CN115566930B - 一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器 - Google Patents
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Abstract
一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，涉及压电电机技术领域。包括基座、定子、转子和主轴，所述定子包括压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C和驱动环，所述驱动环套设于所述转子外侧；以主轴为中心轴，所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C依次间隔120°分布且位于同一圆周上；所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C均包括压电陶瓷和放大机构，三个压电陶瓷的驱动信号的控制时序依次相差T/3。本发明利用三个压电陶瓷的时序应变推动三个柔性放大机构产生周期性形变，从而带动驱动环产生圆形的平面运动轨迹，进而驱动转子产生大行程的连续角位移。
Description
技术领域
本发明属于压电电机技术领域， 尤其涉及一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器。
背景技术
随着科学技术的进步，航空航天、光学仪器、半导体制造、精密与超精密加工、集成电路等高尖端技术领域对执行器提出了更高的需求。电机是能够输出旋转运动与扭矩的装置，传统的电磁电机结构复杂尺寸大、驱动过程存在运动丢失及回程间隙等缺陷，难以满足精度需求，在微纳米尺度方面应用受限。
随着材料科学的发展，基于逆压电效应的压电执行器因其结构简单、可控性好、控制精度高、响应速度快、无磁场干扰等优点，在精密驱动领域引起了广泛关注。压电执行器根据结构组成和驱动原理的不同，主要分为尺蠖式压电执行器、惯性式压电执行器、超声型压电执行器。其中基于步进原理的尺蠖式压电执行器具有大行程、高分辨率的优势，惯性式压电执行器结构紧凑、成本低，超声型压电执行器无噪声、输出力/力矩大。
但现有的大部分压电执行器都是步进式的，通过驱动信号的周期性变化实现步进运动，运动过程中存在停顿现象，限制了压电执行器的连续位移输出。
检索相关文献，可以将目前压电旋转执行器的局限性总结如下：
1、周期性步进运动，无法输出连续位移，高速工作时由于驱动模块的骤起骤停，容易产生振动冲击；
2、定子与转子之间磨损大，易造成输出载荷不稳定甚至无输出，使用寿命短。
发明内容
本发明针对现有的大行程压电执行器基本采用步进式工作原理，运动过程中两个步长之间存在停滞，只能输出阶梯型位移，无法满足需要产生连续位移的工程需求这一问题，现提出一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器。
一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，包括基座、定子、转子和主轴，所述主轴安装于所述基座上，所述转子转动安装于所述主轴上；所述定子包括压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C和驱动环，所述驱动环套设于所述转子外侧，所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C分别与所述驱动环相连；以主轴为中心轴，所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C依次间隔120°分布，且所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C位于同一圆周上；所述压电陶瓷驱动器A包括安装座A、放大机构A、压电陶瓷A，所述压电陶瓷A安装于所述放大机构A的安装槽内，所述压电陶瓷驱动器B包括安装座B、放大机构B和压电陶瓷B，所述压电陶瓷B安装于所述放大机构B的安装槽内，所述压电陶瓷驱动器C包括安装座C、放大机构C和压电陶瓷C，所述压电陶瓷C安装于所述放大机构C的安装槽内；所述压电陶瓷A、压电陶瓷B和压电陶瓷C的驱动信号的控制时序依次相差T/3。
进一步地，所述放大机构A、放大机构B和放大机构C均包括一对板型柔性铰链，所述放大机构A、放大机构B和放大机构C分别通过正圆柔性铰链与所述驱动环相连。
进一步地，所述放大机构A通过正圆柔性铰链与所述安装座A相连，所述放大机构B通过正圆柔性铰链与所述安装座B相连，所述放大机构C通过正圆柔性铰链与所述安装座C相连。
进一步地，所述安装座A（20）、放大机构A（2）、安装座B（6）、放大机构B（8）、安装座C（13）、放大机构C（14）和驱动环（3）为一体成型结构。
进一步地，所述定子的材料为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。
进一步地，所述转子外圈可拆卸地设置有摩擦材料。
进一步地，所述摩擦材料为氧化铝陶瓷。
进一步地，所述压电陶瓷驱动器A还包括预紧螺栓A和垫片A，所述压电陶瓷驱动器B包括预紧螺栓B和垫片B，所述压电陶瓷驱动器C包括预紧螺栓C和垫片C，所述垫片A设置于所述压电陶瓷A和放大机构A之间，所述垫片B设置于所述压电陶瓷B和放大机构B之间，所述垫片C设置于所述压电陶瓷C和放大机构C之间，所述预紧螺栓A、预紧螺栓B和预紧螺栓C均用于调节预紧力。
进一步地，所述安装座A、安装座B、安装座C均通过螺栓固定安装在基座上。
进一步地，所述驱动信号为正弦波电压信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，利用三个压电陶瓷的时序应变推动三个柔性的放大机构产生周期性形变，从而带动驱动环产生圆形的平面运动轨迹，进而驱动转子产生大行程的连续角位移。
2、转子外侧的摩擦材料有利于减轻驱动环与转子直接接触造成的磨损，提高驱动环对转子的摩擦驱动力；同时，摩擦材料的高耐磨性和易更换性提高了压电执行器的使用寿命。
附图说明
图1为一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器的立体结构示意图；
图2为一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器的俯视图；
图3为图1所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器的定子的俯视图；
图4为一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器的驱动信号波形图；
图5为一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器在驱动信号驱动下的驱动原理图。
具体实施方式
实施例1
参照图1至图3，本实施方式所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，包括基座1、定子、转子15和主轴9，所述主轴9安装于所述基座1上，可选地，主轴9通过螺纹连接安装在基座1中心的螺纹孔内，所述转子15转动安装于所述主轴9上；所述定子包括压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C和驱动环3，所述驱动环3套设于所述转子15外侧，所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C分别与所述驱动环3相连；以主轴9为中心轴，所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C依次间隔120°分布，且所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C位于同一圆周上；所述压电陶瓷驱动器A包括安装座A20、放大机构A2、压电陶瓷A19，所述压电陶瓷A19安装于所述放大机构A2的安装槽内，所述压电陶瓷驱动器B包括安装座B6、放大机构B8和压电陶瓷B7，所述压电陶瓷B7安装于所述放大机构B8的安装槽内，所述压电陶瓷驱动器C包括安装座C13、放大机构C14和压电陶瓷C12，所述压电陶瓷C12安装于所述放大机构C14的安装槽内；所述压电陶瓷A19、压电陶瓷B7和压电陶瓷C12的驱动信号的控制时序依次相差T/3。
本实施方式中，压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C具有完全相同的结构，且以主轴9为中心轴相邻两个驱动器夹角为120°，压电陶瓷A19、压电陶瓷B7和压电陶瓷C12在驱动信号的驱动下能够带动柔性的放大机构A2、放大机构B8和放大机构C14产生规律形变，通过对所述压电陶瓷A19、压电陶瓷B7和压电陶瓷C12的驱动信号进行时序控制，使压电陶瓷A19与压电陶瓷B7之间的驱动信号相位差、压电陶瓷B7与压电陶瓷C12之间的驱动信号相位差均相差T/3，从而带动驱动环3产生圆形平面运动轨迹，进而控制驱动环3的内壁面持续与转子15摩擦接触驱动转子15完成连续旋转运动。
优选地，压电陶瓷A19、压电陶瓷B7和压电陶瓷C12的驱动信号为正弦波电压信号。
如图4所示，压电陶瓷A19的驱动信号可表示为U/2sin(t+T/4)+U/2，压电陶瓷B7的驱动信号可表示为U/2sin(t-T/12)+U/2，压电陶瓷C12的驱动信号可表示为U/2sin(t-5T/12)+U/2，其中，U表示电压，T表示正弦信号一个完整周期，t表示时间。三个压电陶瓷在正弦波电压信号的驱动下，通过控制放大机构的规律形变带动驱动环3摩擦转子15，从而完成输出连续角位移的旋转运动。
如图5所示，本发明的具体工作过程如下：
1.在运动周期为0时，压电陶瓷A19的电压为U，压电陶瓷B7的电压为U/4，压电陶瓷C12电压为U/4。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A19的输出位移为LA，压电陶瓷B7的输出位移为LB，压电陶瓷C12的输出位移为LC，其中压电陶瓷B7和压电陶瓷C12的输出位移相等。如图5中（a）所示，在放大机构A2、放大机构B8和放大机构C14的形变带动下，驱动环3往压电陶瓷A19方向偏移，此时，驱动环3与转子15外侧的摩擦材料16在右上方位置摩擦接触，从而驱动转子15绕主轴9旋转以满足输出连续角位移的大行程需求。
2.在运动周期为T/3时，压电陶瓷B7电压为U，压电陶瓷A19的电压为U/4，压电陶瓷C12电压为U/4。在逆压电效应作用下，压电陶瓷B7的输出位移为LB，压电陶瓷A19的输出位移为LA，压电陶瓷C12的输出位移为LC，其中压电陶瓷A19和压电陶瓷C12的输出位移相等。如图5中（b）所示，在放大机构A2、放大机构B8和放大机构C14的形变带动下，驱动环3往压电陶瓷B7方向偏移，此时，驱动环3与转子15外侧的摩擦材料16在左上方位置摩擦接触，从而驱动转子15绕主轴9旋转以满足输出连续角位移的大行程需求。
3.在运动周期为2T/3时，压电陶瓷C12电压为U，压电陶瓷A19的电压为U/4，压电陶瓷B7电压为U/4。在逆压电效应作用下，压电陶瓷C12的输出位移为LC，压电陶瓷A19的输出位移为LA，压电陶瓷B7的输出位移为LB，其中压电陶瓷A19和压电陶瓷B7的输出位移相等。如图5中（c）所示，在放大机构A2、放大机构B8和放大机构C14的形变带动下，驱动环3往压电陶瓷C12方向偏移，此时，驱动环3与转子15外侧的摩擦材料16在正下方位置摩擦接触，从而驱动转子15绕主轴9旋转以满足输出连续角位移的大行程需求。
4.在运动周期为T时，压电陶瓷A19电压为U，压电陶瓷B7电压为U/4，压电陶瓷C12电压为U/4。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A19的输出位移为LA，压电陶瓷B7的输出位移为LB，压电陶瓷C12的输出位移为LC，其中压电陶瓷B7和压电陶瓷C12的输出位移相等。如图5中（a）所示，在放大机构A2、放大机构B8和放大机构C14的形变带动下，驱动环3往压电陶瓷A19方向偏移，此时，驱动环3与转子15外侧的摩擦材料16在右上方位置摩擦接触，从而驱动转子15绕主轴9旋转以满足输出连续角位移的大行程需求。经过一个运动周期，转子15部分恢复到运动周期为0时的状态。
执行器经过一个周期的动作，在三个压电陶瓷驱动和三个放大机构形变带动下，驱动环3内壁面摩擦并驱动转子15绕主轴9完成一次旋转运动。循环往复此过程，转子15可实现输出连续角位移的大行程运转。
进一步地，如图3所示，所述放大机构A2、放大机构B8和放大机构C14均包括一对板型柔性铰链22，所述放大机构A2、放大机构B8和放大机构C14分别通过正圆柔性铰链21与所述驱动环3相连。放大机构的设置能够将压电陶瓷产生的微小形变进行放大，并通过正圆柔性铰链21作用于驱动环3，使驱动环3产生平面圆形运动轨迹，进而驱动转子15转动。
优选地，所述放大机构A2通过正圆柔性铰链21与所述安装座A20相连，所述放大机构B8通过正圆柔性铰链21与所述安装座B6相连，所述放大机构C14通过正圆柔性铰链21与所述安装座C13相连。
进一步地，如图1-2所示，所述压电陶瓷驱动器A还包括预紧螺栓A17和垫片A18，所述压电陶瓷驱动器B还包括预紧螺栓B4和垫片B5，所述压电陶瓷驱动器C还包括预紧螺栓C10和垫片C11。压电陶瓷A19和垫片A18放置在放大机构A2的安装槽内，并通过预紧螺栓A17调节预紧力；压电陶瓷B7和垫片B5放置在放大机构B8的安装槽内，并通过预紧螺栓B4调节预紧力；压电陶瓷C12和垫片C11放置在放大机构C14的安装槽内，并通过预紧螺栓C10调节预紧力。
可选地，所述安装座A20、安装座B6、安装座C13均通过螺栓固定安装在基座1上，相邻两个安装座之间夹角为120°。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上的进一步改进，如图3所示，所述所述安装座A（20）、放大机构A（2）、安装座B（6）、放大机构B（8）、安装座C（13）、放大机构C（14）和驱动环（3）为一体成型结构，一体成型结构的定子具有更佳的形变精度，从而提高定子在圆形运动过程中的形位精度。
优选地，整个定子部分由一块弹性金属材料整体加工而成，所述弹性金属材料优选为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。
实施例3
本实施例是在实施例1或实施例2的基础上的进一步改进，如图1-2所示，转子15外圈还设置有摩擦材料16，初始状态下，驱动环3内壁面与摩擦材料16间设计有适当间隙，工作状态下，通过驱动环3内壁面与摩擦材料16产生摩擦力从而驱动转子15转动。
在转子15外侧设置摩擦材料16有利于减轻驱动环3与转子15直接接触造成的磨损，提高驱动环3对转子15的摩擦驱动力。
优选地，所述摩擦材料16可拆卸地设置于转子15的外圈，这样，摩擦材料16的高耐磨性和易更换性能够进一步提高压电执行器的使用寿命。
优选地，所述摩擦材料16为质轻且耐磨性强的氧化铝陶瓷。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，包括基座（1）、定子、转子（15）和主轴（9），所述主轴（9）安装于所述基座（1）上，所述转子（15）转动安装于所述主轴（9）上；所述定子包括压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C和驱动环（3），所述驱动环（3）套设于所述转子（15）外侧，所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C分别与所述驱动环（3）相连；以主轴（9）为中心轴，所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C依次间隔120°分布，且所述压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B和压电陶瓷驱动器C位于同一圆周上；所述压电陶瓷驱动器A包括安装座A（20）、放大机构A（2）、压电陶瓷A（19），所述压电陶瓷A（19）安装于所述放大机构A（2）的安装槽内，所述压电陶瓷驱动器B包括安装座B（6）、放大机构B（8）和压电陶瓷B（7），所述压电陶瓷B（7）安装于所述放大机构B（8）的安装槽内，所述压电陶瓷驱动器C包括安装座C（13）、放大机构C（14）和压电陶瓷C（12），所述压电陶瓷C（12）安装于所述放大机构C（14）的安装槽内；所述压电陶瓷A（19）、压电陶瓷B（7）和压电陶瓷C（12）的驱动信号的控制时序依次相差T/3；初始状态，所述驱动环（3）的内壁面与转子（15）间具有适当间隙。
2.根据权利要求1所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述放大机构A（2）、放大机构B（8）和放大机构C（14）均包括一对板型柔性铰链（22），所述放大机构A（2）、放大机构B（8）和放大机构C（14）分别通过正圆柔性铰链（21）与所述驱动环（3）相连。
3.根据权利要求2所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述放大机构A（2）通过正圆柔性铰链（21）与所述安装座A（20）相连，所述放大机构B（8）通过正圆柔性铰链（21）与所述安装座B（6）相连，所述放大机构C（14）通过正圆柔性铰链（21）与所述安装座C（13）相连。
4.根据权利要求3所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述安装座A（20）、放大机构A（2）、安装座B（6）、放大机构B（8）、安装座C（13）、放大机构C（14）和驱动环（3）为一体成型结构。
5.根据权利要求4所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述定子的材料为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述转子（15）外圈可拆卸地设置有摩擦材料（16）。
7.根据权利要求6所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述摩擦材料（16）为氧化铝陶瓷。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器A还包括预紧螺栓A（17）和垫片A（18），所述压电陶瓷驱动器B还包括预紧螺栓B（4）和垫片B（5），所述压电陶瓷驱动器C还包括预紧螺栓C（10）和垫片C（11），所述垫片A（18）设置于所述压电陶瓷A（19）和放大机构A（2）之间，所述垫片B（5）设置于所述压电陶瓷B（7）和放大机构B（8）之间，所述垫片C（11）设置于所述压电陶瓷C（12）和放大机构C（14）之间，所述预紧螺栓A（17）、预紧螺栓B（4）和预紧螺栓C（10）均用于调节预紧力。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述安装座A（20）、安装座B（6）、安装座C（13）均通过螺栓固定安装在基座（1）上。
10.根据权利要求1-5任一项所述的一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器，其特征在于，所述驱动信号为正弦波电压信号。
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