基于继电器式控制的角度可调节压电舵机及控制方法与流程

本发明属于舵机技术领域，具体涉及一种基于继电器式控制的角度可调节压电舵机及控制方法。

背景技术：

近年来随着航空航天领域的迅速发展，人们对舵机的性能要求越来越高，舵机逐渐向着结构紧凑、体积小，质量轻的方向发展。采用液压、气动驱动的舵机控制机构往往存在结构复杂、质量及体积大等缺点。而传统电动舵机则需要加减速装置，设备复杂，质量大。一般地，继电器式控制具有在两组给定值间进行无中间状态的控制作用，常用于导弹或无人驾驶飞机的控制。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于继电器式控制的角度可调节压电舵机及控制方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并双向驱动舵片，具有加工简单，变形稳定，大行程，低能耗，响应迅速和抗干扰能力强的优势，能够断电后位置保持并实现双向大角度控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于继电器式控制的角度可调节压电舵机，包括框架1、十字梁双稳态装置5以及与十字梁双稳态装置5相连接的舵片12；其中框架1与十字梁双稳态装置5采用线切割一体化成型，整体结构呈轴对称分布，矩形框架1内部设有“凸”形槽，槽内下方的两侧分别设有左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2，左悬臂梁2-1的自由端上侧设有第二压电堆3-2，自由端下侧设有第一压电堆3-1，右悬臂梁2-2的自由端上侧设有第一压电堆3-1，自由端下侧设有第二压电堆3-2，第一压电堆3-1上固接有第一质量块4-1，第二压电堆3-2上固接有第二质量块4-2；十字梁双稳态装置5包括预压调节块8、纵向梁9和横向梁10，其中预压调节块8通过左右两侧的水平弹性梁7与框架1槽内上方两侧壁面相连，预压调节块8的顶部平面受到螺钉6的挤压，该螺钉6与框架1螺纹连接，预压调节块8下部连接有纵向梁9，纵向梁9由第一柔性梁9-1、第二柔性梁9-2、刚性梁9-3以及与框架1槽内下方连接的第三柔性梁9-4自上而下依次组成，在纵向梁9的第一柔性梁9-1和第二柔性梁9-2之间布置有横向梁10，两者相互垂直呈十字形连接，横向梁10由结构和尺寸相同的第一刚性梁10-1和第二刚性梁10-2组成，两者自由端正对于质量块；舵片12连接在横向梁10上部；舵机装配完成后，螺钉6通过挤压预压调节块8对十字梁双稳态装置5施加纵向预压力，纵向梁9中的柔性梁受压变形并导致横向梁10绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆3-1和第二压电堆3-2的通断电进行控制，由此随横向梁10运动的舵片12实现姿态调整。

所述第一柔性梁9-1、第二柔性梁9-2、第三柔性梁9-4和水平弹性梁7均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变形；所述第一刚性梁10-1和第二刚性梁10-2的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度较大且能抵御外力。

所述螺钉6穿过框架1上方并与预压调节块8顶部紧密接触，当向下旋转螺钉6预设距离，预压调节块8下移且带动水平弹性梁7产生变形，其中水平弹性梁7能够防止预压调节块8的旋转和横向运动，此时十字梁双稳态装置5受到预设预压力，该预压力导致纵向梁9中的第一柔性梁9-1、第二柔性梁9-2以及第三柔性梁9-4弹性变形，该变形对应于横向梁10绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉6的纵向位置来改变双稳态状态即舵机角度的功能。

所述双稳态间的转换是激振的左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2通过上端部的第二质量块4-2和第一质量块4-1敲击横向梁10末端实现的，左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2端部双侧压电堆3的作动频率即控制电压频率与悬臂梁2固有频率相同，第一压电堆3-1和第二压电堆3-2的控制电压相位相差180度，当通电时，第一压电堆3-1和第二压电堆3-2交替伸长和缩短，第一质量块4-1和第二质量块4-2产生惯性力，该惯性力相当于频率为左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2固有频率的激振力，使得左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2产生共振且端部运动的位移幅值最大，该幅值大于横向梁10与质量块4之间的间隙，由此横向梁10端部受到左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2端部质量块的敲击后会经过平衡位置转换至另一稳态。

所述基于继电器式控制的角度可调节压电舵机的控制方法，其特征在于：首先，安装时，通过调节螺钉6的位置对十字梁双稳态装置5施加预压力，横向梁10对应地绕十字中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使横向梁10顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对左悬臂梁2-1的第一压电堆3-1和第二压电堆3-2通电，质量块4-1和质量块4-2相应产生的激振力使得左悬臂梁2-1共振，横向梁10受第二惯性块4-2敲击第一刚性梁10-1的作用力后，经过平衡位置转换为第二稳态；同理，为使横向梁10逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对右悬臂梁2-2的第一压电堆3-1和第二压电堆3-2通电，质量块4-1和质量块4-2相应产生的激振力使得右悬臂梁2-2共振，横向梁10受第一惯性块4-1敲击第二刚性梁10-2的作用力后，经过平衡位置转换为第一稳态；如此便可实现舵机的双向大角度控制。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明含有刚性梁与柔性梁结合形成的混合梁，该混合梁受压产生双稳态且不需要施加外界能力即可保持当前状态，因此该舵机可以控制舵片12输出方向相反两个偏转角。且本发明在控制舵片12偏转时只需要在切换两个偏转角时通电，而在舵片12保持目前状态持续输出偏转角时无需通电。不但实现了断电后位置保持，而且具有能耗低的特点。

2)本发明可通过调节螺钉改变舵面偏角，方法简单可靠，能够实时满足舵机需求，具有应用性强的优点。

3)本发明机构简单，加工方便，便于实现小体积轻量化设计，为小型飞行器节省了宝贵的内部空间。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明去舵片俯视图。

图3为本发明侧视图。

图4为本发明第一稳态示意图。

图5为本发明第二稳态示意图。

具体实施方式

以下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，本发明基于继电器式控制的角度可调节压电舵机，包括框架1、十字梁双稳态装置5以及与十字梁双稳态装置5相连接的舵片12；其中框架1与十字梁双稳态装置5采用线切割一体化成型，整体结构呈轴对称分布，矩形框架1内部设有“凸”形槽，槽内下方的两侧分别设有左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2，左悬臂梁2-1的自由端上侧设有第二压电堆3-2，自由端下侧设有第一压电堆3-1，右悬臂梁2-2的自由端上侧设有第一压电堆3-1，自由端下侧设有第二压电堆3-2，第一压电堆3-1上固接有第一质量块4-1，第二压电堆3-2上固接有第二质量块4-2；十字梁双稳态装置5包括预压调节块8、纵向梁9和横向梁10，其中预压调节块8通过左右两侧的水平弹性梁7与框架1槽内上方两侧壁面相连，预压调节块8的顶部平面受到螺钉6的挤压，该螺钉6与框架1螺纹连接，预压调节块8下部连接有纵向梁9，纵向梁9由第一柔性梁9-1、第二柔性梁9-2、刚性梁9-3以及与框架1槽内下方连接的第三柔性梁9-4自上而下依次组成，在纵向梁9的第一柔性梁9-1和第二柔性梁9-2之间布置有横向梁10，两者相互垂直呈十字形连接，横向梁10由结构和尺寸相同的第一刚性梁10-1和第二刚性梁10-2组成，两者自由端正对于质量块；舵片12连接在横向梁10上部；舵机装配完成后，螺钉6通过挤压预压调节块8对十字梁双稳态装置5施加纵向预压力，纵向梁9中的柔性梁受压变形并导致横向梁10绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆3-1和第二压电堆3-2的通断电进行控制，由此随横向梁10运动的舵片12实现姿态调整。

作为本发明的优选实施方式，所述第一柔性梁9-1、第二柔性梁9-2、第三柔性梁9-4和水平弹性梁7均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变形；所述第一刚性梁10-1和第二刚性梁10-2的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度较大且能抵御外力。

作为本发明的优选实施方式，所述螺钉6穿过框架1上方并与预压调节块8顶部紧密接触，当向下旋转螺钉6预设距离，预压调节块8下移且带动水平弹性梁7产生变形，其中水平弹性梁7能够防止预压调节块8的旋转和横向运动，此时十字梁双稳态装置5受到预设预压力，该预压力导致纵向梁9中的第一柔性梁9-1、第二柔性梁9-2以及第三柔性梁9-4弹性变形，该变形对应于横向梁10绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉6的纵向位置来改变双稳态状态即舵机角度的功能。

作为本发明的优选实施方式，所述双稳态间的转换是激振的左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2通过上端部的第二质量块4-2和第一质量块4-1敲击横向梁10末端实现的，左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2端部双侧压电堆3的作动频率即控制电压频率与悬臂梁2固有频率相同，第一压电堆3-1和第二压电堆3-2的控制电压相位相差180度，当通电时，第一压电堆3-1和第二压电堆3-2交替伸长和缩短，第一质量块4-1和第二质量块4-2产生惯性力，该惯性力相当于频率为左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2固有频率的激振力，使得左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2产生共振且端部运动的位移幅值最大，该幅值大于横向梁10与质量块4之间的间隙，由此横向梁10端部受到左悬臂梁2-1和右悬臂梁2-2端部质量块的敲击后会经过平衡位置转换至另一稳态。

如图4和图5所示，基于继电器式控制的角度可调节压电舵机的控制方法，首先，安装时，通过调节螺钉6的位置对十字梁双稳态装置5施加预压力，横向梁10对应地绕十字中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使横向梁10顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对左悬臂梁2-1的第一压电堆3-1和第二压电堆3-2通电，质量块4-1和质量块4-2相应产生的激振力使得左悬臂梁2-1共振，横向梁10受第二惯性块4-2敲击第一刚性梁10-1的作用力后，经过平衡位置转换为第二稳态；同理，为使横向梁10逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对右悬臂梁2-2的第一压电堆3-1和第二压电堆3-2通电，质量块4-1和质量块4-2相应产生的激振力使得右悬臂梁2-2共振，横向梁10受第一惯性块4-1敲击第二刚性梁10-2的作用力后，经过平衡位置转换为第一稳态；如此便可实现舵机的双向大角度控制。