CN201224497Y - 一种压电式电动舵机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电式电动舵机，包括两路相互独立的压电角位移执行机构，每组压电角位移执行机构又由压电致动器、舵体、预紧机构、微位移放大机构、角度转换机构组成。每组压电角位移执行机构由压电致动器、舵体、预紧机构、微位移放大机构、角度转换机构组成，其中压电致动器放置在舵体上；压电致动器通过微位移放大机构与角度转换机构相连；控制信号供给压电致动器后，压电致动器产生轴向的微小位移，经由压紧块将力和位移利用微位移放大机构将压电致动器的微小位移进行放大，并经过角度转换机构把放大后的直线位移转换为舵偏角的输出。压电式电动舵机相比现有技术方案结构紧凑、重量轻、价格低、响应速度快、功耗低、低温特性好等优点。

Description

一种压电式电动舵机

技术领域

本实用新型涉及一种电动舵机，特别涉及一种压电式电动舵机，属于机电一体化领域。

背景技术

舵机是飞行器执行机构控制系统的重要组成部分，也是飞行器控制系统的执行机构。传统的电动舵机由伺服电机、减速机构以及相应的驱动控制电路组成，受执行元件伺服电机的影响，有响应速度慢、消耗功率大以及造价高的缺点；而气动舵机虽然克服了电动舵机的以上缺点，但却也有结构复杂、工作时间短和可靠性及可维护性差等不足。

压电致动器是近年来发展起来的新型电动执行元件，它是利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能。以压电致动器为执行元件的各种执行机构已经广泛的应用在多个领域中。

例如第2001141091A号日本专利，设计了一个采用压电致动器的流量控制阀。压电致动器的输出位移经过位移放大机构输出直线位移，控制流量控制阀的开口，从而控制流体流量。

如第4464213号美国专利，设计了一个用于打印机或其他电子产品，将电能转化为机械能，采用了多层杠杆对压电致动器的输出位移进行放大，并通过末级杠杆的支点形成一个半轴的机构以增大放大机构的刚度。

以上两个专利虽然采用压电致动器作为执行元件，也经过微位移放大机构进行了位移放大，但它们最后输出的是直线位移，并未转化为角度输出。

例如第4468583号美国专利，发表于1984年8月28日，设计了一个压电陶瓷转动马达，它由定子、转子、两组环形压电致动器，两组产生弯曲变形的压电致动器等组成。转子上的环形压电致动器沿径向的方向极化，施以激励电压后产生径向的伸缩运动，进而控制定子与转子的离合；压电致动器沿定子的圆周向进行极化，施以激励电压后产生周向的位移和力。经过两组压电致动器的激励信号，转子可以输出转角和力矩。这种压电马达实际上是一种复合型超声波电机，虽然可以输出较大的力矩，但是效率低，一般在30％以下；扭转压电镜片制作工艺复杂，成本高；驱动控制受温度、驱动信号的复制、频率等因此而引起两个方向振动相位差的变化，以致工作不稳定。

如第46496/2003号韩国专利，设计了一种透镜驱动器件。在该透镜驱动器件中，镜筒单元具有：内部空间，用于在其内容纳透镜；以及导槽，用于通过转动镜筒单元使透镜前、后移动。环形压电致动器单元设置在镜筒单元的附近，用于响应外部输入信号，在径向收缩或膨胀。驱动部件安装在压电致动器单元上，而且具有多个向着镜筒单元凸出以接触该镜筒单元的分段。响应压电致动器的收缩，驱动部件收缩，向外推动倾斜的梳状分段，并沿梳状分段的倾斜方向。转动旋转镜筒。这种收缩每秒重复几千次至几万次，并对这种收缩进行控制，以使旋转镜筒以要求的转速旋转。另一环形压电致动器及其驱动部件朝相反的方向推动镜筒旋转。该实用新型虽然可以输出角度和力矩，但其不能满足位置控制要求即在某一角度上输出一定的转矩，因此不能适用于飞行器上的舵机系统。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的一个目的是提供一种结构紧凑、质量轻、功耗低、响应速度快且适用于舵机系统的压电式电动舵机。

本实用新型采用的技术方案是，由两组相互独立的压电角位移执行机构组成；左右两组压电角位移执行机构结构对称，安装方式和驱动控制方式相同。

所述的一个压电角位移执行机构由压电致动器、舵体、预紧机构、微位移放大机构、角度转换机构组成。其中，舵体中间开有通线孔和方形槽，舵体开有两个

形镂空槽，舵体外侧开有舵轴孔和螺纹孔，螺纹孔与镂空槽相通；微位移放大机构与舵体加工成一体，位于镂空槽中，由压紧块、柔性铰链以及杠杆组成，柔性铰链由两个铰链构成，杠杆为一个

形杆，下端带有一个长形孔，压紧块、柔性铰链和杠杆与舵体加工成一体；角度转换机构由舵轴、限位钉、螺钉组成，舵轴的一侧带有“凹”形槽，为偏心轮结构。预紧机构由调节螺钉、调节弹簧、钢球组成。

所述的压电致动器放置在舵体上通线孔两侧的方形槽中；压电致动器的两个端面分别与舵体和压紧块接触，其一侧面与杠杆保持不小于压电舵机最大行程的间隙，用来对舵机的输出角进行机械限位。压紧块的另一侧与第一个柔性铰链相连接。杠杆的上端一侧与第一个柔性铰链相连，为位移和力的输入端，另一侧与一个固连于舵体上的柔性铰链相连，作为杠杆机构的转动支撑点；杠杆下端，有一个长形孔与角度转换机构相连。舵轴从舵体上的舵轴孔插入并通过杠杆下端的圆孔，使“凹”形槽与杠杆下端的长形孔对齐，“凹”形槽的两侧与方形孔之间插入两个限位钉，将其夹紧。预紧机构位于压电致动器固定端一侧，钢球被放入舵体右上方的螺纹孔中，钢球下部与杠杆接触于一点，钢球上方放入调节弹簧，并用调节螺钉压紧。

本实用新型的工作过程为：在舵机通电之前，首先旋紧调节螺钉，调节加在压电致动器左端的预压力，使压电致动器产生一定的预变形。

然后通电，经过驱动放大后的控制信号供给压电致动器，压电致动器产生轴向的微小位移，经由压紧块将力和位移传递给第一个柔性铰链，并由它将力和位移传到杠杆的输入端，以第二个柔性铰链作为支撑点，利用杠杆将压电致动器的微小位移进行放大，并由杠杆的下端推动舵轴上的偏心轮结构，把放大后的直线位移转换为舵偏角的输出。

本实用新型可以在舵轴上加装位置传感器，对压电式电动舵机进行闭环控制。

本实用新型相对于现有技术方案有以下有益效果：

(1)相比于传统的电动舵机具有结构紧凑、重量轻、价格低廉、响应速度快、低温特性好、频宽高、不受电磁干扰等优点；

(2)相比于现有的压电执行机构，可以进行角度输出，并且在一定偏转角度下承受响应的力矩；具有预紧机构，可以实现正反两个方向的运动；对角度输出有机械限位。

(3)在舵机通电之前，调节预压力，可以消除压电致动器和压紧块之间的安装误差。另一方面，预压力使压电致动器产生一定的预变形，可以使舵轴做正反两个方向的转动，克服了压电致动器只能向一个方向的运动的缺点。

附图说明

图1为本实用新型压电式电动舵机的一种结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1沿A-A方向的剖视图；

其中：1-舵体，2-压电致动器，3-调节螺钉，4-调节弹簧，5-钢球，6-限位钉，7-螺钉，8-舵轴，9-柔性铰链，10-压紧块，11-杠杆，12-通线孔。

具体实施方式

结合说明书附图详细说明本实用新型压电式电动舵机的一种实施例。

本实施例由两组相互独立的压电角位移执行机构组成；左右两组压电角位移执行机构结构对称，安装方式和驱动控制方式相同。

下面以其中一组压电执行机构为例，说明它的安装方式以及工作过程。

压电角位移执行机构由压电致动器2、舵体1、预紧机构、微位移放大机构、角度转换机构组成。其中，舵体1中间开有通线孔12和方形槽，舵体1开有两个“”形镂空槽，舵体1外侧开

轴孔和螺纹孔，螺纹孔与镂空槽相通；微位移放大机构与舵体1加工成一体，位于镂空槽中，由压紧块10、柔性铰链9以及杠杆11组成，柔性铰链9由两个铰链构成，杠

1为一个“”形杆，下端带有一个长形孔；角度转换机构由舵轴8、限位钉6、螺钉7组成，舵轴8的一侧带有“凹”形槽，为偏心轮结构。预紧机构由调节螺钉3、调节弹簧4、钢球5组成。

所述的压电致动器2放置在舵体1上通线孔12两侧的方形槽中；压电致动器2的两个端面分别与舵1体和压紧块10接触，其一侧面与杠杆保持不小于压电舵机最大行程的间隙，用来对舵机的输出角进行机械限位，压紧块10的另一侧与第一个柔性铰链相连接。杠杆11的上端一侧与第一个柔性铰链相连，为位移和力的输入端，另一侧与一个固连于舵体1上的柔性铰链相连，作为杠杆11的转动支撑点；杠杆11下端，有一个长形孔与角度转换机构相连。舵轴8从舵体1上的舵轴孔插入并通过杠杆11下端的圆孔，使“凹”形槽与杠杆11下端的长形孔对齐，“凹”形槽的两侧与方形孔之间插入两个限位钉6，将其夹紧。预紧机构位于压电致动器2固定端一侧，钢球5被放入舵体1右上方的螺纹孔中，钢球5下部与杠杆11接触于一点，钢球5上方放入调节弹簧4，并用调节螺钉3压紧。

在舵机通电之前，首先旋紧调节螺钉3，调节加在压电致动器2左端的预压力，可以消除压电致动器2和压紧块10之间的安装误差。另一方面，预压力使压电致动器2产生一定的预变形，可以使舵轴8做正反两个方向的转动，克服了压电致动器2只能向一个方向的运动的缺点。

下面说明压电角位移压电执行机构的工作过程。

压电角位移执行机构的输入信号为0V到+10V，对应舵轴8转动角度为-5°到+5°。控制信号经过放大后给压电致动器2，使其产生轴向的微小位移，经由压紧块10将力和位移传递给第一个柔性铰链，并由它将力和位移传到杠杆11的输入端，以第二个柔性铰链作为支撑点，利用杠杆11将压电致动器2的微小位移进行放大，并由杠杆11的下端推动舵轴8上的偏心轮结构，把放大后的直线位移转换为舵偏角的输出。

该压电式电动舵机的开环控制有两种控制方式：一种是采用Bang-Bang控制，即继电式工作方式。下面以三位置继电式舵机为例说明本实施例的具体控制方法：利用预紧机构施加一定的预压力，该力的大小在压电致动器2最大输出力一半左右。控制信号为0V时，舵轴8在负向最大偏角状态；当控制信号为5V时，即最大输出电压的一半时，舵轴8在中间位置；当控制信号为10V时，舵轴8在正向最大偏移状态。如此，压电角位移执行机构不断重复三位置继电式的工作方式，并且二路压电角位移执行机构的工作状态相反，通过弹体的旋转产生周期平均控制力对飞行器进行姿态控制。另一种控制方式是两路压电角位移执行机构的输入信号为正弦波，对舵偏角进行线性控制，并通过弹体的旋转控制飞行器的俯仰和偏航。

此外，还可以在舵轴上加装位置传感器，对压电式电动舵机进行闭环控制。

以上所述的实施例仅为本实用新型保护的一部分，凡是在本实用新型的原则和精神之内所做的任何局部改动或等同替换，都将视为本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种压电式电动舵机，由两组相互独立的压电角位移执行机构组成；左右两组压电角位移执行机构结构对称，安装方式和驱动控制方式相同，其特征在于：每组压电角位移执行机构由压电致动器(2)、舵体(1)、预紧机构、微位移放大机构、角度转换机构组成，其中，舵体(1)中间开有通线孔(12)和方形槽，舵体(1)开有两个形镂空槽，舵体(1)外侧开有舵轴孔和螺纹孔，螺纹孔与镂空槽相通，微位移放大机构与舵体(1)加工成一体，位于镂空槽中，由压紧块(10)、柔性铰链(9)以及杠杆(11)组成，柔性铰链(9)由两个铰链构成，杠杆(11)为一个

形杆，下端带有一个长形孔；角度转换机构由舵轴(8)、限位钉(6)、螺钉(7)组成，舵轴(8)的一侧带有“凹”形槽，为偏心轮结构；其特征还在于，所述的压电致动器(2)放置在舵体(1)上通线孔(12)两侧的方形槽中，压电致动器(2)的两个端面分别与舵体(1)和压紧块(10)接触，压紧块(10)的另一侧与第一个柔性铰链相连接，杠杆(11)的上端一侧与第一个柔性铰链相连，为位移和力的输入端，另一侧与一个固连于舵体(1)上的柔性铰链相连，作为杠杆(11)的转动支撑点，杠杆(11)下端，有一个长形孔与角度转换机构相连，舵轴(8)从舵体(1)上的舵轴孔插入并通过杠杆(11)下端的圆孔，使“凹”形槽与杠杆(11)下端的长形孔对齐，“凹”形槽的两侧与方形孔之间插入两个限位钉(6)，将其夹紧。

2.根据权利要求1所述的一种压电式电动舵机，其特征在于，杠杆(11)位于舵体(1)的镂空槽中，其两侧面分别与舵体(1)和压电致动器(2)保持不小于压电式电动舵机最大行程的间隙，起机械限位的作用。

3.根据权利要求1所述的一种压电式电动舵机，其特征在于，预紧机构位于压电致动器(2)固定端一侧，钢球(5)被放入舵体(1)右上方的螺纹孔中，钢球(5)下部与杠杆(11)接触于一点，钢球(5)上方放入调节弹簧(4)，并用调节螺钉(3)压紧。

Images