CN110752772A - 基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法，涉及压电作动器技术领域，能够能够在单定子的基础上实现三个自由度的旋转运动，并且结构简单、紧凑。本发明包括：定子、压电叠堆、球形转子。定子内部中空，顶部和球形转子紧密连接。压电堆叠共有四个，极化方向沿竖直方向向上，两两并列放置在定子的内腔中，形成压电堆叠方阵，压电堆叠方阵和定子紧密连接。压电堆叠方阵的对称中心与球形转子的球心在竖直方向上的投影重合。本发明可以用于替代现有方案中结构较为复杂、且体积较大的多自由度压电作动器方案，在微机械、光学仪器、航空航天、医学等高精密领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及压电作动器技术领域，尤其涉及基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法。
背景技术
压电作动器被广泛应用于航空航天、工业、医学等领域，尤其在最近几年，伴随着压电叠堆的兴起，叠堆型压电作动器由于其大位移，大推力，低电压驱动的特性，被广泛应用于各个领域。
在目前的诸多方案中，基于压电叠堆的压电作动器仍然存在输出线位移不足的缺陷，为了放大位移，必须配备相应的位移放大装置，这无疑会导致作动器结构复杂，体积庞大；由于压电叠堆只能输出直线位移，基于压电叠堆的旋转作动器很少，而基于压电叠堆的多自由度旋转作动器则更少；目前基于压电叠堆的多自由旋转型作动器大多采用多定子结合的方案，这无疑会导致整个作动器体积庞大，这无疑限制了基于压电叠堆方案的压电作动器在航空航天、医学等高精密领域中的应用。
发明内容
本发明提供基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法，能够在单定子的基础上实现三个自由度的旋转运动，并且结构简单、紧凑。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于压电叠堆的多自由度压电作动器，包括：定子、压电叠堆、球形转子。
定子内部中空，顶部和球形转子紧密连接。压电堆叠共有四个，极化方向沿竖直方向向上，两两并列放置在定子的内腔中，形成压电堆叠方阵，压电堆叠方阵和定子紧密连接。压电堆叠方阵的对称中心与球形转子的球心在竖直方向上的投影重合。
进一步的，定子为近似宝塔形，包括塔身和塔顶。塔身为长方体，底面为正方形，在底面的四个角处设置空腔，压电堆叠设置在空腔内。塔顶顶部设置圆形凹槽，球形转子通过圆形凹槽和塔顶连接，塔顶的底面和塔身连接。
进一步的，所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器，还包括竖直方向预紧机构，包括：预压力调节螺钉、盖板、弹簧。
盖板中心设置圆形槽口，球形转子的顶部穿过圆形槽口。盖板上还设置通孔，定子底面在通孔竖直方向相对的位置上设置螺纹孔。预压力调节螺钉依次穿过弹簧、盖板上的通孔，再和定子底面的螺纹孔配合连接。
进一步的，所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器，还包括法向预紧机构，包括楔块和预紧螺钉。楔块分别设置在压电堆叠下方，定子侧面设置螺纹通孔，预紧螺钉穿过螺纹通孔与楔块紧密接触。
进一步的，塔身和塔顶之间通过杠杆放大结构连接。
基于压电叠堆的多自由度压电作动器的工作方法，适用于所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器，包括绕X轴或Y轴旋转、绕Z轴旋转三种工作方式。
向位于压电堆叠方阵同一侧的两个压电叠堆施加正弦电信号，向位于另一侧的压电叠堆施加余弦电信号，基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕X轴或Y轴旋转。
向位于压电堆叠方阵一条对角线方向的压电叠堆施加符号相反的正弦电信号，向位于另一条对角线上的压电叠堆施加符号相反的余弦电信号，基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕Z轴旋转。
压电叠堆施加带有相位差的电激励使定子产生变形，使定子在与球形转子的相接处产生规律的椭圆运动，推动球形转子发生绕3个坐标轴的旋转。
本发明的有益效果是：
本发明利用单定子结构使整个多自由度压电作动器结构更加紧凑，相对于目前基于压电叠堆的多定子结合的方案，大大减小了多自由度压电作动器的体积；
基于压电叠堆大位移大推力低驱动电压的特点，本发明提供的定子结构能有效放大压电叠堆的位移，并实现低电压驱动；
本发明体积小、重量轻、结构紧凑，不受电磁干扰，控制方便，可以用于替代现有方案中结构较为复杂、且体积较大的多自由度压电作动器方案，在微机械、光学仪器、航空航天、医学等高精密领域有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是实施例的装配示意图；
图2是实施例的定子结构示意图；
图3是实施例的楔块预紧结构示意图；
图4是实施例的电信号激励示意图；
图5是实施例绕X轴旋转的步态示意图；
图6是实施例绕Y轴旋转的步态示意图；
图7是实施例绕Z轴旋转的步态示意图。
其中，1-定子、2-压电叠堆、3-球形转子、4-楔块、5-预紧螺钉、6-弹簧、7-预压力调节螺钉、8-盖板、9-杠杆放大结构、10-第一螺纹孔、11-第二螺纹孔、12-第一信号输入端、13-第二信号输入端、14-第三信号输入端、15-第四信号输入端。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供了基于压电叠堆的多自由度压电作动器，如图1所示，包括：包括：定子1、压电叠堆方阵、球形转子3、竖直方向预紧机构、法向预紧机构。
压电叠堆方阵设置在定子1内腔中，球形转子3和定子1顶部连接，竖直方向预紧机构沿竖直方向设置，给球形转子3预压力，使得定子1和球形转子3紧密连接；法向预紧机构沿水平方向设置，给压电叠堆方阵预压力，使得压电叠堆方阵和定子1紧密连接。
定子1为近似宝塔形，包括塔身和塔顶，如图2所示，塔顶的底面和塔身通过杠杆放大结构9连接。塔身为长方体，底面为正方形，在底面的四个角处设置长方体空腔，所示空腔两两并排，压电堆叠方阵由四个长方体压电叠堆2组成，设置在空腔内，压电叠堆2的极化方向沿竖直方向向上。
塔顶顶部设置圆形凹槽，球形转子3通过圆形凹槽和塔顶连接，压电堆叠方阵的对称中心与球形转子3的球心在竖直方向上的投影重合。
竖直方向预紧机构，包括：预压力调节螺钉7、盖板8、弹簧6。
盖板8中心设置圆形槽口，球形转子3的顶部穿过圆形槽口。盖板8沿周向均匀设置四个通孔，定子1底面在通孔竖直方向相对的位置上设置第一螺纹孔10。预压力调节螺钉7依次穿过弹簧6、盖板8上的通孔，再和第一螺纹孔10配合连接。通过旋紧预压力调节螺钉7调节球形转子3和定子1之间的预压力。
法向预紧机构，包括楔块4和预紧螺钉5。楔块4成对使用，两块楔块4的斜面相向放置，即斜面相互重合，如图3所示。楔块4成对设置在压电堆叠2下方，定子1侧面设置第二螺纹孔11，预紧螺钉5穿过第二螺纹孔11与楔块4紧密接触。下层楔块的底端与预紧螺钉5紧密接触构成预紧力施加结构的输入端，上层楔块的侧端与压电叠堆2紧密接触构成预紧力施加结构的输出端。通过改变预紧螺钉5的螺纹旋入量即可调整预紧力的大小。
本实施例还提供了基于压电叠堆的多自由度压电作动器的工作方法，包括绕X轴或Y轴旋转、绕Z轴旋转三种工作方式。
四个压电叠堆2分别连接第一信号输入端12、第二信号输入端13、第三信号输入端14、第四信号输入端15，如图4所示。
向位于压电堆叠方阵同一侧的两个压电叠堆施加正弦电信号，向位于另一侧的压电叠堆施加余弦电信号，基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕X轴或Y轴旋转。
当给第一信号输入端12和第二信号输入端13接入正弦信号，给第三信号输入端14和第四信号输入端15接入余弦信号时，定子1与球形转子3的相接处产生Y-O-Z平面内的椭圆运动，进而驱动球形转子3绕X轴旋转，如图5所示。
当给第一信号输入端12和第三信号输入端14接入正弦信号，给第二信号输入端13和第四信号输入端15接入余弦信号时，定子1与球形转子3的相接处产生X-O-Z平面内的椭圆运动，进而驱动球形转子3绕Y轴旋转，如图6所示。
向位于所述压电堆叠方阵一条对角线方向的压电叠堆施加符号相反的正弦电信号，向位于另一条对角线上的压电叠堆施加符号相反的余弦电信号，所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕Z轴旋转。
当给第一信号输入端12和第四信号输入端15接入符号相反的正弦信号，给第二信号输入端13和第三信号输入端14接入符号相反的余弦信号时，定子1与球形转子3的相接处产生X-O-Y平面内的椭圆运动，进而驱动球形转子3绕Z轴旋转，如图7所示。
本发明的有益效果是：
本发明利用单定子结构使整个多自由度压电作动器结构更加紧凑，相对于目前基于压电叠堆的多定子结合的方案，大大减小了多自由度压电作动器的体积；
基于压电叠堆大位移大推力低驱动电压的特点，本发明提供的定子结构能有效放大压电叠堆的位移，并实现低电压驱动；
本发明体积小、重量轻、结构紧凑，不受电磁干扰，控制方便，可以用于替代现有方案中结构较为复杂、且体积较大的多自由度压电作动器方案，在微机械、光学仪器、航空航天、医学等高精密领域有广阔的应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.基于压电叠堆的多自由度压电作动器，其特征在于，包括：定子（1）、压电叠堆（2）、球形转子（3）；
定子（1）内部中空，顶部和球形转子（3）紧密连接；
压电堆叠（2）共有四个，极化方向沿竖直方向向上，两两并列放置在定子（1）的内腔中，形成压电堆叠方阵，所述压电堆叠方阵和定子（1）紧密连接；
所述压电堆叠方阵的对称中心与所述球形转子（3）的球心在竖直方向上的投影重合。
2.根据权利要求1所述的基于压电叠堆的多自由度压电作动器，其特征在于，定子（1）为近似宝塔形，包括塔身和塔顶；
所述塔身为长方体，底面为正方形，在底面的四个角处设置空腔，压电堆叠（2）设置在所述空腔内；
所述塔顶顶部设置圆形凹槽，球形转子（3）通过所述圆形凹槽和所述塔顶连接，所述塔顶的底面和所述塔身连接。
3.根据权利要求1所述的基于压电叠堆的多自由度压电作动器，还包括竖直方向预紧机构，包括：预压力调节螺钉（7）、盖板（8）、弹簧（6）；
盖板（8）中心设置圆形槽口，球形转子（3）的顶部穿过所述圆形槽口；
盖板（8）上还设置通孔，定子（1）底面在所述通孔竖直方向相对的位置上设置螺纹孔；
预压力调节螺钉（7）依次穿过弹簧（6）、盖板（8）上的所述通孔，再和定子（1）底面的螺纹孔配合连接。
4.根据权利要求1所述的基于压电叠堆的多自由度压电作动器，还包括法向预紧机构，包括楔块（4）和预紧螺钉（5）；
楔块（4）分别设置在压电堆叠（2）下方，定子（1）侧面设置螺纹通孔，预紧螺钉（5）穿过所述螺纹通孔与楔块（4）紧密接触。
5.根据权利要求2所述的基于压电叠堆的多自由度压电作动器，所述塔身和塔顶之间通过杠杆放大结构连接。
6.基于压电叠堆的多自由度压电作动器的工作方法，适用于如权利要求1-5所述的基于压电叠堆的多自由度压电作动器，其特征在于，包括绕X轴或Y轴旋转、绕Z轴旋转三种工作方式；
向位于所述压电堆叠方阵同一侧的两个压电叠堆施加正弦电信号，向位于另一侧的压电叠堆施加余弦电信号，所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕X轴或Y轴旋转；
向位于所述压电堆叠方阵一条对角线方向的压电叠堆施加符号相反的正弦电信号，向位于另一条对角线上的压电叠堆施加符号相反的余弦电信号，所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕Z轴旋转。
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