CN109728745B - 一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构及其使用方法，压电陶瓷伸长以推动所述第一柔性杆向左倾斜，当第一电变液盒中的电变液呈液态，第二电变液盒中的电变液呈固态时，输出臂向左移动，当所述第一电变液盒中的电变液呈固态，所述第二电变液盒中的电变液呈液态时，所述输出臂向右移动。通过增加电变液盒作为位移方向的控制，实现了位移由简单的单向输出变为双向输出，位移方向具有前进和后退两个方向，为小范围往复运动提供了一种简便方法。

Description

一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构及其使用方法

技术领域

本发明涉及压电陶瓷微位移放大技术领域，尤其涉及一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构及其使用方法。

背景技术

电流变液是由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体，是能够快速和可逆地对电场做出反映，迅速实现液体——固体性质转变的一类智能材料。其在动力传输系统、航空航天伺服系统、结构振动主动控制、机器人控制系统等现代工业领域中有巨大的前景。

压电陶瓷促动器柔性铰链，作为压电陶瓷驱动的微位移放大机构，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏高等优点作为位移驱动器的重要部分。

常规的压电陶瓷驱动的微位移放大机构具有单向伸长的特性，固多以单方向运动实现其放大目的。如图1所示，假设压电陶瓷的位移量程是一个单位1，而步进电机的步宽为单位1，则步进电机可带动压电陶瓷装置在0、1、2、3、4、5位置上定位，而在每个单位之间定位，则需要对压电陶瓷促动器进行驱动，从而使微位移放大机构移动在单位之间定位。假如需要行进1.2个单位，则步进电机带动行进1，压电陶瓷促动器伸长0.2；需要行进1.9个单位，则步进电机带动行进1，压电陶瓷促动器伸长0.9。实际中，当压电陶瓷促动器运行超过量程的一半时，因其迟滞效应响应时间会比较长，而且需要对压电陶瓷大功率供电，影响微定位的实时性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构及其使用方法，以使压电陶瓷驱动的位移方向具有前进和后退两个方向。

为了达到上述目的，本发明提供了一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构，包括上机械臂、下机械臂、第一柔性杆、第二柔性杆、第三柔性杆、第一电变液盒、第二电变液盒、输出臂及压电陶瓷，所述上机械臂、下机械臂及第二柔性杆均水平设置，所述第一柔性杆及所述第三柔性杆竖直设置；

所述第一柔性杆的一端与所述下机械臂的一端连接，另一端与所述第二柔性杆的一端连接，所述压电陶瓷的一端与所述下机械臂的一端连接，另一端与所述第一柔性杆的杆身连接，所述输出臂为一端开口的矩形架，所述第三柔性杆位于所述矩形架内，所述第二柔性杆的另一端及所述上机械臂从所述开口伸入所述矩形架内，以与位于所述矩形架内的所述第三柔性杆的杆身连接，所述第三柔性杆的两端分别通过所述第一电变液盒及所述第二电变液盒与所述输出臂的两端相连；

所述压电陶瓷伸长以推动所述第一柔性杆向左倾斜，当所述第一电变液盒中的电变液呈液态，所述第二电变液盒中的电变液呈固态时，所述输出臂向左移动，当所述第一电变液盒中的电变液呈固态，所述第二电变液盒中的电变液呈液态时，所述输出臂向右移动。

可选的，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒的一端均具有凸头，所述第三柔性杆的两端均具有限位块，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒的凸头卡入所述限位块中以与所述第三柔性杆连接。

可选的，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒均包括上盒体、下盒体及位于所述上盒体与所述下盒体之间用于容纳电变液的电变液腔，所述上盒体及所述下盒体呈圆柱状，所述电变液腔呈曲面柱状。

可选的，所述上盒体及所述下盒体内沿轴向设置有贯通孔，一导电棒插入所述贯通孔中以与所述电变液腔中的电变液接触。

可选的，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒由一电变液控制电路独立驱动。

本发明还提供了一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构的使用方法，包括：

提供所述压电陶瓷驱动的微位移放大机构；

压电陶瓷伸长以推动第一柔性杆向左倾斜；

第一电变液盒下电以使其电变液变成液态，第二电变液盒上电以使其电变液变成固态，第三柔性杆倾斜以使输出臂向左移动；或者，所述第一电变液盒上电以使其电变液变成固态，所述第二电变液盒下电以使其电变液变成液态，第三柔性杆倾斜以使所述输出臂向左移动。

本发明提供的压电陶瓷驱动的微位移放大机构及其使用方法具有如下有益效果：

(1)增加电变液盒作为位移方向的控制，实现了位移由简单的单向输出变为双向输出，位移方向具有前进和后退两个方向，为小范围往复运动提供了一种简便方法；

(2)因为其位移具有往返两个方向，而往返量程能与原伸长量相同，所以其量程提高一倍；

(3)因压电陶瓷为容性负载，其对驱动电源需由较大的功率要求，而本发明降低了压电陶瓷所需的伸长量，使驱动电源可降低一倍的功率输出，即驱动电压可以降低一半，又因为驱动电压与精度为反比例关系，当量程减小一半时，其供电精度可提高一倍。

附图说明

图1为一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构输出位移的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的压电陶瓷驱动的微位移放大机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图2中视野11放大后的示意图；

图4为本发明实施例提供的第一电变液盒或第二电变液盒的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第一电变液盒或第二电变液盒的剖面示意图；

图6为本发明实施例提供的电变液控制电路的电路图；

图7为本发明实施例提供的压电陶瓷驱动的微位移放大机构的整体电路框图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图2所示，本实施例提供了一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构，包括上机械臂1、下机械臂2、第一柔性杆3、第二柔性杆4、第三柔性杆5、第一电变液盒6、第二电变液盒7、输出臂8及压电陶瓷10，所述上机械臂1、下机械臂2及第二柔性杆3均水平设置，所述第一柔性杆3及所述第三柔性杆5竖直设置；

所述第一柔性杆3的一端与所述下机械臂2的一端连接，另一端与所述第二柔性杆4的一端连接，所述压电陶瓷10的一端与所述下机械臂2的一端连接，另一端与所述第一柔性杆3的杆身连接，所述输出臂8为一端开口的矩形架，所述第三柔性杆5位于所述矩形架内，所述第二柔性杆4的另一端及所述上机械臂1从所述开口伸入所述矩形架内，以与位于所述矩形架内的所述第三柔性杆5的杆身连接，所述第三柔性杆5的两端分别通过所述第一电变液盒6及所述第二电变液盒7与所述输出臂8的两端相连；

所述压电陶瓷10伸长以推动所述第一柔性杆3向左倾斜，当所述第一电变液盒6中的电变液呈液态，所述第二电变液盒7中的电变液呈固态时，所述输出臂8向左移动，当所述第一电变液盒6中的电变液呈固态，所述第二电变液盒7中的电变液呈液态时，所述输出臂8向右移动。

具体的，所述上机械臂1与所述下机械臂2横向设置并采用固定装置固定，所述下机械臂2呈L型，所述压电陶瓷10与所述下机械臂2平行设置，所述第一柔性杆3的上下两端与所述下机械臂2及所述第二柔性杆4连接，所述压电陶瓷10的一端与L型的所述下机械臂2的向上的端部连接，另一端与所述第一柔性杆3的杆身连接，以使所述下机械臂2、压电陶瓷10及第一柔性杆3构成一个杠杆结构。所述第二柔性杆4横向设置，其左右两端分别与所述第一柔性杆3的上端和第三柔性杆5的杆身连接，所述上机械臂1与所述第二柔性杆4平行设置，且一端与所述第三柔性杆5的杆身连接，所述上机械臂1与所述第三柔性杆5构成一个杠杆结构。

进一步，所述输出臂8类似于一个矩形架，所述矩形架的一侧具有开口，所述第三柔性杆5设置于所述开口内，所述第三柔性杆5的上下两端分别通过所述第一电变液盒6及所述第二电变液盒7连接至所述开口两端的矩形架上，所述输出臂8的中部设置有一位移输出端9，所述第一电变液盒6设置于所述第三柔性杆5上端的右侧，可推动所述输出臂8向前(右)运动，所述第二电变液盒7设置于所述第三柔性杆5下端的左侧，可推动所述输出臂8向后(左)运动。

如图3所示，其为图2中视野11放大后的示意图，所述第一电变液盒6及所述第二电变液盒7的一端均具有凸头13，所述第三柔性杆5的两端均具有限位块12，所述第一电变液盒6及所述第二电变液盒7的凸头13卡入所述限位块12中以与所述第三柔性杆5连接。

进一步，如图4和图5所示，所述第一电变液盒6及所述第二电变液盒7均包括上盒体、下盒体及位于所述上盒体与所述下盒体之间用于容纳电变液的电变液腔，所述上盒体及所述下盒体呈圆柱状，所述电变液腔呈曲面柱状。所述上盒体及所述下盒体内沿轴向设置有贯通孔，一导电棒15插入所述贯通孔中以与所述电变液腔中的电变液接触。所述导电棒15的上下表面伸出所述上盒体或所述下盒体，其伸入所述电变液腔的部分与第一电极片16相连，组成电源通路，伸出所述上盒体或所述下盒体的部分与第二电极片14相连。如图4所示，所述第一电变液盒6及所述第二电变液盒7整体由软质硅胶外壳17包裹，仅在整体的上下端设置有凸头13，所述软质硅胶外壳17的形状与所述第一电变液盒6或所述第二电变液盒7的形状相匹配。实际工作时，将所述第一电变液盒6或所述第二电变液盒7的第二电极片14接入电路，当电压超过电变液转换电压时，电变液将转换为固体，此时，所述第一电变液盒6或所述第二电变液盒7具有很强的刚性。当撤出电压时，所述第一电变液盒6或所述第二电变液盒7内的电变液将在几个毫秒内转换为液态，此时，所述第一电变液盒6或所述第二电变液盒7的刚性将很弱。

进一步，如图6所示，所述第一电变液盒6及所述第二电变液盒7由一电变液控制电路独立驱动。具体的，所述电变液控制电路的输入信号与控制信号同时作用于双路继电器，双路继电器控制两路的电源输出，两路电源信号经放大器将电源信号放大至电变液转化电压以上，所述第一电变液盒6和所述第二电变液盒7有公共端接地，两路可互不干扰执行各自电源驱动。当然还可以使用其他功率开关代替双路继电器实现线路转换，电变液也可以是电流变液或电磁变液等。

基于此，如图2-图6所示，本实施例还提供了一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构的使用方法，包括：

S1：提供所述压电陶瓷驱动的微位移放大机构；

S2：压电陶瓷10伸长，第一柔性杆3与下机械臂2固定端形成杆杆结构，推动第一柔性杆3上端向左倾斜，第一柔性杆3上端向左倾斜带动第二柔性杆4左端向左位移；第三柔性杆4与上机械臂1形成杠杆结构在第二柔性杆4向左位移时，会带动第三柔性杆5上部向右，下部向左倾斜；

S3：第一电变液盒6下电以使其电变液变成液态，第二电变液盒7上电以使其电变液变成固态，因第三柔性杆5倾斜，此时第二电变液盒7为刚性结构，第一电变液盒6为柔性结构，第二电变液盒7带动输出臂8向左移动；或者，所述第一电变液盒6上电以使其电变液变成固态，所述第二电变液盒7下电以使其电变液变成液态，因第三柔性杆5倾斜，此时第二电变液盒7为柔性结构，第一电变液盒6为刚性结构，第一电变液盒6带动所述输出臂8向左移动。并且，不管输出臂8左移或者右移，第三柔性杆5的倾斜都是上端向右移，下端向左移。

如图7所示，接下来将详细介绍所述压电陶瓷驱动的微位移放大机构的具体使用方法：

1)正负方向标定

当需要位移L时，微处理器将位移L与输出臂输出量程的一半S相减；

当L-S≥0时，实际输出臂应位移为L，方向为正；

当L-S＜0时，实际输出臂应位移为L-S，方向为负。

2)正方向位移

当L-S≥0时，通过计算压电陶瓷驱动的微位移放大机构的放大倍数得到机械结构放大倍数K，此时压电陶瓷需要的伸长量为：

由压电陶瓷伸长量l₁，可知压电陶瓷需要的输入电压U，根据线性放大电路放大倍数得到微处理器应输出电压u。

微处理器向线性放大电路输出电压u的同时，向继电器发出控制信号，控制信号将控制1路放大器通电，2路放大器断电，使第一电变液为固体，第二电变液为液体。微处理器向线性放大电路输出电压u，经线性放大电路放大得到压电陶瓷的输入电压U，压电陶瓷将位移伸长l₁，经机械结构放大得到位移输出L。此时，第一电变液为固体，发挥刚性作用；第二电变液为液体，发生弹性作用。位移输出结构将向右位移L。

3)负方向位移

当L-S＜0时，通过计算压电陶瓷驱动的微位移放大机构的放大倍数K，此时压电陶瓷需要的伸长量为：

由压电陶瓷伸长量l₂，可知压电陶瓷需要的输入电压U，根据线性放大电路放大倍数得到微处理器应输出电压u。

微处理器向线性放大电路输出电压u的同时，向双路继电器发出控制信号，控制信号将控制1路放大器断电，2路放大器通电。得到第一电变液为液体，第二电变液为固体。微处理器向线性放大电路输出电压u，经线性放大电路放大得到压电陶瓷的输入电压U，压电陶瓷将位移伸长l₂，经机械结构放大得到位移输出S-L。此时，第二电变液为固体，发挥刚性作用；第一电变液为液体，发生弹性作用。位移输出结构将向右位移S-L。

可以理解的是，实际工作中，不一定严格取量程的一半为比较值，在量程范围内，可适当改变比较值，为实现简单位移控制为目的。

进一步，本发明的第三柔性杆中间部位与上机械臂相连，此时两方向输出为对称关系，实际上并不严格要求输入输出对称，只要能达到要求，可通过杠杆原理分别计算放大倍数即可。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构，其特征在于，包括上机械臂、下机械臂、第一柔性杆、第二柔性杆、第三柔性杆、第一电变液盒、第二电变液盒、输出臂及压电陶瓷，所述上机械臂、下机械臂及第二柔性杆均水平设置，所述第一柔性杆及所述第三柔性杆竖直设置；

所述第一柔性杆的一端与所述下机械臂的一端连接，另一端与所述第二柔性杆的一端连接，所述压电陶瓷的一端与所述下机械臂的一端连接，另一端与所述第一柔性杆的杆身连接，所述输出臂为一端开口的矩形架，所述第三柔性杆位于所述矩形架内，所述第二柔性杆的另一端及所述上机械臂从所述开口伸入所述矩形架内，以与位于所述矩形架内的所述第三柔性杆的杆身连接，所述第三柔性杆的两端分别通过所述第一电变液盒及所述第二电变液盒与所述输出臂的两端相连；

所述压电陶瓷伸长以推动所述第一柔性杆向左倾斜，当所述第一电变液盒中的电变液呈液态，所述第二电变液盒中的电变液呈固态时，所述输出臂向左移动，当所述第一电变液盒中的电变液呈固态，所述第二电变液盒中的电变液呈液态时，所述输出臂向右移动，所述上机械臂与所述下机械臂横向设置并采用固定装置固定，所述下机械臂呈L型，所述压电陶瓷与所述下机械臂平行设置，所述压电陶瓷的一端与L型的所述下机械臂的向上的端部连接，另一端与所述第一柔性杆的杆身连接，所述上机械臂与所述第二柔性杆平行设置，且一端与所述第三柔性杆的杆身连接，所述上机械臂位于所述第二柔性杆上方，所述第一电变液盒设置于所述第三柔性杆上端的右侧，可推动所述输出臂向右运动，所述第二电变液盒设置于所述第三柔性杆下端的左侧，可推动所述输出臂向左运动。

2.如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的微位移放大机构，其特征在于，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒的一端均具有凸头，所述第三柔性杆的两端均具有限位块，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒的凸头卡入所述限位块中以与所述第三柔性杆连接。

3.如权利要求1或2所述的压电陶瓷驱动的微位移放大机构，其特征在于，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒均包括上盒体、下盒体及位于所述上盒体与所述下盒体之间用于容纳电变液的电变液腔，所述上盒体及所述下盒体呈圆柱状，所述电变液腔呈曲面柱状。

4.如权利要求3所述的压电陶瓷驱动的微位移放大机构，其特征在于，所述上盒体及所述下盒体内沿轴向设置有贯通孔，一导电棒插入所述贯通孔中以与所述电变液腔中的电变液接触。

5.如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的微位移放大机构，其特征在于，所述第一电变液盒及所述第二电变液盒由一电变液控制电路独立驱动。

6.一种压电陶瓷驱动的微位移放大机构的使用方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求1-5中任一项所述的压电陶瓷驱动的微位移放大机构；

压电陶瓷伸长以推动第一柔性杆向左倾斜；

第一电变液盒下电以使其电变液变成液态，第二电变液盒上电以使其电变液变成固态，第三柔性杆倾斜以使输出臂向左移动；或者，所述第一电变液盒上电以使其电变液变成固态，所述第二电变液盒下电以使其电变液变成液态，第三柔性杆倾斜以使所述输出臂向右移动。