CN108880321A - 基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法 - Google Patents
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Abstract
基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法，该作动器包括圆柱形轨道、位于圆柱形轨道外的挠曲电型上抓手、与上抓手下端固结的作动球、与作动球下端固结的挠曲电型下抓手，与上抓手电连接的上锁止功放、与作动球电连接的作动功放、与下抓手电连接的下锁止功放均与控制器电连接；当需要作动器向不同方向运动时，只需通过控制器输出相应的控制时序，例如，若需要向上移动时，先使下抓手锁止后作动球膨胀作动，再使上抓手锁止，然后松开下抓手，这样就完成了一个作动周期。该作动器和作动方法的优点是能够输出极小的位移、具有明显的小尺度效应且不受环境温度限制，同时由于是面摩擦，因而具有较可靠的锁止动作。
Description
技术领域
本发明涉及微位移作动器装置，具体涉及基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法。
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。目前多由压电材料执行核心作动任务。然而由于压电材料具有居里温度、使其在高温环境下失效以至于无法正常工作，除此之外，由于压电材料仅存在于非中心对称的晶体结构中，选材范围受限，同时极化效应随时间衰减，使其进一步发展受到了限制；更为重要的是，基于压电材料的作动器技术目前的输出精度极限在亚纳米量级，难以进一步发展。
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基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法，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：
基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器，包括圆柱轨道1，套置于圆柱轨道1上的挠曲电型作动单元，其中挠曲电型作动单元由圆环式挠曲电型上抓手2、与圆环式挠曲电型上抓手2下端固结的挠曲电型作动球3、与挠曲电型作动球3下端固结的圆环式挠曲电型下抓手4构成；上锁止功放6与圆环式挠曲电型上抓手2电连接，作动功放7与挠曲电型作动球3电连接，下锁止功放8与圆环式挠曲电型下抓手4电连接，上锁止功放6、作动功放7和下锁止功放8均与控制器5电连接；所述圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4的电极涂刷于圆环内外壁，挠曲电型作动球3的电极涂刷于球腔内外壁处，当施加电压时，将产生沿圆环径向和球腔径向的电场梯度，由于逆挠曲电效应的作用，将产生沿径向的变形；由于逆挠曲电作用，圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4受到电压作用时会产生沿径向的变形，从而改变和圆柱轨道1的接触力，从而当圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4与圆柱轨道1有相互运动趋势时产生静摩擦力，达到锁止的作用；由于逆挠曲电作用，挠曲电型作动球3受到电压作用时会产生沿圆柱轨道1长度方向的收缩变形，以达到位移输出的作用。
所述圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4的材料相同，而挠曲电型作动球3的材料因负载需求与圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4不同，当需要大单步位移时，挠曲电型作动球3选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料，当需要大载荷输出时，圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料。
所述挠曲电型作动球3的推动力足够推动与其固结的圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4以及负载。
基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器的作动方法，当挠曲电型作动单元上的圆环状的挠曲电型上抓手2、挠曲电型作动球3和圆环式挠曲电型下抓手4沿圆柱轨道1向上运动时，控制器5先后向上锁止功放6和下锁止功放8分别输出锁止和解锁的信号，再向作动功放7输出作动信号，这样上锁止功放6向圆环状的挠曲电型上抓手2输出高电压使圆环状的挠曲电型上抓手2与圆柱轨道1互相锁止、下锁止功放8向圆环状的挠曲电型下抓手4输出低电压使圆环状的挠曲电型下抓手4与圆柱轨道1解锁，作动功放7向挠曲电型作动球3输出高电压使挠曲电型作动球3收缩，并带动圆环状的挠曲电型下抓手4向上移动；控制器5再向下锁止功放8输出锁止信号，下锁止功放8向圆环状的挠曲电型下抓手4输出高电压，圆环状的挠曲电型下抓手4与圆柱轨道1保持锁止；控制器5向上锁止功放6输出解锁信号，上锁止功放6向圆环状的挠曲电型上抓手2输出低电压，圆环状的挠曲电型上抓手2与圆柱轨道1解锁；控制器5向作动功放7输出停止作动信号，作动功放7向挠曲电型作动球3输出低电压，挠曲电型作动球3恢复原状，由于下部锁止，挠曲电型作动球3变形过程中推动圆环状的挠曲电型上抓手2向上移动；完成一个向上的攀爬型步进式运动；向下运动时只需将控制器5的控制时序颠倒运行即可。
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和锁止能力显著等明显优势。
2)本发明能够实现比现有技术高至少一个数量级的高精度步进式大位移输出，且具有良好的载荷/位移范围可设计性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
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所示，本发明基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器，包括圆柱轨道1，套置于圆柱轨道1上的挠曲电型作动单元，其中挠曲电型作动单元由圆环式挠曲电型上抓手2、与圆环式挠曲电型上抓手2下端固结的挠曲电型作动球3、与挠曲电型作动球3下端固结的圆环式挠曲电型下抓手4构成；上锁止功放6与圆环式挠曲电型上抓手2电连接，作动功放7与挠曲电型作动球3电连接，下锁止功放8与圆环式挠曲电型下抓手4电连接，上锁止功放6、作动功放7和下锁止功放8均与控制器5电连接；所述圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4的电极涂刷于圆环内外壁，挠曲电型作动球3的电极涂刷于球腔内外壁处，当施加电压时，将产生沿圆环径向和球腔径向的电场梯度，由于逆挠曲电效应的作用，将产生沿径向的变形；由于逆挠曲电作用，圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4受到电压作用时会产生沿径向的变形，从而改变和圆柱轨道1的接触力，从而当圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4与圆柱轨道1有相互运动趋势时产生静摩擦力，达到锁止的作用；由于逆挠曲电作用，挠曲电型作动球3受到电压作用时会产生沿圆柱轨道1长度方向的收缩变形，以达到位移输出的作用。
作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4和作动球3上的电极具有良好的导电性能和低的附着刚度。
作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4和作动球3固结的方式可选用胶接。
所述圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4的材料相同，而挠曲电型作动球3的材料因负载需求与圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4不同，当需要较大单步位移时，挠曲电型作动球3选择挠曲电系数/弹性模量比值较大的挠曲电材料，如比值为10.37(μC/m)/68.85(GPa)；当需要较大载荷输出时，圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4选择挠曲电系数/弹性模量比值较大的挠曲电材料，如比值为10.37(μC/m)/68.85(GPa)。
所述挠曲电型作动球3的推动力足够推动与其固结的圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4以及负载。
本发明基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器的作动方法，当挠曲电型作动单元上的圆环状的挠曲电型上抓手2、挠曲电型作动球3和圆环式挠曲电型下抓手4沿圆柱轨道1向上运动时，控制器5先后向上锁止功放6和下锁止功放8分别输出锁止和解锁的信号，再向作动功放7输出作动信号，这样上锁止功放6向圆环状的挠曲电型上抓手2输出高电压使圆环状的挠曲电型上抓手2与圆柱轨道1互相锁止、下锁止功放8向圆环状的挠曲电型下抓手4输出低电压使圆环状的挠曲电型下抓手4与圆柱轨道1解锁，作动功放7向挠曲电型作动球3输出高电压使挠曲电型作动球3收缩，并带动圆环状的挠曲电型下抓手4向上移动；控制器5再向下锁止功放8输出锁止信号，下锁止功放8向圆环状的挠曲电型下抓手4输出高电压，圆环状的挠曲电型下抓手4与圆柱轨道1保持锁止；控制器5向上锁止功放6输出解锁信号，上锁止功放6向圆环状的挠曲电型上抓手2输出低电压，圆环状的挠曲电型上抓手2与圆柱轨道1解锁；控制器5向作动功放7输出停止作动信号，作动功放7向挠曲电型作动球3输出低电压，挠曲电型作动球3恢复原状，由于下部锁止，挠曲电型作动球3变形过程中推动圆环状的挠曲电型上抓手2向上移动；完成一个向上的攀爬型步进式运动；向下运动时只需将控制器5的控制时序颠倒运行即可。
Claims (4)
1.基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器，其特征在于：包括圆柱轨道(1)，套置于圆柱轨道(1)上的挠曲电型作动单元，其中挠曲电型作动单元由圆环式挠曲电型上抓手(2)、与圆环式挠曲电型上抓手(2)下端固结的挠曲电型作动球(3)、与挠曲电型作动球(3)下端固结的圆环式挠曲电型下抓手(4)构成；上锁止功放(6)与圆环式挠曲电型上抓手(2)电连接，作动功放(7)与挠曲电型作动球(3)电连接，下锁止功放(8)与圆环式挠曲电型下抓手(4)电连接，上锁止功放(6)、作动功放(7)和下锁止功放(8)均与控制器(5)电连接；所述圆环状的挠曲电型上抓手(2)和圆环式挠曲电型下抓手(4)的电极涂刷于圆环内外壁，挠曲电型作动球(3)的电极涂刷于球腔内外壁处，当施加电压时，将产生沿圆环径向和球腔径向的电场梯度，由于逆挠曲电效应的作用，将产生沿径向的变形；由于逆挠曲电作用，圆环状的挠曲电型上抓手(2)和圆环式挠曲电型下抓手(4)受到电压作用时会产生沿径向的变形，从而改变和圆柱轨道(1)的接触力，从而当圆环状的挠曲电型上抓手(2)和圆环式挠曲电型下抓手(4)与圆柱轨道(1)有相互运动趋势时产生静摩擦力，达到锁止的作用；由于逆挠曲电作用，挠曲电型作动球(3)受到电压作用时会产生沿圆柱轨道(1)长度方向的收缩变形，以达到位移输出的作用。
2.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器，其特征在于：所述圆环状的挠曲电型上抓手(2)和圆环式挠曲电型下抓手(4)的材料相同，而挠曲电型作动球(3)的材料因负载需求与圆环状的挠曲电型上抓手(2)和圆环式挠曲电型下抓手(4)不同，当需要大单步位移时，挠曲电型作动球(3)选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料，当需要大载荷输出时，圆环状的挠曲电型上抓手(2)和圆环式挠曲电型下抓手(4)选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料。
3.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器，其特征在于：所述挠曲电型作动球(3)的推动力足够推动与其固结的圆环状的挠曲电型上抓手(2)和圆环式挠曲电型下抓手(4)以及负载。
4.权利要求1至3任一项所述的基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器的作动方法，其特征在于：当挠曲电型作动单元上的圆环状的挠曲电型上抓手(2)、挠曲电型作动球(3)和圆环式挠曲电型下抓手(4)沿圆柱轨道(1)向上运动时，控制器(5)先后向上锁止功放(6)和下锁止功放(8)分别输出锁止和解锁的信号，再向作动功放(7)输出作动信号，这样上锁止功放(6)向圆环状的挠曲电型上抓手(2)输出高电压使圆环状的挠曲电型上抓手(2)与圆柱轨道(1)互相锁止、下锁止功放(8)向圆环状的挠曲电型下抓手(4)输出低电压使圆环状的挠曲电型下抓手(4)与圆柱轨道(1)解锁，作动功放(7)向挠曲电型作动球(3)输出高电压使挠曲电型作动球(3)收缩，并带动圆环状的挠曲电型下抓手(4)向上移动；控制器(5)再向下锁止功放(8)输出锁止信号，下锁止功放(8)向圆环状的挠曲电型下抓手(4)输出高电压，圆环状的挠曲电型下抓手(4)与圆柱轨道(1)保持锁止；控制器(5)向上锁止功放(6)输出解锁信号，上锁止功放(6)向圆环状的挠曲电型上抓手(2)输出低电压，圆环状的挠曲电型上抓手(2)与圆柱轨道(1)解锁；控制器(5)向作动功放(7)输出停止作动信号，作动功放(7)向挠曲电型作动球(3)输出低电压，挠曲电型作动球(3)恢复原状，由于下部锁止，挠曲电型作动球(3)变形过程中推动圆环状的挠曲电型上抓手(2)向上移动；完成一个向上的攀爬型步进式运动；向下运动时只需将控制器(5)的控制时序颠倒运行即可。
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