直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置及方法制造方法及图纸

一种直线‑剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置及方法，该作动装置包括作动器底座，安装于底座上，能够固定压电陶瓷组的作动器旋转定子，滚动轴承嵌在旋转定子上侧，下部推力球轴承安装在滚动轴承上方，作动器旋转转子限位轴安装在滚动轴承和下部推力球轴承内，安装在作动器旋转转子输出轴上的上部推力球轴承，作动器旋转转子安装在下部推力球轴承和上部推力球轴承之间，安装在上部推力球轴承上方的外壳；本发明专利技术还公开了该作动装置的作动方法，采用三足交替并联步进的方式实现转角输出，以剪切压电堆为位移直接输出构件，直线压电堆锁紧，按照一定次序驱动压电陶瓷，能够实现双向大角度旋转驱动；具有输出行程大，输出分辨率高，断电自锁的特点。

Stepping Rotation Actuator Driven by Linear-shear Piezoelectric Ceramics and Its Method

【技术实现步骤摘要】
直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置及方法
本专利技术涉及一种通过直线和剪切压电陶瓷配合驱动的步进式旋转作动装置，具体为一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的高精度步进式旋转作动装置及其实现方法。
技术介绍
近年来压电驱动装置不断发展，支持了国防、航天、机械制造等重要工业的发展建设，也衍生出了品种繁多的压电作动装置，然而受制于压电材料作动行程小的缺点，压电陶瓷作动器难以实现大行程特别是大转角的扭矩输出。因此迫切需要一种结构简单，驱动行程大，分辨率高的步进式旋转作动装置。
技术实现思路
为了满足上述需求，本专利技术的目的在于提供一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置及方法，使用三组直线和剪切压电陶瓷组相互配合实现大角度的旋转运动，并且可实现作动器断电锁止功能，具有结构简单，体积小，能够输出大扭矩、大转角的特点。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置，包括作动器底座1，安装于底座1上，能够固定第一压电陶瓷组3、第二压电陶瓷组4和第三压电陶瓷组5的作动器旋转定子2，滚动轴承6嵌在作动器旋转定子2上侧，下部推力球轴承7安装在滚动轴承6上方，作动器旋转转子8下部的作动器旋转转子限位轴8-1安装在滚动轴承6和下部推力球轴承7内，安装在作动器旋转转子8上部的作动器旋转转子输出轴8-2上的上部推力球轴承9，作动器旋转转子8安装在下部推力球轴承7和上部推力球轴承9之间，所述第一压电陶瓷组3、第二压电陶瓷组4和第三压电陶瓷组5能够通过摩擦作动器旋转转子8内壁驱动作动器旋转转子8转动，安装在上部推力球轴承9上方的外壳10，作动器旋转转子输出轴8-2顶部伸出外壳10。所述滚动轴承6能够限制作动器旋转转子8径向移动，所述下部推力球轴承7和上部推力球轴承9能够承受轴向方向载荷，且能限制作动器旋转转子8轴向移动。所述第一压电陶瓷组3、第二压电陶瓷组4和第三压电陶瓷组5具有完全相同的几何尺寸；第一压电陶瓷组3包括固定在作动器旋转定子2上的第一直线压电堆3-1，及固定在第一直线压电堆3-1上且与作动器旋转转子8内壁摩擦接触的第一剪切压电堆3-2；第二压电陶瓷组4包括固定在作动器旋转定子2上的第二直线压电堆4-1，及固定在第二直线压电堆4-1上且与作动器旋转转子8内壁摩擦接触的第二剪切压电堆4-2；第三压电陶瓷组5包括固定在作动器旋转定子2上的第三直线压电堆5-1，及固定在第三直线压电堆5-1上且与作动器旋转转子8内壁摩擦接触的第三剪切压电堆5-2；第一直线压电堆3-1、第二直线压电堆4-1和第三直线压电堆5-1能够输出直线位移，能够推动第一剪切压电堆3-2、第二剪切压电堆4-2和第三剪切压电堆5-2与作动器旋转转子8内壁紧密接触，第一剪切压电堆3-2、第二剪切压电堆4-2和第三剪切压电堆5-2能够输出剪切位移，能够推动作动器旋转转子8输出转角位移；当未加电时，第一压电陶瓷组3、第二压电陶瓷组4和第三压电陶瓷组5与作动器旋转转子8内壁保持摩擦接触，能够钳位约束作动器旋转转子8，具有断电锁止功能。所述的一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置的作动方法，能够实现双向大角度旋转运动，逆时针作动步骤如下：第一步，第一剪切压电堆3-2通正电产生正向剪切位移，同时第三剪切压电堆5-2通负电产生负向剪切位移，第一直线压电堆3-1和第二直线压电堆4-1通正电伸长，推动第一剪切压电堆3-2和第二剪切压电堆4-2顶紧作动器旋转转子8内壁，第三直线压电堆5-1通负电缩短，带动第三剪切压电堆5-2脱离作动器旋转转子8内壁，这是作动初始状态；第二步，作动，第一剪切压电堆3-2断电产生负向剪切位移，第二剪切压电堆4-2通负电产生负向剪切位移，同时第三剪切压电堆5-2通正电产生正向剪切位移，由于第一剪切压电堆3-2和第二剪切压电堆4-2与作动器旋转转子8内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子8产生负向位移，即逆时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子8内壁脱离的第三剪切压电堆5-2，则不会对作动器旋转转子8造成影响；第三步，换足，第三直线压电堆5-1通正电伸长，推动第三剪切压电堆5-2顶紧作动器旋转转子8内壁，第二直线压电堆4-1通负电缩短，带动第二剪切压电堆4-2脱离作动器旋转转子8内壁；第四步，作动，第三剪切压电堆5-2断电产生负向剪切位移，第一剪切压电堆3-2通负电产生负向剪切位移，同时第二剪切压电堆4-2通正电产生正向剪切位移，由于第三剪切压电堆5-2和第一剪切压电堆3-2与作动器旋转转子8内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子8产生负向位移，即逆时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子8内壁脱离的第二剪切压电堆4-2，则不会对作动器旋转转子8造成影响；第五步，换足，第二直线压电堆4-1通正电伸长，推动第二剪切压电堆4-2顶紧作动器旋转转子8内壁，第一直线压电堆3-1通负电缩短，带动第一剪切压电堆3-2脱离作动器旋转转子8内壁；第六步，作动，第二剪切压电堆4-2断电产生负向剪切位移，第三剪切压电堆5-2通负电产生负向剪切位移，同时第一剪切压电堆3-2通正电产生正向剪切位移，由于第二剪切压电堆4-2和第三剪切压电堆5-2与作动器旋转转子8内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子8产生负向位移，即逆时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子8内壁脱离的第一剪切压电堆3-2，则不会对作动器旋转转子8造成影响；第七步，换足，第一直线压电堆3-1通正电伸长，推动第一剪切压电堆3-2顶紧作动器旋转转子8内壁，第三直线压电堆5-1通负电缩短，带动第三剪切压电堆5-2脱离作动器旋转转子8内壁；至此作动装置恢复到作动初始状态，并且与初始状态相比，作动器旋转转子8在第一压电陶瓷组3、第二压电陶瓷组4和第三压电陶瓷组5的交替配合推动下向逆时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现作动器旋转转子8逆时针大角度旋转作动；顺时针作动步骤如下：第一步，第一剪切压电堆3-2通正电产生正向剪切位移，同时第三剪切压电堆5-2通负电产生负向剪切位移，第二直线压电堆4-1和第三直线压电堆5-1通正电伸长，推动第二剪切压电堆4-2和第三剪切压电堆5-2顶紧作动器旋转转子8内壁，第一直线压电堆3-1通负电缩短，带动第一剪切压电堆3-2脱离作动器旋转转子8内壁，这是作动初始状态；第二步，作动，第三剪切压电堆5-2断电产生正向剪切位移，第二剪切压电堆4-2通正电产生正向剪切位移，同时第一剪切压电堆3-2通负电产生负向剪切位移，由于第二剪切压电堆4-2和第三剪切压电堆5-2与作动器旋转转子8内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子8产生正向位移，即顺时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子8内壁脱离的第一剪切压电堆3-2，则不会对作动器旋转转子8造成影响；第三步，换足，第一直线压电堆3-1通正电伸长，推动第一剪切压电堆3-2顶紧作动器旋转转子8内壁，第二直线压电堆4-1通负电缩短，带动第二剪切压电堆4-2脱离作动器旋转转子8内壁；第四步，作动，第一剪切压电堆3-2断电产生正向剪切位移，第三剪切压电堆5-2通正电产生正向剪切位移，同时第二剪切压电堆4-2通负电产生负向剪切位移，由于第一剪切压电堆3-2和第三剪切压电堆5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直线‑剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置，其特征在于：包括作动器底座(1)，安装于底座(1)上，能够固定第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)的作动器旋转定子(2)，滚动轴承(6)嵌在作动器旋转定子(2)上侧，下部推力球轴承(7)安装在滚动轴承(6)上方，作动器旋转转子(8)下部的作动器旋转转子限位轴(8‑1)安装在滚动轴承(6)和下部推力球轴承(7)内，安装在作动器旋转转子(8)上部的作动器旋转转子输出轴(8‑2)上的上部推力球轴承(9)，作动器旋转转子(8)安装在下部推力球轴承(7)和上部推力球轴承(9)之间，所述第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)能够通过摩擦作动器旋转转子(8)内壁驱动作动器旋转转子(8)转动，安装在上部推力球轴承(9)上方的外壳(10)，作动器旋转转子输出轴(8‑2)顶部伸出外壳(10)。

【技术特征摘要】
1.一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置，其特征在于：包括作动器底座(1)，安装于底座(1)上，能够固定第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)的作动器旋转定子(2)，滚动轴承(6)嵌在作动器旋转定子(2)上侧，下部推力球轴承(7)安装在滚动轴承(6)上方，作动器旋转转子(8)下部的作动器旋转转子限位轴(8-1)安装在滚动轴承(6)和下部推力球轴承(7)内，安装在作动器旋转转子(8)上部的作动器旋转转子输出轴(8-2)上的上部推力球轴承(9)，作动器旋转转子(8)安装在下部推力球轴承(7)和上部推力球轴承(9)之间，所述第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)能够通过摩擦作动器旋转转子(8)内壁驱动作动器旋转转子(8)转动，安装在上部推力球轴承(9)上方的外壳(10)，作动器旋转转子输出轴(8-2)顶部伸出外壳(10)。2.根据权利要求1所述的所述一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置，其特征在于：所述滚动轴承(6)能够限制作动器旋转转子(8)径向移动，所述下部推力球轴承(7)和上部推力球轴承(9)能够承受轴向方向载荷，且能限制作动器旋转转子(8)轴向移动。3.根据权利要求1所述的所述一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置，其特征在于：所述第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)具有完全相同的几何尺寸；第一压电陶瓷组(3)包括固定在作动器旋转定子(2)上的第一直线压电堆(3-1)，及固定在第一直线压电堆(3-1)上且与作动器旋转转子(8)内壁摩擦接触的第一剪切压电堆(3-2)；第二压电陶瓷组(4)包括固定在作动器旋转定子(2)上的第二直线压电堆(4-1)，及固定在第二直线压电堆(4-1)上且与作动器旋转转子(8)内壁摩擦接触的第二剪切压电堆(4-2)；第三压电陶瓷组(5)包括固定在作动器旋转定子(2)上的第三直线压电堆(5-1)，及固定在第三直线压电堆(5-1)上且与作动器旋转转子(8)内壁摩擦接触的第三剪切压电堆(5-2)；第一直线压电堆(3-1)、第二直线压电堆(4-1)和第三直线压电堆(5-1)能够输出直线位移，能够推动第一剪切压电堆(3-2)、第二剪切压电堆(4-2)和第三剪切压电堆(5-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，第一剪切压电堆(3-2)、第二剪切压电堆(4-2)和第三剪切压电堆(5-2)能够输出剪切位移，能够推动作动器旋转转子(8)输出转角位移；当未加电时，第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)与作动器旋转转子(8)内壁保持摩擦接触，能够钳位约束作动器旋转转子(8)，具有断电锁止功能。4.根据权利要求3所述的一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置的作动方法，其特征在于：能够实现双向大角度旋转运动，逆时针作动步骤如下：第一步，第一剪切压电堆(3-2)通正电产生正向剪切位移，同时第三剪切压电堆(5-2)通负电产生负向剪切位移，第一直线压电堆(3-1)和第二直线压电堆(4-1)通正电伸长，推动第一剪切压电堆(3-2)和第二剪切压电堆(4-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第三直线压电堆(5-1)通负电缩短，带动第三剪切压电堆(5-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁，这是作动初始状态；第二步，作动，第一剪切压电堆(3-2)断电产生负向剪切位移，第二剪切压电堆(4-2)通负电产生负向剪切位移，同时第三剪切压电堆(5-2)通正电产生正向剪切位移，由于第一剪切压电堆(3-2)和第二剪切压电堆(4-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子(8)产生负向位移，即逆时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子(8内壁脱离的第三剪切压电堆(5-2)，则不会对作动器旋转转子(8)造成影响；第三步，换足，第三直线压电堆(5-1通正电伸长，推动第三剪切压电堆(5-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第二直线压电堆(4-1)通负电缩短，带动第二剪切压电堆(4-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁；第四步，作动，第三剪切压电堆(5-2)断电产生负向剪切位移，第一剪切压电堆(3-2)通负电产生负向剪切位移，同时第二剪切压电堆(4-2)通正电产生正向剪切位移，由于第三剪切压电堆(5-2)和第一剪切压电堆(3-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子(8)产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡方泽，徐明龙，宋思扬，肖瑞江，廖诚，嵇辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61