自适应步进式角位移压电作动器及方法
【专利摘要】一种自适应步进式角位移压电作动器，包括圆周轨道底座，位于其中心孔内的精密轴承、自适应调节臂，位于自适应调节臂内用于箝位的第一压电陶瓷驱动器和用于驱动的第二压电陶瓷驱动器，直角臂与自适应调节臂内部的柔性铰链处以及第二压电堆的输出端固定，输出轴一端固定于精密轴承的内圈，一端与固定于自适应调节臂的中心孔；仅使用两个压电堆即可将直线位移转化为角位移，同时通过协调两个压电陶瓷驱动器按一定规律运动使其步进式旋转从而达到输出大行程角位移的目的，可以实现顺时针逆时针两个方向的转动，极大的降低了结构的复杂性，另外，本发明通过自身自适应调节结构可以在存在加工误差的情况下自适应调节内部尺寸。
【专利说明】自适应步进式角位移压电作动器及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于压电陶瓷驱动装置，具体涉及一种自适应步进式角位移压电作动器及方法。
【背景技术】
[0002]压电作动器因其小体积、大作动力、精密微位移特性，在很多领域有着广泛的应用，如航天航空、汽车工程等，其输出的位移具有很高的分辨率，在直线微位移控制方面具有优异的特性，随着科技的发展，对压电作动器的要求也越来越高，很多领域不仅需要其具有很高的位移分辨率、大驱动力，同时还需要大范围的位移输出，但现有的压电堆输出行程非常小，且只能输出直线位移，而对相应的安装结构有很高的机械加工精度要求，非常微小的加工误差就可能导致整个作动器不能使用，因此应用范围被大大减小。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种自适应步进式角位移压电作动器及方法，仅使用两个压电陶瓷驱动器即可将直线位移转化为角位移，同时通过协调两个压电陶瓷驱动器按一定规律运动使其步进式旋转从而达到输出大行程角位移的目的，通过自身机械结构可以在存在加工误差的情况下自适应调节内部尺寸，极大的增加了整个作动器运动的可靠性，减小了对部件加工精度的依赖性，结构紧凑，体积小，重量轻。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0005]一种自适应步进式角位移压电作动器，包括圆周轨道底座1，位于圆周轨道底座I中心孔内的精密轴承2，自适应调节臂3位于精密轴承2之上，且自适应调节臂3的中心孔与精密轴承2的位置对中，所述自适应调节臂3的上端即中心孔所在位置为菱形弹性结构，中部为柔性铰链机构，下端为下部菱形位移放大机构，下部菱形位移放大机构内设置用于箝位的第一压电陶瓷驱动器4，中部的柔性铰链机构侧面固定有中部菱形位移放大机构，中部菱形位移放大机构内设置用于驱动的第二压电陶瓷驱动器5，直角臂6通过螺栓与自适应调节臂3中部的柔性铰链机构固定连接，并通过螺栓与自适应调节臂3内的第二压电堆5的输出端固定连接，所述直角臂6与自适应调节臂3的下端平齐，圆周轨道底座I的半径略小于自适应调节臂3中心孔距下端的长度。
[0006]当圆周轨道底座I的圆周度不理想或自适应调节臂3与直角臂6长度加工存在误差时，仍然能够通过菱形弹性结构进行调整达到自适应的效果；自适应调节臂3装入圆周轨道底座I时即为压缩状态，当圆周轨道底座I某处由于加工误差半径过长时，菱形弹性结构通过自身弹性变形伸长从而补偿原本欠缺的长度达到锁死箝位，当圆周轨道底座I某处半径由于加工误差过短时，直角臂6与自适应调节臂3中部的柔性铰链处固定，菱形弹性结构根据圆周轨道底座I半径的长度压缩，当自适应调节臂3需要松开时，直角臂6与圆周轨道底座I处于箝位状态并且自适应调节臂3的中心孔到圆周轨道底座I的距离不变，因此当自适应调节臂3的下端收缩时，在已经与半径长度相匹配的状态下第一压电陶瓷驱动器4通电伸长下端沿半径缩短，一定能够达到脱离接触的目的，同样，当直角臂6需要松开时，自适应调节臂3下端菱形位移放大机构伸长，上端菱形弹性结构刚度小于圆周轨道的刚度从而菱形弹性结构变形压缩，直角臂6沿压缩方向移动，由于直角臂6的长度不会发生变化，所以原有固定点沿径向上移时，下端与圆周轨道底座I脱离，呈非箝位松开状态。
[0007]所述直角臂6与自适应调节臂3内的第二压电堆5的输出端固定连接的直角边有两个方便旋转时摆动的柔性铰链。
[0008]上述所述基于双压电堆的可自适应步进式角位移压电作动器实现步进式旋转的方法，初始状态时自适应调节臂3内的第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器5均不带电，由于圆周轨道底座I的半径略小于自适应调节臂3中心孔距下端的长度，所以整个自适应调节臂3的菱形弹性结构呈压缩状态装入圆周轨道底座I中，下端与轨道接触且由于摩擦力整个作动器处于锁死状态；第一步，第一压电陶瓷驱动器4加反向电压缩短，则自适应调节臂3沿圆周轨道底座I径向伸长，由于自适应调节臂3上端为菱形弹性结构刚度小于圆周轨道的刚度，因此在下端伸长的同时上端菱形弹性结构沿径向压缩变形，自适应调节臂3呈箝位状态，直角臂6由于上端与自适应调节臂3的中部柔性铰链固定，当自适应调节臂3上端的菱形弹性结构变形压缩时直角臂6沿压缩方向移动，由于直角臂6的长度不会发生变化，所以原有固定点沿径向上移时，下端与圆周轨道底座I脱离，呈非箝位松开状态；第二步，第二压电陶瓷驱动器5加正向电压伸长，输出端与直角臂6固定，因此拉动直角臂6绕自适应调节臂3中部的柔性铰链处转动，产生逆时针方向的角位移；第三步，自适应调节臂3下端的第一压电陶瓷驱动器4加正向电压伸长，自适应调节臂3沿径向缩短，此时自适应调节臂3上端的菱形弹性结构由压缩状态逐渐恢复初始状态，已经偏转的直角臂6下端接触到圆周轨道底座1，呈箝位状态，自适应调节臂3的下端继续缩短，脱离圆周轨道底座I，呈非箝位松开状态，此时第二压电陶瓷驱动器5断电缩短，自适应调节臂3受到弹性回复力也沿逆时针方向步进式一定角位移，然后第一压电陶瓷驱动器4断电，自适应调节臂3再次与圆周轨道底座I接触，呈箝位状态；如此循环上述三步，即可实现逆时针方向步进式旋转；同样，顺时针也可以用类似的方法实现；同时，由于第一压电陶瓷驱动器4、第二压电陶瓷驱动器5不通电时，自适应调节臂3与直角臂6与圆周轨道底座I相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态，因此所述作动器具有断电后位置锁止的功能。
[0009]和现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0010]I)本发明仅使用两个压电陶瓷驱动器即可将直线位移转化为角位移，可以实现顺时针逆时针两个方向的转动，极大的降低了结构的复杂性，同时提高了经济效益。第二压电陶瓷驱动器5为驱动作用，第一压电陶瓷驱动器4起到两个摆动臂的箝位作用，当它伸长时直角臂6为箝位装置，当它缩短时自适应调节臂3为箝位装置。
[0011]2)本发明同时通过协调两个压电陶瓷驱动器按一定规律运动使其步进式旋转从而达到输出大行程角位移的目的，克服了现有压电作动器输出位移过于微小而无法广泛应用的问题。
[0012]3)本发明通过自身机械结构可以在存在加工误差的情况下自适应调节内部尺寸，极大的增加了整个作动器运动的可靠性减小了对部件加工精度的依赖性，结构紧凑，体积小，重量轻，并且工作稳定可靠，应用范围更加广泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构爆炸示意图。
[0014]图2为本发明的结构示意图。
[0015]图3为本发明自适应调节臂示意图。
[0016]图4位本发明直角臂示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0018]如图1和图2所示，本发明一种自适应步进式角位移压电作动器，包括圆周轨道底座1，位于圆周轨道底座I中心孔内的精密轴承2，自适应调节臂3位于精密轴承2之上，且自适应调节臂3的中心孔与精密轴承2的位置对中，所述自适应调节臂3的上端即中心孔所在位置为菱形弹性结构，中部为柔性铰链机构，下端为下部菱形位移放大机构，下部菱形位移放大机构内设置用于箝位的第一压电陶瓷驱动器4，中部的柔性铰链机构侧面固定有中部菱形位移放大机构，中部菱形位移放大机构内设置用于驱动的第二压电陶瓷驱动器5，直角臂6通过第一螺栓8和第二螺栓9与自适应调节臂3中部的柔性铰链机构固定连接，并通过第三螺栓10、第四螺栓11与自适应调节臂3内的第二压电堆5的输出端固定连接，所述直角臂6与自适应调节臂3的下端平齐，圆周轨道底座I的半径略小于自适应调节臂3中心孔距下端的长度。
[0019]当圆周轨道底座I的圆周度不理想或自适应调节臂3与直角臂6长度加工存在误差时，仍然能够通过菱形弹性结构进行调整达到自适应的效果；自适应调节臂3装入圆周轨道底座I时即为压缩状态，当圆周轨道底座I某处由于加工误差半径过长时，菱形弹性结构通过自身弹性变形伸长从而补偿原本欠缺的长度达到锁死箝位，当圆周轨道底座I某处半径由于加工误差过短时，直角臂6与自适应调节臂3中部的柔性铰链处固定，菱形弹性结构根据圆周轨道底座I半径的长度压缩，当自适应调节臂3需要松开时，直角臂6与圆周轨道底座I处于箝位状态并且自适应调节臂3的中心孔到圆周轨道底座I的距离不变，因此当自适应调节臂3的下端收缩时，在已经与半径长度相匹配的状态下第一压电陶瓷驱动器4通电伸长下端沿半径缩短，一定能够达到脱离接触的目的，同样，当直角臂6需要松开时，自适应调节臂3下端菱形位移放大机构伸长，上端菱形弹性结构刚度小于圆周轨道的刚度从而菱形弹性结构变形压缩，直角臂6沿压缩方向移动，由于直角臂6的长度不会发生变化，所以原有固定点沿径向上移时，下端与圆周轨道底座I脱离，呈非箝位松开状态。
[0020]上述所述基于双压电堆的可自适应步进式角位移压电作动器实现步进式旋转的方法，初始状态时自适应调节臂3内的第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器5均不带电，由于圆周轨道底座I的半径略小于自适应调节臂3中心孔距下端的长度，所以整个自适应调节臂3的菱形弹性结构呈压缩状态装入圆周轨道底座I中，下端与轨道接触且由于摩擦力整个作动器处于锁死状态；第一步，第一压电陶瓷驱动器4加反向电压缩短，则自适应调节臂3沿圆周轨道底座I径向伸长，由于自适应调节臂3上端为菱形弹性结构刚度小于圆周轨道的刚度，因此在下端伸长的同时上端菱形弹性结构沿径向压缩变形，自适应调节臂3呈箝位状态，直角臂6由于上端与自适应调节臂3的中部柔性铰链固定，当自适应调节臂3上端的菱形弹性结构变形压缩时直角臂6沿压缩方向移动，由于直角臂6的长度不会发生变化，所以原有固定点沿径向上移时，下端与圆周轨道底座I脱离，呈非箝位松开状态；第二步，第二压电陶瓷驱动器5加正向电压伸长，输出端与直角臂6固定，因此拉动直角臂6绕自适应调节臂3中部的柔性铰链处转动，产生逆时针方向的角位移；第三步，自适应调节臂3下端的第一压电陶瓷驱动器4加正向电压伸长，自适应调节臂3沿径向缩短，此时自适应调节臂3上端的菱形弹性结构由压缩状态逐渐恢复初始状态，已经偏转的直角臂6下端接触到圆周轨道底座1，呈箝位状态，自适应调节臂3的下端继续缩短，脱离圆周轨道底座1，呈非箝位松开状态，此时第二压电陶瓷驱动器5断电缩短，自适应调节臂3受到弹性回复力也沿逆时针方向步进式一定角位移，然后第一压电陶瓷驱动器4断电，自适应调节臂3再次与圆周轨道底座I接触，呈箝位状态；如此循环上述三步，即可实现逆时针方向步进式旋转；同样，顺时针也可以用类似的方法实现；同时，由于第一压电陶瓷驱动器4、第二压电陶瓷驱动器5不通电时，自适应调节臂3与直角臂6与圆周轨道底座I相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态，因此所述作动器具有断电后位置锁止的功能。
[0021]如图3所示，所述自适应调节臂3上端为可拉伸压缩刚度较小的菱形弹性结构，中部为柔性铰链机构，下端为菱形位移放大机构。在运动过程中，自适应调节臂3上端的菱形弹性结构一方面可以根据外部圆周轨道底座I的半径大小伸长或压缩从而达到自适应外部条件调节内部尺寸的功能，另一方面可以实现由箝位状态与松开状态的转换。
[0022]如图4所示，所述直角臂6通过第一螺栓8、第二螺栓9与自适应调节臂3内部的柔性铰链处固定，并通过第三螺栓10、第四螺栓11与第二压电陶瓷驱动器5的输出端固定，所述直角臂6与自适应调节臂3内的第二压电堆5的输出端固定连接的直角边有两个方便旋转时摆动的柔性铰链。
【权利要求】
1.一种自适应步进式角位移压电作动器，其特征在于:包括圆周轨道底座(1)，位于圆周轨道底座⑴中心孔内的精密轴承(2)，自适应调节臂(3)位于精密轴承(2)之上，且自适应调节臂(3)的中心孔与精密轴承(2)的位置对中，所述自适应调节臂(3)的上端即中心孔所在位置为菱形弹性结构，中部为柔性铰链机构，下端为下部菱形位移放大机构，下部菱形位移放大机构内设置用于箝位的第一压电陶瓷驱动器(4)，中部的柔性铰链机构侧面固定有中部菱形位移放大机构，中部菱形位移放大机构内设置用于驱动的第二压电陶瓷驱动器(5)，直角臂(6)通过螺栓与自适应调节臂(3)中部的柔性铰链机构固定连接，并通过螺栓与自适应调节臂(3)内的第二压电堆(5)的输出端固定连接，所述直角臂(6)与自适应调节臂(3)的下端平齐，圆周轨道底座(I)的半径略小于自适应调节臂(3)中心孔距下端的长度。
2.根据权利要求1所述的一种自适应步进式角位移压电作动器，其特征在于:当圆周轨道底座(I)的圆周度不理想或自适应调节臂(3)与直角臂(6)长度加工存在误差时，仍然能够通过菱形弹性结构进行调整达到自适应的效果；自适应调节臂(3)装入圆周轨道底座(I)时即为压缩状态，当圆周轨道底座(I)某处由于加工误差半径过长时，菱形弹性结构通过自身弹性变形伸长从而补偿原本欠缺的长度达到锁死箝位，当圆周轨道底座(I)某处半径由于加工误差过短时，直角臂(6)与自适应调节臂(3)中部的柔性铰链处固定，菱形弹性结构根据圆周轨道底座(I)半径的长度压缩，当自适应调节臂(3)需要松开时，直角臂(6)与圆周轨道底座(I)处于箝位状态并且自适应调节臂(3)的中心孔到圆周轨道底座(I)的距离不变，因此当自适应调节臂(3)的下端收缩时，在已经与半径长度相匹配的状态下第一压电陶瓷驱动器(4)通电伸长下端沿半径缩短，一定能够达到脱离接触的目的，同样，当直角臂(6)需要松开时，自适应调节臂(3)下端菱形位移放大机构伸长，上端菱形弹性结构刚度小于圆周轨道的刚度从而菱形弹性结构变形压缩，直角臂(6)沿压缩方向移动，由于直角臂(6)的长度不会发生变化，所以原有固定点沿径向上移时，下端与圆周轨道底座(I)脱离，呈非箝位松开状态。
3.根据权利要求1所述的一种自适应步进式角位移压电作动器，其特征在于:所述直角臂(6)与自适应调节臂(3)内的第二压电堆(5)的输出端固定连接的直角边有两个方便旋转时摆动的柔性铰链。
4.权利要求1所述的自适应步进式角位移压电作动器实现步进式旋转的方法，其特征在于:初始状态时自适应调节臂(3)内的第一压电陶瓷驱动器(4)和第二压电陶瓷驱动器(5)均不带电，由于圆周轨道底座(I)的半径略小于自适应调节臂(3)中心孔距下端的长度，所以整个自适应调节臂(3)的菱形弹性结构呈压缩状态装入圆周轨道底座(I)中，下端与轨道接触且由于摩擦力整个作动器处于锁死状态；第一步，第一压电陶瓷驱动器(4)加反向电压缩短，则自适应调节臂⑶沿圆周轨道底座⑴径向伸长，由于自适应调节臂(3)上端为菱形弹性结构刚度小于圆周轨道的刚度，因此在下端伸长的同时上端菱形弹性结构沿径向压缩变形，自适应调节臂(3)呈箝位状态，直角臂(6)由于上端与自适应调节臂(3)的中部柔性铰链固定，当自适应调节臂(3)上端的菱形弹性结构变形压缩时直角臂(6)沿压缩方向移动，由于直角臂(6)的长度不会发生变化，所以原有固定点沿径向上移时，下端与圆周轨道底座(I)脱离，呈非箝位松开状态；第二步，第二压电陶瓷驱动器(5)加正向电压伸长，输出端与直角臂(6)固定，因此拉动直角臂(6)绕自适应调节臂(3)中部的柔性铰链处转动，产生逆时针方向的角位移；第三步，自适应调节臂(3)下端的第一压电陶瓷驱动器(4)加正向电压伸长，自适应调节臂(3)沿径向缩短，此时自适应调节臂(3)上端的菱形弹性结构由压缩状态逐渐恢复初始状态，已经偏转的直角臂(6)下端接触到圆周轨道底座(I)，呈箝位状态，自适应调节臂(3)的下端继续缩短，脱离圆周轨道底座(I)，呈非箝位松开状态，此时第二压电陶瓷驱动器(5)断电缩短，自适应调节臂(3)受到弹性回复力也沿逆时针方向步进式一定角位移，然后第一压电陶瓷驱动器(4)断电，自适应调节臂(3)再次与圆周轨道底座(I)接触，呈箝位状态；如此循环上述三步，即可实现逆时针方向步进式旋转；同样，顺时针也可以用类似的方法实现；同时，由于第一压电陶瓷驱动器(4)、第二压电陶瓷驱动器(5)不通电时，自适应调节臂(3)与直角臂(6)与圆周轨道底座(I)相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态，因此所述作动器具有断电后位置锁止的功能。
【文档编号】H02N2/02GK104362889SQ201410649219
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】武彤晖, 徐明龙, 敬子建, 苗维凯 申请人:西安交通大学