CN110509264B - 压电陶瓷控制的可变刚度装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种压电陶瓷控制的可变刚度装置及其控制方法，包括：力矩转速输入部和力矩转速输出部；力矩转速输入部包括内壁开有多个花键槽的圆柱环和多个微调块；微调块的平键的顶部粘贴有压电陶瓷薄片，并有带有斜度的圆弧面；力矩转速输出部包括圆台体、以及位于圆台体的小底面一侧的带有螺孔的连接轴和圆台体的大底面一侧的输出轴；圆台体斜面的斜度与接触部的底面的斜度相同；微调块和圆台体通过连接轴一侧的定位螺栓和安装板、以及输入轴一侧的盖板保持限位接触；定位螺栓和安装板之间依次设置有套设于安装轴上的第一叠堆压电陶瓷组、第二叠堆压电陶瓷组和推力球轴承。其相对于常规方法较大的刚度调解范围，且刚度精确可控。

Description

压电陶瓷控制的可变刚度装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及传动装置领域，尤其涉及一种压电陶瓷控制的可变刚度装置及其控制方法。

背景技术

在汽车底盘的减震装置是一个典型的变刚度装置。

在目前的工业机器人中，机器人的手臂大多数是用一整个刚体结构来传递运动和力，这在工作目标明确的前提条件下，可以运动准确及传递的力大。但在一些特殊场合，例如提取柔软的物体、医疗上操作的机械手等，需要用柔性机构根据不同的物体进行操作，这些柔性机构可以通过变刚度机构来实现。

目前有变刚度的方法，多采用弹簧或者阻尼块（可以是液压或者气动阻尼缸及橡胶块等）加入机械刚体中，应用这些方法实现的变刚度装置，当弹簧或阻尼块生产安装上装置后，其变刚度的值，由安装在机构上的弹簧或阻尼块的性质确定了，刚度变化范围小。无法实现根据不同的工作环境或者工作目标智能变化刚度。

而人工肌肉等采用智能材料的方法，因为成本和产量的原因，尚无法大规模商业化。

发明内容

本发明利用压电陶瓷的特殊性质，设计了一种可变最大传递力矩的转轴组件，能够兼顾传递力矩的较大调节范围和调节精度，且控制了成本。

其具体采用以下技术方案：

一种压电陶瓷控制的可变刚度装置，其特征在于，包括：力矩转速输入部和力矩转速输出部；所述力矩转速输入部包括内壁开有多个花键槽的圆柱环和多个微调块；多个所述花键槽呈成对的中心对称分布；所述微调块包括上部的平键和下部的接触部，所述平键的顶部粘贴有压电陶瓷薄片，所述接触部的底面为带有斜度的圆弧面；所述力矩转速输出部包括圆台体、以及位于圆台体的小底面一侧的带有螺孔的连接轴和圆台体的大底面一侧的输出轴；所述圆台体斜面的斜度与接触部的底面的斜度相同；所述圆柱环经设置在花键槽内的微调块套设于圆台体的外侧，微调块和圆台体通过连接轴一侧的定位螺栓和安装板、以及输入轴一侧的盖板保持限位接触；所述定位螺栓和安装板之间依次设置有套设于安装轴上的第一叠堆压电陶瓷组、第二叠堆压电陶瓷组和推力球轴承。

优选地，所述第一叠堆压电陶瓷组的负极朝向定位螺栓；所述第一叠堆压电陶瓷组的正极朝向第二叠堆压电陶瓷组的正极。

优选地，所述花键槽共有八个，呈均匀分布。

优选地，所述斜度为10°。

优选地，所述盖板、圆柱环和安装板上开设有多个数量和位置对应的通孔；所述安装板还开设有多个螺纹孔。

以及，根据所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置的控制方法之一，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：施加电压使第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组在轴向伸长至最大长度；

步骤S2：调节所述定位螺栓，使圆台体和微调块形成过盈配合；

步骤S3：通过减小所述第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组两端的电压粗调最大传递力矩；

步骤S4：通过对不同的成对的所述压电陶瓷薄片施加给定频率的电压，微调最大传递力矩。

优选地，在步骤S4中，所述给定频率为压电陶瓷薄片的二阶谐振频率。

根据所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置的控制方法之二，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1：调节所述定位螺栓至给定的力矩，并施加电压使第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组在轴向伸长至最大长度，测试最大传递力矩；

步骤A2：将施加在第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组上的电压调整至0V，测试最大传递力矩；

步骤A3：将步骤A1和步骤A2测试获得的最大传递力矩n等分，将步骤A1施加的电压值n等分，形成n个电压值-最大传递力矩粗调对应关系；

步骤A4：依次对m组成对的所述压电陶瓷薄片在不通电和施加给定频率的电压的条件下测试最大传递力矩并求差，记为组m传递微调力矩。

本发明及其优选方案通过摩擦力来传递力矩和旋转：通过压电陶瓷组粗调输出力矩，通过微调块上的压电陶瓷通交流电使得微调块与输出的圆台间歇接触，从而改变摩擦力，微调输出力矩。其不仅实现相对于常规方法较大的刚度调解范围，且刚度精确可控。

本发明通过叠堆压电陶瓷的电压控制其伸长或缩短，进一步利用其变形控制传递机构的压力，从而实现改变摩擦力的方法实现不同力矩的传递，达到粗变刚度的目的；

又利用微调装置中压电陶瓷产生的振动，通过微调装置中的每一个微调装置产生共振，使得微调装置与接触表面间隔接触，减小了摩擦力，达到微调的目的；

且可以通过控制叠堆压电陶瓷的电压和微调装置工作的组数量，准确控制传递的力矩。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例整体结构立体分解示意图；

图2是本发明实施例整体结构剖视示意图；

图3是本发明实施例整体结构侧视分解示意图；

图4是本发明实施例整体结构立体示意图；

图5是本发明实施例整体结构侧视示意图；

图6是本发明实施例整体结构后视示意图；

图7是本发明实施例整体结构正视示意图；

图8是本发明实施例叠堆压电陶瓷组结构侧视示意图；

图9是本发明实施例叠堆压电陶瓷组结构立体示意图；

图10是本发明实施例示意图力矩转速输出部结构立体示意图；

图11是本发明实施例示意图圆柱环结构立体示意图；

图12是本发明实施例示意图圆柱环结构侧视示意图；

图13是本发明实施例示意图微调块结构立体示意图1；

图14是本发明实施例示意图微调块结构立体示意图2；

图中：110-圆柱环；111-花键槽；120-微调块；121-接触部；122-平键；123-压电陶瓷薄片；210-圆台体；220-输出轴；230-连接轴；310-定位螺栓；320-安装板；321-安装板通孔；322-安装板螺纹孔；330-盖板；331-盖板通孔；340-第一叠堆压电陶瓷组；341-叠堆压电陶瓷组的负极导电片；342-第一叠堆压电陶瓷组的负极；343-第一叠堆压电陶瓷组的正极；350-第二叠堆压电陶瓷组；351-叠堆压电陶瓷组的正极导电片；352-第二叠堆压电陶瓷组的负极；353-第二叠堆压电陶瓷组的正极；360-推力球轴承。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

如图1-图14所示，本实施例装置主要包括：力矩转速输入部和力矩转速输出部。

其中，力矩转速输入部包括内壁开有8个花键槽111的圆柱环110和8个微调块120。如图11、图12所示，8个花键槽111呈成对的中心对称分布，在本实施例提供的方案中，键的长度为50mm，宽度为10mm，底部到圆心的距离为55mm。如图13、图14所示，微调块120包括上部的平键122（或接近平键122形状的键）和下部的接触部121，平键122的顶部粘贴有压电陶瓷薄片123，接触部121的底面为带有斜度的圆弧面，在本实施例提供的方案中，底面的外径为100mm，内径为80mm，斜面的斜度为10°，压电陶瓷薄片123的尺寸为50mm×10mm×1mm。

如图10所示，力矩转速输出部包括圆台体210、以及位于圆台体210的小底面一侧的带有螺孔的连接轴230和圆台体210的大底面一侧的输出轴220。其中，圆台体210直径小的一端为80mm，长度为50mm，斜面的斜度与接触部121的底面的斜度相同，为10°，二者构成表面贴合接触配合的关系。

如图1-图7所示，圆柱环110通过对应设置在8个花键槽111内的8个微调块120套设于圆台体210的外侧部，微调块120和圆台体210通过连接轴230一侧的定位螺栓310和安装板320、以及输入轴一侧的盖板330保持限位接触。如图6、图7、图12所示，盖板330、圆柱环110和安装板320上开设有4个位置对应的通孔，包括：安装板通孔321、盖板通孔331和圆柱环通孔，因此可以通过固定件（如螺钉）将三者固定在一起，同时通过圆柱环110和安装板320的环形结构对微调块120完成限位，确保微调块120不会滑出，如图2所示，且由于连接轴230的轴心上开设有螺孔，通过定位螺栓310挤压定位螺栓310和安装板320之间依次设置的套设于安装轴上的第一叠堆压电陶瓷组340、第二叠堆压电陶瓷组350和推力球轴承360，即可保证圆台体210相对于圆柱环110上8个微调块120相对位置关系的限位，同时，定位螺栓310、第一叠堆压电陶瓷组340、第二叠堆压电陶瓷组350和推力球轴承360也起到了调控输出力矩的作用。

在本实施例中，如图8、图9所示，第一叠堆压电陶瓷组340和第二叠堆压电陶瓷组350具有相同的结构，其由多片压电陶瓷叠堆后形成，其形状是环形片，内径30mm，外径60mm，其特性是在叠堆压电陶瓷上施加不同电压，根据逆压电效应，会伸出不同的长度。第一叠堆压电陶瓷组的负极342朝向定位螺栓310；第一叠堆压电陶瓷组的正极343朝向第二叠堆压电陶瓷组的正极353，第二叠堆压电陶瓷组的负极352朝向推力球轴承360，这样的两个叠堆压电陶瓷组构成一组，在本实施例提供的框架下，如果要实现更大范围的力矩调控，也可以采用多组的设计。在本实施例中，第一叠堆压电陶瓷组的正极343和第二叠堆压电陶瓷组的正极353统一用一块铜片电极引出，构成叠堆压电陶瓷组的正极导电片351，接控制电源的正极；叠堆压电陶瓷组的负极也用一块铜片引出作为叠堆压电陶瓷组的负极导电片341，导电片通过导电环输入需要控制的电压。

在本实施例中，安装板320还开设有4个安装板螺纹孔322，提供给外部电机或其他动力设备传递过来的运动刚体安装用，作为力矩输入的连接固定端点。

根据以上装置，本实施例提供的控制方法包括以下步骤：

步骤S1：施加电压使第一叠堆压电陶瓷组340和第二叠堆压电陶瓷组350在轴向伸长至最大长度，在本实施例中，为150v电压，伸长量为35微米；

步骤S2：调节定位螺栓310，使圆台体210和微调块120紧密贴合，此时，圆台体210经第一叠堆压电陶瓷组340、第二叠堆压电陶瓷组350和推力球轴承360的推动，大径部分向小径部分移动，与8个微调块120的底面过盈配合，可以视为力矩转速输入部和力矩转速输出部结合为一个整体时，其传递的力矩可以通过实测得到，测量的方法为当在以上的状态时，将力矩转速输入部固定不动，施加力矩在输出轴220上，当力矩转速输出部转动时，这时施加在力矩转速输出部的力矩为传递的最大力矩；

当需要变刚度时，分为粗调和微调两步进行调节：

步骤S3：通过减小第一叠堆压电陶瓷组340和第二叠堆压电陶瓷组350两端的电压粗调最大传递力矩；根据叠堆压电陶瓷的特性，随着电压的降低，其轴向伸长量也按比例的减小，这时，圆台体210施加在微调块120上的压力减小，则根据虎克定律，这时它们之间的摩擦力也减小，传递的力也减少，达到变刚度的效果。

步骤S4：为了进一步调节其变刚度，在不改变第一叠堆压电陶瓷组340和第二叠堆压电陶瓷组350两端的电压(即输入输出部分的压力不变摩擦力不变的情况下)，将8个微调块120分为四组，相隔180度（即面对面）为一组，在微调块120上的压电陶瓷薄片123施加一定频率的电压（本实施例中的频率为16.5Hz，该频率为压电陶瓷薄片123的二阶谐振频率，电压的峰-峰值为400v），这时微调块120在压电陶瓷的逆压电效应的作用下，在轴向方向的大小径两端产生了沿半径径向的运动，这时候微调块120对圆台体210产生振动减摩的作用（即当微调块120产生振动后，在接触面上的摩擦力减少了）。根据不同的刚度要求，可以依次通电这四组“压力微调装置”，则输出刚度则由大逐步变小。

在以上方法当中，最大传递力矩与外部施加电压作用的精确对应关系根据以下步骤获得：

步骤A1：调节定位螺栓310至给定的力矩（本实施例取8N.m），并施加电压使第一叠堆压电陶瓷组340和第二叠堆压电陶瓷组350在轴向伸长至最大长度（本实施例取150v电压，伸长量为35微米），测试最大传递力矩（本实施例测试结果为10.2N.m）；

步骤A2：将施加在第一叠堆压电陶瓷组340和第二叠堆压电陶瓷组350上的电压调整至0V，测试最大传递力矩（本实施例取3.4N.m）；

步骤A3：将步骤A1和步骤A2测试获得的最大传递力矩n等分，将步骤A1施加的电压值n等分，形成n个电压值-最大传递力矩粗调对应关系；（本实施例n取10，0v电压传递3.4N.m，150V电压传递10.2N.m，得到10种可传递力矩）；

步骤A4：对四组的微调块120分别施加固定频率和幅值的电压（八个微调块120分为四组，相隔180度（即面对面）为一组，首先施加固定频率和幅值的电压在其中一组上，将输入部分固定不动，施加力矩在旋转输出轴220上，当输出部分转动时，这时测量施加在输出部分的力矩，这时测量出与不施加这一组“微调块120电压时，输出力矩差值，命名该组微调块120作用为“组一传递微调力矩”；然后依次获得“组二传递微调力矩”、“组三传递微调力矩”、“组四传递微调力矩”。

每步粗调传递力矩的基础上，通过控制施加电压在不同数量的微调块120组上电压，可以进一步在每步的粗调上进一步细化微调4种传递力矩。（本实施例中，可以完成共10×4=40种传递力矩）。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的压电陶瓷控制的可变刚度装置及其控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种压电陶瓷控制的可变刚度装置，其特征在于，包括：力矩转速输入部和力矩转速输出部；所述力矩转速输入部包括内壁开有多个花键槽的圆柱环和多个微调块；多个所述花键槽呈成对的中心对称分布；所述微调块包括上部的平键和下部的接触部，所述平键的顶部粘贴有压电陶瓷薄片，所述接触部的底面为带有斜度的圆弧面；所述力矩转速输出部包括圆台体、以及位于圆台体的小底面一侧的带有螺孔的连接轴和圆台体的大底面一侧的输出轴；所述圆台体斜面的斜度与接触部的底面的斜度相同；所述圆柱环经设置在花键槽内的微调块套设于圆台体的外侧，微调块和圆台体通过连接轴一侧的定位螺栓和安装板、以及输入轴一侧的盖板保持限位接触；所述定位螺栓和安装板之间依次设置有套设于安装轴上的第一叠堆压电陶瓷组、第二叠堆压电陶瓷组和推力球轴承；

所述第一叠堆压电陶瓷组的负极朝向定位螺栓；第一叠堆压电陶瓷组的正极朝向第二叠堆压电陶瓷组的正极，第二叠堆压电陶瓷组的负极朝向推力球轴承。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置，其特征在于：所述花键槽共有八个，呈均匀分布。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置，其特征在于：所述斜度为10°。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置，其特征在于：所述盖板、圆柱环和安装板上开设有多个数量和位置对应的通孔；所述安装板还开设有多个螺纹孔。

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：施加电压使第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组在轴向伸长至最大长度；

步骤S2：调节所述定位螺栓，使圆台体和微调块形成过盈配合；

步骤S3：通过减小所述第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组两端的电压粗调最大传递力矩；

步骤S4：通过对不同的成对的所述压电陶瓷薄片施加给定频率的电压，微调最大传递力矩。

6.根据权利要求5所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置的控制方法，其特征在于，在步骤S4中，所述给定频率为压电陶瓷薄片的二阶谐振频率。

7.根 据权利要求1所述的压电陶瓷控制的可变刚度装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1：调节所述定位螺栓至给定的力矩，并施加电压使第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组在轴向伸长至最大长度，测试最大传递力矩；

步骤A2：将施加在第一叠堆压电陶瓷组和第二叠堆压电陶瓷组上的电压调整至0V，测试最大传递力矩；

步骤A3：将步骤A1和步骤A2测试获得的最大传递力矩n等分，将步骤A1施加的电压值n等分，形成n个电压值-最大传递力矩粗调对应关系；

步骤A4：依次对m组成对的所述压电陶瓷薄片在不通电和施加给定频率的电压的条件下测试最大传递力矩并求差，记为组m传递微调力矩。

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