一种基于双稳态梁的大位移压电作动器及作动方法与流程

本发明涉及压电作动器领域，具体涉及一种基于双稳态梁的大位移压电作动器及工作过程。

背景技术：

在微型飞行器、小卫星、智能武器等技术领域，对小体积、大行程、高精度的作动平台有着急切的需求，压电作动器因其不受电磁干扰、能量密度大、可微型化等特点成为解决这一需求的关键技术之一。但由于压电材料本身特性的限制，目前已知的压电作动器为了满足大位移输出的要求，需要附加额外的放大机构或采用步进式作动方法，然而附加的放大机构使得压电作动器结构变得复杂，且具有较大的外包络尺寸，不利于压电作动器的微型化，采用步进式作动对作动器的作动电源有着严格要求并且其自身存在作动延迟、摩擦发热等问题。

技术实现要素：

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基于双稳态梁的大位移压电作动器及作动方法，由于双稳态梁在一定横向力作用下可以发生屈曲跳转的特性，将压电堆的微小变形转化为双稳态梁大变形，使作动器能够在较小的电压输入下，输出较大的作动位移，此作动器结构简单紧凑，占用体积小，电能消耗少，输出位移大，能够实现稳定的双向作动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于双稳态梁的大位移压电作动器，包括外壳1、压电堆2、弹簧3、并联型双稳态梁4和质量块5；所述压电堆2一端通过过盈配合固定于外壳1的方形凹槽中，压电堆2另一端与弹簧3一端粘贴在一起，弹簧3另一端与并联型双稳态梁4上的质量块5粘贴在一起，并联型双稳态梁4两端分别固定在外壳1的上下两端，初始状态下，并联型双稳态梁4向内弯曲。

所述外壳1中线、压电堆2中线、弹簧3中线与并联型双稳态梁4中点在同一直线上；所述弹簧3在初始状态下处于压缩状态，弹簧3的刚度满足在初始压缩量时，弹簧3的弹力小于并联型双稳态梁4的屈曲临界作用力。

所述并联型双稳态梁4的初始形状为其中h表示并联型双稳态梁4的拱高，l表示并联型双稳态梁4的长度。

所述质量块5对并联型双稳态梁4的形变影响忽略不计。

所述压电堆2另一端与弹簧3一端采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶紧密粘贴在一起，弹簧3另一端与并联型双稳态梁4上的质量块5采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶紧密粘贴在一起。

所述的一种基于双稳态梁的大位移压电作动器，其作动方法：未通电时，压电堆2处于原始状态，弹簧3和并联型双稳态梁4不动作；为使并联型双稳态梁4发生屈曲跳转，从而使质量块5产生大位移，第一步，对压电堆2通电，压电堆2在逆压电效应下变形伸长，弹簧3被进一步压缩，弹簧3的压缩恢复力超过并联型双稳态梁4的屈曲临界载荷时，并联型双稳态梁4发生屈曲跳转，带动质量块5产生大位移，此时，弹簧3由压缩态变为拉伸态，因为并联型双稳态梁4发生对称变形，所以弹簧3的拉伸恢复力小于并联型双稳态余弦梁4的屈曲临界载荷；第二步，断掉作用在压电堆2上的电压，则压电堆2迅速恢复原始状态，弹簧3被进一步拉伸，弹簧3的拉伸恢复力超过并联型双稳态梁4的屈曲临界载荷，并联型双稳态梁4再次发生屈曲跳转恢复至初始状态；重复第一、二步，作动器便能够实现稳定的双向作动。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明在无额外位移放大机构的基础上可产生大位移输出，结构简单，体积微小，且加工制造容易，装配方便。

2)本发明各部件之间无摩擦，避免了摩擦损耗，效率高。

3)本发明响应速度快，无延迟现象。

附图说明

图1为本发明一种基于双稳态梁的大位移压电作动器的结构原理图。

图2为本发明一种基于双稳态梁的大位移压电作动器的工作原理图，其中：图2a为断电状态，图2b为通电状态。

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所示，本发明为一种基于双稳态梁的大位移压电作动器，包括外壳1，压电堆2，弹簧3，并联型双稳态梁4和质量块5；所述压电堆2一端通过过盈配合固定于外壳1的方形凹槽中，压电堆2另一端与弹簧3一端采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶紧密粘贴在一起，弹簧3另一端与并联型双稳态梁4上的质量块5采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶紧密粘贴在一起，并联型双稳态梁4两端分别固定在外壳1的上下两端，初始状态下，并联型双稳态梁4向内弯曲。

所述外壳1中线、压电堆2中线、弹簧3中线与并联型双稳态梁4中点在同一直线上；所述弹簧3在初始状态下处于压缩状态，弹簧3的刚度满足在初始压缩量时，弹簧3的弹力小于并联型双稳态梁4的屈曲临界载荷。

所述并联型双稳态梁4的初始形状为其中h表示并联型双稳态梁4的拱高，l表示并联型双稳态梁4的长度。质量块5对并联型双稳态梁4的形变影响忽略不计。

下面对本发明作动器的作动方法进行详细说明：

未通电时，如图2(a)所示，压电堆2处于原始状态，弹簧3和并联型双稳态梁4不动作；为使并联型双稳态梁4发生屈曲跳转，从而使质量块5产生大位移，第一步，如图2(b)所示，对压电堆2通电，压电堆2在逆压电效应下变形伸长，弹簧3被进一步压缩，弹簧3的压缩恢复力超过并联型双稳态梁4的屈曲临界载荷时，并联型双稳态梁4发生屈曲跳转，带动质量块5产生大位移，此时，弹簧3由压缩态变为拉伸态，因为并联型双稳态梁4发生对称变形，所以弹簧3的拉伸恢复力略小于并联型双稳态余弦梁4的屈曲临界载荷；第二步，断掉作用在压电堆2上的电压，则压电堆2迅速恢复原始状态，弹簧3被进一步拉伸，弹簧3的拉伸恢复力超过并联型双稳态梁4的屈曲临界载荷，并联型双稳态梁4再次发生屈曲跳转恢复至初始状态；重复第一、二步，作动器便能够实现稳定的双向作动。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于双稳态梁的大位移压电作动器及作动方法，该作动器压电堆一端嵌入到外壳内侧的凹槽中，另一端与弹簧固连，弹簧另一端与并联型双稳态梁上的质量块固连，并联型双稳态梁两端分别与外壳上下端固接，弹簧预先处于压缩状态，双稳态梁的初始形状为向内弯曲，当给压电堆通电时，弹簧被继续压缩，弹簧的压缩恢复力逐渐增大，使双稳态梁发生屈曲变形，跳转为向外弯曲，产生较大输出位移，此时弹簧处于拉伸状态，当断开电压时，压电堆形变恢复，弹簧被继续拉伸，双稳态梁在弹簧拉伸恢复力作用下产生反向跳转，恢复初始形状，以此实现作动器位移的反复输出；本发明结构简单紧凑，占用体积小，电能消耗少，输出位移大，能够实现稳定的双向作动。

技术研发人员：范永晨;吴莹;徐明龙;王龙飞;黄贺贺
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2018.01.11
技术公布日：2018.05.29