CN112542960B - 基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置及其工作方法，包含内固定环、外输出环、第一至第二旋转轴承、以及四个压电驱动模块；内固定环包含第一固定圆环、第二固定圆环、以及四个固定块；压电驱动模块包含第一压电驱动单元和第二压电驱动单元；第一压电驱动单元、第二压电驱动单元结构相同，均包含柔性铰链、压电促动器和摩擦块。本发明通过控制压电促动器运动的时序，使摩擦块产生固定步序的周期运动，在摩擦块与外输出环间静摩擦力的作用下使外输出环实现转动。本发明可靠性高、输出推力大、精度高，通用性较好，易于推广，具有良好的经济效益。

Description

基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动领域，尤其涉及一种基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置及其工作方法。

背景技术

环状旋转型压电传动装置是一种基于压电效应和超声振动的作动器，因其相应速度快、精度高等特点，在军工等领域具有极其广泛的应用，特别是导弹舵机操控应用中。但是，受限于其输出扭矩较小，导致其使用过程中只能作为低负载的转动源。因此，如何增大环状旋转型压电传动装置的转动扭矩成了压电作动器进一步拓宽应用范围、提高装置性能所面临的主要问题。

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，提供一种基于静摩擦的旋转压电传动装置及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置，包含内固定环、外输出环、第一至第二旋转轴承、以及四个压电驱动模块；

所述内固定环包含第一固定圆环、第二固定圆环、以及四个固定块，其中，所述第一固定圆环、第二固定圆环结构相同且同轴设置；所述固定块为结构相同的长方体；所述四个固定块周向均匀设置在第一固定圆环、第二固定圆环之间，均一端和所述第一固定圆环靠近第二固定圆环的端面固连、另一端和第二固定圆环靠近第一固定圆环的端面固连；

所述外输出环为两端开口的空心圆柱体；

所述内固定环设置在所述外输出环内、和所述外输出环同轴，且第一固定圆环的外壁通过所述第一旋转轴承和所述外输出环的内壁转动连接、第二固定圆环的外壁通过所述第二旋转轴承和所述外输出环的内壁转动连接，使得所述外输出环能够相对所述内固定环自由转动；

所述压电驱动模块包含第一压电驱动单元和第二压电驱动单元；

所述第一压电驱动单元、第二压电驱动单元结构相同，均包含柔性铰链、压电促动器和摩擦块；所述摩擦块包含连接部和摩擦部，其中，所述摩擦部为和所述外输出环内壁相匹配的弧面、用于抵住外输出环内壁并通过静摩擦带动外输出环转动；所述连接部一端和所述摩擦部相连、另一端和所述压电促动器的一端相连；所述压电促动器的另一端和所述柔性铰链的一端相连；所述柔性铰链用于弯曲转向、以保证摩擦块和外输出环内壁间不发生滑动摩擦；

所述四个压电驱动模块一一对应设置在所述四个固定块上，其中，压电驱动模块中第一压电驱动单元柔性铰链的另一端、第二压电驱动单元柔性铰链的另一端分别和其对应固定块的两侧固连，压电驱动模块第一压电驱动单元、第二压电驱动单元中摩擦块的摩擦部均和外输出环的内壁同轴且间距为预设的第一距离阈值l ₁；

所述压电驱动模块中的第一压电驱动单元、第二压电驱动单元均用于向外输出环内壁施加推力使得外输出环旋转，且第一压电驱动单元、第二压电驱动单元施加的推力大小相同、方向相反。

作为本发明一种基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置进一步的优化方案，所述外输出环在两侧对称设有用于和外部相连的连接座。

本发明还公开了一种该基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置的工作方法，包含如下步骤：

令四个压电驱动模块的周向依次为第一至第四压电驱动模块，且第一至第四压电驱动模块中的第一压电驱动单元均用于推动外输出环正向转动、第二压电驱动单元均用于推动外输出环反向转动；令第一压电驱动模块的第一压电驱动单元、第三压电驱动模块的第一压电驱动单元组成第一驱动小组，第二压电驱动模块的第一压电驱动单元、第四压电驱动模块的第一压电驱动单元组成第二驱动小组，第一压电驱动模块的第二压电驱动单元、第三压电驱动模块的第二压电驱动单元组成第三驱动小组，第二压电驱动模块的第二压电驱动单元、第四压电驱动模块的第二压电驱动单元组成第四驱动小组；

如果需要驱动外输出环正向转动：

步骤A.1），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；驱动第二、第三、第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作，确保其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.2），继续驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第一驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环正向转动预设的角度θ；

步骤A.3），驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤A.4），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.5），继续驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第二驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环正向转动预设的角度θ；

步骤A.6），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤A.7），驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.8），重复执行步骤A.2）至步骤A.7）；

如果需要驱动外输出环反向转动：

步骤B.1），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；驱动第一、第二、第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作，确保其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.2），继续驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第三驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环反向转动预设的角度θ；

步骤B.3），驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤B.4），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.5），继续驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第四驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环反向转动预设的角度θ；

步骤B.6），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤B.7），驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.8），重复执行步骤B.2）至步骤B.7）。

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：

1. 本发明通过设置多组压电促动器，在其巨大输出力作用下，依靠静摩擦力带动外输出环正向或反向旋转输出，从而实现装置大扭矩的目的；

2. 本发明由于采用压电促动器作为激励源，因此其响应速度快、精度较高，并可通过改变输入频率从而进行转速调节。

附图说明

图1是本发明的外观示意图；

图2是本发明内固定环的结构示意图；

图3是本发明中第一旋转轴承的结构示意图；

图4是本发明中外输出环的结构示意图；

图5是本发明轴向剖视的结构示意图；

图6是本发明中的摩擦块的结构示意图；

图7是本发明中柔性铰链的结构示意图；

图8是本发明周向剖视的结构示意图；

图9是本发明中四个压电驱动模块相配合的结构示意图；

图10是本发明的驱动工作原理图。

图中，1-第一固定圆环，2-第二固定圆环，3-固定块，4-内固定环，5-外输出环，6-第一旋转轴承，7-第二旋转轴承，8-连接座，9-固定块，10-第一压电驱动单元的柔性铰链，11-第一压电驱动单元的压电促动器，12-第一压电驱动单元的摩擦块，13-第二压电驱动单元的柔性铰链，14-第二压电驱动单元的压电促动器，15-第二压电驱动单元的摩擦块。

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所示，本发明公开了一种基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置，包含内固定环、外输出环、第一至第二旋转轴承、以及四个压电驱动模块。

如图2所示，所述内固定环包含第一固定圆环、第二固定圆环、以及四个固定块，其中，所述第一固定圆环、第二固定圆环结构相同且同轴设置；所述固定块为结构相同的长方体；所述四个固定块周向均匀设置在第一固定圆环、第二固定圆环之间，均一端和所述第一固定圆环靠近第二固定圆环的端面固连、另一端和第二固定圆环靠近第一固定圆环的端面固连。

所述第一旋转轴承、第二旋转轴承结构相同，图3是本发明中第一旋转轴承的结构示意图。

如图4所示，所述外输出环为两端开口的空心圆柱体，在两侧对称设有用于和外部相连的连接座。

如图5所示，所述内固定环设置在所述外输出环内、和所述外输出环同轴，且第一固定圆环的外壁通过所述第一旋转轴承和所述外输出环的内壁转动连接、第二固定圆环的外壁通过所述第二旋转轴承和所述外输出环的内壁转动连接，使得所述外输出环能够相对所述内固定环自由转动。

所述压电驱动模块包含第一压电驱动单元和第二压电驱动单元；

所述第一压电驱动单元、第二压电驱动单元结构相同，均包含柔性铰链、压电促动器和摩擦块；如图6所示，所述摩擦块包含连接部和摩擦部，其中，所述摩擦部为和所述外输出环内壁相匹配的弧面、用于抵住外输出环内壁并通过静摩擦带动外输出环转动；所述连接部一端和所述摩擦部相连、另一端和所述压电促动器的一端相连；所述压电促动器的另一端和所述柔性铰链的一端相连；所述柔性铰链用于弯曲转向、以保证摩擦块和外输出环内壁间不发生滑动摩擦，柔性铰链的结构如图7所示。

如图8所示，所述四个压电驱动模块一一对应设置在所述四个固定块上，其中，压电驱动模块中第一压电驱动单元柔性铰链的另一端、第二压电驱动单元柔性铰链的另一端分别和其对应固定块的两侧固连，压电驱动模块第一压电驱动单元、第二压电驱动单元中摩擦块的摩擦部均和外输出环的内壁同轴且间距为预设的第一距离阈值l ₁；

所述压电驱动模块中的第一压电驱动单元、第二压电驱动单元均用于向外输出环内壁施加推力使得外输出环旋转，且第一压电驱动单元、第二压电驱动单元施加的推力大小相同、方向相反，四个压电驱动模块如图9所示分布。

如图10所示，本发明还公开了一种该基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置的工作方法，包含如下步骤：

令四个压电驱动模块的周向依次为第一至第四压电驱动模块，且第一至第四压电驱动模块中的第一压电驱动单元均用于推动外输出环正向转动、第二压电驱动单元均用于推动外输出环反向转动；令第一压电驱动模块的第一压电驱动单元、第三压电驱动模块的第一压电驱动单元组成第一驱动小组，第二压电驱动模块的第一压电驱动单元、第四压电驱动模块的第一压电驱动单元组成第二驱动小组，第一压电驱动模块的第二压电驱动单元、第三压电驱动模块的第二压电驱动单元组成第三驱动小组，第二压电驱动模块的第二压电驱动单元、第四压电驱动模块的第二压电驱动单元组成第四驱动小组；

如果需要驱动外输出环正向转动：

步骤A.1），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；驱动第二、第三、第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作，确保其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.2），继续驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第一驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环正向转动预设的角度θ；

步骤A.3），驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤A.4），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.5），继续驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第二驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环正向转动预设的角度θ；

步骤A.6），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤A.7），驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.8），重复执行步骤A.2）至步骤A.7）；

如果需要驱动外输出环反向转动：

步骤B.1），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；驱动第一、第二、第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作，确保其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.2），继续驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第三驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环反向转动预设的角度θ；

步骤B.3），驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤B.4），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.5），继续驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第四驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环反向转动预设的角度θ；

步骤B.6），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤B.7），驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.8），重复执行步骤B.2）至步骤B.7）。

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 (3)

1.基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置，其特征在于，包含内固定环、外输出环、第一至第二旋转轴承、以及四个压电驱动模块；

所述内固定环包含第一固定圆环、第二固定圆环、以及四个固定块，其中，所述第一固定圆环、第二固定圆环结构相同且同轴设置；所述固定块为结构相同的长方体；所述四个固定块周向均匀设置在第一固定圆环、第二固定圆环之间，均一端和所述第一固定圆环靠近第二固定圆环的端面固连、另一端和第二固定圆环靠近第一固定圆环的端面固连；

所述外输出环为两端开口的空心圆柱体；

所述内固定环设置在所述外输出环内、和所述外输出环同轴，且第一固定圆环的外壁通过所述第一旋转轴承和所述外输出环的内壁转动连接、第二固定圆环的外壁通过所述第二旋转轴承和所述外输出环的内壁转动连接，使得所述外输出环能够相对所述内固定环自由转动；

所述压电驱动模块包含第一压电驱动单元和第二压电驱动单元；

所述第一压电驱动单元、第二压电驱动单元结构相同，均包含柔性铰链、压电促动器和摩擦块；所述摩擦块包含连接部和摩擦部，其中，所述摩擦部为和所述外输出环内壁相匹配的弧面、用于抵住外输出环内壁并通过静摩擦带动外输出环转动；所述连接部一端和所述摩擦部相连、另一端和所述压电促动器的一端相连；所述压电促动器的另一端和所述柔性铰链的一端相连；所述柔性铰链用于弯曲转向、以保证摩擦块和外输出环内壁间不发生滑动摩擦；

所述四个压电驱动模块一一对应设置在所述四个固定块上，其中，压电驱动模块中第一压电驱动单元柔性铰链的另一端、第二压电驱动单元柔性铰链的另一端分别和其对应固定块的两侧固连，压电驱动模块第一压电驱动单元、第二压电驱动单元中摩擦块的摩擦部均和外输出环的内壁同轴且间距为预设的第一距离阈值l ₁；

所述压电驱动模块中的第一压电驱动单元、第二压电驱动单元均用于向外输出环内壁施加推力使得外输出环旋转，且第一压电驱动单元、第二压电驱动单元施加的推力大小相同、方向相反。

2.根据权利要求1所述的基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置，其特征在于，所述外输出环在两侧对称设有用于和外部相连的连接座。

3.基于要求1所述的基于静摩擦的环状旋转型压电传动装置的工作方法，其特征在于，包含如下步骤：

令四个压电驱动模块的周向依次为第一至第四压电驱动模块，且第一至第四压电驱动模块中的第一压电驱动单元均用于推动外输出环正向转动、第二压电驱动单元均用于推动外输出环反向转动；令第一压电驱动模块的第一压电驱动单元、第三压电驱动模块的第一压电驱动单元组成第一驱动小组，第二压电驱动模块的第一压电驱动单元、第四压电驱动模块的第一压电驱动单元组成第二驱动小组，第一压电驱动模块的第二压电驱动单元、第三压电驱动模块的第二压电驱动单元组成第三驱动小组，第二压电驱动模块的第二压电驱动单元、第四压电驱动模块的第二压电驱动单元组成第四驱动小组；

如果需要驱动外输出环正向转动：

步骤A.1），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；驱动第二、第三、第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作，确保其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.2），继续驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第一驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环正向转动预设的角度θ；

步骤A.3），驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤A.4），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.5），继续驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第二驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环正向转动预设的角度θ；

步骤A.6），驱动第一驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤A.7），驱动第二驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤A.8），重复执行步骤A.2）至步骤A.7）；

如果需要驱动外输出环反向转动：

步骤B.1），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；驱动第一、第二、第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作，确保其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.2），继续驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第三驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环反向转动预设的角度θ；

步骤B.3），驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤B.4），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.5），继续驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，此时，第四驱动小组中的各个压电驱动单元摩擦块的摩擦部和外输出环在静摩擦力的作用下保持相互静止，带动外输出环反向转动预设的角度θ；

步骤B.6），驱动第三驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向伸长，使其摩擦块的摩擦部和外输出环相抵；

步骤B.7），驱动第四驱动小组中的各个压电驱动单元工作使其轴向缩短，使其摩擦块的摩擦部和外输出环脱离、间距为预设的第一距离阈值l ₁；

步骤B.8），重复执行步骤B.2）至步骤B.7）。

Images