[發(fā)明專利]一種通過(guò)壓電-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扭矩的作動(dòng)器及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410105326.0
• 申請(qǐng)日: 2014-03-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103904938A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張舒文;徐明龍;邵恕寶;朱建陽(yáng);苗維凱;安增勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/10
• 分類號(hào): H02N2/10;H02N2/12;H02N2/14
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及作動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)壓電-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扭矩的作動(dòng)器及方法。

背景技術(shù)

基于壓電材料的作動(dòng)器具有輸出位移分辨率高、輸出力大、響應(yīng)快、功耗小、體積小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，隨著加工工藝的進(jìn)步，可以滿足不同使用需求的壓電堆得以實(shí)現(xiàn)。因此，基于壓電堆的各類作動(dòng)器已被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電力、空天工程等領(lǐng)域，成為了目前最具有前途的智能驅(qū)動(dòng)器件之一。由于壓電堆的輸出位移較小，因此目前利用壓電堆制作的作動(dòng)器多通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高作動(dòng)器的性能。

現(xiàn)有基于壓電材料的扭矩作動(dòng)器多為杠桿結(jié)構(gòu)，即通過(guò)壓電堆作用于杠桿的一端，使得杠桿另一端實(shí)現(xiàn)扭矩輸出。由于其輸出最大角度小，作用力大等特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)多適用于航天結(jié)構(gòu)的減振用途；而在要求同時(shí)具有抗電磁干擾、低結(jié)構(gòu)質(zhì)量、大量程、無(wú)相位間隔，掉電鎖止等功能時(shí)，該類作動(dòng)器難以滿足上述條件。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)壓電-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扭矩的作動(dòng)器及方法，具有抗電磁干擾、大量程輸出、無(wú)相位間隔和掉電鎖止等特點(diǎn)，該作動(dòng)器既可以雙向可選且連續(xù)不間斷地輸出扭矩，也可配合絲杠等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大量程的直線位移輸出。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種通過(guò)壓電-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扭矩的作動(dòng)器，包括作動(dòng)圓盤(pán)7，通過(guò)作動(dòng)圓盤(pán)7偏心處的銷釘二6和作動(dòng)圓盤(pán)7連接的多個(gè)作動(dòng)桿4，作動(dòng)桿4的另一端通過(guò)銷釘一3和壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1的下端相連接，壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1的上端固定，壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1內(nèi)放置壓電堆2，壓電堆2通電壓時(shí)橫向膨脹，導(dǎo)致其縱向長(zhǎng)度收縮，壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1通過(guò)銷釘一3給作動(dòng)桿4輸出拉力；所述壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1、壓電堆2、銷釘一3、作動(dòng)桿4通過(guò)壓電堆2的伸縮實(shí)現(xiàn)連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能，組成壓電-連桿機(jī)構(gòu)5；還包括控制器8，和控制器8連接的驅(qū)動(dòng)器9，所述驅(qū)動(dòng)器9和多個(gè)壓電-連桿機(jī)構(gòu)5的壓電堆2連接，控制器8輸出不同相位的控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器9送入多個(gè)壓電-連桿機(jī)構(gòu)5中驅(qū)動(dòng)壓電堆2進(jìn)行不同相位的伸縮，實(shí)現(xiàn)銷釘二6圍繞作動(dòng)圓盤(pán)7圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)作動(dòng)圓盤(pán)7勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、均衡的輸出扭矩；停止輸出扭矩后，各壓電-連桿機(jī)構(gòu)5停止動(dòng)作，作動(dòng)器被鎖止，且由于時(shí)間選擇的任意性，該作動(dòng)器鎖止于任意相位。

在有不同量程的輸出需求時(shí)，所述壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1能夠級(jí)聯(lián)設(shè)置，級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)隨作動(dòng)需求而定。

上述所述作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)扭矩的方法，控制器8輸出不同相位的控制信號(hào)，并將其送入驅(qū)動(dòng)器9中，由驅(qū)動(dòng)器9將驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入不同的壓電-連桿機(jī)構(gòu)5中的壓電堆2，壓電堆2接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)后進(jìn)行周期性伸縮并通過(guò)約束其的壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1作用于銷釘一3，推動(dòng)作動(dòng)桿4，繼而使作動(dòng)桿4作用于固定在作動(dòng)圓盤(pán)7偏心處的銷釘二6，拉動(dòng)作動(dòng)圓盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)；控制器8輸出不同相位的控制信號(hào)，使送入不同壓電-連桿機(jī)構(gòu)5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有相位差，即某些壓電-連桿機(jī)構(gòu)5空回時(shí)，其他壓電-連桿機(jī)構(gòu)5輸出不同大小的拉力，以使作動(dòng)圓盤(pán)7的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和輸出較為恒定的扭矩；當(dāng)需要停止輸出并鎖止時(shí)，控制器8輸出一個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器9將壓電堆2的驅(qū)動(dòng)電壓保持在該時(shí)刻，作動(dòng)器輸出停止并鎖止。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）相比于電機(jī)，壓電作動(dòng)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有重量輕、耗能小、不受電磁干擾、非步進(jìn)式等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2）由于該作動(dòng)器將周期性直線位移通過(guò)壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1放大，并作用于固定在作動(dòng)圓盤(pán)7上偏心處的銷釘二6處，將該直線位移轉(zhuǎn)化為扭矩，因此與現(xiàn)有作動(dòng)器相比，該作動(dòng)器具有多圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)特性。

3）由于壓電材料輸出位移很小，且輸出分辨率高，通過(guò)壓電約束-多級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1能實(shí)現(xiàn)亞毫米至毫米（10^-4～10^-3m），因此可通過(guò)控制器8和驅(qū)動(dòng)器9實(shí)現(xiàn)的扭矩輸出。

4）由于壓電材料優(yōu)良的頻率響應(yīng)特性，在控制器8輸出停止作動(dòng)信號(hào)時(shí)，壓電-連桿機(jī)構(gòu)能迅速響應(yīng)，停止作動(dòng)并進(jìn)行位置保持和鎖止。因此，與步進(jìn)式的作動(dòng)器相比，該作動(dòng)器具有無(wú)相位間隔的特點(diǎn)，即可以將作動(dòng)圓盤(pán)7的輸出停止并鎖止在任意相位，不存在相位間隔問(wèn)題。

5）在固定于作動(dòng)圓盤(pán)7偏心處的銷釘二6與多個(gè)壓電-連桿機(jī)構(gòu)5相連接，因此在某一相位范圍，有的壓電-連桿機(jī)構(gòu)5正輸出較大拉力，有的輸出較小拉力，而有的正實(shí)現(xiàn)其空回過(guò)程。在這樣的過(guò)程中保證了作動(dòng)圓盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)的全范圍內(nèi)均有較為均勻的扭矩輸出和勻速的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程。