[發(fā)明專(zhuān)利]含零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)壓電作動(dòng)器及作動(dòng)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811375335.6
• 申請(qǐng)日: 2018-11-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109391170B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-02-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖誠(chéng);徐明龍;田征;韓文文;胡方澤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02N2/10
• 分類(lèi)號(hào): H02N2/10;H02N2/12;H02N2/14
• 代理公司: 61215 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 何會(huì)俠

1.一種含零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)壓電作動(dòng)器，其特征在于：包括固定圓盤(pán)底座(1)，置于固定圓盤(pán)底座(1)內(nèi)并關(guān)于XOY面鏡像對(duì)稱(chēng)且位于Z軸上兩端的結(jié)構(gòu)相同的第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)，位于第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)之間的零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)，位于零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)內(nèi)部并與Z軸平行布置的驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)，分別位于第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中且與Z軸垂直布置的第一鉗位壓電堆(6)和第二鉗位壓電堆(7)，扣合在固定圓盤(pán)底座(1)上的轉(zhuǎn)子頂蓋(8)；X軸和Z軸垂直并位于同一水平面內(nèi)，Y軸在垂直于水平面的鉛錘面上；零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)固定于圓盤(pán)底座1上的凸臺(tái)(1-3)上，驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)安裝在零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)中預(yù)緊，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)通過(guò)零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)上的卡槽與零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)相互連接，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)中的圓弧段與鉗位菱形環(huán)通過(guò)第一柔性鉸鏈(2-1)和第二柔性鉸鏈(2-2)相連接，第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中圓弧段與鉗位菱形環(huán)通過(guò)第三柔性鉸鏈(3-1)和第四柔性鉸鏈(3-2)相連接，在第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)中的鉗位菱形環(huán)中預(yù)緊安裝有第一鉗位壓電堆(6)，在第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中的鉗位菱形環(huán)中預(yù)緊安裝有第二鉗位壓電堆(7)，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)在臨近零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)的一側(cè)與圓盤(pán)底座(1)接觸于第一Z軸向?qū)Р?1-1)，并通過(guò)第五柔性鉸鏈(2-3)與第一Z軸向?qū)Р?1-1)滑動(dòng)連接，第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)在臨近零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)的一側(cè)與圓盤(pán)底座(1)接觸于第二Z軸向?qū)Р?1-2)，并通過(guò)第六柔性鉸鏈(3-3)與第二Z軸向?qū)Р?1-2)滑動(dòng)連接，第五柔性鉸鏈(2-3)與第六柔性鉸鏈(3-3)分別是第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)的偏轉(zhuǎn)中心；非作動(dòng)狀態(tài)下，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中的鉗位菱形環(huán)分別與轉(zhuǎn)子頂蓋(8)相接觸，靠摩擦進(jìn)行鉗位；

所述零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)包括關(guān)于XOY平面鏡像對(duì)稱(chēng)并垂直于Z軸的兩個(gè)壓電堆預(yù)緊面，同時(shí)這兩個(gè)面也是零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)的輸入面；零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)的輸出面關(guān)于YOZ面鏡像對(duì)稱(chēng)，并平行于YOZ面放置，輸出面外側(cè)為了與第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)連接而刻有卡槽；兩個(gè)輸出面與兩個(gè)輸入面通過(guò)兩組分別平行的平面相連接，兩個(gè)位于Z軸的正方向的平面為第一組連接面，兩個(gè)位于Z軸的負(fù)方向的平面為第二組連接面，每組里的兩個(gè)連接面互相平行，且第一組平面與第二組平面關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)分布；機(jī)構(gòu)作動(dòng)時(shí)，當(dāng)預(yù)裝在該零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)中的驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)通電伸長(zhǎng)，零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)的輸出面會(huì)沿Z軸兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)第一組連接面向Z軸正方向運(yùn)動(dòng)，第二組連接面向Z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致兩組連接面與輸出面的夾角會(huì)增大，從而帶動(dòng)兩個(gè)輸出面同時(shí)產(chǎn)生沿X軸負(fù)向的平移運(yùn)動(dòng)；由于該零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)沿Z軸長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于沿X軸長(zhǎng)度，故機(jī)構(gòu)沿X軸伸長(zhǎng)量會(huì)大于沿Z軸的伸長(zhǎng)量，從而實(shí)現(xiàn)該零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)的輸出力換向和放大功能；

所述第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)包括兩部分，第一部分是實(shí)現(xiàn)力的導(dǎo)向，包括與零泊松比八邊形機(jī)構(gòu)(4)中的卡槽相配合的卡臺(tái)，和一對(duì)與卡臺(tái)相連接并關(guān)于Z軸鏡面對(duì)稱(chēng)、水平放置的左四分之一圓弧和右四分之一圓弧，左四分之一圓弧頂部存在第一柔性鉸鏈(2-1)，右四分之一圓弧頂部存在第二柔性鉸鏈(2-2)；第二部分為位于第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)頂部的鉗位菱形環(huán)，其關(guān)于Z軸軸對(duì)稱(chēng)，鉗位部分在靠近下部處通過(guò)第五柔性鉸鏈(2-3)與第一Z軸向?qū)Р?1-1)滑動(dòng)連接；第一部分的左四分之一圓弧和右四分之一圓弧分別通過(guò)第一柔性鉸鏈(2-1)和第二柔性鉸鏈(2-2)分別與第二部分的鉗位菱形環(huán)進(jìn)行連接；當(dāng)外部輸出等大小位移且方向沿X軸負(fù)方向時(shí)，由于圓弧結(jié)構(gòu)具有傳導(dǎo)力時(shí)大小不變，方向沿圓弧切向的功能，故第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)通過(guò)左四分之一圓弧將X軸負(fù)向的力在第一柔性鉸鏈(2-1)處轉(zhuǎn)換成沿Z軸正向力，大小不變；通過(guò)右四分之一圓弧，將X軸負(fù)向的力在第二柔性鉸鏈(2-2)處轉(zhuǎn)換成沿Z軸負(fù)向力，大小不變，這兩個(gè)力在第五柔性鉸鏈(2-3)處共同形成了一個(gè)順時(shí)針扭矩；由于第五柔性鉸鏈(2-3)只存在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和Z向自由度，因此第五柔性鉸鏈(2-3)就是偏轉(zhuǎn)中心；第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)相對(duì)于第五柔性鉸鏈(2-3)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；非作動(dòng)狀態(tài)下，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)中的鉗位菱形環(huán)與轉(zhuǎn)子頂蓋(8)相接觸，靠摩擦進(jìn)行鉗位，作動(dòng)狀態(tài)下，第一鉗位壓電堆(6)通電，鉗位菱形環(huán)部分沿壓電堆方向伸長(zhǎng)，垂直于壓電堆方向縮短，鉗位菱形環(huán)與轉(zhuǎn)子頂蓋(8)脫離接觸，鉗位取消。

2.權(quán)利要求1所述的一種含零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)壓電作動(dòng)器的作動(dòng)方法，其特征在于：

在初始狀態(tài)下，第一鉗位壓電堆(6)、第二鉗位壓電堆(7)和驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)均不帶電，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中的鉗位菱形環(huán)分別與轉(zhuǎn)子頂蓋(8)相接觸，靠摩擦進(jìn)行鉗位，保持?jǐn)嚯婃i止；

作動(dòng)狀態(tài)下，具體步驟如下：第一步：第二鉗位壓電堆(7)通電，由于逆壓電效應(yīng)，第二鉗位壓電堆(7)伸長(zhǎng)，第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中的鉗位菱形環(huán)沿Z軸即轉(zhuǎn)子頂蓋(8)徑向長(zhǎng)度減小，不再鉗位，同時(shí)第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)保持鉗位狀態(tài)；第二步：驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)通電，由于逆壓電效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)伸長(zhǎng)，導(dǎo)致零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)沿Z軸方向伸長(zhǎng)，而零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)左右端面都會(huì)沿X軸負(fù)方向產(chǎn)生放大位移，且左右端面位移大小相同；通過(guò)第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)將沿X軸負(fù)方向的力在柔性鉸鏈(3-1)處變?yōu)檠豘軸負(fù)方向的力，同時(shí)將沿X軸正方向的力在柔性鉸鏈(3-2)處變?yōu)檠豘軸正方向的力，從而實(shí)現(xiàn)第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)；第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)將沿X軸負(fù)方向的力在柔性鉸鏈(2-1)處變?yōu)檠豘軸正方向的力，同時(shí)將沿X軸正方向的力在柔性鉸鏈(3-2)處變?yōu)檠豘軸負(fù)方向的力，從而實(shí)現(xiàn)第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)；由于第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)與轉(zhuǎn)子頂蓋(8)摩擦接觸，所以第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子頂蓋(8)一起順時(shí)針運(yùn)動(dòng)；第三步：第二鉗位壓電堆(7)斷電，第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中的鉗位菱形環(huán)沿圓盤(pán)徑向長(zhǎng)度恢復(fù)，保持鉗位；驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)保持伸長(zhǎng)，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)保持偏轉(zhuǎn)狀態(tài)；第一鉗位壓電堆(6)通電，由于逆壓電效應(yīng)，第一鉗位壓電堆(6)伸長(zhǎng)，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)中的鉗位菱形環(huán)沿Z軸即轉(zhuǎn)子頂蓋(8)徑向長(zhǎng)度減小，不再鉗位；第四步：驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)壓電堆(5)斷電，零泊松比八邊形結(jié)構(gòu)(4)恢復(fù)初始狀態(tài)，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)在彈性回復(fù)力作用下解除彎曲狀態(tài)；由于第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)與轉(zhuǎn)子頂蓋(8)摩擦接觸，所以第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)在回復(fù)力作用下順時(shí)針偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子頂蓋(8)一起順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，解除機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)；第五步：第一鉗位壓電堆(6)斷電，第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)中的鉗位菱形環(huán)沿轉(zhuǎn)子頂蓋(8)徑向長(zhǎng)度恢復(fù)，保持鉗位；第一半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(2)和第二半圓弧力導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)鉗位機(jī)構(gòu)(3)中的鉗位菱形環(huán)分別與轉(zhuǎn)子頂蓋(8)相接觸，機(jī)構(gòu)恢復(fù)到初始狀態(tài)；以此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，通過(guò)改變通電順序?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的改變，達(dá)到雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。