CN112564542A - 一种基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，包括至少一个驱动单元，所述驱动单元包括驱动压电堆和钳位压电堆，所述驱动压电堆一端固定，另一端沿X向伸缩，用于与被驱动的转动轮的圆周侧面相接触，所述钳位压电堆一端固定，另一端沿Y向伸缩，用于与所述驱动压电堆的伸缩端相接触驱动其发生偏转，驱动压电堆、钳位压电堆相互配合驱动所述转动轮绕其中心轴旋转。本发明在设计过程中充分考虑空间机构技术的使用需求，具有转动精度高、低速性能好、可正反向转动、锁止刚度大、可靠性高的优点。

Description

一种基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置
技术领域
本发明涉及旋转驱动装置技术领域，具体是一种基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置。
背景技术
现代卫星在国民经济中发挥着举足轻重、无可替代的作用，承担着通讯、导航、气象观测、空间遥感等诸多与人民生活息息相关的重要任务。随着卫星任务的不断复杂化，展开式结构、旋转扫描结构、空间智能结构等空间机构技术被大量应用，有效拓展和提升了卫星的功能。上述空间机构为了完成功能，必须配备可靠稳定的旋转驱动部件，实现展开、扫描和直线运动。
针对旋转驱动技术的需求，现有技术方案多采用步进电机或直流电机作为动力源。此类电机适合需要高速旋转运动的场合，在低速运动时速度稳定性差，难以保证转动精度。为实现低速高精度驱动，电机需要配合减速器使用，正回程误差、传动效率下降等因素进一步限制了最终的精度实现。另外，电机类部件体积和重量大，成为制约电机类转动部件应用的束缚。
压电作动是目前新兴智能结构中常用的驱动方式，能够实现单步微量位移输出，通过多步叠加输出的方式能够实现连续不断的运动输出，同时体积和重量小，非常适合应用于对体积重量极度敏感的航天领域。
因此有必要进行基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置研究，充分引入先进设计理念，以获得性能优越的具有转动精度高、低速性能好的旋转驱动装置。
发明内容
本发明针对现有技术方案的缺陷，提出一种基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，具有转动精度高、低速性能好等优点，解决了现有旋转驱动装置低速转动稳定性差难以保证转动精度、体积重量大的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，包括至少一个驱动单元，所述驱动单元包括驱动压电堆和钳位压电堆，所述驱动压电堆一端固定，另一端沿X向伸缩，用于与被驱动的转动轮的圆周侧面相接触，所述钳位压电堆一端固定，另一端沿Y向伸缩，用于与所述驱动压电堆的伸缩端相接触驱动其发生偏转，驱动压电堆、钳位压电堆相互配合驱动所述转动轮绕其中心轴旋转。
所述驱动压电堆的固定端上套设有复位弹簧一，所述复位弹簧一的一端固定设置，另一端与所述驱动压电堆侧面相连；所述复位弹簧一为失电后的所述驱动压电堆提供预紧力。
所述钳位压电堆的固定端上套设有复位弹簧二，所述复位弹簧二的一端固定设置，另一端与所述钳位压电堆侧面相连；所述复位弹簧二为失电后的所述钳位压电堆提供预紧力。
所述转动轮的外侧布置有四个所述驱动单元，处于对侧位置的两两一组，其中一组的两个驱动单元互为备份，构成驱动所述转动轮逆时针转动的逆时针驱动单元；另一组的两个驱动单元互为备份，构成驱动所述转动轮顺时针转动的顺时针驱动单元。
所述转动轮的中心轴安装在一壳体内中部，四个所述驱动单元布置在壳体内四周，其中钳位压电堆、驱动压电堆的固定端与所述壳体连接。
所述驱动压电堆采用压电陶瓷材料多堆叠加方式制成。
所述钳位压电堆采用压电陶瓷材料多堆叠加方式制成。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，在设计过程中充分考虑空间机构技术的使用需求，具有转动精度高、低速性能好、可正反向转动、锁止刚度大、可靠性高的优点。
本发明的在设计过程中充分考虑适应展开式结构、旋转扫描结构、空间智能结构等多种部件的应用要求，只要对壳体、转动轮的外部接口进行适应性修改，就可以满足不同航天器的安装使用要求，同时不会造成性能的下降或质量的增加，具有较高的通用性，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、壳体；2、转动轮；3、复位弹簧一；4、驱动压电堆；5、复位弹簧二；6、钳位压电堆；7、顺时针驱动单元；8、逆时针驱动单元。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，在本实施例的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，包括至少一驱动单元：驱动压电堆4和钳位压电堆6，两者呈交叉状布置，优选地，驱动压电堆4、钳位压电堆6分别沿X向、Y向布置；
驱动压电堆4通电后能够实现X向伸长运动，断电后能够实现回缩运动，通过反复的通断电实现驱动压电堆4的伸缩往复运动；钳位压电堆6通电后能够实现Y向伸长运动，将驱动压电堆4压紧在转动轮2上，驱动压电堆4压紧在转动轮2上时，驱动压电堆4的伸缩往复运动能够推动转动轮2运动，钳位压电堆6断电后能够实现回缩运动，释放驱动压电堆4，使其脱离转动轮2。
具体地，还包括壳体1，驱动压电堆4和钳位压电堆6的固定端与壳体1连接，转动轮2的中心转轴固定在壳体1上，外力驱动下，转动轮2能够绕轴转动。
具体地，驱动压电堆4、钳位压电堆6采用特制压电陶瓷材料制成。
进一步地，为了提升高控制性能，驱动单元的结构还包括复位弹簧一3、复位弹簧二5。
驱动压电堆4安装在复位弹簧一3上，复位弹簧一3固定在壳体1上，驱动压电堆4通电后能够实现伸缩运动，推动转动轮2转动；
钳位压电堆6安装在复位弹簧二5上，复位弹簧二5固定在壳体1上，钳位压电堆6通电后能够实现伸缩运动，推动驱动压电堆4接触或脱离转动轮2。
复位弹簧二5具备伸缩方向弹性势能，能够实现钳位压电堆6的位移运动复位。
复位弹簧一3具备伸缩和转动方向的弹性势能，能够实现驱动压电堆4的位移运动和转动运动复位。
具体地，复位弹簧二5可提供预紧力，调整断电状态下钳位压电堆6的初始长度，复位弹簧一3可提供预紧力，调整断电状态下驱动压电堆4的初始长度，控制驱动压电堆4和转动轮2之间保持接触，从而为断电状态下的转动轮2提供合适的锁止力，进一步提高转动驱动的控制精度。
进一步地，为了提高稳定性和可靠性，设置至少四组驱动单元，围绕在转动轮2的圆周侧面一圈，处于对侧位置的两两一组，每组的两个单元运行时可互为备用，其中一组的两个单元作为顺时针驱动单元7，为转动轮2顺时针转动提供动力，另一组的两个单元作为逆时针驱动单元8，为转动轮2逆时针转动提供动力。
顺时针驱动单元7、逆时针驱动单元8提供了一种转动精度高、低速性能好的空间旋转驱动方案。
具体地，转动轮2直径为
Figure BDA0002774717600000031
转轴直径为
Figure BDA0002774717600000032
通过高精度止推轴承固定在壳体1上，转动轮2能够绕轴转动；
具体地，驱动压电堆4采用多堆叠加方式，复位弹簧一3采用整体加工的金属弹簧。
驱动压电堆4内嵌安装在复位弹簧一3上，复位弹簧一3通过螺钉固定在壳体1上，驱动压电堆4通电后能够实现伸缩运动，推动转动轮2转动；
钳位压电堆6采用多堆叠加方式，复位弹簧二5采用整体加工的金属弹簧。
钳位压电堆6内嵌安装在复位弹簧二5上，复位弹簧二5通过螺钉固定在壳体1上，钳位压电堆6通电后能够实现伸缩运动，推动驱动压电堆4接触或脱离转动轮2；驱动压电堆4、钳位压电堆6伸缩运动如图中箭头方向所示。
具体地，顺时针驱动单元7实现转动轮2的顺时针转动，逆时针驱动单元8实现转动轮2的逆时针转动，均可以采用主备组合工作或主备独立工作的方式。
当转动轮2的旋转轴无需力矩输出时，每个驱动单元都可实现旋转驱动。
当转动轮2的旋转轴需要提供力矩输出时，每次工作时，需持续保证至少保证一组驱动单元接触并压紧在转动轮2上，采用交替工作的方式保证旋转过程中一直存在保持力矩。
本发明可用于多种场合的旋转驱动需求，为空间机构部件的旋转驱动提供一种转动精度高、低速性能好的技术方案，具有可正反向转动、锁止刚度大、可靠性高的优点，具有较高的通用性。

Claims (7)

1.一种基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，其特征在于，包括至少一个驱动单元，所述驱动单元包括驱动压电堆(4)和钳位压电堆(6)，所述驱动压电堆(4)一端固定，另一端沿X向伸缩，用于与被驱动的转动轮(2)的圆周侧面相接触，所述钳位压电堆(6)一端固定，另一端沿Y向伸缩，用于与所述驱动压电堆(4)的伸缩端相接触驱动其发生偏转，驱动压电堆(4)、钳位压电堆(6)相互配合驱动所述转动轮(2)绕其中心轴旋转。
2.根据权利要求1所述的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，其特征在于，所述驱动压电堆(4)的固定端上套设有复位弹簧一(3)，所述复位弹簧一(3)的一端固定设置，另一端与所述驱动压电堆(4)侧面相连；所述复位弹簧一(3)为失电后的所述驱动压电堆(4)提供预紧力。
3.根据权利要求1所述的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，其特征在于，所述钳位压电堆(6)的固定端上套设有复位弹簧二(5)，所述复位弹簧二(5)的一端固定设置，另一端与所述钳位压电堆(6)侧面相连；所述复位弹簧二(5)为失电后的所述钳位压电堆(6)提供预紧力。
4.根据权利要求1-3之一所述的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，其特征在于，所述转动轮(2)的外侧布置有四个所述驱动单元，处于对侧位置的两两一组，其中一组的两个驱动单元互为备份，构成驱动所述转动轮(2)逆时针转动的逆时针驱动单元(8)；另一组的两个驱动单元互为备份，构成驱动所述转动轮(2)顺时针转动的顺时针驱动单元(7)。
5.根据权利要求4所述的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，其特征在于，所述转动轮(2)的中心轴安装在一壳体(1)内中部，四个所述驱动单元布置在壳体(1)内四周，其中钳位压电堆(6)、驱动压电堆(4)的固定端与所述壳体(1)连接。
6.根据权利要求1所述的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，其特征在于，所述驱动压电堆(4)采用压电陶瓷材料多堆叠加方式制成。
7.根据权利要求1所述的基于压电作动原理的低速高精度旋转驱动装置，其特征在于，所述钳位压电堆(6)采用压电陶瓷材料多堆叠加方式制成。
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