装置和驱动装置集成在同一结构，避免了机械间隙，通过布置不同的电极施加不同的电信号来达到角位移输出的目的，且单步作动位移极小，精度高。也可根据不同的输出载荷要求和选择相应挠曲电系数/弹性模量比值较大的挠曲电材料。
如图3中图3a和图3b所示，所述的一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，其作动方法为：顺时针作动时，第一步当控制中枢4下达顺时针旋转的命令时，下锁止控制器5输出电压信号，使得梳齿式下钳位机构2-3每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，梳齿式上钳位机构2-1处于松开状态；第二步旋转控制器6输出相应电压信号，使得中间的螺旋式旋转机构2-2发生顺时针旋转，带动输出轴3顺时针旋转，第三步上锁止控制器7输出相应的电压信号，使得梳齿式上钳位机构2-1每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，下锁止控制器5输出相应电压信号，使得梳齿式下钳位机构2-3每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴3，旋转控制器6输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构2-2初始状态，将已松开的梳齿式下钳位机构2-3带动顺时针旋转，从而完成一个顺时针步进周期的作动。需要逆时针旋转时，第一步当控制中枢4下达逆时针旋转的命令时，上锁止控制器7输出电压信号，使得梳齿式上钳位机构2-1每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，梳齿式下钳位机构处于松开状态；第二步旋转控制器6输出相应电压信号，因为此时固定的为梳齿式上钳位机构2-1，所以中间的螺旋式旋转机构2-2发生逆时针旋转，带动输出轴3逆时针旋转；第三步下锁止控制器5输出相应的电压信号，使得梳齿式下钳位机构2-3每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴3，上锁止控制器7输出相应电压信号，使得梳齿式上钳位机构2-1每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴3，旋转控制器6输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构2-2初始状态，将已松开的梳齿式上钳位机构2-1带动逆时针旋转，从而完成一个逆时针步进周期的作动。该作动器锁止及驱动结构一体化加工，避免了机械间隙，且单步作动位移极小，精度高，作动方法可以实现双向角位移输出，对其角位移输出速度、大小、方向精确可控。
所述挠曲电梳齿式作动单元2与输出轴3之间具有合适的摩擦力设计和处理过的耐磨工艺，以保证锁止动作的可靠性和使用的持久性。
Claims (4)
1.一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，其特征在于：包括外壳(1)、置于外壳(1)内的挠曲电梳齿式作动单元(2)和预紧设置在挠曲电梳齿式作动单元(2)内的输出轴(3)，所述挠曲电梳齿式作动单元(2)由上至下依次包括梳齿式上钳位机构(2-1)、螺旋式旋转机构(2-2)和梳齿式下钳位机构(2-3)，还包括控制中枢(4)以及用于控制梳齿式上钳位机构(2-1)的上锁止控制器(7)、控制螺旋式旋转机构(2-2)的旋转控制器(6)、控制梳齿式下钳位机构(2-3)的下锁止控制器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，其特征在于：所述挠曲电梳齿式作动单元(2)采用挠曲电材料，梳齿式上钳位机构(2-1)和梳齿式下钳位机构(2-3)结构相同，都是由每一层开口对立且互相保留间隙的弧形梳齿结构嵌套在一起形成的环形梳齿阵列构成，由于是环形结构，内外涂有电极施加电压时能产生沿径向的电场梯度，从而实现逆挠曲电效应，环形结构能够向内收紧抱住输出轴(3)；由于是互相嵌套的弧形梳齿结构，每一个弧形梳齿结构输出锁止力时，对输出轴(3)都产生均匀的环向力，避免对输出轴有一个横向的干扰力。
3.根据权利要求1所述的一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，其特征在于：所述梳齿式上钳位机构(2-1)、螺旋式旋转机构(2-2)、梳齿式下钳位机构(2-3)一体化加工而成，将钳位装置和驱动装置集成在同一结构，避免了机械间隙，通过布置不同的电极施加不同的电信号来达到角位移输出的目的，且单步作动位移极小，精度高；也能够根据不同的输出载荷要求和选择相应挠曲电系数和弹性模量比值大的挠曲电材料。
4.权利要求1至3任一项所述的一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器的作动方法，其特征在于：顺时针作动时，第一步当控制中枢(4)下达顺时针旋转命令时，下锁止控制器(5)输出电压信号，使得梳齿式下钳位机构(2-3)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，梳齿式上钳位机构(2-1)处于松开状态；第二步旋转控制器(6)输出相应电压信号，使得中间的螺旋式旋转机构(2-2)发生顺时针旋转，带动输出轴(3)顺时针旋转，第三步上锁止控制器(7)输出相应的电压信号，使得梳齿式上钳位机构(2-1)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，下锁止控制器(5)输出相应电压信号，使得梳齿式下钳位机构(2-3)每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴(3)，旋转控制器(6)输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构(2-2)初始状态，将已松开的梳齿式下钳位机构(2-3)带动顺时针旋转，从而完成一个顺时针步进周期的作动；逆时针旋转时，第一步当控制中枢(4)下达逆时针旋转命令时，上锁止控制器(7)输出电压信号，使得梳齿式上钳位机构(2-1)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，梳齿式下钳位机构(2-3)处于松开状态；第二步旋转控制器(6)输出相应电压信号，因为此时固定的为梳齿式上钳位机构(2-1)，所以中间的螺旋式旋转机构(2-2)发生逆时针旋转，带动输出轴(3)逆时针旋转；第三步下锁止控制器(5)输出相应的电压信号，使得梳齿式下钳位机构(2-3)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，上锁止控制器(7)输出相应电压信号，使得梳齿式上钳位机构(2-1)每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴(3)，旋转控制器(6)输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构(2-2)初始状态，将已松开的梳齿式上钳位机构(2-1)带动逆时针旋转，从而完成一个逆时针步进周期的作动；能够实现双向角位移输出，对其角位移输出速度、大小、方向精确可控；挠曲电梳齿式作动单元(2)，输出轴(3)之间装配时采用过盈配合以增加摩擦力，并具备断电锁止的功能。
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