CN115037185B - 基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法，该结构形状调节机构包括被调节结构，支座和n个相同的压电作动器；n个压电作动器的法兰盘固定安装在支座的n个作动器安装孔上，n个压电作动器各自的输出杆与被调结构的底部固连；压电作动器的上套筒和下套筒通过法兰盘连为一体，波纹预紧环设置在上、下套筒连接形成的空腔内并固定在下套筒上底端，波纹预紧环顶端伸出的输出杆从上套筒中心通孔穿出；压电堆底端粘接有垫片并设置在波纹预紧环中，旋紧或旋松波纹预紧环底部中心的预紧顶丝可对压电堆进行不同程度地预紧。本发明还提供结构形状调节后可断电保形的驱动方法；本发明能实现在驱动电源电压为零时被调结构的目标形状仍能保持。

Description

基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法
技术领域
本发明属于航天结构高精度调节技术领域，具体涉及一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法。
背景技术
空间结构形状调节是大尺寸天线/镜片实现在轨高精度面型保持的关键技术，该技术是在空间结构上布置一定数量的压电作动器，通过各作动器输出特定位移来调节空间结构形状，从而补偿服役环境温度变化与材料蠕变导致的结构形状变化，实现结构的高精度保形，然而，受限于压电材料在断电后其输出位移无法保持的特性，传统的基于压电驱动的空间天线/镜片形状调节技术为实现形状保持通常采用两种方法，方法一：为所有压电作动器单独设置一路功率驱动通道，所有通道持续加电实现形状保持；方法二：采用依靠摩擦机构实现位移锁止的压电作动器，从而获得断电后结构形状的保持能力。方法一造成驱动电路体积大、质量重、功耗高，方法二会使得结构复杂、体积大、质量重、可靠性低，受限于航天运载能力，上述两种方法的不足均极大地限制了空间结构形状调节技术的在轨应用，阻碍了大尺寸高精度天线/镜片的研制进程。
发明内容
为了解决传统基于压电驱动的天线/镜片形状调节技术所面临的体积大、质量重，可靠性低等不足，本发明的目的在于提供一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法，本发明天线型面调节机构与断电保形方法基于压电材料的力电耦合效应，采用一路驱动电源分时切换至多个压电作动器的驱动策略，利用压电材料电容储存电荷的特性完成物理断开驱动电源时保持压电材料的充电电压，使得压电作动器的输出位移可断电保持，进而实现天线型面的断电保形。该方法所述压电作动器没有额外的摩擦锁止机构，且所述驱动电源只需一路，因此，相比于已有结构形状调节技术其系统体积更小、质量更轻、可靠性更高。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，包括被调节结构1，支座2和n个压电作动器3；所述支座2上均匀开有n个相同的作动器安装孔；n个所述压电作动器3具有完全相同的结构并安装在支座2上的作动器安装孔中，压电作动器3各自的输出杆3-4-1与被调节结构1的底部固连；每个压电作动器的正驱动端连接一个簧片继电器J的一端，每个簧片继电器J另一端并行连接电源VDD的正端，每个压电作动器3的负驱动端并行连接电源VDD的负端并作为电源的地参考点GND；
所述压电作动器3包括下套筒3-1、上套筒3-2、波纹预紧环3-4、压电堆3-5和预紧顶丝3-6；所述下套筒3-1和上套筒3-2连接，下套筒3-1和上套筒3-2连接后形成的空腔内设置有波纹预紧环3-4，所述波纹预紧环3-4左右两侧为波纹形柔性结构，顶端中心设有输出杆3-4-1穿出上套筒3-2，波纹预紧环3-4内放置压电堆3-5，压电堆3-5顶部和底部分别与波纹预紧环3-4内顶部和底部接触；所述下套筒3-1底端中心设置有中心通孔3-1-3，所述波纹预紧环3-4底端中心设有与中心通孔3-1-3圆心对齐的中心螺纹通孔3-4-3，所述预紧顶丝3-6穿入圆心对齐的中心螺纹通孔3-4-3和中心通孔3-1-3，顶端与压电堆3-5接触，通过旋入或旋出预紧顶丝3-6调节压电堆3-5在波纹预紧环3-4内的预紧程度；所述下套筒3-1对侧设有前出线孔3-1-4和后出线孔3-1-5，所述压电堆3-5的正端引线从下套筒3-1的前出线孔3-1-4引出成为压电作动器的正驱动端，压电堆3-5的负端引线从下套筒3-1的后出线孔3-1-5引出成为压电作动器的负驱动端。
所述压电作动器3中压电堆3-5的正端引线和负端引线分别从下套筒3-2的两侧引出，使得压电堆3-5的正端和负端引线之间具有较大的绝缘间距，降低了正负端引线的耦合电导，使得当压电堆浮置时，提升了压电堆正负端的电压保持能力。
所述波纹预紧环3-4为采用一体化加工的构件。
所述预紧顶丝3-6与压电堆3-5间设置有保护垫片3-3以保护压电堆3-5不被预紧顶丝3-6损伤。
所述下套筒3-1为圆柱形，底部的中心通孔3-1-3两侧设置有左通孔3-1-1和右通孔3-1-2，顶端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有多个通孔；所述上套筒3-2为圆柱形，顶端中心设置有通孔3-2-1，波纹预紧环3-4的输出杆3-4-1从通孔3-2-1穿出，上套筒3-2下端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有多个螺纹孔，所述上套筒3-2的圆形法兰盘与所述下套筒3-1的圆形法兰盘直径相同，并且二者法兰盘上的通孔与螺纹孔的位置一一对应，螺钉分别穿入位置一一对应的通孔与螺纹孔，从而将上套筒3-2和下套筒3-1固连。
所述波纹预紧环3-4底部的中心螺纹通孔3-4-3两侧分别设有左螺纹盲孔3-4-2和右螺纹盲孔3-4-4，所述波纹预紧环3底部的左螺纹盲孔3-4-2和右螺纹盲孔3-4-4分别与下套筒3-1底部的左通孔3-1-1和右通孔3-1-2圆心对齐供螺钉穿入，从而将波纹预紧环3-4和下套筒3-1固连。
所述压电作动器3各自的输出杆3-4-1与被调节结构1的底部均通过粘接固连。
所述一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构的断电保形方法，其特征在于：n个所述压电作动器3具有负向最大驱动电压-Vc和正向最大驱动电压Vmax，当压电作动器3的驱动电压为0伏时,其中压电堆3-5充分放电，当压电作动器3的驱动电压从0伏正向增加至不超过Vmax时，压电堆3-5被正向充电，其材料内部铁电畴在电场作用下翻转至平行于压电堆长度方向，压电堆3-5伸长使压电作动器3输出正向位移,当压电作动器3的驱动电压从0伏负向减小至不超过-Vc时，压电堆3-5被反向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至垂直于压电堆长度方向，压电堆3-5收缩使压电作动器3输出负向位移，所有压电作动器3相同的驱动特性；为驱动被调节结构1向目标形状变化并在断电情况下保持目标形状，首先驱动第一个压电作动器输出指定位移并断电保持，其方法为，第一步，将电源VDD输出电压置为0，第二步，与第一个压电作动器连接的簧片继电器闭合而其它簧片继电器打开，使得只有第一个压电作动器的正驱动端接通电源VDD，第三步，调节电源VDD电压使第一个压电作动器输出指定位移，第四步，在保持电源VDD电压情况下打开与第一个压电作动器连接的簧片继电器，第一个压电作动器的正驱动端与电源VDD断开，使得其中压电堆3-5的正端浮置，由于压电堆3-5为容性负载且内阻极高，充电电荷无泄放路径，压电堆3-5的正负端间电压能长时间持续保持，因此压电堆3-5的长度不会发生变化，第一个压电作动器3持续保持指定位移，此时，电源VDD的变化不影响第一个压电作动器的输出位移；驱动其它压电作动器输出指定位移并实现断电保持的步骤与驱动第一个压电作动器的步骤完全相同，待n个压电作动器全部达到指定位移并实现断电保持后，被调节结构1获得目标形状并在电源VDD置为0的情况下仍能保持目标形状。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)不同于传统结构形状调节系统中压电作动器必需保持驱动电源电压才能维持其输出位移的特性，本发明利用压电材料电容储存电荷的特性，在驱动电源输出非零时通过物理断开使压电作动器正驱动端浮置，进而使压电堆正负端电压继续保持，因此当驱动电源电压为零时，压电作动器仍可保持各自的输出位移。
2)不同于传统结构形状调节系统必须为每个压电作动器配套一路驱动电源，本发明所述驱动电源只需一路，通过分时切换驱动策略完成结构形状调节并实现断电保形。
3)不同于基于压电形状记忆效应的断电位移可保持压电作动器必须先大幅冲过目标位移后才能返回保持在目标位移的驱动特性，也即过冲特性，本发明驱动过程不存在上述过冲。
4)本发明压电作动器正驱动端连接簧片继电器，因此可通过电控实现在指定时机连通和断开驱动电源，从而获得对压电堆的充放电控制，最终实现断电位移保持。
5)本发明压电作动器的压电堆正端引线和负端引线分别从下套筒的两侧引出，使得压电堆的正端和负端引线之间具有较大的绝缘间距，降低了正负端引线的耦合电导，使得当压电堆浮置时，提升了压电堆正负端之间电压的保持能力。
附图说明
图1为本发明基于压电充放电原理的结构形状调节机构示意图。
图2为支座上压电作动器的法兰盘示意图。
图3为上下套筒固定示意图。
图4为下套筒示意图。
图5为上套筒示意图。
图6为压电作动器剖视图。
图7为波纹预紧环和压电堆示意图。
图8为本发明基于压电充放电原理的结构形状调节机构电气连接图。
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、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，包括被调节结构1，支座2和n个压电作动器，分别为压电作动器3，压电作动器4，...和压电作动器n+2；所述支座2上开有n个相同的作动器安装孔用于安装n个压电作动器，每个作动器安装孔的圆周均匀布置有四个螺纹孔；所述n个压电作动器即压电作动器3～压电作动器n+2具有完全相同的结构，包括圆柱形的下套筒3-1、圆柱形的上套筒3-2、波纹预紧环3-4、压电堆3-5、预紧顶丝3-6和保护垫片3-3。压电作动器的下套筒3-1的底端中心设置有中心通孔3-1-3，中心通孔3-1-3两侧设置有左通孔3-1-1和右通孔3-1-2，其圆柱侧对称设有前出线孔3-1-4和后出线孔3-1-5，其顶端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有四个通孔。所述上套筒3-2的顶端中心设置有通孔3-2-1，下端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有四个螺纹孔，四个螺纹孔的位置与下套筒3-1法兰盘上四个通孔的位置一一对应，上套筒3-2的圆形法兰盘与下套筒3-1的圆形法兰盘直径相同，上套筒3-2和下套筒3-1通过四个螺钉分别穿入位置一一对应的四个通孔与四个螺纹孔进行固连，上套筒3-2与下套筒3-1固连形成的空腔内设置有波纹预紧环3-4，所述波纹预紧环3-4为一体加工的构件，其左右两侧为波纹形柔性结构，波纹预紧环3-4底端中心设有中心螺纹通孔3-4-3，中心螺纹通孔3-4-3两侧分别设有左螺纹盲孔3-4-2和右螺纹盲孔3-4-4，波纹预紧环3-4顶端中心设置有输出杆3-4-1。所述波纹预紧环3-4底端的左螺纹盲孔3-4-2和右螺纹盲孔3-4-4分别与下套筒3-1底端的左通孔3-1-1和右通孔3-1-2圆心对齐，两个螺钉分别穿入圆心对齐的两个螺纹盲孔和两个通孔将波纹预紧环3-4固连在下套筒3-1的内腔中，波纹预紧环3-4底端的中心螺纹通孔3-4-3与下套筒3-1底端的中心通孔3-1-3圆心对齐，预紧顶丝3-6穿入圆心对齐的中心螺纹通孔3-3和中心通孔1-3，预紧顶丝3-6的顶端穿出波纹预紧环3-4的底端与保护垫片3-3的一侧接触，保护垫片3-3的另一侧与压电堆3-5的底端接触，压电堆3-5的顶端与波纹预紧环3-4的顶端接触，通过旋入或旋出预紧顶丝3-6可调节压电堆3-5在波纹预紧环3-4内的预紧程度。所述压电堆3-5的正端引线从下套筒3-1的前出线孔3-1-4引出成为压电作动器的正驱动端，压电堆3-5的负端引线从下套筒3-1的后出线孔3-1-5引出成为压电作动器的正驱动端，所述纹预紧环3-4的输出杆3-4-1从上套筒3-2的中心通孔3-2-1穿出；所述n个压电作动器即压电作动器3～压电作动器n+2均通过螺钉安装在底座2的安装孔上，所述n个压电作动器即压电作动器3～压电作动器n+2各自的输出杆3-4-1与被调节结构1的底部均通过粘接固连。为基于压电充放电原理实现被调节结构1的断电形状保持，所述n个压电作动器3～压电作动器n+2的正驱动端分别接n个簧片继电器J1～簧片继电器Jn的一端，n个簧片继电器J1～簧片继电器Jn的另一端并行接电源VDD的正端，n个压电作动器3～压电作动器n+2的负驱动端并行接电源VDD的负端GND。
作为本发明的优选实施方式，本发明所述压电作动器中的波纹预紧环3-4采用一体化加工技术进行制造，其依靠弹性变形提供回复驱动力，不会产生回程间隙位移。
作为本发明的优选实施方式，本发明所述压电作动器中压电堆3-5的正端引线和负端引线分别从下套筒3-2的两侧引出，使得压电堆3-5的正端引线和负端引线之间具有较大的绝缘间距，降低了正负端引线的耦合电导，使得当压电堆浮置时，提升了压电堆正负端的电压保持能力。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构的断电保形方法，所述n个压电作动器具有负向最大驱动电压-Vc和正向最大驱动电压Vmax，当压电作动器3的驱动电压为0伏时,其中压电堆3-5充分放电，当压电作动器3的驱动电压从0伏正向增加至不超过Vmax时，压电堆3-5被正向充电，其材料内部铁电畴在电场作用下翻转至平行于压电堆长度方向，压电堆3-5伸长使压电作动器3输出正向位移,当压电作动器3的驱动电压从0伏负向减小至不超过-Vc时，压电堆3-5被反向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至垂直于压电堆长度方向，压电堆3-5收缩使压电作动器3输出负向位移，压电作动器4～压电作动器n+2均有与压电作动器3相同的驱动特性；为驱动被调节结构1向目标形状变化并在断电情况下保持目标形状，首先驱动压电作动器3输出指定位移并断电保持，其方法为，第一步，将电源VDD输出电压置为0，第二步，簧片继电器J1闭合而簧片继电器J2～簧片继电器Jn打开，使得只有压电作动器3的正驱动端接通电源VDD，第三步，调节电源VDD电压使压电作动器3输出指定位移，第四步，在保持电源VDD电压情况下打开簧片继电器J1，压电作动器3的正驱动端与电源VDD断开，使得其中压电堆3-5的正端浮置，由于压电堆3-5为容性负载且内阻极高，充电电荷无良好泄放路径，压电堆3-5的正负端间电压能长时间持续保持，因此压电堆3-5的长度不会发生变化，压电作动器3持续保持指定位移，此时，电源VDD的变化不影响压电作动器3的输出位移；驱动压电作动器4～压电作动器n+2输出指定位移并实现断电保持的步骤与驱动压电作动器3的步骤完全相同，待n个压电作动器全部达到指定位移并实现断电保持后，被调节结构1获得目标形状并在电源VDD置为0的情况下仍可保持目标形状。
本发明利用压电材料电容储存电荷的特性，通过物理断开驱动电源使压电作动器的正驱动端浮置，因此，驱动电源电压为零时，压电作动器仍可保持各自的输出位移。
本发明采用分时切换驱动电源的驱动策略并结合压电作动器输出位移可断电保持的特性，其驱动电源只需一路便可完成结构形状调节并实现断电保形。

Claims (10)

1.一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，其特征在于：包括被调节结构(1)，支座(2)和n个压电作动器(3)；所述支座(2)上均匀开有n个相同的作动器安装孔；n个所述压电作动器(3)具有完全相同的结构并安装在支座(2)上的作动器安装孔中，压电作动器(3)各自的输出杆(3-4-1)与被调节结构(1)的底部固连；每个压电作动器的正驱动端连接一个簧片继电器(J)的一端，每个簧片继电器(J)另一端并行连接电源VDD的正端，每个压电作动器(3)的负驱动端并行连接电源VDD的负端并作为电源的地参考点GND；
所述压电作动器(3)包括下套筒(3-1)、上套筒(3-2)、波纹预紧环(3-4)、压电堆(3-5)和预紧顶丝(3-6)；所述下套筒(3-1)和上套筒(3-2)连接，下套筒(3-1)和上套筒(3-2)连接后形成的空腔内设置有波纹预紧环(3-4)，所述波纹预紧环(3-4)左右两侧为波纹形柔性结构，顶端中心设有输出杆(3-4-1)穿出上套筒(3-2)，波纹预紧环(3-4)内放置压电堆(3-5)，压电堆(3-5)顶部和底部分别与波纹预紧环(3-4)内顶部和底部接触；所述下套筒(3-1)底端中心设置有中心通孔(3-1-3)，所述波纹预紧环(3-4)底端中心设有与中心通孔(3-1-3)圆心对齐的中心螺纹通孔(3-4-3)，所述预紧顶丝(3-6)穿入圆心对齐的中心螺纹通孔(3-4-3)和中心通孔(3-1-3)，顶端与压电堆(3-5)接触，通过旋入或旋出预紧顶丝(3-6)调节压电堆(3-5)在波纹预紧环(3-4)内的预紧程度；所述下套筒(3-1)对侧设有前出线孔(3-1-4)和后出线孔(3-1-5)，所述压电堆(3-5)的正端引线从下套筒(3-1)的前出线孔(3-1-4)引出成为压电作动器的正驱动端，压电堆(3-5)的负端引线从下套筒(3-1)的后出线孔(3-1-5)引出成为压电作动器的负驱动端。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，其特征在于：所述压电作动器(3)中压电堆(3-5)的正端引线和负端引线分别从下套筒(3-2)的两侧引出，使得压电堆(3-5)的正端和负端引线之间具有较大的绝缘间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，其特征在于：所述波纹预紧环(3-4)为采用一体化加工的构件。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，其特征在于：所述预紧顶丝(3-6)与压电堆(3-5)间设置有保护垫片(3-3)以保护压电堆(3-5)不被预紧顶丝(3-6)损伤。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，其特征在于：所述下套筒(3-1)为圆柱形，底部的中心通孔(3-1-3)两侧设置有左通孔(3-1-1)和右通孔(3-1-2)，顶端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有多个通孔；所述上套筒(3-2)为圆柱形，顶端中心设置有通孔(3-2-1)，波纹预紧环(3-4)的输出杆(3-4-1)从通孔(3-2-1)穿出，上套筒(3-2)下端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有多个螺纹孔，所述上套筒(3-2)的圆形法兰盘与所述下套筒(3-1)的圆形法兰盘直径相同，并且二者法兰盘上的通孔与螺纹孔的位置一一对应，螺钉分别穿入位置一一对应的通孔与螺纹孔，从而将上套筒(3-2)和下套筒(3-1)固连。
6.根据权利要求5所述的一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，其特征在于：所述波纹预紧环(3-4)底部的中心螺纹通孔(3-4-3)两侧分别设有左螺纹盲孔(3-4-2)和右螺纹盲孔(3-4-4)，所述波纹预紧环(3-4)底部的左螺纹盲孔(3-4-2)和右螺纹盲孔(3-4-4)分别与下套筒(3-1)底部的左通孔(3-1-1)和右通孔(3-1-2)圆心对齐供螺钉穿入，从而将波纹预紧环(3-4)和下套筒(3-1)固连。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，其特征在于：所述压电作动器(3)各自的输出杆(3-4-1)与被调节结构(1)的底部均通过粘接固连。
8.权利要求1-7任一项所述一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构的断电保形方法，其特征在于：n个所述压电作动器(3)具有负向最大驱动电压-Vc和正向最大驱动电压Vmax，当压电作动器(3)的驱动电压为0伏时,其中压电堆(3-5)充分放电，当压电作动器(3)的驱动电压从0伏正向增加至不超过Vmax时，压电堆(3-5)被正向充电，其材料内部铁电畴在电场作用下翻转至平行于压电堆长度方向，压电堆(3-5)伸长使压电作动器(3)输出正向位移,当压电作动器(3)的驱动电压从0伏负向减小至不超过-Vc时，压电堆(3-5)被反向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至垂直于压电堆长度方向，压电堆(3-5)收缩使压电作动器(3)输出负向位移，所有压电作动器(3)相同的驱动特性；为驱动被调节结构(1)向目标形状变化并在断电情况下保持目标形状，首先驱动第一个压电作动器输出指定位移并断电保持，其方法为，第一步，将电源VDD输出电压置为0，第二步，与第一个压电作动器连接的簧片继电器闭合而其它簧片继电器打开，使得只有第一个压电作动器的正驱动端接通电源VDD，第三步，调节电源VDD电压使第一个压电作动器输出指定位移，第四步，在保持电源VDD电压情况下打开与第一个压电作动器连接的簧片继电器，第一个压电作动器的正驱动端与电源VDD断开，使得其中压电堆(3-5)的正端浮置，由于压电堆(3-5)为容性负载且内阻极高，充电电荷无泄放路径，压电堆(3-5)的正负端间电压能长时间持续保持，因此压电堆(3-5)的长度不会发生变化，第一个压电作动器(3)持续保持指定位移，此时，电源VDD的变化不影响压第一个电作动器(3)的输出位移；驱动其它压电作动器输出指定位移并实现断电保持的步骤与驱动第一个压电作动器的步骤完全相同，待n个压电作动器全部达到指定位移并实现断电保持后，被调节结构(1)获得目标形状并在电源VDD置为0的情况下仍能保持目标形状。
9.根据权利要求8所述一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构的断电保形方法，其特征在于：利用压电材料电容储存电荷的特性，通过物理断开驱动电源使压电作动器的正驱动端浮置，因此，驱动电源电压为零时，压电作动器仍能保持各自的输出位移。
10.根据权利要求8所述一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构的断电保形方法，其特征在于：采用分时切换驱动电源的驱动策略并结合压电作动器输出位移可断电保持的特性，其驱动电源只需一路便能完成被调节结构的形状调节和断电保形。
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