[發明專利]含雙菱形串聯驅動機構的旋轉慣性壓電作動器及作動方法

有效

• 申請號: 201610530701.5
• 申請日: 2016-07-06
• 公開（公告）號: CN106208806B
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 敬子建;徐明龍;邵妍;田征
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02N2/14
• 分類號: H02N2/14;H02N2/12
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 何會俠

技術領域

本發明屬于慣性壓電作動器技術領域，具體涉及一種含雙菱形串聯驅動機構的旋轉慣性壓電作動器及作動方法。

背景技術

壓電驅動的工作原理是基于壓電具有的逆壓電效應，壓電驅動具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、線性好、頻率響應高、不發熱、無噪聲、易于控制等優點。

壓電作動器在生命科學、醫學和生物工程,半導體及微電子、數據存儲、光學、光子學、光纖、度量和測量技術、精密機械和機械工程等領域具有廣泛的應用背景。其中慣性式作動器基于慣性——摩擦的壓電驅動原理，可實現小步距、理論行程無限大、高分辨率的快速雙向運動。以往旋轉式慣性作動器常常利用雙晶片作為驅動元件，結構復雜且強度低；另外，以往的壓電作動器多采用通電鉗位的方式，而在要求系統在斷電情況下仍能保持輸出位移應用場合中，以往的作動器無法完成此類任務。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種含雙菱形串聯驅動機構的旋轉慣性壓電作動器及作動方法，在高頻驅動條件下，能夠快速響應并驅動負載雙向旋轉，提供了斷電鉗位的功能；此作動器具有裝配簡單，響應速度快，分辨率高的優點，能夠斷電鎖止并實現雙向旋轉。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種含雙菱形串聯驅動機構的旋轉慣性壓電作動器，包括上擋板1、下擋板4、固定裝配在上擋板1和下擋板4間的雙菱形串聯驅動機構2，旋轉輸出軸9通過上軸承8和下軸承7分別與上擋板1和下擋板4連接；所述雙菱形串聯驅動機構2包含串聯雙菱形環5，其內部分別過盈配合有左壓電堆3和右壓電堆6，左壓電堆3和右壓電堆6串聯銜接處設置有摩擦塊10；摩擦塊10側面與旋轉輸出軸9接觸緊密，所述左壓電堆3和右壓電堆6的安裝方向與摩擦塊10和旋轉輸出軸9接觸的側面平行；通過控制左壓電堆3和右壓電堆6的電壓時序和幅值，能夠使作動器帶動負載連續雙向旋轉。

所述左壓電堆3和右壓電堆6均處于斷電時，旋轉輸出軸9與摩擦塊10側面間屬于線接觸，緊密接觸并存在靜摩擦力，此時旋轉輸出軸9能夠承受一定外載，在斷電情況下達到可靠的鉗位。

所述雙菱形串聯驅動機構2中，通過同時控制兩個壓電堆實現旋轉運動，彌補了菱形機構響應緩慢的不足，能夠使慣性作動器在雙向旋轉中的角距及響應速度保持一致。

所述的含雙菱形串聯驅動機構的旋轉慣性壓電作動器的作動方法，未通電時，旋轉輸出軸9處于初始鉗位狀態；開始作動時，第一步，同時對左壓電堆3和右壓電堆6施加初始平衡電壓，此時兩者相對，作用力相互抵消，摩擦塊10處于原位并與旋轉輸出軸9保持相對靜止；第二步，緩慢地對左壓電堆3從初始平衡電壓降電壓直至斷電，同時緩慢地對右壓電堆6從初始平衡電壓升電壓直至滿行程電壓，此時摩擦塊10緩慢地向左壓電堆3方向移動，由于摩擦塊10與旋轉輸出軸9間的靜摩擦力大于旋轉輸出軸9隨摩擦塊10一起運動所需的慣性力，旋轉輸出軸9被摩擦塊10帶動并驅動負載逆時針旋轉一定角度；第三步，迅速地對左壓電堆3從斷電狀態升電壓直至初始平衡電壓，同時迅速地對右壓電堆6從滿行程電壓降電壓直至初始平衡電壓，此時摩擦塊10迅速地回歸原位，由于摩擦塊10與旋轉輸出軸9間的靜摩擦力遠小于旋轉輸出軸9隨摩擦塊10一起運動所需的慣性力，且該過程時間足夠短暫，旋轉輸出軸9會基本保持不動，這樣就實現了旋轉輸出軸9逆時針的一次完整轉動；重復第二、三步，能夠使旋轉輸出軸9連續逆時針驅動負載旋轉，當驅動完成后，同時對左壓電堆3和右壓電堆6斷電，旋轉輸出軸9恢復初始鉗位狀態；同樣地，交換左壓電堆3和右壓電堆6的通電方式，旋轉輸出軸9能夠連續順時針驅動負載，以此實現電控方式下的雙向旋轉慣性作動。

和現有技術相比，本發明具有如下優點：

1)本發明具有斷電鉗位功能。左壓電堆3和右壓電堆6均處于斷電時，旋轉輸出軸9與摩擦塊10側面間屬于線接觸，緊密接觸并存在靜摩擦力，此時旋轉輸出軸9能夠承受一定外載，在斷電情況下達到可靠的鉗位。改變了一般壓電作動器通電鉗位而斷電解鎖的現狀，斷電鉗位功能是一般工程應用中常見的需求。

2)本發明能夠包容加工誤差，對作動器初始調整鉗位狀態時的裝配過程要求不高，極大降低了加工和裝配的難度；結構內部空間利用合理，體積小，質量輕，結構簡單緊湊。

3)本發明的雙菱形串聯驅動機構2中，通過同時控制兩個壓電堆實現旋轉運動，彌補了菱形機構響應緩慢的不足，能夠使慣性作動器在雙向旋轉中的角距及響應速度保持一致，實現迅速、穩定和準確地驅動負載。

附圖說明