CN112910307A - 一种压电作动器保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电作动器保护装置，压电作动器的一端通过柔性铰链与顶部连接杆连接，压电作动器的一端和柔性铰链上套装有内轴套；压电作动器的另一端与底部连接杆连接，压电作动器和内轴套上套装有外轴套，内轴套与顶部连接杆，外轴套与底部连接杆之间紧固连接构成压电作动器保护装置。本发明保护装置可以在不改变原压电作动器结构的基础上使用，具有结构简单、质量轻、易拆卸安装、可靠性高、温度适应性强等优点，且不影响原压电作动器的位移输出性能。

Description

一种压电作动器保护装置
技术领域
本发明属于压电作动器技术领域，具体涉及一种压电作动器保护装置。
背景技术
压电作动器是一种利用压电陶瓷逆压电效应的直驱作动器，具有结构简单、响应快速、断电锁止、功耗低、推力大、真空环境适应性强等优点，适用于高精度运动控制和振动控制，位移分辨率可达nm级。为了实现更大能力的位移输出，压电作动器一般采用多层压电陶瓷堆叠而成，加之压电陶瓷易脆断等特性，这使得压电作动器的位移输出端在使用过程中很容易出现断裂失效问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种压电作动器保护装置，避免压电作动器在振动环境下由于受到外部弯曲载荷和扭矩载荷导致的断裂失效问题，同时保证压电作动器的线形输出特性，提高压电作动器的抗弯、抗扭性能。
本发明采用以下技术方案：
一种压电作动器保护装置，包括底部连接杆和顶部连接杆，压电作动器的一端通过柔性铰链与顶部连接杆连接，压电作动器的一端和柔性铰链上套装有内轴套；压电作动器的另一端与底部连接杆连接，压电作动器和内轴套上套装有外轴套，内轴套与顶部连接杆，外轴套与底部连接杆之间紧固连接构成压电作动器保护装置。
具体的，内轴套和外轴套之间为键连接。
进一步的，内轴套上设置有键；外轴套上对应设置有键槽，键和键槽的配合间隙为200±10um。
具体的，内轴套上设置有出线槽。
具体的，内轴套和压电作动器的配合间隙、外轴套和内轴套的配合间隙均为200±10um。
具体的，内轴套和顶部连接杆的配合间隙取±50um。
具体的，底部连接杆和顶部连接杆的端部均设置有环形定位槽。
具体的，外轴套和底部连接杆的配合间隙为±10um。
具体的，柔型铰链的弯曲刚度最大值Kα,max和扭转刚度最大值Kθ,max分别为：
Kα,max*α≤Mα
Kθ,max*θ≤Mθ
其中，Mα和Mθ是压电作动器位移输出端最大许用弯曲载荷和扭转载荷，α和θ是压电作动器位移输出端由轴套配合间隙带来的最大的弯曲变形和扭转变形。
具体的，柔性铰链通过螺纹与压电作动器端部设置的位移输出端连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种压电作动器保护装置，避免压电作动器在振动环境下由于受到外部弯曲载荷和扭矩载荷导致的断裂失效问题，同时保证压电作动器精准的的线形输出特性，提高压电作动器的抗弯、抗扭性能，由于内轴套和外轴套之间存在配合间隙，这仍然会使压电作动器位移输出端承受微小幅度的弯曲变形和扭转变形。为此，在压电作动器位移输出端安装一个弯曲刚度和扭转刚度较小的柔性铰链，这样可以避免微小幅度的弯曲变形和扭转变形对压电作动器造成破坏。相对于球铰链，柔性铰链不存在接触间隙和摩擦，所以机械性能非常稳定，非常有利于复杂环境下高精度的运动控制和振动控制。
进一步的，内轴套和外轴套之间采用间隙配合使得两者可以产生轴向相对运动，从而释放压电作动器的轴向自由度，同时限制在径向出现较大幅度位移，可以抵抗作用在压电作动器位移输出端处的弯矩载荷，具有优异的抗弯曲性能。
进一步的，内轴套外表面的键和外轴套内表面的键槽之间采用间隙配合使得两者可以产生轴向相对运动，同时限制两者之间产生较大幅度的旋转运动，可以抵抗作用在压电作动器位移输出端处的扭矩载荷，具有优异的抗扭转性能。
进一步的，出线槽可以使得外轴套的安装更加容易和方便，避免压电作动器导线在安装过程中出现损坏，保证压电作动器的可靠性。
进一步的，由于压电作动器的长度较大，所以压电作动器外壳、内/外轴套的轴向直线度较差，否者需要先进的机械加工技术和昂贵的加工费用。因此，内轴套和压电作动器、外轴套和内轴套配合间隙设置为200±10um，在功能和成本的折衷考虑下，这样的设置可以最大限度地减小压电作动器轴向运动时产生的摩擦力。
进一步的，内轴套在拆卸时可能会使压电作动器的输出端受到较大的拆卸弯矩，为此内轴套和顶部连接杆的配合间隙设置为±50um，这样在保证轴向定位的基础上，方便安全地拆卸内轴套，提高产品的可拆卸性和可维修性。
进一步的，压电作动器的低端与底部连接杆通过螺纹连接，由于螺纹连接的精度很差，使得压电作动器和底部连接杆的同轴性变形，导致后续的内/外轴套的摩擦力较大甚至无法正常安装。因此，在底部连接杆和顶部连接杆上均设置环形定位槽，这样可以保证各个部件的同轴性。
进一步的，外轴套和底部连接杆的配合间隙设置为±10um，可以保证外轴套和底部连接杆的同轴性，另外外轴套的拆卸不会对压电作动器造成潜在的破坏，所以该值设置的较小(较内轴套的±50um)。
进一步的，如果柔性铰链的刚度设计过大，就无法对压电作动器提供微小弯矩和扭矩下的保护能力，因此，需要根据压电作动器输出端的力学特性计算柔性铰链弯曲刚度和扭转刚度的最大值，从而指导柔性铰链的结构设计。
进一步的，柔性铰链与压电作动器通过螺纹进行间接，这样设计使得结构简单可靠，可维修性强。
综上所述，本发明保护装置可以在不改变原压电作动器结构的基础上使用，具有结构简单、质量轻、易拆卸安装、可靠性高、温度适应性强等优点，且不影响原压电作动器的位移输出性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为压电作动器保护装置全剖视图；
图2为压电作动器示意图；
图3为内轴套零件图，其中，(a)为左视图，(b)为右视图；
图4为外轴套零件图，其中，(a)为立体图，(b)为侧视图；
图5为底部/顶部连接杆零件图，其中，(a)为底部连接杆，(b)为顶部连接杆；
图6为柔性铰链三维模型图、正视图、右视图和实物图，其中，(a)为三维图，(b)为主视图，(c)为左视图；
图7为柔性铰链弯曲刚度和扭转刚度有限元计算云图，其中，(a)为弯曲刚度，(b)为扭转刚度；
图8为压电作动器位移输出特性测试平台示意图；
图9为压电作动器在不同工况下的位移特性试验结果图，其中，(a)为1Hz正弦试验，(b)为5Hz正弦试验，(c)为10Hz正弦试验。
其中：1.底部连接杆，2.压电作动器，3.内轴套，4.外轴套，5.柔性铰链，6.顶部连接杆，7.螺栓螺母紧固件，8.导线，9.位移输出端，10.键，11.键槽，12.出线槽，13.环形定位槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1，本发明一种高精密压电作动器保护装置，包括底部连接杆1、内轴套3、外轴套4和顶部连接杆6，压电作动器2套装在内轴套3内，内轴套3套装在外轴套4内，压电作动器2的一端与底部连接杆1连接，另一端通过柔性铰链5与顶部连接杆6连接；内轴套3与顶部连接杆6，外轴套4与底部连接杆1之间均通过螺栓螺母紧固件7紧固连接。
请参阅图3和图4，内轴套3上设置有用于和外轴套4配合的键10；外轴套4一端的内壁开有与内轴套3的键10配合的键槽11，另一端设置有出线槽12。内轴套3和压电作动器2的配合间隙、外轴套4和内轴套3的配合间隙，以及内轴套3和外轴套4的键-键槽配合间隙均为200±10um。
配合间隙设计过小，会使得压电作动器2的位移输出存在非线性问题，如果提高加工精度，那么制造难度和成本会大幅度增加；配合间隙设计过大，会使得保护装置无法抵抗较大幅度的弯曲变形和扭转变形，同时较大幅度变形会超出柔性铰链5的正常工作范围。
请参阅图2，压电作动器2的一端设置有位移输出端9，另一端的侧面设置有导线8，导线8用于输入控制电压信号。
请参阅图5，底部连接杆1和顶部连接杆6的端部均设置有环形定位槽13；底部连接杆1法兰盘端的环形定位槽13的主要目的是保证外轴套4和压电作动器2具有优异的共轴性，从而尽可能减小内轴套3与外轴套4、压电作动器2之间的摩擦力。内轴套3和顶部连接杆6的配合间隙取±50um；不易选取过小，主要原因是防止在安装、拆卸过程中由于法兰盘受力不均匀发生微小偏角对压电作动器2造成内部损伤。
其中，外轴套4和底部连接杆1的配合间隙为±10um。
请参阅图6，柔性铰链5的功能主要是抵抗由于轴套配合间隙所带来的微小弯曲变形和扭转变形，因此，柔型铰链5应具有较小的弯曲刚度和扭转刚度。柔型铰链5的弯曲刚度和扭转刚度应该满足。
柔性铰链通过对圆柱形金属材料进行一对正交、反向切割获得，切割夹角处采用圆弧过渡，这样可以有效避免夹角处的应力集中，提高柔性铰链的疲劳寿命。较小的弯曲刚度和扭转刚度由切割出的薄片结构的厚度、长度和宽度决定，这也是结构设计的关键参数，两对正交的薄片结构必须位于相同高度的位置，从而提供更为接近各向同性的力学性能。该柔性铰链具有无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、空间尺寸小、运动灵敏度高、容易控制、运行稳定等优点，非常适用于高精度压电作动器的结构保护。
本发明压电作动器保护装置的安装操作应该在清洁无尘环境下进行，具体安装过程如下：
S1、将压电作动器2的固定端与底部连接杆1的法兰盘端通过螺纹进行连接；
S2、将外轴套4从压电作动器2的位移输出端9穿入，外轴套4底部的出线槽用于压电作动器2的走线；然后将外轴套4与底部连接杆1法兰盘端的环形定位槽进行紧配合，以保证外轴套4和压电作动器2的共轴性；最后将外轴套4和底部连接杆1的法兰盘上的通孔对齐，用螺栓螺母紧固件进行连接；
S3、将内轴套3从压电作动器2位移输出端9穿入，对齐内轴套3外表面的键和外轴套4内表面的键槽，使得内轴套3在重力的作用下自由滑落；
S4、将柔性铰链5与压电作动器2位移输出端9通过螺纹连接，注意在螺纹预紧时，应将扳手卡在压电作动器2位移输出端的扳手槽处，同时底部连接杆1保持自由状态，这样可以有效地防止预紧力直接施加在压电作动器2位移输出端，造成压电作动器2的破坏；
S5、将柔性铰链5的另外一端与顶部连接杆6法兰盘端通过螺纹进行连接，安装时候同样遵从(4)中所述的注意事项；
S6、将内套筒3向外推出；然后将内套筒3与顶部连接杆6法兰盘端的环形定位槽进行配合；通过螺栓螺母紧固件将两者进行连接，即可完成装配。
Kα,max*α≤Mα
Kθ,max*θ≤Mθ
其中，Mα和Mθ是压电作动器2位移输出端最大许用弯曲载荷和扭转载荷，α和θ是压电作动器2位移输出端由轴套配合间隙带来的最大的弯曲变形和扭转变形，Kα,max和Kθ,max是柔性铰链5弯曲刚度和扭转刚度的最大值，一般需要考虑安全系数以提高装置的安全裕度。柔性铰链5的弯曲刚度和扭转刚度可以通过有限元进行计算，如图8所示。考虑到柔性铰链5长时间工作带来的疲劳断裂问题，建议采用屈服强度高、韧性优异的钛合金材料进行制造。
为了验证本发明设计的压电作动器保护装置的性能，首先对含保护装置的压电作动器的输出性能进行试验，试验平台如图8所示。通过不同工况下的测试数据表明(如图9所示)，含保护装置的压电作动器位移输出性能线性稳定，即本发明设计的保护装置对压电作动器的位移输出特性未产生不利影响。
请参阅图7，通过有限元方法计算设计的柔性铰链的弯曲刚度和扭转刚度，可以保证柔性铰链的设计指标满足压电作动器的保护需求，准确的有限元模拟技术可以避免产品“设计-实验”的反复迭代过程，从而提高产品设计的时效性，降低产品成本。
另外，通过试验考核了该保护装置在振动环境下对压电作动器的保护性能，通过不同工况、长时间工作环境下的测试数据表明，该保护装置可以有效地抵抗作用在压电作动器输出端的弯曲载荷和扭转载荷，具有优异的保护性能。
综上所述，本发明一种压电作动器保护装置，避免压电作动器在振动环境下由于受到外部弯曲载荷和扭矩载荷导致的断裂失效问题，同时保证压电作动器精准的的线形输出特性，提高压电作动器的抗弯、抗扭性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电作动器保护装置，其特征在于，包括底部连接杆(1)和顶部连接杆(6)，压电作动器(2)的一端通过柔性铰链(5)与顶部连接杆(6)连接，压电作动器(2)的一端和柔性铰链(5)上套装有内轴套(3)；压电作动器(2)的另一端与底部连接杆(1)连接，压电作动器(2)和内轴套(3)上套装有外轴套(4)，内轴套(3)与顶部连接杆(6)，外轴套(4)与底部连接杆(1)之间紧固连接构成压电作动器保护装置。
2.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，内轴套(3)和外轴套(4)之间为键连接。
3.根据权利要求2所述的压电作动器保护装置，其特征在于，内轴套(3)上设置有键(10)；外轴套(4)上对应设置有键槽(11)，键(10)和键槽(11)的配合间隙为200±10um。
4.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，内轴套(3)上设置有出线槽(12)。
5.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，内轴套(3)和压电作动器(2)的配合间隙、外轴套(4)和内轴套(3)的配合间隙均为200±10um。
6.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，内轴套(3)和顶部连接杆(6)的配合间隙取±50um。
7.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，底部连接杆(1)和顶部连接杆(6)的端部均设置有环形定位槽(13)。
8.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，外轴套(4)和底部连接杆(1)的配合间隙为±10um。
9.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，柔型铰链(5)的弯曲刚度最大值Kα,max和扭转刚度最大值Kθ,max分别为：
Kα,max*α≤Mα
Kθ,max*θ≤Mθ
其中，Mα和Mθ是压电作动器位移输出端最大许用弯曲载荷和扭转载荷，α和θ是压电作动器位移输出端由轴套配合间隙带来的最大的弯曲变形和扭转变形。
10.根据权利要求1所述的压电作动器保护装置，其特征在于，柔性铰链(5)通过螺纹与压电作动器(2)端部设置的位移输出端(9)连接。
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