一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器及方法与流程

本发明属于压电陶瓷驱动装置，具体涉及一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器及方法。

背景技术：

压电驱动装置是基于压电材料具有的逆压电效应，在国防、航天航空和机械制造等领域有着广泛的应用，在直线微位移控制方面具有线性好、高分辨率、大驱动力、易于控制等优异特性，然而，压电材料作动行程短小，难以实现大行程输出，尤其是大转角的扭矩输出更难实现。因此，需要一种精度高、驱动行程大的步进式角位移作动器。

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人字结构驱动的步进式角位移压电作动器及方法，利用压电陶瓷的相互配合实现步进式的大行程角位移输出，并且采用菱形环实现断电锁止功能。本发明结构创新，小步距步进，作动精度高，驱动行程大，能够断电锁止并实现双向旋转。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器，包括圆周轨道的底座2，通过支柱与底座2固定的上挡板1，安装在底座2上且与之同心的可自由旋转的输出轴3，人字型驱动机构5，安装在人字型驱动机构5上部的压电陶瓷4，安装在人字型驱动机构5下部两端的用于锁止的第一菱形环(6-1和第二菱形环6-2以及第一菱形环6-1和第二菱形环6-2内部的第一压电陶瓷7-1和第二压电陶瓷7-2；安装完成后，当其内部的第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2不通电时，第一菱形环6-1和第二菱形环6-2与上挡板1和底座2间为紧配合，来保证第一菱形环6-1和第二菱形环6-2与第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2组成的锁止机构在断电时有效锁止。

所述人字型驱动机构5为一体加工而成包括与输出轴3同心且抱死的夹紧机构501，通过柔性铰链502与夹紧机构501连接的第一作动臂503和第二作动臂504，以及通过柔性铰链502与第一作动臂503和第二作动臂504分别连接的第一滑块505和第二滑块506，所述第一滑块505和第二滑块506与底座2的轨道相切，在未锁止状态下，可以在轨道上发生自由滑动；所述夹紧机构501的中心轴旋转一个角度时，在滑动摩擦力的作用下，带动输出轴3绕其轴心旋转同样的角度；第一作动臂503和第二作动臂504分别用来推动第一滑块505和第二滑块506在底座轨道2上滑动。

所述人字型驱动机构5的第一作动臂503和第二作动臂504末端安装了由横放的第一菱形环6-1和第二菱形环6-2以及第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2组成的锁止机构，其长轴与底座2和上挡板1平行，短轴在第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2断电状态时的长度大于底座2与上挡板1之间的距离，故具有了断电锁止功能。

所述一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器实现作动的方法，能够实现输出轴3的双向步进式旋转；初始状态时压电陶瓷4、第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2均不带电，通过第一菱形环6-1、第二菱形环6-2与底座2和上挡板1之间的摩擦力，作动器处于锁止状态；

旋转作动器驱动输出轴3输出一个逆时针角度时的驱动方案如下：第一步，给第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2通电，使第一菱形环6-1和第二菱形环6-2长轴伸长，短轴收缩，脱离了与底座2和上挡板1之间的摩擦接触，从而解除作动器的锁止状态，于是人字型驱动机构5的第一滑块505和第二滑块506具有了在底座2的轨道上滑动的能力；第二步，给压电陶瓷4通电，人字型驱动机构5上部产生膨胀，通过柔性铰链502作用于第一作动臂503和第二作动臂504，两臂张角扩大，推动第一滑块505和第二滑块506在底座2的轨道上分别在顺时针和逆时针方向上运动；第三步，对第二锁止压电陶瓷7-2断电，第二菱形环6-2长轴缩短，短轴伸长至初始状态，与底座2和上挡板1发生摩擦接触，人字型驱动机构5的第二作动臂504末端的第二滑块506被锁止，此时柔性铰链502处于拉伸状态；第四步，给压电陶瓷4断电，人字型驱动机构5上部复原，整个结构有回到初始状态的趋势，柔性铰链502在恢复过程中，第一作动臂503在柔性铰链502的作用下发生逆时针方向的旋转，它与第二作动臂504的张角也恢复初始角度，两臂的中心线绕底座2即输出轴3圆心逆时针旋转一个角度，夹紧机构501抱住输出轴3逆时针旋转相同的角度；第五步，第一锁止压电陶瓷7-1断电，第一菱形环6-1和第二菱形环6-2此时均被锁止，整个作动器处于锁止状态；至此，角位移压电作动器输出一个逆时针方向上的步进角度；重复上述五个步骤，能够实现输出轴3在逆时针方向上的步进式大转角旋转；

旋转作动器驱动输出轴3输出一个顺时针角度时的驱动方案如下：第一步，给第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2通电，推动第一菱形环6-1和第二菱形环6-2长轴伸长，短轴收缩，脱离了与底座2和上挡板1之间的摩擦接触，从而解除作动器的锁止状态，于是人字型驱动机构5的第一滑块505和第二滑块506具有了在底座2的轨道上滑动的能力；第二步，给压电陶瓷4通电，人字型驱动机构5上部产生膨胀，通过柔性铰链502作用于第一作动臂503和第二作动臂504，两臂张角扩大，推动第一滑块505和第二滑块506在底座轨道2上分别在顺时针和逆时针方向上运动；第三步，对第一锁止压电陶瓷7-1断电，第一菱形环6-1长轴缩短，短轴伸长至初始状态，与底座2和上挡板1发生摩擦接触，人字型驱动机构5的第一作动臂503末端的第一滑块505被锁止，此时柔性铰链502处于拉伸状态；第四步，给压电陶瓷4断电，人字型驱动机构5上部复原，整个结构有回到初始状态的趋势，柔性铰链502在恢复过程中，第二作动臂504在柔性铰链502的作用下发生顺时针方向的旋转，它与第一作动臂503的张角也恢复初始角度，两臂的中心线绕底座2即输出轴3圆心顺时针旋转一个角度，夹紧机构501抱住输出轴3顺指针旋转相同的角度；第五步，第二锁止压电陶瓷7-2断电，第一菱形环6-1和第二菱形环6-2此时均被锁止，整个作动器处于锁止状态；至此，角位移压电作动器输出一个顺时针方向上的步进角度；重复上述五个步骤，能够实现输出轴3在顺时针方向上的步进式大转角旋转。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明采用菱形环实现断电锁止功能，节能环保。

2)本发明通过压电陶瓷驱动，可实现高精度、大行程输出。

3)本发明采用人字型驱动机构，结构简单，稳定性高。

附图说明

图1为本发明作动装置的爆炸示意图(隐藏螺栓)。

图2为本发明人字型驱动机构俯视图。

图3为本发明中锁止机构的安装方式。

图4为本发明逆时针步进一个角位移的作动原理的简单示意图，图4(a)为作动器初始状态，图4(b)为压电陶瓷4通电后人字型驱动机构5上部膨胀时的状态，图4(c)为输出一个角位移之后的状态。其中L2与L1的差值是压电陶瓷4通电时的伸长长度，β是输出的角位移，大圆的圆心既是底座2的圆心，也是输出轴3的圆心。

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4所示，旋转作动器驱动输出轴3输出一个逆时针角度时的驱动方案如下：第一步，给第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2通电，使第一菱形环6-1和第二菱形环6-2长轴伸长，短轴收缩，脱离了与底座2和上挡板1之间的摩擦接触，从而解除作动器的锁止状态，于是人字型驱动机构5的第一滑块505和第二滑块506具有了在底座轨道2上滑动的能力，人字型驱动机构5处于初始状态，如图4(a)；第二步，给压电陶瓷4通电，人字型驱动机构5上部产生膨胀，通过柔性铰链502作用于第一作动臂503和第二作动臂504，两臂张角扩大，推动第一滑块505和第二滑块506在底座2轨道上顺时针和逆时针方向的运动，如图4(b)；第三步，对第二锁止压电陶瓷7-2断电，第二菱形环6-2长轴缩短，短轴伸长至初始状态，与底座2和上挡板1发生摩擦接触，人字型驱动机构5的第二作动臂504末端的第二滑块506被锁止，此时柔性铰链502处于拉伸状态，人字型驱动机构5仍处于图4(b)状态；第四步，给压电陶瓷4断电，人字型驱动机构5上部复原，整个结构有回到初始状态的趋势，柔性铰链502在恢复过程中，第一作动臂503在柔性铰链502的作用下发生逆时针旋转，它与第二作动臂504的张角也恢复初始角度，两臂的中心线绕底座2即输出轴3圆心逆时针旋转一个角度，夹紧机构501抱住输出轴3逆时针旋转相同的角度，人字型驱动机构5再次处于初始状态，如图4(c)；第五步，第一锁止压电陶瓷7-1断电，第一菱形环6-1和第二菱形环6-2此时均被锁止，整个作动器处于锁止状态。至此，角位移作动器输出一个逆时针方向上的步进角度。重复上述五个步骤，可实现输出轴3在逆时针方向上的步进式大转角旋转。

如图1和图2所示，旋转作动器驱动输出轴3输出一个顺时针角度时的驱动方案如下：第一步，给第一锁止压电陶瓷7-1和第二锁止压电陶瓷7-2通电，推动第一菱形环6-1和第二菱形环6-2长轴伸长，短轴收缩，脱离了与底座2和上挡板1之间的摩擦接触，从而解除作动器的锁止状态，使人字型驱动机构5的第一滑块505和第二滑块506具有了在底座轨道2上滑动的能力；第二步，给压电陶瓷4通电，人字型驱动机构5上部产生膨胀，通过柔性铰链502作用于第一作动臂503和第二作动臂504，两臂张角扩大，推动第一作动臂503和第二作动臂504在底座轨道2上顺时针和逆时针方向上的运动；第三步，对第一锁止压电陶瓷7-1断电，第一菱形环6-1长轴缩短，短轴伸长至初始状态，与底座2和上挡板1发生摩擦接触，人字型驱动机构5的第一作动臂503末端的第一滑块505被锁止，此时柔性铰链502处于拉伸状态；第四步，给压电陶瓷4断电，人字型驱动机构5上部复原，整个结构有回到初始状态的趋势，柔性铰链502在恢复过程中，第二作动臂504在柔性铰链502的作用下发生顺时针旋转，它与第一作动臂503的张角也恢复初始角度，两臂的中心线绕底座2即输出轴3圆心顺时针旋转一个角度，夹紧机构501抱住输出轴3顺指针旋转相同的角度；第五步，第二锁止压电陶瓷7-2断电，第一菱形环6-1和第二菱形环6-2此时均被锁止，整个作动器处于锁止状态。至此，角位移作动器输出一个顺时针方向上的步进角度。重复上述五个步骤，可实现输出轴3在顺时针方向上的步进式大转角旋转。

如图3所示，本发明中，第一作动臂503和第二作动臂504分别与第一菱形环6-1和第二菱形环6-2的安装方式为螺栓8固定，但需要说明的是，本安装方式只是为了实现作动效果的其中一种方式，而非对实施方式的限定，在上述说明的基础上可以做出其他形式的变化和改进，在这里无法尽述所有安装方式；类似的，对第一滑块505和第二滑块506外形的设计也并非限定于本发明所述形状，无法对满足滑动条件的滑块的众多外形设计予以穷举。因而，由此引申的显而易见的变化和等同替换等应处于本申请的保护范围之中。