CN109660147A - 一种微型多通道压电舵机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型多通道压电舵机，属于压电作动器技术领域，利用压电双晶片诱导柔性梁弯曲驱动舵面，能够在小型化、轻型化的基础上对多通道实现单独的控制，并保持良好的位置控制性能。本发明包括：舵面、柔性梁、滑台、电磁推拉机构和压电双晶片；压电双晶片在预压力弹簧的作用下，铰支端对输出轴和柔性梁提供初始诱导弯矩，之后电磁推拉机构带动滑台运动并对柔性梁提供轴向推力，柔性梁在诱导弯矩和滑台轴向推力作用下产生预设方向的柔性变形，利用端部输出角位移和弯矩带动输出轴和舵面产生偏转，并在电磁推拉机构作用下实现到位后自锁。其特征是所述的柔性梁在产生大变形时，压电双晶片会在定位块的作用下产生回拉运动而与输出轴脱开。
Description
技术领域
本发明属于压电作动器技术领域，尤其涉及一种微型多通道压电舵机。
背景技术
压电双晶片由两层压电材料层通过粘合剂（通常为环氧树脂胶）与中间基体层贴合，上压电层的上表面和下压电层的下表面为电极，中间层和上压电层的下表面和下压电层的上表面共极，通过对上下压电层施加反向电压，从而在上下压电层中产生反向应变，使得压电双晶片发生弯曲。中间基体层通常为导电材料，可以是钢、铝等金属材料也可以是导电碳纤维等复合材料。
压电驱动器具有控制带宽高、功率消耗相对较小、质量轻、结构简单等诸多优点，是微小型舵机作动装置的最佳选择。虽然当对压电双晶片施加轴向力时，可减小其横向刚度，提高双晶片的力和位移输出能力，但经过预压缩后的双晶片通常也还是很难直接满足舵机的性能需求，普通的压电舵机又无法实现多通道单独精密控制的技术，而现有的多通道电磁舵机无法实现小型化、轻型化，因此，对于双晶片舵机系统的设计显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种微型多通道压电舵机，利用压电双晶片诱导柔性梁弯曲驱动舵面，能够在小型化、轻型化的基础上对多通道实现单独的控制，并保持良好的位置控制性能，具有响应快，功率消耗小的优点。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种微型多通道压电舵机，包括：基座部、滑动部、转动部和旋向诱导部；所述基座部包括基座10，基座10为中心对称方形结构，基座10两侧上部分别设置基座轴套安装孔10.1，基座10顶边内侧中部对称设置两个凸面，凸面上分别对称设置输出轴支撑孔10.2，基座10底边两侧分别设有弹簧安装孔b10.8，两个弹簧安装孔b10.8之间对称设置两个内支架10.5，两个内支架10.5内侧中部分别设有凸台，凸台上设有弹簧安装孔a10.7，凸台上方的内支架10.5内侧设有滑道10.6，内支架10.5顶部设有内支架定位槽10.3，内支架定位槽10.3两侧对称设置基座定位孔10.4；
所述滑动部包括定位块4、推拉杆6、滑台7、滑台预压力弹簧8、电磁推拉机构11，电磁推拉机构11安装于两个内支架10.5之间凸台下方，电磁推拉机构11的顶部中间设置有推拉轴11.1，电磁推拉机构11的输出轴放置于安装仓的缺口处，滑台7通过两侧的凸面7.1安装于滑道10.6内，滑台7底部中间位置的方形推拉端面7.2与电磁推拉机构的推拉轴11.1固联，滑台预压力弹簧8为两个且对称设置，一端安装于弹簧安装孔a10.7内，另一端安装于滑台7底部两侧的弹簧安装孔c7.3内，推拉杆6有两个且对称设置，推拉杆6无槽的一端插入方形推拉端面7.2两侧的滑台凹槽7.4内，通过销钉插入无槽端销钉孔6.1与滑台销钉孔7.5连接滑台7与推拉杆6，定位块4有两个且对称设置，末端插入推拉杆凹槽6.3内，通过销钉插入定位块末端销钉孔4.1与推拉杆6开槽端销钉孔6.2连接定位块4和推拉杆6，定位块4中部销钉孔4.2通过销钉与基座定位孔10.4连接；
所述转动部包括舵面1、输出轴2、柔性梁5、轴套9，柔性梁5为两个且对称设置置，柔性梁5底端插入滑台7顶部中间的凹槽内，输出轴2为两个且对称穿过基座轴套安装孔10.1和输出轴支撑孔10.2，输出轴2有凹槽的端部朝内，并通过凹槽与柔性梁5的顶端连接，轴套9为两个且对称安装于输出轴2上，且位于基座的轴套安装孔10.1内，舵面1与输出轴2没有凹槽的一端连接；
所述旋向诱导部包括限位块3、压电双晶片12、连接块13和压电双晶片预压力弹簧14，压电双晶片12为两片且对称布置，末端安装于输出轴2底部中间的凹槽内，限位块3为两个且对称布置，通过其凹槽与压电双晶片固联，内侧一端放置于定位块4的导向槽4.4内，连接块13为两块且对称安装于压电双晶片12的末端，双晶片预压力弹簧14为两个且对称布置，顶端安装于连接块13底部的圆孔内，底端安装于基座10的弹簧安装孔b10.8内。
以上所述结构中，柔性梁5中部开有槽，通过设计槽的形状和大小来改变其弯曲刚度，使舵机满足输出力和角位移的需求，柔性梁5的材料为超弹性镍钛合金或弹簧钢材料；压电双晶片12由上下两层压电陶瓷层和中间的基体层构成。
有益效果：本发明提供了一种微型多通道压电舵机，利用PBP（后屈曲预压缩）压电双晶片为诱导机构，电磁推拉机构带动柔性梁产生大变形，利用其输出力和转角带动舵面偏转，实现了无需任何检测装置，即可实现多组舵面同时同角度作动，而不同的舵面之间又可产生同向或反向运动；柔性梁的变形由滑台产生的推力决定，多个柔性梁由同一个电磁推拉机构带动滑台运动而产生变形，因此所有的柔性梁都是同时作动，且输出的角度相同，而每个柔性梁变形的方向则是由与之相匹配的压电双晶片提供的初始诱导弯矩的方向决定的，因此，柔性梁输出转角的方向可由压电双晶片决定，本发明的舵机多组舵面是同时同角度作动，而不同的舵面之间又可在初始诱导弯矩作用下产生同向或反向运动；而且本发明的压电舵机响应快，可控性好，因为压电材料本身具有响应快的特点，而电磁推拉机构也可实现快速作动，因此，整个系统在压电双晶片和电磁作动机构的协同作用下，可实现毫秒级的响应，从而增强了舵机的可控性。本发明设计灵活，整个机构对称布置，通过增加或减少柔性梁与对应的双晶片模块即可实现单通道或四通道等多组通道的设计，同时，可采用电机带动丝杠来替代该设计中的电磁作动机构，从而实现多角度连续可调的多通道舵机系统。
附图说明
图1是压电双晶片结构示意图；
图2是轴向预压缩简支双晶片的力和位移输出方式示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是本发明的运动部安装结构示意图；
图5是本发明舵机基座结构示意图；
图6是本发明舵机进行差分作动时双晶片诱导方式示意图；
图7是本发明舵机进行差分作动时机构实现方式示意图。
图中：1为舵面，2为输出轴，3为限位块，4为定位块，4.1为定位块末端销钉孔，4.2为定位块中部销钉孔，4.3为定位台，4.4为导向槽，5为柔性梁，6为推拉杆，6.1为无槽端销钉孔，6.2为开槽端销钉孔，6.3为推拉杆凹槽，7为滑台，7.1为滑台凸面，7.2为方形推拉端面，7.3为端弹簧安装孔c，7.4为滑台凹槽，7.5为滑台销钉孔，8为滑台预压力弹簧，9为轴套，10为基座，10.1为轴套安装孔，10.2为输出轴支撑孔，10.3为内支架定位槽，10.4为基座定位孔，10.5为内支架，10.6为滑道，10.7为弹簧安装孔a，10.8为弹簧安装孔b，11为电磁推拉机构，11.1为推拉轴，12为压电双晶片，13为连接块，14为压电双晶片预压力弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图3所示，一种微型多通道压电舵机，包括：基座部、滑动部、转动部和旋向诱导部；如图5所示，所述基座部包括基座10，基座10为中心对称方形结构，基座10两侧上部分别设置基座轴套安装孔10.1，基座10顶边内侧中部对称设置两个凸面，凸面上分别对称设置输出轴支撑孔10.2，基座10底边两侧分别设有弹簧安装孔b10.8，两个弹簧安装孔b10.8之间对称设置两个内支架10.5，两个内支架10.5内侧中部分别设有凸台，凸台上设有弹簧安装孔a，凸台上方的内支架10.5内侧设有滑道10.6，内支架10.5顶部设有内支架定位槽10.3，内支架定位槽10.3两侧对称设置基座定位孔10.4；
如图4所示，所述滑动部包括定位块4、推拉杆6、滑台7、滑台预压力弹簧8、电磁推拉机构11，电磁推拉机构11安装于两个内支架10.5之间凸台下方，电磁推拉机构11的顶部中间设置有推拉轴11.1，电磁推拉机构11的输出轴放置于安装仓的缺口处，滑台7通过两侧的凸面7.1安装于滑道10.6内，滑台7底部中间位置的方形推拉端面7.2与电磁推拉机构的推拉轴11.1固联，滑台预压力弹簧8为两个且对称设置，一端安装于弹簧安装孔a10.7内，另一端安装于滑台7底部两侧的弹簧安装孔c7.3内，推拉杆6有两个且对称设置，推拉杆6无槽的一端插入方形推拉端面7.2两侧的滑台凹槽7.4内，通过销钉插入无槽端销钉孔6.1与滑台销钉孔7.5连接滑台7与推拉杆6，定位块4有两个且对称设置，末端插入推拉杆凹槽6.3内，通过销钉插入定位块末端销钉孔4.1与推拉杆6开槽端销钉孔6.2连接定位块4和推拉杆6，定位块4中部销钉孔4.2通过销钉与基座定位孔10.4连接；
所述转动部包括舵面1、输出轴2、柔性梁5、轴套9，柔性梁5为两个且对称设置置，柔性梁5底端插入滑台7顶部中间的凹槽内，输出轴2为两个且对称穿过基座轴套安装孔10.1和输出轴支撑孔10.2，输出轴2有凹槽的端部朝内，并通过凹槽与柔性梁5的顶端连接，轴套9为两个且对称安装于输出轴2上，且位于基座的轴套安装孔10.1内，舵面1与输出轴2没有凹槽的一端连接；
所述旋向诱导部包括限位块3、压电双晶片12、连接块13和压电双晶片预压力弹簧14，压电双晶片12为两片且对称布置，末端安装于输出轴2底部中间的凹槽内，限位块3为两个且对称布置，通过其凹槽与压电双晶片固联，内侧一端放置于定位块4的导向槽4.4内，连接块13为两块且对称安装于压电双晶片12的末端，双晶片预压力弹簧14为两个且对称布置，顶端安装于连接块13底部的圆孔内，底端安装于基座10的弹簧安装孔b10.8内。
以上所述结构中，柔性梁5中部开有槽，通过设计槽的形状和大小来改变其弯曲刚度，使舵机满足输出力和角位移的需求；压电双晶片12由上下两层压电陶瓷层和中间的基体层构成。当将压电双晶片一端铰支，另一端采用滑动支撑，并在滑动端施加轴向预压力的时候，它会产生如图2所示的中间鼓包的变形方式，并在铰支端输出角位移和力矩，由于预压力的施加，压电双晶片的机电转换效率得到提高，因此可进一步放大输出力矩。压电双晶片12下端安装于连接块13中，并由下端预压力弹簧14提供一定的预压力值，调节预压力值得到结构所需的初始诱导弯矩。
滑台7下端装有预压力弹簧8，根据电磁推拉机构11输出力的大小选择预压力弹簧8的刚度，使滑台7可在电磁推拉机构11带动下实现推拉运动。当滑台7在电磁推拉机构11的作用下进行前后推拉运动时，可通过推拉杆6带动定位块4绕销钉转动，下压限位块3使压电双晶片12与输出轴2脱开，定位块4上开有导向槽4.4，为压电双晶片12回拉和前伸提供导向的作用，使压电双晶片12作动一个周期后能够可靠的与输出轴2连接。
滑台7上端安装有推拉杆6，并利用定位块4作用于与压电双晶片12固连的限位块3上，实现在滑台7推柔性梁5带动输出轴2产生旋转时，压电双晶片12能够及时地与输出轴2脱开。当滑台7拉柔性梁5带动输出轴2回到初始状态时，压电双晶片12又在预压力弹簧14的作用下回到输出轴2的卡槽内，为下一次作动提供初始诱导弯矩。
以舵机的舵面做差分运动为例，结合图6和图7进行说明。一组压电双晶片12首先作动提供初始诱导力矩（如图5），因为舵面要产生差分运动，所以两片压电双晶片12变形方向相反，为输出轴2提供方向相反的初始诱导力矩。之后电磁推拉机构11作动产生轴向推力，推动滑台7给柔性梁5施加压力，柔性梁5在轴向压力和初始诱导力矩的作用下产生沿指定方向的形变，带动两根输出轴2和两片舵面1同时产生同角度却不同向的旋转，实现图中所示的差分作动（如图7）。在柔性梁5产生变形的同时，推拉杆6在滑台7在推力作用下带动定位块4绕支点进行旋转，下压限位块3，使压电双晶片12与输出轴2脱开。当一个周期结束后，滑台7回到初始位置，柔性梁5变形恢复，舵面1回到零位，压电双晶片12在下端预压力弹簧14的推力作用下，再次与输出轴2连接。
柔性梁5可选用超弹性镍钛合金制作，也可采用弹簧钢材料，通过开槽来降低柔性梁的弯曲刚度，使其满足设计需求。当舵机偏转角度要求不大时（6°以下），可略去设计中压电双晶片回拉部分的机构，当舵机要求偏转角度较大时则必须设置图中的回拉机构，防止输出轴在转动角度过大时带动双晶片产生过大的变形而损坏压电陶瓷片。
以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种微型多通道压电舵机，其特征在于，包括：基座部、滑动部、转动部和旋向诱导部；所述基座部包括基座(10)，基座(10)为中心对称方形结构，基座(10)两侧上部分别设置基座轴套安装孔(10.1)，基座(10)顶边内侧中部对称设置两个凸面，凸面上分别对称设置输出轴支撑孔(10.2)，基座(10)底边两侧分别设有弹簧安装孔b(10.8)，两个弹簧安装孔b(10.8)之间对称设置两个内支架(10.5)，两个内支架(10.5)内侧中部分别设有凸台，凸台上设有弹簧安装孔a(10.7)，凸台上方的内支架(10.5)内侧设有滑道(10.6)，内支架(10.5)顶部设有内支架定位槽(10.3)，内支架定位槽(10.3)两侧对称设置基座定位孔(10.4)；
所述滑动部包括定位块(4)、推拉杆(6)、滑台(7)、滑台预压力弹簧(8)、电磁推拉机构(11)，电磁推拉机构(11)安装于两个内支架(10.5)之间凸台下方，电磁推拉机构(11)的顶部中间设置有推拉轴(11.1)，电磁推拉机构(11)的输出轴放置于安装仓的缺口处，滑台(7)通过两侧的凸面(7.1)安装于滑道(10.6)内，滑台(7)底部中间位置的方形推拉端面(7.2)与电磁推拉机构的推拉轴(11.1)固联，滑台预压力弹簧(8)为两个且对称设置，一端安装于弹簧安装孔a(10.7)内，另一端安装于滑台(7)底部两侧的弹簧安装孔c(7.3)内，推拉杆(6)有两个且对称设置，推拉杆(6)无槽的一端插入方形推拉端面(7.2)两侧的滑台凹槽(7.4)内，通过销钉插入无槽端销钉孔(6.1)与滑台销钉孔(7.5)连接滑台(7)与推拉杆(6)，定位块(4)有两个且对称设置，末端插入推拉杆凹槽(6.3)内，通过销钉插入定位块末端销钉孔(4.1)与推拉杆(6)开槽端销钉孔(6.2)连接定位块(4)和推拉杆(6)，定位块(4)中部销钉孔(4.2)通过销钉与基座定位孔(10.4)连接；
所述转动部包括舵面(1)、输出轴(2)、柔性梁(5)、轴套(9)，柔性梁(5)为两个且对称设置，柔性梁(5)底端插入滑台(7)顶部中间的凹槽内，输出轴(2)为两个且对称穿过基座轴套安装孔(10.1)和输出轴支撑孔(10.2)，输出轴(2)有凹槽的端部朝内，并通过凹槽与柔性梁(5)的顶端连接，轴套(9)为两个且对称安装于输出轴(2)上，且位于基座的轴套安装孔(10.1)内，舵面(1)与输出轴(2)没有凹槽的一端连接；
所述旋向诱导部包括限位块(3)、压电双晶片(12)、连接块(13)和压电双晶片预压力弹簧(14)，压电双晶片(12)为两片且对称布置，末端安装于输出轴(2)底部中间的凹槽内，限位块(3)为两个且对称布置，通过其凹槽与压电双晶片固联，内侧一端放置于定位块(4)的导向槽(4.4)内，连接块(13)为两块且对称安装于压电双晶片(12)的末端，双晶片预压力弹簧(14)为两个且对称布置，顶端安装于连接块(13)底部的圆孔内，底端安装于基座(10)的弹簧安装孔b(10.8)内。
2.根据权利要求1所述的微型多通道压电舵机，其特征在于，柔性梁(5)中部开有槽，通过设计槽的形状和大小来改变其弯曲刚度。
3.根据权利要求1或2所述的微型多通道压电舵机，其特征在于，柔性梁(5)的材料为超弹性镍钛合金或弹簧钢材料。
4.根据权利要求1所述的微型多通道压电舵机，其特征在于，压电双晶片(12)由两层压电陶瓷层和基体层构成，基体层位于两层压电陶瓷层的中间。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110429859A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-11-08 | 南京航空航天大学 | 一种可控驱动力的四通道压电舵机 |
| CN114739239A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-07-12 | 西安创展锐恒电磁科技有限公司 | 一种微型电磁式扰流舵机 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1913329A (zh) * | 2006-07-20 | 2007-02-14 | 清华大学 | 压电双晶片驱动的精密转动机构及其装置 |
| CN107196553A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-09-22 | 南京航空航天大学 | 基于可调节预压力放大机构的四通道式压电舵机 |
| CN209488472U (zh) * | 2019-01-31 | 2019-10-11 | 南京航空航天大学 | 一种微型多通道压电舵机 |
-
2019
- 2019-01-31 CN CN201910095961.8A patent/CN109660147A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| 胡凯明等: "新型弹载压电舵机驱动器方案设计及力学分析", 机械工程学报, vol. 51, no. 21, pages 104 - 112 * |
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