CN116647142A - 基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置及方法，通过驱动压电陶瓷带动菱形环的伸长和缩短，钢珠将沿着驱动压电陶瓷运动的方向与钢珠推板间产生压力，压力将推动钢珠推板连同推杆在轴向方向上直线式作动，当钢珠与钢珠推板互相接触并产生压力时，接触的两个物体之间会产生非线性的接触电阻，通过测量电路实时监测钢珠与钢珠推板之间的电阻值，通过电阻值的大小，来实时测量接触力的大小，通过将得到的接触电阻值作为闭环控制中反馈信号，进而控制驱动元件的输出力大小，实现对作动装置更高精度的控制。本发明旨在提供一种结构简单、重量轻、精度高、功耗低、接触力可实时监测并作为反馈信号以此实现高精度直线作动的作动装置。
Description
技术领域
本发明涉及作动器技术领域，具体涉及一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置及方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，在国防、航天，机械制造等重要工业领域对直线调节机构提出了更高的要求。高精度直线调节机构在天文望远镜镜面调节、空间天线的高精度调整，太空结构的振动控制与抑制等方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。以音圈电机为核心器件的电磁类作动装置，往往具有体积大，工作时有电磁泄漏，且位置保持时功耗大、发热严重等不足。另一方面，压电作动器在航天、航空领域有着极为广泛的应用，具有尺寸小、重量轻、功耗低、响应快等特点广泛应用于高精度调节机构中，然而作为反馈信号的应变计传感方式在闭环控制中效果差、难度大，使得高精度控制能力大大降低。
发明内容
为了克服上述存在的技术问题，本发明旨在提供一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置及方法，该作动装置结构简单、重量轻、精度高、功耗低、接触力可实时监测并作为反馈信号，以此实现高精度直线作动。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，该装置包括装置外壳1，连接在装置外壳1底部的装置底座2，由下到上依次同轴设置在装置外壳1内的驱动元件、钢珠安装槽7、钢珠8、钢珠推板9、推力球轴承10、碟簧11和推杆12，推力球轴承10嵌套在钢珠推板9与装置外壳1间的空腔内，碟簧11嵌套在推杆12与装置外壳1间的空腔内；所述驱动元件为一个内部嵌套有驱动压电陶瓷的菱形环或多个内部嵌套有驱动压电陶瓷的菱形环串联组成，底部的菱形环通过预紧顶丝3安装在装置底座2上，通过预紧顶丝3提供作动装置的预紧力；通过驱动压电陶瓷的伸长和缩短，带动菱形环的伸长和缩短，安装在钢珠安装槽7的钢珠8将沿着驱动压电陶瓷运动的方向与钢珠推板9之间产生压力，压力将推动钢珠推板9连同推杆12在轴向方向上实现直线式作动，当钢珠8与钢珠推板9互相接触并产生压力时，接触的两个物体之间会产生非线性的接触电阻，为此分别在钢珠8与钢珠推板9之间连接测量电路，实时监测钢珠8与钢珠推板9之间的电阻值，通过实时测量电阻值的大小，来实时测量接触力的大小，通过将测量得到的接触电阻值作为闭环控制中反馈信号，进而控制驱动元件的输出力大小，实现对作动装置更高精度的控制。
该作动装置通过旋转预紧顶丝3使得钢珠8与钢珠推板9之间的接触力可调，根据接触电阻与接触面所受正应力的非线性关系，通过旋紧预紧顶丝3，使得钢珠8与钢珠推板9之间接触电阻随之变化，当接触电阻阻值达到预期水平时，此时对应的预紧力为最佳预紧力。
优选的，对钢珠8进行表面处理，表面处理采用微纳米加工、化学蚀刻或溅射工艺，在钢珠8表面上加工出螺旋状结构，这种螺旋状结构的具有位移梯度，螺旋状结构的存在增加了钢珠8与钢珠推板9的接触面积，提高接触电阻与接触力之间的线性度，进而提高测量的灵敏度，更精确的测量钢珠8与钢珠推板9之间接触力的大小，实现高精度的传感测量。
优选的，在驱动元件与钢珠安装槽7之间设置有柔性铰链6，如果驱动元件为多个，则相邻驱动元件间也设置有柔性铰链6；所述柔性铰链具有小的轴向刚度和大的径向刚度的特点，保证在拥有大的直线位移输出的同时，使得作动装置在承受径向冲击过载时避免作动装置内部的驱动压电陶瓷因受横向剪切力发生破坏。
优选的，所述柔性铰链6由上部的安装平台、中部柔性铰链和下部的安装槽采用一体加工而成，上部的安装平台用于安装钢珠安装槽7，下部的安装槽用于安装菱形环。
优选的，所述驱动元件为两个内部嵌套有驱动压电陶瓷的菱形环串联组成，这样在保证作动精度的同时，结构简单紧凑。
优选的，菱形环为圆弧形菱形环，具有结构简单，安装装配简易，在具有位移放大作用的同时，也起着保护驱动压电陶瓷的作用。
所述的基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置的工作方法，该作动装置通过旋转预紧顶丝3对一个或多个互相串联的驱动元件和碟簧11施加预紧力实现作动装置的作动刚度，对驱动元件施加电压即实现该作动装置沿着轴向方向进行直线运动，在作动的同时测量安装在钢珠安装槽7的钢珠8与钢珠推板9之间的接触电阻，作为闭环控制中反馈信号，控制施加在驱动压电陶瓷的电压大小，实现轴向方向上的高精度直线作动。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明作动装置采用压电陶瓷提供驱动，驱动精度高，响应快。通过实时测量钢珠8与钢珠推板9之间的接触电阻值来反映二者之间接触力的变化情况。将测量得到的接触电阻值作为闭环控制中反馈信号，对作动装置实现更高精度的控制。
2.本发明所述的高精度直线作动装置结构简单紧凑，便于加工和安装。
3.本发明所述的作动装置采用钢珠8推着钢珠推板9而实现直线位移的输出，成功卸载复杂工况中压电堆可能承受的剪切力。
4.本发明所述的高精度直线作动装置采用微纳米加工、化学蚀刻和溅射工艺等方法，在钢珠8表面上加工出螺旋状结构，这种螺旋状结构的具有位移梯度，它的存在增加了钢珠8与钢珠推板9的接触面积，改善了接触电阻与接触力之间的非线性程度，提高了测量的灵敏度，可以更精确的测量钢珠8与钢珠推板9之间接触力的大小。
附图说明
图1为本发明作动装置结构剖视图。
图2为本发明作动装置爆炸示意图。
图3为本发明柔性铰链示意图。
图4为本发明圆弧形菱形环示意图。
图5为本发明接触电阻测量示意图。
具体实施方式
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和图2所示，本发明一种基于基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，包括装置外壳1、装置底座2、预紧顶丝3、驱动元件、柔性铰链6、钢珠安装槽7、钢珠8、钢珠推板9、推力球轴承10、碟簧11和推杆12。本实施例驱动元件为两个内部嵌套有驱动压电陶瓷的菱形环串联组成，装置外壳1与装置底座2通过螺钉连接，其中底部菱形环4-1底部通过预紧顶丝3安装在装置底座2上。底部驱动压电陶瓷5-1、上部驱动压电陶瓷5-2分别嵌套在底部菱形环4-1和上部菱形环4-2内，作为驱动元件。如图3所示，柔性铰链6由上部的安装平台，中部柔性铰链和下部的安装槽所组成，采用一体加工而成。底部菱形环4-1、柔性铰链6、上部菱形环4-2、柔性铰链6和钢珠安装槽7依次自下而上在同一轴线上采用螺钉方式连接。钢珠8安装在钢珠安装槽7内，安装在装置外壳1的安装槽内的钢珠推板9和嵌套在钢珠推板9内的推力球轴承10位于钢珠8的上方，它们的质心均位于同一轴线上，且钢珠推板9的顶部安装有碟簧11和推杆12。如图4所示，本实施例中底部菱形环4-1和上部菱形环4-2均采用圆弧形菱形环，这样，具有结构简单，安装装配简易，在具有位移放大作用的同时，也起着保护驱动压电陶瓷的作用。
通过底部驱动压电陶瓷5-1和上部驱动压电陶瓷5-2的伸长和缩短，带动底部菱形环4-1和上部菱形环4-2的伸长和缩短，安装在钢珠安装槽7的钢珠8将沿着底部驱动压电陶瓷5-1和上部驱动压电陶瓷5-2运动的方向与钢珠推板9之间产生正向压力，这种正向压力将推动钢珠推板9连同推杆12在轴向方向上内实现直线式作动，当钢珠8与钢珠推板9互相接触并产生这种正向压力时，接触的两个物体之间会产生非线性的接触电阻，为此分别在钢珠8与钢珠推板9之间连接相应的测量电路，实时监测钢珠8与钢珠推板9之间的电阻值。通过实时测量电阻值的大小，来实时测量接触力(正向压力)的大小。
该作动装置通过旋转预紧顶丝3使得钢珠8与钢珠推板9之间的接触力可调，根据接触电阻与接触面所受正应力的非线性关系，通过慢慢旋紧预紧顶丝3，使得钢珠8与钢珠推板9之间接触电阻随之变化，当接触电阻阻值达到预期水平时，此时对应的预紧力为最佳预紧力。
另一方面，由于接触电阻与接触力之间存在非线性的关系，为了提高接触电阻与接触力之间的线性度，以此来提高传感的灵敏度，实现高精度的传感测量，如图5所示，对钢珠8采用表面处理，其中包括微纳米加工、化学蚀刻和溅射工艺等方法，在其表面上加工出螺旋状结构，这种螺旋状结构的具有位移梯度，螺旋状结构的存在增加了钢珠8与钢珠推板9的接触面积，改善了接触电阻与接触力之间的非线性程度，提高了测量的灵敏度，可以更精确的测量钢珠8与钢珠推板9之间接触力的大小。
所述作动装置在钢珠8推动钢珠推板9运动时驱动元件输出力的大小会引起钢珠8与钢珠推板9之间接触力的变化，通过将测量得到的接触电阻值作为闭环控制中反馈信号，进而控制驱动元件的输出力大小，实现对直线作动装置实现更高精度的控制。
具体实现作动的方法为：该作动装置通过旋转预紧顶丝3对两个互相串联的驱动元件和碟簧11施加预紧力实现作动装置的作动刚度，对两个依次串联的驱动元件施加电压即可实现该作动装置沿着轴向方向进行直线运动，同时，所述的柔性铰链6具有较小的轴向刚度和较大的径向刚度大的特点，可以保证在拥有较大的直线位移输出的同时，使得直线作动装置在承受径向冲击过载时避免作动装置内部的底部驱动压电陶瓷5-1和上部驱动压电陶瓷5-2因受较大横向剪切力发生破坏。在作动的同时测量安装在钢珠安装槽7的钢珠8与钢珠推板9之间的接触电阻，作为闭环控制中反馈信号，控制底部驱动压电陶瓷5-1和上部驱动压电陶瓷5-2，实现轴向方向上的高精度直线作动。
Claims (8)
1.一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，其特征在于：该装置包括装置外壳(1)，连接在装置外壳(1)底部的装置底座(2)，由下到上依次同轴设置在装置外壳(1)内的驱动元件、钢珠安装槽(7)、钢珠(8)、钢珠推板(9)、推力球轴承(10)、碟簧(11)和推杆(12)，推力球轴承(10)嵌套在钢珠推板(9)与装置外壳(1)间的空腔内，碟簧(11)嵌套在推杆(12)与装置外壳(1)间的空腔内；所述驱动元件为一个内部嵌套有驱动压电陶瓷的菱形环或多个内部嵌套有驱动压电陶瓷的菱形环串联组成，底部的菱形环通过预紧顶丝(3)安装在装置底座(2)上，通过预紧顶丝(3)提供作动装置的预紧力；通过驱动压电陶瓷的伸长和缩短，带动菱形环的伸长和缩短，安装在钢珠安装槽(7)的钢珠(8)将沿着驱动压电陶瓷运动的方向与钢珠推板(9)之间产生压力，压力将推动钢珠推板(9)连同推杆(12)在轴向方向上实现直线式作动，当钢珠(8)与钢珠推板(9)互相接触并产生压力时，接触的两个物体之间会产生非线性的接触电阻，为此分别在钢珠(8)与钢珠推板(9)之间连接测量电路，实时监测钢珠(8)与钢珠推板(9)之间的电阻值，通过实时测量电阻值的大小，来实时测量接触力的大小，通过将测量得到的接触电阻值作为闭环控制中反馈信号，进而控制驱动元件的输出力大小，实现对作动装置更高精度的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，其特征在于：该作动装置通过旋转预紧顶丝(3)使得钢珠(8)与钢珠推板(9)之间的接触力可调，根据接触电阻与接触面所受正应力的非线性关系，通过旋紧预紧顶丝(3)，使得钢珠(8)与钢珠推板(9)之间接触电阻随之变化，当接触电阻阻值达到预期水平时，此时对应的预紧力为最佳预紧力。
3.根据权利要求1所述的一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，其特征在于：对钢珠(8)进行表面处理，表面处理采用微纳米加工、化学蚀刻或溅射工艺，在钢珠(8)表面上加工出螺旋状结构，这种螺旋状结构的具有位移梯度，螺旋状结构的存在增加了钢珠(8)与钢珠推板(9)的接触面积，提高接触电阻与接触力之间的线性度，进而提高测量的灵敏度，更精确的测量钢珠(8)与钢珠推板(9)之间接触力的大小，实现高精度的传感测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，其特征在于：在驱动元件与钢珠安装槽(7)之间设置有柔性铰链(6)，如果驱动元件为多个，则相邻驱动元件间也设置有柔性铰链(6)；所述柔性铰链具有小的轴向刚度和大的径向刚度的特点，保证在拥有大的直线位移输出的同时，使得作动装置在承受径向冲击过载时避免作动装置内部的驱动压电陶瓷因受横向剪切力发生破坏。
5.根据权利要求4所述的一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，其特征在于：所述柔性铰链(6)由上部的安装平台、中部柔性铰链和下部的安装槽采用一体加工而成，上部的安装平台用于安装钢珠安装槽(7)，下部的安装槽用于安装菱形环。
6.根据权利要求1所述的一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，其特征在于：所述驱动元件为两个内部嵌套有驱动压电陶瓷的菱形环串联组成。
7.根据权利要求1所述的一种基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置，其特征在于：菱形环为圆弧形菱形环。
8.权利要求1至7任一项所述的基于接触电阻的预紧力可调输出力可控的作动装置的工作方法，其特征在于：该作动装置通过旋转预紧顶丝(3)对一个或多个互相串联的驱动元件和碟簧(11)施加预紧力实现作动装置的作动刚度，对驱动元件施加电压即实现该作动装置沿着轴向方向进行直线运动，在作动的同时测量安装在钢珠安装槽(7)的钢珠(8)与钢珠推板(9)之间的接触电阻，作为闭环控制中反馈信号，控制施加在驱动压电陶瓷的电压大小，实现轴向方向上的高精度直线作动。
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