CN108614353B - 基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构及其偏转方法 - Google Patents

基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构及其偏转方法 Download PDF

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Abstract

一种基于离子交换聚合金属材料的二维偏转机构及偏转方法，该机构包括在XOZ面内，X轴方向的第一驱动装置和第三驱动装置；在YOZ面内，Y轴方向的第二驱动装置和第四驱动装置；每个驱动装置由一根约束在轴承中可自由转动的轴和分别粘接在轴上、底座上的卷曲IPMC材料组成；当XOZ或YOZ面内的两个驱动机构上的IPMC材料输入大小相等，方向相反的驱动电压时，两块卷曲的IPMC材料会分别卷曲和舒张，在沿轴线方向产生同向的扭矩，从而带动所粘接的轴产生同一方向的转动，轴的转动依靠约束解耦连接装置带动中间平台沿该轴线扭转实现平台偏转；此外，本发明具有双轴独立驱动、二维运动解耦、驱动电压低、输出扭矩大、平台偏转角度大、机构体积小、重量轻、功耗低、发热少、精度高等特点。

Description

基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构及其偏转 方法
技术领域
本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种基于离子交换聚合金属材料(IPMC)的二维偏转解耦机构及其偏转方法。
背景技术
随着近来微电子技术、生物工程、航天工程等学科的迅速发展，二维快速偏转反射镜在军用目标扫描探测、跟踪、瞄准以及天文望远镜、图像稳定，航天器精确指向以及激光通信方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。
以音圈电机为作动元件的偏转装置，往往具有体积大。工作时有电磁泄漏，且角度保持时功耗大、发热严重。
以压电作动器具有尺寸小、重量轻、功耗低、输出力大的特点，但是在尺寸要求小且输出位移大的条件下压电堆的使用受到限制。
以粗压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite，MFC)具有柔性、耐久性，输出精度高。但是高驱动电压和使用寿命限制了该类快反镜的运用。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于IPMC的二维偏转解耦机构及其偏转方法，具有双轴独立驱动、二维运动解耦、驱动电压低、输出扭矩大、平台偏转角度大、价格低廉、机构体积小、重量轻、功耗低、发热少、精度高等特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构，离子交换聚合金属材料简称IPMC，包括中间偏转台8，设置在中间偏转台8两侧、位于X轴并关于Y轴对称的第一驱动装置A和第三驱动装置C，设置在中间偏转台8另两侧、位于Y轴并关于X轴对称的第二驱动装置B和第四驱动装置D；所述X轴和Y轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动装置A为轴承转轴结构，位于XOZ面内，包括两个第一等径轴承2，第一转动轴3及第一卷曲IPMC材料4；所述第一卷曲IPMC材料4一端粘接在第一转轴3上，绕第一转轴3卷曲后，另一端粘接在底座1安装台上；两个第一等径轴承2与底座1固连，第一转动轴3位于两个第一等径轴承2里，只有轴向转动自由度，第一转动轴3根部呈立方体结构，配合中间偏转台8上的导槽传递扭矩，同时不影响Y轴上中间偏转台Z向位移，实现了相交轴Z方向上平移解耦；第一转动轴3扭转带动根部立方体结构与中间偏转台8导槽配合，实现中间偏转台8绕轴转动；所述第一驱动装置A、第二驱动装置B、第三驱动装置C和第四驱动装置D的结构及尺寸相同，均通过转轴根部立方体结构与中间偏转台8导槽配合，按顺时针分布，相邻两者间差90°，形成一个“十”字结构；在位于“十”字交叉点处的中间偏转台8中心点正下方有一个定位球头关节轴承9，起到辅助矫正中间偏转台8绕中心点偏转、限制中间偏转台8平动和支撑中间偏转台8的作用，同时中间偏转台8上安装不同尺寸的反射镜。
所述的基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构的偏转方法，对于第一驱动装置A，当第一卷曲IPMC材料4两端分别固定在底座1安装台和第一转轴3上时，当第一卷曲IPMC材料4上接入正向电压，第一卷曲IPMC材料4会沿第一转轴3径向继续卷曲，从而带动粘接的第一转轴3受到一个沿X轴正向扭转力矩；当第一卷曲IPMC材料4上接入负向电压，第一卷曲IPMC材料4会沿转轴3径向舒展，从而带动粘接的第一转轴3受到一个沿X轴负向扭转力矩；当位于X轴的第一驱动装置A和第三驱动装置C在驱动信号下，实现相同方向的扭转时，中间偏转台8则能够实现绕X轴偏转，同时第二驱动装置B和第四驱动装置D不受中间偏转台8运动耦合影响；同理，当位于Y轴的第二驱动装置B和第四驱动装置D在驱动信号下，实现相同方向的扭转时，中间偏转台8则能够实现绕Y轴偏转，同时在X轴向第一驱动装置A和第四驱动装置C不受中间偏转台8运动耦合影响；当位于X轴和Y轴的两对驱动机构同时工作时实现二维解耦偏转。
对于位于X轴的第一驱动装置A和第三驱动装置C，当第一驱动装置A施加正电压，将会对第一驱动装置A中的第一转轴3产生一个沿X轴正方向扭矩，反向安装的第三驱动装置C施加负电压，将会对第三驱动装置C中的转轴产生一个沿X轴正方向扭矩，共同驱动平台转动；当第一驱动装置A施加等大小反相负电压，将会对第一驱动装置A中的第一转轴3产生一个沿X轴负方向扭矩，反向安装的第三驱动装置C施加等大小反相正电压，将会对第三驱动装置C中的转轴产生一个沿X轴负方向扭矩，共同驱动平台反向转动；该组合驱动模式保证了平台正负转角的一致性，确保了驱动电压与转角的线性度。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)、驱动电压极小，机构台面偏转角度大。
2)、作动机构紧凑，尺寸小，重量轻，适合对空间和重量有要求的应用场合。
3)、双扭转轴正交解耦运动，独立驱动，可实现较高的控制精度。
4)、转轴的尺寸直接决定了扭矩大小，所以选用粗轴可输出大扭矩，实现较大负载作动。
附图说明
图1为本发明装置沿X轴中心剖视图。
图2为本发明装置俯视图。
图3为本发明装置装配图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明一种基于IPMC的二维偏转解耦机构，包括中间偏转台8，设置在中间偏转台8两侧、位于X轴并关于Y轴对称的第一驱动装置A和第三驱动装置C，设置在中间偏转台8另两侧、位于Y轴并关于X轴对称的第二驱动装置B和第四驱动装置D；所述X轴和Y轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动装置A为轴承转轴结构，位于XOZ面内，包括两个第一等径轴承2，第一转动轴3及第一卷曲IPMC材料4；所述第一卷曲IPMC材料4一端粘接在第一转轴3上，绕第一转轴3卷曲后，另一端粘接在底座1安装台上；两个第一等径轴承2与底座1固连，第一转动轴3位于两个第一等径轴承2里，只有轴向转动自由度，第一转动轴3根部呈立方体，配合中间偏转台8导槽可以传递扭矩，同时也实现解耦，不受绕其他轴偏转带来的Z轴向位移影响，第一转动轴3扭转带动根部立方体结构与中间偏转台8导槽配合，实现中间偏转台8绕轴转动。所述第一驱动装置A、第二驱动装置B、第三驱动装置C和第四驱动装置D的结构及尺寸相同，均通过转轴根部立方体结构与中间偏转台8导槽配合，按顺时针分布，相邻两者间差90°，形成一个“十”字结构；在位于“十”字交叉点处的中间偏转台8中心点正下方有一个球头关节轴承9，起到辅助矫正中间偏转台8绕中心点偏转、限制中间偏转台8平动和支撑平台作用，同时中间偏转台8上可以安装不同尺寸的反射镜。
所述第二驱动装置B为轴承转轴结构，位于YOZ面内，包括两个第二等径轴承5，第二转动轴6及第二卷曲IPMC材料7；所述第二卷曲IPMC材料7一端粘接在第二转轴6上，绕第二转动轴6卷曲后，另一端粘接在底座1安装台上；两个第二等径轴承5与底座1固连，第二转动轴6位于两个第二等径轴承5里，只有轴向转动自由度，第二转动轴6根部呈立方体，配合中间偏转台8导槽可以传递扭矩，同时也实现解耦，不受绕其他轴偏转带来的Z轴向位移影响，第二转动轴6扭转带动根部立方体结构与中间偏转台8导槽配合，实现中间偏转台8绕轴转动。
所述第三驱动装置C为轴承转轴结构，位于XOZ面内，包括两个第三等径轴承10，第三转动轴11及第三卷曲IPMC材料12；所述第三卷曲IPMC材料12一端粘接在第三转轴11上，绕第三转动轴11卷曲后，另一端粘接在底座1安装台上；两个第三等径轴承10与底座1固连，第三转动轴11位于两个第三等径轴承10里，只有轴向转动自由度，第三转动轴11根部呈立方体，配合中间偏转台8导槽可以传递扭矩，同时也实现解耦，不受绕其他轴偏转带来的Z轴向位移影响，第三转动轴11扭转带动根部立方体结构与中间偏转台8导槽配合，实现中间偏转台8绕轴转动。
所述第四驱动装置D为轴承转轴结构，位于YOZ面内，包括第四装置的两个第四等径轴承13，第四转动轴14及第四卷曲IPMC材料15；所述第四卷曲IPMC材料15一端粘接在第四转轴14上，绕第四转动轴14卷曲后，另一端粘接在底座1安装台上；两个第四等径轴承13与底座1固连，第四转动轴14位于两个第四等径轴承13里，只有轴向转动自由度，第四转动轴14根部呈立方体，配合中间偏转台8导槽可以传递扭矩，同时也实现解耦，不受绕其他轴偏转带来的Z轴向位移影响，第四转动轴14扭转带动根部立方体结构与中间偏转台8导槽配合，实现中间偏转台8绕轴转动。
本发明基于IPMC的二维偏转解耦机构的偏转方法，其特征在于：对于第一驱动装置A，当第一卷曲IPMC材料4两端分别固定在底座1安装台和第一转轴3上时，当第一卷曲IPMC材料4上接入正向电压，第一卷曲IPMC材料4会沿第一转轴3轴向继续卷曲，从而带动粘接的第一转轴3受到一个X轴正向扭转力矩；当第一卷曲IPMC材料4上接入负向电压，第一卷曲IPMC材料4会沿第一转轴3轴向舒展，从而带动粘接的第一转轴3受到一个X轴负向扭转力矩；由于四个驱动装置结构尺寸相同，绕中间偏转台8中心90°圆周阵列分布。四个驱动装置与中间偏转台8配合接触，呈“十字”状。当位于X轴的第一驱动装置A和第三驱动装置C在驱动信号下，实现相同方向的扭转时，中间偏转台8则可以实现绕X轴偏转，同时Y向驱动不受运动耦合影响；同理，当位于Y轴的第二驱动装置B和第四驱动装置D在驱动信号下，实现相同方向的扭转时，中间偏转台8平台则可以实现绕Y轴偏转，同时X向驱动不受运动耦合影响；当位于X轴和Y轴的两对驱动机构同时工作时实现二维解耦转。

Claims (3)

1.一种基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构，离子交换聚合金属材料简称IPMC，其特征在于：包括中间偏转台(8)，设置在中间偏转台(8)两侧、位于X轴并关于Y轴对称的第一驱动装置(A)和第三驱动装置(C)，设置在中间偏转台(8)另两侧、位于Y轴并关于X轴对称的第二驱动装置(B)和第四驱动装置(D)；所述X轴和Y轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动装置(A)为轴承转轴结构，位于XOZ面内，包括两个第一等径轴承(2)，第一转动轴(3)及第一卷曲IPMC材料(4)；所述第一卷曲IPMC材料(4)一端粘接在第一转轴(3)上，绕第一转轴(3)卷曲后，另一端粘接在底座(1)安装台上；两个第一等径轴承(2)与底座(1)固连，第一转动轴(3)位于两个第一等径轴承(2)里，只有轴向转动自由度，第一转动轴(3)根部呈立方体结构，配合中间偏转台(8)上的导槽传递扭矩，同时不影响Y偏转轴上中间偏转台(8)Z向位移，实现了相交轴Z方向上平移解耦；第一转动轴(3)扭转带动根部立方体结构与中间偏转台(8)导槽配合，实现中间偏转台(8)绕轴转动；所述第一驱动装置(A)、第二驱动装置(B)、第三驱动装置(C)和第四驱动装置(D)的结构及尺寸相同，均通过转轴根部立方体结构与中间偏转台(8)导槽配合，按顺时针分布，相邻两者间差90°，形成一个“十”字结构；在位于“十”字交叉点处的中间偏转台(8)中心点正下方有一个定位球头关节轴承(9)，起到辅助矫正中间偏转台(8)绕中心点偏转、限制中间偏转台(8)平动和支撑中间偏转台(8)的作用，同时中间偏转台(8)上安装不同尺寸的反射镜。
2.如权利要求1所述的基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构的偏转方法，其特征在于：对于第一驱动装置(A)，当第一卷曲IPMC材料(4)两端分别固定在底座(1)安装台和第一转轴(3)上时，当第一卷曲IPMC材料(4)上接入正向电压，第一卷曲IPMC材料(4)会沿第一转轴(3)径向继续卷曲，从而带动粘接的第一转轴(3)受到一个沿X轴正向扭转力矩；当第一卷曲IPMC材料(4)上接入负向电压，第一卷曲IPMC材料(4)会沿第一转轴(3)径向舒展，从而带动粘接的第一转轴(3)受到一个沿X轴负向扭转力矩；当位于X轴的第一驱动装置(A)和第三驱动装置(C)在驱动信号下，实现相同方向的扭转时，中间偏转台(8)则能够实现绕X轴偏转，同时第二驱动装置(B)和第四驱动装置(D)不受中间偏转台(8)运动耦合影响；同理，当位于Y轴的第二驱动装置(B)和第四驱动装置(D)在驱动信号下，实现相同方向的扭转时，中间偏转台(8)则能够实现绕Y轴偏转，同时X向驱动不受运动耦合影响；当位于X轴和Y轴的两对驱动机构同时工作时实现二维解耦偏转。
3.如权利要求2所述的基于离子交换聚合金属材料的二维偏转解耦机构的偏转方法，其特征在于：对于位于X轴的第一驱动装置(A)和第三驱动装置(C)，当第一驱动装置(A)施加正电压，将会对第一驱动装置(A)中的第一转轴(3)产生一个沿X轴正方向扭矩，反向安装的第三驱动装置(C)施加负电压，将会对第三驱动装置(C)中的转轴产生一个沿X轴正方向扭矩，共同驱动平台转动；当第一驱动装置(A)施加等大小反相负电压，将会对第一驱动装置(A)中的第一转轴(3)产生一个沿X轴负方向扭矩，反向安装的第三驱动装置(C)施加等大小反相正电压，将会对第三驱动装置(C)中的转轴产生一个沿X轴负方向扭矩，共同驱动平台反向转动；保证了平台正负转角的一致性，确保了驱动电压与转角的线性度。
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