钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器及作动方法
【专利摘要】钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器及作动方法，该作动器由底座、钳位外壳、轴承、输出环、钳位菱形环、钳位压电堆、主运动块、质量块、驱动菱形环和驱动压电堆组成，整个作动器结构对称；钳位菱形环和驱动菱形环内分别过盈配合有钳位压电堆和驱动压电堆，质量块和上述部件均不与底座接触，质心均在平行于底座的同一平面内；输出环通过轴承与底座中心的固定轴连接，端面与输出环外环面固接的两个钳位菱形环径向布置于同一直径的两侧，钳位菱形环与驱动菱形环的轴线相互垂直，两者由放置于底座平面上的主运动块相邻侧面衔接，质量块侧面与驱动菱形环固接且悬空于底座上方；本发明结构新颖，钳位可靠，能够实现双向旋转。
【专利说明】
钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器及作动方法
技术领域
[0001]本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器及作动方法。
【背景技术】
[0002]惯性式压电作动器是一类采用非对称的驱动信号、非对称的机械夹持结构或非对称的摩擦力为控制方式，通过惯性冲击运动形成驱动的机构。
[0003]与其他类型的压电驱动比较，惯性压电作动器具有结构简单、响应速度快、分辨率高、大行程、运动速度快和成本低等主要优点，可实现较大行程且同时具有纳米级定位精度。因此，惯性压电作动器适用于需要高分辨率、大行程的场合。目前，科技工作者已成功将惯性压电作动器应用于高精度定位机构，多自由度驱动器，微型机器人关节以及微操作手等领域。
[0004]—般地，旋转式惯性作动器常常利用双晶片作为驱动元件，结构复杂且强度低;另夕卜，以往的惯性作动器装配好后，主运动块7的钳位状态会一直保持，始终承受较大的摩擦力，这会在作动时带来额外的消耗，降低效率并限制了惯性作动器的使用。
【发明内容】
[0005]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钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器及作动方法，在高频驱动条件下，实现主运动块钳位状态可调的功能，能够快速响应并驱动负载双向旋转;此作动器具有结构新颖，钳位可靠，响应速度快，分辨率高的优点，能够断电锁止并实现双向旋转。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器，包括底座1、钳位外壳2、轴承3、输出环4、顺时针钳位机构11、逆时针钳位机构12、顺时针驱动机构13和逆时针驱动机构14，整个作动器结构对称;所述钳位外壳2由具有一定厚度的“M”形剖面旋成体切除中心部分形成圆孔而得，钳位外壳2通过内螺纹与底座I圆周侧面的外螺纹连接;顺时针钳位机构11和逆时针钳位机构12均包括钳位菱形环5和钳位压电堆6，顺时针驱动机构13和逆时针驱动机构14均包括主运动块7、质量块10、驱动菱形环8和驱动压电堆9;钳位菱形环5和驱动菱形环8内部分别过盈配合有钳位压电堆6和驱动压电堆9，钳位菱形环5、钳位压电堆6、驱动菱形环8、驱动压电堆9以及质量块10均不与底座I接触，质心均在平行于底座I的同一平面内；底座I中心有一体成型的固定轴，输出环4通过轴承3与固定轴连接，输出环4能穿过钳位外壳2中心圆孔输出旋转运动，两个钳位菱形环5径向布置于输出环4同一直径的两端，两个钳位菱形环5均通过离轴心较近的端面与输出环4外环面固接，钳位菱形环5另一端与主运动块7侧面固接;所述主运动块7放置于底座I平面上，由与钳位外壳2倾斜角度相同的梯形绕轴心旋转一定角度后再将底面切割为矩形而得，驱动菱形环8与钳位菱形环5的轴线相互垂直，两者通过主运动块7的相邻侧面衔接，即驱动菱形环8沿其所在圆周的切线方向布置，驱动菱形环8的另一端与体积较小的质量块10侧面固接，质量块10其余表面自由即悬空于底座I平面上方;总体而言，钳位机构和驱动机构俯视呈“L”形;通过控制钳位压电堆6和驱动压电堆9的电压时序和幅值，能够使作动器带动负载双向旋转。
[0008]所述钳位外壳2是最后装配的部件，缓慢旋转钳位外壳2使其与底座I连接，装配完成后，钳位外壳2的倾斜表面内侧恰与主运动块7倾斜上表面紧密接触，此时主运动块7压紧于钳位外壳2和底座I平面之间，接触表面间存在静摩擦力，实现了断电钳位;当对钳位压电堆6通电时，钳位压电堆6伸长，进而沿径向推动主运动块7远离轴心，此时主运动块7上表面与钳位外壳2倾斜表面分离，接触表面间的静摩擦力大幅减小，实现了通电松开。
[0009]所述钳位菱形环5沿过轴心的径向布置，驱动菱形环8与钳位菱形环5在底座I平面内相互垂直，两者之间通过主运动块7连接;主运动块7受驱动压电堆9作用会产生其所在圆周上的切向位移，该位移通过钳位菱形环5的传递转换为输出环4的转角位移。
[0010]所述的钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器的作动方法，未通电时，输出环4处于钳位状态；为使输出环4顺时针旋转，第一步，对逆时针钳位机构12中的钳位压电堆6通电，逆时针驱动机构14中的主运动块7被推离轴心，处于通电松开状态;第二步，在顺时针驱动机构13中，迅速地给驱动压电堆9施加阶跃电压，驱动压电堆9快速伸长，对主运动块7产生大于摩擦力的驱动力，使其受惯性冲击并获得顺时针切向位移，此时输出环4顺时针旋转一个微小角度;第三步，在顺时针驱动机构13中，缓慢地对驱动压电堆9降压直至断电，驱动压电堆9缓慢收缩，质量块10慢速向主运动块7运动，主运动块7此时所受的驱动力小于摩擦力，主运动块7保持不动，此时输出环4保留一个旋转步距;重复第二、三步，能够使输出环4连续地驱动负载顺时针旋转，当驱动完成后，对逆时针钳位机构12中的钳位压电堆6断电，输出环4恢复初始的钳位状态;类似地，交换顺时针钳位机构11和逆时针钳位机构12中钳位压电堆6的通电方式，并同时交换顺时针驱动机构13和逆时针驱动机构14中驱动压电堆9的通电方式，将实现输出环4连续地驱动负载逆时针旋转。
[0011 ]和现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0012]I)本发明的输出环4具有断电锁止的特点，当钳位压电堆6均处于断电状态，主运动块7均受到较大的静摩擦力并保持静止，此时输出环4处于锁止状态且能够承受一定负载。
[0013]2)本发明具有调节主运动块7钳位状态的功能，所述钳位外壳2是最后装配的部件，缓慢旋转钳位外壳2使其与底座I连接，装配完成后，钳位外壳2的倾斜表面内侧恰与主运动块7倾斜上表面紧密接触，此时主运动块7压紧于钳位外壳2和底座I平面之间，接触表面间存在静摩擦力，实现了断电钳位；当对钳位压电堆6通电时，钳位菱形环5中的钳位压电堆6伸长，进而沿径向推动主运动块7远离轴心，此时主运动块7上表面与钳位外壳2倾斜表面分离，接触表面间的静摩擦力大幅减小，实现了通电松开。在作动过程中，合理调节主运动块7的钳位状态，能够避免摩擦带来多余的损耗，提高作动效率和响应速度。
[0014]3)本发明能够包容加工误差，对作动器初始调整钳位状态时的装配过程要求不高，极大降低了加工和装配的难度;结构内部空间利用合理，体积小，质量轻，结构简单紧凑。
【附图说明】
[0015]图1为本发明结构立体图。
[0016]图2为本发明剖面图。
[0017]图3为本发明去钳位外壳俯视图。
[0018]图4为本发明去钳位外壳左视图。
【具体实施方式】
[0019]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。
[0020]如图1至图4所示，本发明钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器，包括底座1、钳位外壳2、轴承3、输出环4、顺时针钳位机构11、逆时针钳位机构12、顺时针驱动机构13和逆时针驱动机构14，整个作动器结构对称;其中钳位外壳2由具有一定厚度的“M”形剖面旋成体切除中心部分形成圆孔而得，钳位外壳2通过内螺纹与底座I圆周侧面的外螺纹连接;顺时针钳位机构11和逆时针钳位机构12均包括钳位菱形环5和钳位压电堆6，顺时针驱动机构13和逆时针驱动机构14均包括主运动块7、质量块10、驱动菱形环8和驱动压电堆9;钳位菱形环5和驱动菱形环8内部分别过盈配合有钳位压电堆6和驱动压电堆9，钳位菱形环5、钳位压电堆6、驱动菱形环8、驱动压电堆9以及质量块10均不与底座I接触，质心均在平行于底座I的同一平面内；底座I中心有一体成型的固定轴，输出环4通过轴承3与固定轴连接，其能穿过钳位外壳2中心圆孔输出旋转运动，两个钳位菱形环5径向布置于输出环4同一直径的两端，两者均通过离轴心较近的端面与输出环4外环面固接，钳位菱形环5另一端与主运动块7侧面固接，其中主运动块7放置于底座I平面上，其由与钳位外壳2倾斜角度相同的梯形绕轴心旋转一定角度后再将底面切割为矩形而得，驱动菱形环8与钳位菱形环5的轴线相互垂直，两者通过主运动块7的相邻侧面衔接，即驱动菱形环8沿其所在圆周的切线方向布置，驱动菱形环8的另一端与体积较小的质量块10侧面固接，质量块10其余表面自由即悬空于底座I平面上方，总体而言，钳位机构和驱动机构俯视呈“L”形;通过控制钳位压电堆6和驱动压电堆9的电压时序和幅值，能够使作动器带动负载双向旋转;本发明结构新颖，钳位可靠，响应迅速且作动精准。
[0021]所述钳位外壳2是最后装配的部件，缓慢旋转钳位外壳2使其与底座I连接，装配完成后，钳位外壳2的倾斜表面内侧恰与主运动块7倾斜上表面紧密接触，此时主运动块7压紧于钳位外壳2和底座I平面之间，接触表面间存在静摩擦力，实现了断电钳位;当对钳位压电堆6通电时，钳位菱形环5中的钳位压电堆6伸长，进而沿径向推动主运动块7远离轴心，此时主运动块7上表面与钳位外壳2倾斜表面分离，接触表面间的静摩擦力大幅减小，实现了通电松开。
[0022]所述钳位菱形环5沿过轴心的径向布置，驱动菱形环8与钳位菱形环5在底座I平面内相互垂直，两者之间通过主运动块7连接;主运动块7受驱动压电堆9作用会产生其所在圆周上的切向位移，该位移通过钳位菱形环5的传递转换为输出环4的转角位移。
[0023]下面对本发明的作动方法进行详细说明:
[0024]未通电时，输出环4处于钳位状态;为使输出环4顺时针旋转，第一步，对逆时针钳位机构12中的钳位压电堆6通电，逆时针驱动机构14中的主运动块7被推离轴心，处于通电松开状态;第二步，在顺时针驱动机构13中，迅速地给驱动压电堆9施加阶跃电压，驱动压电堆9快速伸长，对主运动块7产生大于摩擦力的驱动力，使其受惯性冲击并获得顺时针切向位移，此时输出环4顺时针旋转一个微小角度;第三步，在顺时针驱动机构13中，缓慢地对驱动压电堆9降压直至断电，驱动压电堆9缓慢收缩，质量块10慢速向主运动块7运动，主运动块7此时所受的驱动力小于摩擦力，主运动块7保持不动，此时输出环4保留一个旋转步距；重复第二、三步，能够使输出环4连续地驱动负载顺时针旋转，当驱动完成后，对逆时针钳位机构12中的钳位压电堆6断电，输出环4恢复初始的钳位状态;类似地，为使输出环4逆时针旋转，第一步，对顺时针钳位机构11中的钳位压电堆6通电，顺时针驱动机构13中的主运动块7被推离轴心，处于通电松开状态;第二步，在逆时针驱动机构14中，迅速地给驱动压电堆9施加阶跃电压，驱动压电堆9快速伸长，对主运动块7产生大于摩擦力的驱动力，使其受惯性冲击并获得逆时针切向位移，此时输出环4逆时针旋转一个微小角度;第三步，在逆时针驱动机构14中，缓慢地对驱动压电堆9降压直至断电，驱动压电堆9缓慢收缩，质量块10慢速向主运动块7运动，主运动块7此时所受的驱动力小于摩擦力，主运动块7保持不动，此时输出环4保留一个旋转步距;重复第二、三步，能够使输出环4连续地驱动负载逆时针旋转，当驱动完成后，对顺时针钳位机构11中的钳位压电堆6断电，输出环4恢复初始的钳位状态;这样便实现了输出环4的双向旋转运动。
【主权项】
1.一种钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器，其特征在于:包括底座(I)、钳位外壳(2)、轴承(3)、输出环(4)、顺时针钳位机构(11)、逆时针钳位机构(12)、顺时针驱动机构(13)和逆时针驱动机构(14)，整个作动器结构对称;所述钳位外壳(2)由具有一定厚度的“M”形剖面旋成体切除中心部分形成圆孔而得，钳位外壳(2)通过内螺纹与底座(I)圆周侧面的外螺纹连接;顺时针钳位机构(11)和逆时针钳位机构(12)均包括钳位菱形环(5)和钳位压电堆(6)，顺时针驱动机构(13)和逆时针驱动机构(14)均包括主运动块(7)、质量块(10)、驱动菱形环(8)和驱动压电堆(9);钳位菱形环(5)和驱动菱形环(8)内部分别过盈配合有钳位压电堆(6)和驱动压电堆(9)，钳位菱形环(5)、钳位压电堆(6)、驱动菱形环(8)、驱动压电堆(9)以及质量块(10)均不与底座(I)接触，质心均在平行于底座(I)的同一平面内；底座(I)中心有一体成型的固定轴，输出环(4)通过轴承(3)与固定轴连接，输出环(4)能穿过钳位外壳(2)中心圆孔输出旋转运动，两个钳位菱形环(5)径向布置于输出环(4)同一直径的两端，两个钳位菱形环(5)均通过离轴心较近的端面与输出环(4)外环面固接，钳位菱形环(5)另一端与主运动块(7)侧面固接;所述主运动块(7)放置于底座(I)平面上，由与钳位外壳(2)倾斜角度相同的梯形绕轴心旋转一定角度后再将底面切割为矩形而得，驱动菱形环(8)与钳位菱形环(5)的轴线相互垂直，两者通过主运动块(7)的相邻侧面衔接，即驱动菱形环(8)沿其所在圆周的切线方向布置，驱动菱形环(8)的另一端与体积较小的质量块(10)侧面固接，质量块(10)其余表面自由即悬空于底座(I)平面上方;总体而言，钳位机构和驱动机构俯视呈“L”形;通过控制钳位压电堆(6)和驱动压电堆(9)的电压时序和幅值，能够使作动器带动负载双向旋转。2.根据权利要求1所述的钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器，其特征在于:所述钳位外壳(2)是最后装配的部件，缓慢旋转钳位外壳(2)使其与底座(I)连接，装配完成后，钳位外壳(2)的倾斜表面内侧恰与主运动块(7)倾斜上表面紧密接触，此时主运动块(7)压紧于钳位外壳(2)和底座(I)平面之间，接触表面间存在静摩擦力，实现了断电钳位；当对钳位压电堆(6)通电时，钳位压电堆(6)伸长，进而沿径向推动主运动块(7)远离轴心，此时主运动块(7)上表面与钳位外壳(2)倾斜表面分离，接触表面间的静摩擦力大幅减小，实现了通电松开。3.根据权利要求1所述的钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器，其特征在于:所述钳位菱形环(5)沿过轴心的径向布置，驱动菱形环(8)与钳位菱形环(5)在底座(I)平面内相互垂直，两者之间通过主运动块(7)连接;主运动块(7)受驱动压电堆(9)作用会产生其所在圆周上的切向位移，该位移通过钳位菱形环(5)的传递转换为输出环(4)的转角位移。4.权利要求1所述的钳位可控型盘状旋转式惯性压电作动器的作动方法，其特征在于:未通电时，输出环(4)处于钳位状态;为使输出环(4)顺时针旋转，第一步，对逆时针钳位机构(I2)中的钳位压电堆(6)通电，逆时针驱动机构(I4)中的主运动块(7)被推离轴心，处于通电松开状态;第二步，在顺时针驱动机构(13)中，迅速地给驱动压电堆(9)施加阶跃电压，驱动压电堆(9)快速伸长，对主运动块(7)产生大于摩擦力的驱动力，使其受惯性冲击并获得顺时针切向位移，此时输出环(4)顺时针旋转一个微小角度;第三步，在顺时针驱动机构(13)中，缓慢地对驱动压电堆(9)降压直至断电，驱动压电堆(9)缓慢收缩，质量块(10)慢速向主运动块(7)运动，主运动块(7)此时所受的驱动力小于摩擦力，主运动块(7)保持不动，此时输出环(4)保留一个旋转步距;重复第二、三步，能够使输出环(4)连续地驱动负载顺时针旋转，当驱动完成后，对逆时针钳位机构(12)中的钳位压电堆(6)断电，输出环(4)恢复初始的钳位状态;类似地，交换顺时针钳位机构(11)和逆时针钳位机构(12)中钳位压电堆(6)的通电方式，并同时交换顺时针驱动机构(13)和逆时针驱动机构(14)中驱动压电堆(9)的通电方式，将实现输出环(4)连续地驱动负载逆时针旋转。
【文档编号】H02N2/10GK106059386SQ201610532462
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】邵妍, 徐明龙, 敬子建, 张丰
【申请人】西安交通大学