CN110198142B - 一种双轴并联输出型压电作动器及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双轴并联输出型压电作动器及其驱动方法，压电作动器包含第一转子组件、第二转子组件、定子组件、预紧力施加组件和支架。本发明采用扭簧装置进行电机定、转子间预紧力的施加，克服了现有夹持装置夹持刚度与弹性支撑功能不易协调的难题。压电陶瓷片在一定频率单相激励信号的激励下，作纵向振动或弯曲振动，进而利用摩擦力将纵向的振动或弯曲的振动转化为方向相反的旋转，通过一个驱动装置实现了两个方向的旋转运动，具有双输出能力，具有结构简单、驱动方便、易于微型化等优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机领域，尤其涉及一种双轴并联输出型压电作动器及其驱动方法。
背景技术
双螺旋桨驱动是水下机器人常采用的一种驱动形式，相比于单螺旋桨驱动，因其输出推力大，驱动效率较高，可自主实现水下机器人的转向功能，因此被广泛应用于水下机器人的设计中。但是双螺旋桨驱动的水下机器人在微型化过程中常面临一些问题，由于驱动器通常安装在机器人主体两侧，在一个电机驱动的情况下，需要两副传动机构分别驱动左右两侧螺旋桨的转动，或者利用两个电机分别独立驱动左右两侧螺旋桨的转动，额外的传动机构或者是采用多个电机的方式都会增加机构的复杂性和水下机器人主体的体积，进一步影响其可靠性和安全性，限制了其应用环境。针对厘米级的微型水下机器人，两副传动机构或者两个电机的技术方案，都不利于双螺旋桨驱动水下机器人的微型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种双轴并联输出型压电作动器及其驱动方法，能够在水等介质中工作时，两转轴同时输出较高转矩，转向相反并可直接用作微型水下机器人或者其他装置的动力源。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种双轴并联输出型压电作动器，包含第一转子组件、第二转子组件、定子组件、预紧力施加组件和支架；
所述支架包含底座、第一安装板和第二安装板，所述第一安装板、第二安装板均垂直设置在所述底座上，且第一安装板、第二安装板相互平行；所述第一安装板、第二安装板均设有第一安装孔、第二安装孔；所述第一安装板上设有竖直的滑槽，且滑槽内设有滑块；
所述第一转子组件、第二转子组件均包含转轴、齿轮和驱动圆盘；所述转轴一端和齿轮的转轴固连、另一端和驱动圆盘的中心垂直固连，所述齿轮所在平面和驱动圆盘所在平面平行；
所述第一转子组件的转轴分别穿过第一安装板、第二安装板的第一安装孔，通过轴承和第一安装板、第二安装板相连；所述第二转子组件的转轴分别穿过第一安装板、第二安装板的第二安装孔，通过轴承和第一安装板、第二安装板相连；所述第一转子组件的转轴和第二转子组件的转轴平行，且第一转子组件的齿轮和第二转子组件的齿轮啮合；
所述定子组件包含金属基体、压电陶瓷片、基座、第一夹持端和第二夹持端；所述第一夹持端、第二夹持端均设置在所述基座上，呈“[”型，包含一条垂直的竖边和两条平行的横边，且第一夹持端、第二夹持端的开口相向；所述金属基体为菱形薄片，其两端设有驱动足，两侧分别通过过盈配合固定在所述第一夹持端、第二夹持端的开口处；所述压电陶瓷片呈圆形，设置在所述金属基体上表面中心处，其极化方向由上表面指向下表面，用于在外界单相激励信号的激励下驱动金属基体作纵向振动或弯曲振动或纵向振动、弯曲振动的耦合振动；
所述预紧力施加组件包含支撑件、第一扭簧、第二扭簧、固定件、第一连接杆、第二连接杆和锁止螺栓；
所述支撑件为上端封闭下端开口的空心截锥体，包含顶板和第一至第四侧板；所述第一侧板和所述第一安装板上的滑块固连，使得所述支撑件能够沿第一安装板上的滑槽上下自由滑动；所述顶板、第二侧板、第四侧板均和所述第一侧板垂直固连；所述第三侧板和顶板之间的夹角为钝角；所述第一侧板上设有和所述锁止螺栓相匹配的螺纹孔，所述锁止螺栓和第一侧板上的螺纹孔螺纹相连、并穿过第一侧板抵在第一安装板上；所述第二安装板上设有供所述预紧力施加组件穿过的缺口；
所述固定件呈U形；所述第三侧板上设有和所述固定件相匹配的U形凹槽，所述固定件固定在所述第三侧板的凹槽中、和所述第三侧板固连；
所述固定件的两端分别和第一扭簧、第二扭簧的一端固连；所述第一扭簧、第二扭簧的另一端分别和第一连接杆、第二连接杆的另一端固连；
所述基座上分别设有和所述第一连接杆、第二连接杆相匹配的安装孔，所述第一连接杆、第二连接杆的另一端通过过盈配合和所述基座固连，使得所述金属基体两端的驱动足分别和第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘的侧壁相抵，从而使得金属基体振动时带动第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘进行旋转；所述预紧力施加组件用于调整金属基体两端的驱动足和第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘侧壁之间的压力大小。
作为本发明一种双轴并联输出型压电作动器进一步的优化方案，所述驱动圆盘采用磷青铜或不锈钢制成。
作为本发明一种双轴并联输出型压电作动器进一步的优化方案，所述驱动圆盘采用碳纤维、PPS、陶瓷或聚四氟乙烯制成。
作为本发明一种双轴并联输出型压电作动器进一步的优化方案，所述金属基体的厚度为2mm。
作为本发明一种双轴并联输出型压电作动器进一步的优化方案，所述压电陶瓷片的厚度为1mm。
作为本发明一种双轴并联输出型压电作动器进一步的优化方案，所述金属基体两端的驱动足上表面倒有斜角，所述斜角与水平面成45°，长度为0.5mm。
作为本发明一种双轴并联输出型压电作动器进一步的优化方案，所述金属基体两端的驱动足表面固定有摩擦材料，所述摩擦材料采用氧化铝。
本发明还公开了一种该双轴并联输出型压电作动器的驱动方法，包含以下步骤：
将压电陶瓷片接入预设频率阈值下的单相激励信号，根据逆压电效应，压电陶瓷片产生超声振动，进而驱动与之固连的金属基体产生纵向振动或弯曲振动或纵向振动、弯曲振动的耦合振动，传递至驱动足即表现为其微观上的上下振动、左右振动或两种振动的耦合，进而利用驱动足与驱动圆盘之间的摩擦力带动驱动圆盘旋转，并带动与驱动圆盘固连在一起的转轴旋转。
作为该双轴并联输出型压电作动器的驱动方法进一步的优化方案，所述单相激励信号是正弦波、三角波、方波中的任意一种。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明采用扭簧装置进行电机定、转子间预紧力的施加，克服了现有夹持装置夹持刚度与弹性支撑功能不易协调的难题。压电陶瓷片在一定频率单相激励信号的激励下，作纵向振动或弯曲振动，进而利用摩擦力将纵向的振动或弯曲的振动转化为方向相反的旋转，通过一个驱动装置实现了两个方向的旋转运动，具有双输出能力，并且结构紧凑，能够满足微型化的要求。
附图说明
图1（a）、图1（b）分别是本发明的三维结构示意图、正视图；
图2是本发明中支架、第一转子组件、第二转子组件相配合的结构示意图；
图3是本发明中预紧力施加组件和定子组件相配合的结构示意图；
图4是本发明中金属基体的三维结构示意图；
图5（a）、图5（b）分别是本发明中金属基体的二阶弯振、一阶纵振的工作模态示意图；
图6（a）、图6（b）分别是本发明中第一转子组件逆时针、顺时针转动的原理示意图；
图7（a）、图7（b）分别是本发明中压电陶瓷片的极化方式示意图、信号接入示意图。
其中，1-第一安装板、2-第二安装板、3-底座、4-第一安装板上的第一安装孔、5-第二安装板上的第一安装孔、6-转轴、7-驱动圆盘、8-第二转子组件的齿轮、9-第二安装板上的第二安装孔、10-固定垫片、11-固定件、12-第三侧板、13-第四侧板、14-第一侧板、15-顶板、16-第二侧板、17-第二夹持端、18-基座、19-第一夹持端、20-第一连接杆、21-固定螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1（a）、图1（b）所示，本发明公开了一种双轴并联输出型压电作动器及其驱动方法，由第一转子组件、第二转子组件、定子组件、预紧力施加组件和支架组成。通过预紧力施加组件，定子组件对第一转子组件、第二转子组件产生预紧力，提供驱动所需的摩擦力。定子组件中的压电陶瓷片在一定频率单相信号的激励下产生超声振动，引起金属基体作纵向振动或弯曲振动或纵向振动、弯曲振动的耦合振动，进而利用摩擦力驱动两端的转子进行反向旋转。
如图2所示，支架包含底座、第一安装板和第二安装板，第一安装板、第二安装板均垂直设置在底座上，且第一安装板、第二安装板相互平行；第一安装板、第二安装板均设有第一安装孔、第二安装孔；所述第一安装板上设有竖直的滑槽，且滑槽内设有滑块。
第一转子组件、第二转子组件均包含转轴、齿轮和驱动圆盘；转轴一端和齿轮的转轴固连、另一端与驱动圆盘的中心垂直固连，齿轮所在平面和驱动圆盘所在平面平行；驱动圆盘的材料选用磷青铜、不锈钢等耐磨金属材料或碳纤维、PPS、陶瓷、聚四氟乙烯等表面摩擦系数较低的非金属材料，能有效提升电机的输出性能。
第一转子组件的转轴分别穿过第一安装板、第二安装板的第一安装孔，通过轴承和第一安装板、第二安装板相连；第二转子组件的转轴分别穿过第一安装板、第二安装板的第二安装孔，通过轴承和第一安装板、第二安装板相连；第一转子组件的转轴和第二转子组件的转轴平行，且第一转子组件的齿轮和第二转子组件的齿轮啮合，如图2所示。
定子组件包含金属基体、压电陶瓷片、基座、第一夹持端和第二夹持端；第一夹持端、第二夹持端均设置在所述基座上，呈“[”型，包含一条垂直的竖边和两条平行的横边，且第一夹持端、第二夹持端的开口相向。金属基体为菱形薄片，厚度为2mm，其两端设有驱动足；驱动足上表面倒有斜角，斜角与水平面成45°，长度为0.5mm，如图4所示，利于增大定、转子间的接触面积，提高定、转子间的摩擦力及转子的输出转矩，改善电机的输出性能。另外为了减缓金属基体驱动足及驱动圆盘的磨损，防止灰尘落入定、转子接触表面引起的转子卡死现象的发生，提升转子转动的平稳性，增强电机的输出效果，两端驱动足表面固定有摩擦材料，如氧化铝。压电陶瓷片呈圆形，厚度为1mm，通过环氧树脂胶粘贴在金属基体的上表面中心处，其极化方向由上表面指向下表面，如图7a，用于在外界单相激励信号的激励下驱动金属基体作纵向振动或弯曲振动或纵向振动、弯曲振动的耦合振动，进而利用摩擦力驱动两端的转子进行反向旋转；金属基体两侧分别通过过盈配合固定在第一夹持端、第二夹持端的开口处，最大化地降低了夹持机构对定子组件振动模态的影响。
如图3所示，预紧力施加组件包含支撑件、第一扭簧、第二扭簧、固定件、第一连接杆、第二连接杆和锁止螺栓；支撑件为上端封闭下端开口的空心截锥体，包含顶板和第一至第四侧板；第一侧板和第一安装板上的滑块固连，使得支撑件能够沿第一安装板上的滑槽上下自由滑动；顶板、第二侧板、第四侧板均和第一侧板垂直固连；第三侧板和顶板之间的夹角为钝角；第一侧板上设有和锁止螺栓相匹配的螺纹孔，锁止螺栓和第一侧板上的螺纹孔螺纹相连、并穿过第一侧板抵在第一安装板上；第二安装板上设有供预紧力施加组件穿过的缺口；固定件呈U形；第三侧板上设有和固定件相匹配的U形凹槽，固定件固定在第三侧板的凹槽中、和第三侧板固连；图3中，在第三侧板上设了螺纹孔，通过固定螺栓和其固连，同时在固定螺栓下设固定垫片，通过垫片压住固定件、使得固定件和第三侧板固连；固定件的两端分别和第一扭簧、第二扭簧的一端固连；第一扭簧、第二扭簧的另一端分别和第一连接杆、第二连接杆的另一端固连；基座上分别设有和第一连接杆、第二连接杆相匹配的安装孔，第一连接杆、第二连接杆的另一端通过过盈配合和基座固连，使得金属基体两端的驱动足分别和第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘的侧壁相抵，从而使得金属基体振动时带动第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘进行旋转，进而带动转轴旋转。预紧力施加组件用于调整金属基体两端的驱动足和第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘侧壁之间的压力大小。
如图3所示，α为固定件所在平面和第一连接杆之间的夹角，约为57°。为了增大摩擦力，需保证驱动足与驱动圆盘外表面为线接触或面接触，从而需保证金属基体在作动器运行过程中，始终保持水平，即基体需始终保持水平，进而第一、第二连接杆需始终保持水平，在此前提下，可通过改变α实现金属基体两端的驱动足和第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘侧壁之间的压力大小的调节。第三侧板、水平面之间的夹角θ和第三侧板、顶板之间的夹角β相加等于180°，如图3所示，易知，为了达到施加预紧力的目的，θ<α=57°,θ可取55°、53°、50°、47°、45°等，即β取125°、127°、130°、133°、135°等角度。
定子组件、转子组件及预紧力施加组件关于定子组件的几何中心对称，利于两端定、转子间预紧力的均匀分布及一致性。
通过固定于两根转动轴上的齿轮间的啮合作用，并利用定、转子间的摩擦力，防止了因扭簧装置的弹性而引起的定子组件绕其自身几何中心上下翘动的不稳定现象的发生；另外齿轮也限定作动器两转子间的转向为相反方向，保证了两端转轴的转速相同，如应用于微型水下机器人时，在装配上螺旋桨后，有效保证了两端螺旋桨输出推力的一致性，防止了微型水下机器人原地转圈现象的发生。
图5（a）、图5（b）分别为本发明中金属基体的二阶弯振、一阶纵振的工作模态示意图。
压电陶瓷片均沿厚度方向极化，粘贴时极化方向指向金属基体，如图7（a）。压电陶瓷片的2区域外侧引线接单相激励信号，1区域与金属基体相连并接地，如图7（b），其中单相激励信号是正弦波、三角波、方波中的任意一种，此处以正弦信号sinωt为例子进行说明，当对压电陶瓷片施加适当频率的正弦信号时，根据逆压电效应，压电陶瓷片会产生超声振动，进而可激发出金属基体的二阶弯振模态，如图5（a），当能量传递到驱动足处时，会引起两端驱动足上的质点作微观上的上下振动，由于预紧力的作用，两端驱动足分别与两端驱动圆盘外表面相抵，进而可通过摩擦作用驱动两端驱动圆盘旋转，并带动与驱动圆盘固连在一起的转轴旋转。由于结构设计的中心对称性及齿轮组件的啮合作用，宏观表现为两转子的转动方向相反，即左转子逆时针旋转，右转子顺时针旋转，如图6（a）。进一步改变正弦信号的输出频率，可激发出金属基体的一阶纵振模态，如图5（b），引起两端驱动足上的质点作微观上的左右振动，通过摩擦作用驱动两端转轴进行反向转动，即左转子顺时针旋转，右转子逆时针旋转，如图6（b）。另外，在研究中还发现当撤去齿轮组件，改变正弦信号的输出频率，可激发出金属基体的纵弯耦合振动，驱动两端转子同时顺时针旋转，或同时逆时针旋转。
本发明还公开了一种该双轴并联输出型压电作动器的驱动方法，包含以下步骤：
将压电陶瓷片接入预设频率阈值下的单相激励信号，根据逆压电效应，压电陶瓷片产生超声振动，进而驱动与之固连的金属基体产生纵向振动或弯曲振动或纵向振动、弯曲振动的耦合振动，传递至驱动足即表现为其微观上的上下振动、左右振动或两种振动的耦合，进而利用驱动足与驱动圆盘之间的摩擦力带动驱动圆盘旋转，并带动与驱动圆盘固连在一起的转轴旋转。
所述单相激励信号是正弦波、三角波、方波中的任意一种。
本发明中压电作动器定子组件中的压电陶瓷片在一定频率电信号的激励下产生超声振动，引起金属基体作纵向振动或弯曲振动或纵向振动与弯曲振动的耦合振动，进而利用摩擦力驱动两端转子进行方向相反的旋转，可配合正反螺旋桨使用，为微型水下机器人等机构提供动力；本发明通过一个驱动装置实现了两个方向的旋转运动，具有双输出能力，并且结构紧凑，能够满足微型化的要求；本发明的定子组件中压电陶瓷片采用贴片形式，相比于夹心式结构，陶瓷片出现损坏时更容易更换；本发明首次采用扭簧装置，省去了预紧螺栓等结构，克服了现有夹持装置夹持刚度与弹性支撑功能不易协调的难题，且装配方便，易于微型化；本发明中的压电作动器结构具有非常好的对称性，这种结构控制特性和阻抗特性上的对称性有利于作动器的控制器设计，譬如配合正反螺旋桨使用，为微型旋翼飞行器、微型水下机器人等提供动力。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双轴并联输出型压电作动器，其特征在于，包含第一转子组件、第二转子组件、定子组件、预紧力施加组件和支架；
所述支架包含底座、第一安装板和第二安装板，所述第一安装板、第二安装板均垂直设置在所述底座上，且第一安装板、第二安装板相互平行；所述第一安装板、第二安装板均设有第一安装孔、第二安装孔；所述第一安装板上设有竖直的滑槽，且滑槽内设有滑块；
所述第一转子组件、第二转子组件均包含转轴、齿轮和驱动圆盘；所述转轴一端和齿轮的转轴固连、另一端和驱动圆盘的中心垂直固连，所述齿轮所在平面和驱动圆盘所在平面平行；
所述第一转子组件的转轴分别穿过第一安装板、第二安装板的第一安装孔，通过轴承和第一安装板、第二安装板相连；所述第二转子组件的转轴分别穿过第一安装板、第二安装板的第二安装孔，通过轴承和第一安装板、第二安装板相连；所述第一转子组件的转轴和第二转子组件的转轴平行，且第一转子组件的齿轮和第二转子组件的齿轮啮合；
所述定子组件包含金属基体、压电陶瓷片、基座、第一夹持端和第二夹持端；所述第一夹持端、第二夹持端均设置在所述基座上，呈“[”型，包含一条垂直的竖边和两条平行的横边，且第一夹持端、第二夹持端的开口相向；所述金属基体为菱形薄片，其两端设有驱动足，两侧分别通过过盈配合固定在所述第一夹持端、第二夹持端的开口处；所述压电陶瓷片呈圆形，设置在所述金属基体上表面中心处，其极化方向由上表面指向下表面，用于在外界单相激励信号的激励下驱动金属基体作纵向振动或弯曲振动或纵向振动、弯曲振动的耦合振动；
所述预紧力施加组件包含支撑件、第一扭簧、第二扭簧、固定件、第一连接杆、第二连接杆和锁止螺栓；
所述支撑件为上端封闭下端开口的空心截锥体，包含顶板和第一至第四侧板；所述第一侧板和所述第一安装板上的滑块固连，使得所述支撑件能够沿第一安装板上的滑槽上下自由滑动；所述顶板、第二侧板、第四侧板均和所述第一侧板垂直固连；所述第三侧板和顶板之间的夹角为钝角；所述第一侧板上设有和所述锁止螺栓相匹配的螺纹孔，所述锁止螺栓和第一侧板上的螺纹孔螺纹相连、并穿过第一侧板抵在第一安装板上；所述第二安装板上设有供所述预紧力施加组件穿过的缺口；
所述固定件呈U形；所述第三侧板上设有和所述固定件相匹配的U形凹槽，所述固定件固定在所述第三侧板的凹槽中、和所述第三侧板固连；
所述固定件的两端分别和第一扭簧、第二扭簧的一端固连；所述第一扭簧、第二扭簧的另一端分别和第一连接杆、第二连接杆的另一端固连；
所述基座上分别设有和所述第一连接杆、第二连接杆相匹配的安装孔，所述第一连接杆、第二连接杆的另一端通过过盈配合和所述基座固连，使得所述金属基体两端的驱动足分别和第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘的侧壁相抵，从而使得金属基体振动时带动第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘进行旋转；所述预紧力施加组件用于调整金属基体两端的驱动足和第一转子组件、第二转子组件的驱动圆盘侧壁之间的压力大小。
2.根据权利要求1所述的双轴并联输出型压电作动器，其特征在于，所述驱动圆盘采用磷青铜或不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的双轴并联输出型压电作动器，其特征在于，所述驱动圆盘采用碳纤维、PPS、陶瓷或聚四氟乙烯制成。
4.根据权利要求1所述的双轴并联输出型压电作动器，其特征在于，所述金属基体的厚度为2mm。
5.根据权利要求1所述的双轴并联输出型压电作动器，其特征在于，所述压电陶瓷片的厚度为1mm。
6.根据权利要求1所述的双轴并联输出型压电作动器，其特征在于，所述金属基体两端的驱动足上表面倒有斜角，所述斜角与水平面成45°，长度为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的双轴并联输出型压电作动器，其特征在于，所述金属基体两端的驱动足表面固定有摩擦材料，所述摩擦材料采用氧化铝。
8.基于权利要求1所述的双轴并联输出型压电作动器的驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：
将压电陶瓷片接入预设频率阈值下的单相激励信号，根据逆压电效应，压电陶瓷片产生超声振动，进而驱动与之固连的金属基体产生纵向振动或弯曲振动或纵向振动、弯曲振动的耦合振动，传递至驱动足即表现为其微观上的上下振动、左右振动或两种振动的耦合，进而利用驱动足与驱动圆盘之间的摩擦力带动驱动圆盘旋转，并带动与驱动圆盘固连在一起的转轴旋转。
9.根据权利要求8所述的双轴并联输出型压电作动器的驱动方法，其特征在于，所述单相激励信号是正弦波、三角波、方波中的任意一种。
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