CN110429859A - 一种可控驱动力的四通道压电舵机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控驱动力的四通道压电舵机，属于压电作动器领域。利用轴向预压缩简支双晶片弯曲变形，改变压电舵机定子与转子之间的驱动力，从而实现四片舵的独立作动。本发明通过四根粘贴有陶瓷片的杆构成的框型结构作为定子提供驱动力，带动转子和舵面进行旋转。转子与基座之间安装有压电双晶片，通过双晶片变形改变定转子之间的预压力和摩擦力，解决了四片舵由同一定子驱动时出现的必须同时作动的问题，实现了四片舵的可单独控制。本发明利用轴向预压缩简支双晶片作为预压力微调机构来改变定转子之间的驱动力，结构简单，易于实现，提高了机电转换效率，解决了压电作动器采用一个定子而无法实现多通道单独作动的问题，实现了多通道单独作动。

Description

一种可控驱动力的四通道压电舵机

技术领域

本发明属于压电作动器领域，尤其涉及一种可控驱动力的四通道压电舵机。

背景技术

由压电陶瓷设计制成的各种作动器，通常具有响应快、带宽高、控制精度好等众多优点，而这些优点与舵机的设计需求非常的契合，因此，越来越多的设计者们倾向于将压电陶瓷应用于舵机的一体化设计当中。由于压电作动器的设计具有灵活性和多样性，研究者们提出了各种各样的压电舵机，这些舵机虽然种类繁多，但是大多成熟度较低，而且由于设计尺寸的限制，大多数压电舵机都难以实现多通道单独控制，而将多个小型压电作动器集成安装于同一舵机中的设计，虽然可以实现多通道的单独控制，但由于小型作动器定转子尺寸的限制，这种舵机无法产生足够大的输出力矩，因此在很多场合并不适用。

发明内容

本发明提供了一种可控驱动力的四通道压电舵机，所述舵机利用压电双晶片弯曲改变定转子之间的预压力，使同一个定子对多组转子提供不同的驱动力，从而实现多通道的单独控制。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种可控驱动力的四通道压电舵机，包括：定子部、转子部和预压力控制部；所述的定子部包括：定子座2、压电陶瓷片12，定子座2主体由四根杆围成，所述杆的中部为长方体结构2.3，所述杆的两端为圆柱体结构2.1，相邻的两根杆之间通过半圆形结构2.2连接，半圆形结构2.2外圆面顶端设置有施加预压力的球形凹槽2.2.1，半圆形结构内圆面为摩擦驱动面2.2.2；压电陶瓷片12共有八片，每两个一组，分别粘贴于定子座2长方体结构的上下表面上；

所述的转子部包括输出轴9、轴承10和舵片8，输出轴9为两端细、中部粗的柱状结构，所述两端细的柱状结构外圆面为轴承内圈安装面9.2，所述中部粗的柱状结构外圆面为摩擦接触面9.3，与定子座2的摩擦驱动面2.2.2紧密接触，输出轴9的末端侧面开有方形槽9.1；轴承10每两个分为一组，内圈分别安装于轴承内圈安装面9.2上；舵片8一端为方形片状结构，另一端端面设置有方形连接杆8.1，方形连接杆8.1的尺寸与方形槽9.1尺寸相符；

所述的预压力控制部包括上压板1、压电双晶片3、弹性垫片4、下底座5、小滚珠6、轴承支座7、调整垫片11；下底座5为一方形框架结构，方形框架四边的上端面设置有双晶片安装槽5.1、双晶片安装槽5.1的长边两侧分别设置有上压板连接面5.3，上压板连接面5.3上设置螺钉连接孔5.2，双晶片安装槽5.1的短边两侧分别设置有弹性垫片安装面5.4；上压板1两边内侧面设置通孔1.2，上板内侧设有一半圆形凹面滚珠安装孔1.3，上压板1安装于下底座5上，舵片8端面的方形连接杆8.1穿过上压板1侧面的通孔1.2安装于输出轴9的方形槽9.1内；压电双晶片3由压电陶瓷层3.1和基体层3.2构成，压电陶瓷层3.1为两层，基体层3.2位于两层压电陶瓷层3.1的中间，压电双晶片3粘贴于下底座5的双晶片安装槽5.1上；轴承支座7安装于压电双晶片3与输出轴9之间，为轴承10提供支撑，压电双晶片3变形推动轴承支座7，改变摩擦驱动面2.2.2和摩擦接触面9.3之间的预压力和摩擦力，从而使驱动力实现可控；小滚珠6安装于滚珠安装孔1.3与球形凹槽2.2.1之间，为定子部和转子部之间施加预压力。

以上所述结构中，上压板底面1.4设置螺纹孔1.1，上压板底面1.4与上压板连接面5.3相接触，通过螺钉将上压板1与下底板5相连接，并根据需要在连接面放置调整垫片11来调整定转子间初始预压力的大小，弹性垫片4安装于下底座5的弹性垫片安装面5.4上，给压电双晶片3施加轴向预压力，从而增加其机电耦合效率；轴承支座7安装于压电双晶片3与输出轴9之间，压电双晶片变形推动轴承支座7，改变摩擦驱动面2.2.2和摩擦接触面9.3之间的预压力和摩擦力，从而使驱动力实现可控，根据实际工作环境考虑是否需要在摩擦驱动面2.2.2和摩擦接触面9.3之间添加摩擦材料。

有益效果：本发明提供了一种可控驱动力的四通道压电舵机，利用一个压电陶瓷定子带动四组舵产生偏转，通过四组压电双晶片对定转子之间的预压力进行微调，从而实现四组舵可单独作动。压电材料本身具有响应快的特点，本发明将压电材料应用于四通道舵机的集成设计中，可实现毫秒级的响应，从而增强整个舵机系统的可控性；整个机构采用一个定子驱动多个转子的方式，相比多个定子驱动的舵机系统，单定子驱动的定子尺寸可以做到最大，从而使输出力矩得到增加。采用四根压电双晶片的弯曲变形来对定转子之间的预压力进行微调，实现多组舵的可单独作动，解决了传统单定子驱动时多组舵无法单独精密控制的问题。除此之外，本发明涉及的舵机还具有对磁场不敏感，也不产生磁场；速度和位置控制性能好，精度高；控制带宽高；功率消耗相对较小；外形可按用户要求任意设计；而且还有振动、噪声小，工作稳定的优点。

附图说明

图1是轴向预压缩简支双晶片变形示意图；

图2是本发明整体结构示意图；

图3是本发明定子部结构示意图；

图4是本发明下底座结构示意图；

图5是本发明转子结构示意图；

图6是本发明上压板部分示意图；

图7是本发明驱动方式示意图；

图中，1为上压板，1.1为螺纹孔，1.2为通孔，1.3为滚珠安装孔，1.4为上压板底面，2为定子座，2.1为圆柱体结构，2.2为半圆形结构，2.2.1为球形凹槽，2.2.2为摩擦驱动面，2.3位长方体结构，3为压电双晶片，3.1为压电陶瓷层，3.2为基体层，4为弹性垫片，5为下底座，5.1为双晶片安装槽，5.2为螺钉连接孔，5.3为上压板连接面，5.4为弹性垫片安装面，6为小滚珠，7为轴承支座，7.1为轴承外圈安装面，8为舵片，8.1为方形连接杆，9为输出轴，9.1为方形槽，9.2为轴承内圈安装面，9.3为摩擦接触面，10为轴承，11为调整垫片，12为压电陶瓷片。

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2所示，一种可控驱动力的四通道压电舵机，包括：定子部、转子部和预压力控制部；所述的定子部包括：定子座2和压电陶瓷片12；如图3所示，定子座2主体由四根杆状结构构成，杆状结构中部为长方体结构2.3，长方体结构两端为圆柱体结构2.1，每两根杆之间通过一半圆形结构2.2连接，半圆形结构2.2外圆面上设置有施加预压力的球形凹槽2.2.1，半圆形结构内圆面为摩擦驱动面2.2.2；压电陶瓷片12共有八片，每两个一组，分别粘贴于定子座2长方体结构的上下表面上；

如图5所示，所述的转子部包括输出轴9、轴承10和舵片8，输出轴9为两端细、中部粗的柱状结构，中部外圆面为摩擦接触面9.3，与定子座2的摩擦驱动面2.2.2紧密接触，可根据实际工作环境考虑是否需要在摩擦驱动面2.2.2和摩擦接触面9.3之间添加摩擦材料；定子座2在压电陶瓷片12的激励作用下，使摩擦驱动面2.2.2产生运动，并通过摩擦力驱动摩擦接触面9.3，使输出轴9产生周向运动。当半圆形结构2.2左侧的杆状结构产生弯振，右侧的杆状结构产生纵振时，将会产生如图7所示的驱动力，通过轴承10限制转子沿轴向和径向的位移，则输出轴将在驱动力的作用下产生逆时针方向的周向运动；当左侧的杆状结构产生纵振，右侧的杆状结构产生弯振时，输出轴将在驱动力的作用下产生顺时针方向的周向运动；输出轴9的末端开有方形槽9.1；轴承10每两个分为一组，内圈分别安装于输出轴9的轴承内圈安装面9.2上，外圈安装于轴承支座7的轴承外圈安装面7.1上；舵片8端面设置有方形连接杆8.1，连接杆8.1穿过上压板1上的通孔1.2安装于输出轴9的方形槽9.1内；

所述的预压力控制部包括上压板1、压电双晶片3、弹性垫片4、下底座5、小滚珠6、轴承支座7和调整垫片11；如图4所示，下底座5为一方形框架结构，上端设置有双晶片安装槽5.1、螺钉连接孔5.2、上压板连接面5.3和弹性垫片安装面5.4；如图6所示，上压板1底部设置有螺纹孔1.1，侧面设置通孔1.2，上板内侧设有半圆形凹面，即滚珠安装孔1.3；上压板1安装于下底座5上，上压板底面1.4与下底座5上的上压板连接面5.3相接触，通过螺钉将上压板1与下底板5相连接，并根据需要在连接面放置调整垫片11来调整定转子间初始预压力的大小，舵片8端面的方形连接杆8.1穿过上压板1侧面的通孔1.2安装于输出轴9的方形槽9.1内；如图1所示，压电双晶片3由压电陶瓷层3.1和基体层3.2构成，压电陶瓷层3.1为两层，基体层3.2位于两层压电陶瓷层3.1的中间，压电双晶片3安装于下底座5的双晶片安装槽5.1上，弹性垫片4安装于下底座5的弹性垫片安装面5.4上，给压电双晶片3施加轴向预压力，增加其机电转换系数，当给压电双晶片3通电时，压电双晶片3将产生如图1所示的变形，改变摩擦驱动面2.2.2和摩擦接触面9.3之间的压力，从而改变四通道的旋转速度，实现四通道的单独控制；轴承支座7安装于压电双晶片3与输出轴9之间，为轴承10提供支撑；小滚珠6安装于上压板1与定子座2之间，为定子部和转子部之间施加预压力。

工作时，首先给定子座2上的4组（8片）压电陶瓷片12施加电压，定子座2为四边形结构，通过给相对的边上的每组压电陶瓷片12施加相位相同的电压使其相应的长方体结构2.3产生纵振，另外一对边上的每组压电陶瓷片12均施加具有一定相位差的电压使其相应的长方体结构2.3产生弯振，从而通过半圆形结构2.2内部的摩擦驱动面2.2.2产生驱动力带动四根输出轴9旋转。通过对8片（4组）压电陶瓷片12采用同频率而不同相位的供电方式，可实现四片舵片8产生不同方向的旋转运动。通过给4片压电双晶片3分别施加峰-峰值不同的电压，可使4片压电双晶片3产生大小不同的弯曲力矩，从而对定转子之间产生大小不同的推力来改变定转子之间压力的大小，进而改变输出轴9的旋转速度， 实现对四片舵片8转速的单独控制。

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 (6)

1.一种可控驱动力的四通道压电舵机，其特征在于，包括：定子部、转子部和预压力控制部；所述的定子部包括：定子座（2）、压电陶瓷片（12），定子座（2）主体由四根杆围成，所述杆的中部为长方体结构（2.3），所述杆的两端为圆柱体结构（2.1），相邻的两根杆之间通过半圆形结构（2.2）连接，半圆形结构（2.2）外圆面顶端设置有施加预压力的球形凹槽（2.2.1），半圆形结构内圆面为摩擦驱动面（2.2.2）；压电陶瓷片（12）共有八片，每两个一组，分别粘贴于定子座（2）长方体结构的上下表面上；

所述的转子部包括输出轴（9）、轴承（10）和舵片（8），输出轴（9）为两端细、中部粗的柱状结构，所述两端细的柱状结构外圆面为轴承内圈安装面（9.2），所述中部粗的柱状结构外圆面为摩擦接触面（9.3），与定子座（2）的摩擦驱动面（2.2.2）紧密接触，输出轴（9）的末端侧面开有方形槽（9.1）；轴承（10）每两个分为一组，内圈分别安装于轴承内圈安装面（9.2）上；舵片（8）一端为方形片状结构，另一端端面设置有方形连接杆（8.1），方形连接杆(8.1)的尺寸与方形槽(9.1)尺寸相符；

所述的预压力控制部包括上压板（1）、压电双晶片（3）、弹性垫片（4）、下底座（5）、小滚珠（6）、轴承支座（7）、调整垫片（11）；下底座（5）为一方形框架结构，所述方形框架四边的上端面设置有双晶片安装槽（5.1）、双晶片安装槽(5.1)的长边两侧分别设置有上压板连接面(5.3)，双晶片安装槽(5.1)的短边两侧分别设置有弹性垫片安装面（5.4）；上压板（1）两边内侧面设置通孔（1.2），上板内侧设有一半圆形凹面滚珠安装孔（1.3），上压板（1）安装于下底座（5）上，舵片（8）端面的方形连接杆（8.1）穿过上压板（1）侧面的通孔（1.2）安装于输出轴（9）的方形槽（9.1）内；压电双晶片(3)由压电陶瓷层(3.1)和基体层(3.2)构成，压电陶瓷层(3.1)为两层，基体层(3.2)位于两层压电陶瓷层(3.1)的中间，压电双晶片（3）粘贴于下底座（5）的双晶片安装槽（5.1）上；轴承支座（7）安装于压电双晶片（3）与输出轴（9）之间，小滚珠（6）安装于滚珠安装孔1.3与球形凹槽(2.2.1)之间。

2.根据权利要求1所述的可控驱动力的四通道压电舵机，其特征在于，所述压电舵机包括上压板底面(1.4)设置螺纹孔(1.1)，上压板连接面(5.3)上设置螺钉连接孔（5.2），上压板底面（1.4）与上压板连接面（5.3）相接触，利用螺钉通过螺纹孔(1.1)和螺钉连接孔（5.2）将上压板（1）与下底板（5）相连接。

3.根据权利要求2所述的可控驱动力的四通道压电舵机，其特征在于，根据需要在上压板底面（1.4）与上压板连接面（5.3）之间放置调整垫片（11）。

4.根据权利要求1所述的可控驱动力的四通道压电舵机，其特征在于，弹性垫片（4）安装于下底座（5）的弹性垫片安装面（5.4）。

5.根据权利要求1所述的可控驱动力的四通道压电舵机，其特征在于，轴承支座（7）安装于压电双晶片（3）与输出轴（9）之间，压电双晶片(3)变形推动轴承支座（7），改变摩擦驱动面（2.2.2）和摩擦接触面（9.3）之间的预压力和摩擦力。

6.根据权利要求5所述的可控驱动力的四通道压电舵机，其特征在于，根据需求在摩擦驱动面（2.2.2）和摩擦接触面（9.3）之间添加摩擦材料。