一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器及方法技术

一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器及方法，该作动器包括圆周轨道底座，通过支柱与底座固定的上挡板，安装在底座上与底座同心的可自由旋转的输出轴，人字型驱动机构，安装在驱动机构上部的压电陶瓷，安装在人字型驱动机构下部两端的用于锁止的一对菱形环和菱形环内部的压电陶瓷；安装完成后，压电陶瓷不通电时，两个菱形环与上挡板和底座间为紧配合，来保证菱形环与压电陶瓷组成的锁止机构在断电时有效锁止；本发明专利技术还提供了该作动器实现步进式旋转的方法，按照一定的次序驱动三个压电陶瓷，可以实现对输出轴在顺时针和逆时针两个方向上的步进式旋转；本发明专利技术结构创新，作动精准，具有断电自锁的特点。

A stepping type angular displacement piezoelectric actuator driven by herringbone structure and method thereof

A herringbone structure driven by the stepping angular displacement of piezoelectric actuator and method, the actuator comprises a circumferential track base, through the baffle pillar and the base is fixed, the output shaft can rotate freely mounted on the base and the base of concentric, herringbone driving mechanism, the driving mechanism is installed on the upper part of the the piezoelectric ceramic, install the lock for a pair of diamond rings and diamond ring inside of the piezoelectric ceramic drive mechanism in herringbone lower ends; after the installation is completed, the piezoelectric ceramic is not energized, the two diamond ring and the upper baffle and the base is tightly matched, to ensure that the diamond ring and piezoelectric ceramics composition of the locking mechanism during effective locking; the invention also provides the actuator stepping rotary method, according to a certain order to drive the three piezoelectric ceramic can be achieved on the output shaft in the clockwise and counter clockwise two The invention has the advantages of novel structure, accurate actuation, and the characteristics of power failure and self locking.

【技术实现步骤摘要】
一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器及方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术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。本专利技术结构创新，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，本专利技术采用如下技术方案：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，本专利技术具有如下优点：1)本专利技术采用菱形环实现断电锁止功能，节能环保。2)本专利技术通过压电陶瓷驱动，可实现高精度、大行程输出。3)本专利技术采用人字型驱动机构，结构简单，稳定性高。附图说明图1为本专利技术作动装置的爆炸示意图(隐藏螺栓)。图2为本专利技术人字型驱动机构俯视图。图3为本专利技术中锁止机构的安装方式。图4为本专利技术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专利技术作进一步详细说明。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和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种人字结构驱动的步进式角位移压电作动器，其特征在于：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。4.权利要求1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，其特征在于：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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷俊琪，徐明龙，宋思扬，邵妍，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61