CN114244184B - 一种非接触式双向角位移作动装置及其作动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式双向角位移作动装置及作动方法，该作动装置包括固定在底座上的一对弹簧片和通过夹具与弹簧片固结的永磁铁，一对驱动装置分别安装在底座和夹具的限位槽中，永磁铁与底座凸台间安装有，能够双向旋转的导电圆盘安装在底座支架上，并在其上装有锁紧装置，上述结构共同构成实现导电圆盘的双向角位移作动的结构；本发明还提供了作动方法，按照一定的规律驱动驱动装置，能够实现导电圆盘的双向角位移作动，并且具有锁止能力；本发明采用非接触式作动方式，该作动器具有长使用寿命，精度高，结构和控制波形简单的特点。

Description

一种非接触式双向角位移作动装置及其作动方法

技术领域

本发明涉及一种作动装置，具体为一种通过控制磁体与导体间的相对运动速度，利用电涡流效应实现高精度双向角位移驱动的作动器及其作动方法。

背景技术

近年来高精度驱动装置不断发展，支持了国防、航天，机械制造等重要工业的发展建设，也衍生出了多种多样的旋转式作动器，然而直接接触的驱动方式会使作动器构件之间存在较大的摩擦，导致接触面界面的持续退化，界面的改变一方面降低了作动器驱动精度和平稳度，另一方面还限制了驱动结构的使用寿命，降低作动器的使用寿命，因此迫切需要一种非接触式、性能稳定可靠、长使用寿命的角位移输出作动器。

发明内容

为了满足上述要求，本发明的目的在于提供一种基于电涡流效应的非接触式角位移作动装置及作动方法，使用一对驱动装置和永磁铁相互配合实现稳定、高精度的角位移输出，具有可靠的锁止能力。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种非接触式高精度双向角位移作动装置，包括底座1，安装在底座1上的底座支架，安装在作动器底座1上的左弹簧片2-1和右弹簧片2-2，左弹簧片2-1上安装有左永磁铁6-1，左夹具5-1将左永磁铁6-1和左弹簧片2-1固结在一起，左驱动装置两侧分别安装在底座1和左夹具5-1上的限位槽中，右弹簧片上安装有右永磁铁6-2，右夹具5-2将右永磁铁6-2和右弹簧片2-2固结在一起，右驱动装置两侧安装在底座1和右夹具5-2上的限位槽中，导电圆盘7与滚动轴承配合后安装在底座支架上，安装位置由定位凸台确定，锁紧装置8由底座支架上滑槽安装在导电圆盘7上方，并用垫圈9和螺母10将其固定；完成安装后，左永磁铁6-1和右永磁铁6-2处于导电圆盘7的下方边缘位置，通过给左驱动装置和右驱动装置施加同步的非对称锯齿波形电压，带动左永磁铁6-1和右永磁铁6-2的来回摆动，在楞次定律的影响下，导电圆盘7中的磁通量发生改变，使其边缘产生局部感应电动势和感应电涡流，并在安培力的作用下发生转动，并配合锁止装置8，实现高精度的角位移输出。

所述左驱动装置和右驱动装置的结构相同，针对不同的应用场景，采用不同的驱动装置；为满足单步高精度和快速响应的技术要求，使用压电陶瓷和菱形环过盈配合作为左驱动装置和右驱动装置；为达到结构小型化的要求，则仅使用压电陶瓷作为左驱动装置和右驱动装置；为增大作动装置的单步行程并提高其负载能力，则采用音圈电机或者电机直驱作为左驱动装置和右驱动装置。

所述的一种非接触式高精度双向角位移作动装置的作动方法，初始状态时，作动装置中的左驱动装置和右驱动装置都处于断电状态，锁紧装置8在永磁铁的吸引下与导电圆盘7接触，提供锁紧力，同步向左驱动装置和右驱动装置施加相同非对称的锯齿波形电压，左永磁铁6-1和右永磁铁6-2的来回非对称摆动带动导电圆盘7转动，同时也使锁紧装置8与导电圆盘7的接触发生变化，实现角位移作动，当导电圆盘7逆时针角位移作动时，其工作步骤如下：

第一步，同时给左驱动装置和右驱动装置快速加电压至U1，两个驱动装置快速伸长，分别推动左弹簧片2-1和右弹簧片2-2向外侧弯曲，带动左永磁铁6-1和右永磁铁6-2向外侧快速摆动，两个永磁铁的快速摆动使得通过导电圆盘7的磁通量改变，进而在其边缘形成局部的电涡流，在楞次定律的影响下，磁场与电流的相对切割运动会对导电圆盘7产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定角度的逆时针转动；

第二步，同步使驱动装置和右驱动装置从U1缓慢降压至0V，两个驱动装置缓慢缩短至原长，由于弹性作用，左弹簧片2-1和右弹簧片2-2也缓慢恢复至初始位置，同样，在楞次定律的影响下此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定角度的顺时针转动，但是回弹过程中，永磁铁的回弹速度小于向外侧摆动速度，则回弹产生的安培力小于向外侧摆动产生的安培力，顺时针转动角度也小于逆时针转动角度，导电圆盘7呈速度减小的逆时针转动，当永磁铁回到初始位置时，会吸引锁止装置8与导电圆盘7接触，使导电圆盘7快速锁止，进一步减小其顺时针转动角度；此时，左驱动装置和右驱动装置回到了初始位置，作动电压也回到了0V，导电圆盘7停止转动，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电圆盘7一定的逆时针角位移输出，重复上述作动过程，实现导电圆盘7逆时针运动的连续作动控制；

当导电圆盘7顺时针角位移作动时，其工作步骤如下：

第一步，同时给左驱动装置和右驱动装置缓慢加电压至U2，两个驱动装置缓慢伸长，分别推动左弹簧片2-1和右弹簧片2-2向外侧弯曲，带动左永磁铁6-1和右永磁铁6-2向外侧缓慢摆动，两个永磁铁的缓慢摆动使得通过导电圆盘7的磁通量改变，进而在其边缘形成局部的电涡流，在楞次定律的影响下，磁场与电流的相对切割运动会对导电圆盘7产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定较小角度的逆时针转动；

第二步，同步使左驱动装置和右驱动装置从U2快速降压至0V，两个驱动装置快速缩短至原长，由于弹性作用，左弹簧片2-1和右弹簧片2-2也迅速恢复至初始位置，同样，在楞次定律的影响下此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定较大角度的顺时针转动，另外，永磁铁回到初始位置时，会吸引锁止装置8与导电圆盘7接触，实现位移锁止；

此时，左驱动装置和右驱动装置回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电圆盘7一定的顺时针角位移输出，重复上述作动过程，可以实现导电圆盘7顺时针运动的连续作动控制。

与现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、通过步进叠加的方式实现大行程角位移输出，同时由压电材料驱动，并且具有锁止功能，使得作动精度高。

2、作动器采用非接触式的作动方式，无摩擦，寿命高。

3、与传统的压电作动器相比，该作动器仅通过改变锯齿波形电压即可实现单步作动角位移和作动方向的调整，控制简单。

4、针对不同的应用场景，可以采用不同的驱动装置以满足技术要求。

附图说明

图1为本发明作动装置爆炸示意图。

图2为本发明作动装置装配示意图。

图3为本发明作动装置半剖视图。

图4为本发明作动装置逆时针角位移输出的控制电压波形图。

图5为本发明作动装置顺时针角位移输出的控制电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本实施例是一种非接触式双向角位移作动器装置，包括底座1，安装在底座1上的底座支架，安装在作动器底座1上的左弹簧片2-1和右弹簧片2-2，左弹簧片2-1上安装有左永磁铁6-1，左夹具5-1将左永磁铁6-1和左弹簧片2-1固结在一起，左压电陶瓷4-1与左菱形环3-1过盈配合后形成左驱动装置，左驱动装置两侧分别安装在底座1和左夹具5-1上的限位槽中，右弹簧片上安装有右永磁铁6-2，右夹具5-2将右永磁铁6-2和右弹簧片2-2固结在一起，右压电陶瓷4-2与右菱形环3-2过盈配合后形成右驱动装置，右驱动装置两侧分别安装在底座1和右夹具5-2上的限位槽中，导电圆盘7与滚动轴承配合后安装在底座支架上，安装位置由定位凸台确定，锁紧装置8由底座支架上的滑槽安装在导电圆盘7上方，并用垫圈9和螺母10将其固定；

完成安装后，左永磁铁6-1和右永磁铁6-2处于导电圆盘7的下方边缘位置，通过给左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2施加同步的非对称锯齿波形电压，带动左永磁铁6-1和右永磁铁6-2的来回摆动，在楞次定律的影响下，导电圆盘7中的磁通量发生改变，使其边缘产生局部感应电动势和感应电涡流，并在安培力的作用下发生转动，并配合锁止装置8，实现高精度的角位移输出；

本实施例所述的一种非接触式高精度双向角位移作动装置的作动方法，初始状态时，作动装置中的左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2都处于断电状态，锁紧装置8在永磁铁的吸引下与导电圆盘7接触，提供锁紧力，同步向左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2施加相同非对称的锯齿波形电压，左永磁铁6-1和右永磁铁6-2的来回非对称摆动带动导电圆盘7转动，同时也使锁紧装置8与导电圆盘7的接触发生变化，实现角位移作动，当导电圆盘7逆时针角位移作动时，其工作步骤如下：

第一步，如图4所示，同时给左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2快速加电压至U1，两个压电陶瓷快速伸长，分别推动左弹簧片2-1和右弹簧片2-2向外侧弯曲，带动左永磁铁6-1和右永磁铁6-2向外侧快速摆动，两个永磁铁的快速摆动使得通过导电圆盘7的磁通量改变，进而在其边缘形成局部的电涡流，在楞次定律的影响下，磁场与电流的相对切割运动会对导电圆盘7产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定角度的逆时针转动；

第二步，如图4所示，同步使左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2从U1缓慢降压至0V，两个压电陶瓷缓慢缩短至原长，由于弹性作用，左弹簧片2-1和右弹簧片2-2也缓慢恢复至初始位置，同样的，在楞次定律的影响下此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定角度的顺时针转动，但是回弹过程中，永磁铁的回弹速度小于向外侧摆动速度，则回弹产生的安培力小于向外侧摆动产生的安培力，顺时针转动角度也小于逆时针转动角度，导电圆盘7呈速度减小的逆时针转动，当永磁铁回到初始位置时，会吸引锁止装置8与导电圆盘7接触，使导电圆盘7快速锁止，进一步减小其顺时针转动角度；

此时，左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2回到了初始位置，作动电压也回到了0V，导电圆盘7停止转动，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电圆盘7一定的逆时针角位移输出，重复上述作动过程，可以实现导电圆盘7逆时针运动的连续作动控制；

当导电圆盘7顺时针角位移作动时，其工作步骤如下：

第一步，如图5所示，同时给左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2缓慢加电压至U2，两个压电陶瓷缓慢伸长，分别推动左弹簧片2-1和右弹簧片2-2向外侧弯曲，带动左永磁铁6-1和右永磁铁6-2向外侧缓慢摆动，两个永磁铁的缓慢摆动使得通过导电圆盘7的磁通量改变，进而在其边缘形成局部的电涡流，在楞次定律的影响下，磁场与电流的相对切割运动会对导电圆盘7产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定较小角度的逆时针转动；

第二步，如图5所示，同步使左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2从U2快速降压至0V，两个压电陶瓷快速缩短至原长，由于弹性作用，左弹簧片2-1和右弹簧片2-2也迅速恢复至初始位置，同样的，在楞次定律的影响下此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘7产生一定较大角度的顺时针转动，另外，永磁铁回到初始位置时，会吸引锁止装置8与导电圆盘7接触，实现位移锁止；

此时，左压电陶瓷4-1和右压电陶瓷4-2回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电圆盘7一定的顺时针角位移输出，重复上述作动过程，可以实现导电圆盘7顺时针运动的连续作动控制。

同时，针对不同的应用场景，通过更换不同的驱动装置即可满足特定的使用要求：使用压电陶瓷和菱形环配合作为驱动装置，可以满足单步高精度和快速响应的技术要求；若仅仅使用压电陶瓷作为驱动装置，可以进一步达到结构小型化的要求；另外，采用音圈电机或者电机直驱作为驱动方式，可以增大作动器的单步行程，提高其负载能力。

Claims (3)

1.一种非接触式双向角位移作动装置，其特征在于：包括底座(1)，安装在底座(1)上的底座支架，安装在作动器底座(1)上的左弹簧片(2-1)和右弹簧片(2-2)，左弹簧片(2-1)上安装有左永磁铁(6-1)，左夹具(5-1)将左永磁铁(6-1)和左弹簧片(2-1)固结在一起，左驱动装置两侧分别安装在底座(1)和左夹具(5-1)上的限位槽中，右弹簧片上安装有右永磁铁(6-2)，右夹具(5-2)将右永磁铁(6-2)和右弹簧片(2-2)固结在一起，右驱动装置两侧安装在底座(1)和右夹具(5-2)上的限位槽中，导电圆盘(7)与滚动轴承配合后安装在底座支架上，安装位置由定位凸台确定，锁紧装置(8)由底座支架上滑槽安装在导电圆盘(7)上方，并用垫圈(9)和螺母(10)将其固定；完成安装后，左永磁铁(6-1)和右永磁铁(6-2)处于导电圆盘(7)的下方边缘位置，通过给左驱动装置和右驱动装置施加同步的非对称锯齿波形电压，带动左永磁铁(6-1)和右永磁铁(6-2)的来回摆动，在楞次定律的影响下，导电圆盘(7)中的磁通量发生改变，使其边缘产生局部感应电动势和感应电涡流，并在安培力的作用下发生转动，并配合锁紧装置(8)，实现的角位移输出。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式双向角位移作动装置，其特征在于：所述左驱动装置和右驱动装置的结构相同，针对不同的应用场景，采用不同的驱动装置；为满足单步快速响应的技术要求，使用压电陶瓷和菱形环过盈配合作为左驱动装置和右驱动装置；为达到结构小型化的要求，则仅使用压电陶瓷作为左驱动装置和右驱动装置；为增大作动装置的单步行程并提高其负载能力，则采用音圈电机或者电机直驱作为左驱动装置和右驱动装置。

3.权利要求1或2所述的一种非接触式双向角位移作动装置的作动方法，其特征在于：初始状态时，作动装置中的左驱动装置和右驱动装置都处于断电状态，锁紧装置(8)在永磁铁的吸引下与导电圆盘(7)接触，提供锁紧力，同步向左驱动装置和右驱动装置施加相同非对称的锯齿波形电压，左永磁铁(6-1)和右永磁铁(6-2)的来回非对称摆动带动导电圆盘(7)转动，同时也使锁紧装置(8)与导电圆盘(7)的接触发生变化，实现角位移作动，当导电圆盘(7)逆时针角位移作动时，其工作步骤如下：

第一步，同时给左驱动装置和右驱动装置快速加电压至U1，两个驱动装置快速伸长，分别推动左弹簧片(2-1)和右弹簧片(2-2)向外侧弯曲，带动左永磁铁(6-1)和右永磁铁(6-2)向外侧快速摆动，两个永磁铁的快速摆动使得通过导电圆盘(7)的磁通量改变，进而在其边缘形成局部的电涡流，在楞次定律的影响下，磁场与电流的相对切割运动会对导电圆盘(7)产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘(7)产生一定角度的逆时针转动；

第二步，同步使驱动装置和右驱动装置从U1缓慢降压至0V，两个驱动装置缓慢缩短至原长，由于弹性作用，左弹簧片(2-1)和右弹簧片(2-2)也缓慢恢复至初始位置，同样，在楞次定律的影响下此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘(7)产生一定角度的顺时针转动，但是回弹过程中，永磁铁的回弹速度小于向外侧摆动速度，则回弹产生的安培力小于向外侧摆动产生的安培力，顺时针转动角度也小于逆时针转动角度，导电圆盘(7)呈速度减小的逆时针转动，当永磁铁回到初始位置时，会吸引锁紧装置(8)与导电圆盘(7)接触，使导电圆盘(7)快速锁止，进一步减小其顺时针转动角度；此时，左驱动装置和右驱动装置回到了初始位置，作动电压也回到了0V，导电圆盘(7)停止转动，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电圆盘(7)一定的逆时针角位移输出，重复上述作动过程，实现导电圆盘(7)逆时针运动的连续作动控制；

当导电圆盘(7)顺时针角位移作动时，其工作步骤如下：

第一步，同时给左驱动装置和右驱动装置缓慢加电压至U2，两个驱动装置缓慢伸长，分别推动左弹簧片(2-1)和右弹簧片(2-2)向外侧弯曲，带动左永磁铁(6-1)和右永磁铁(6-2)向外侧缓慢摆动，两个永磁铁的缓慢摆动使得通过导电圆盘(7)的磁通量改变，进而在其边缘形成局部的电涡流，在楞次定律的影响下，磁场与电流的相对切割运动会对导电圆盘(7)产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘(7)产生一定较小角度的逆时针转动；

第二步，同步使左驱动装置和右驱动装置从U2快速降压至0V，两个驱动装置快速缩短至原长，由于弹性作用，左弹簧片(2-1)和右弹簧片(2-2)也迅速恢复至初始位置，同样，在楞次定律的影响下此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电圆盘(7)产生一定较大角度的顺时针转动，另外，永磁铁回到初始位置时，会吸引锁紧装置(8)与导电圆盘(7)接触，实现位移锁止；

此时，左驱动装置和右驱动装置回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电圆盘(7)一定的顺时针角位移输出，重复上述作动过程，可以实现导电圆盘(7)顺时针运动的连续作动控制。