基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器及作動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及作動器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器及作動方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于逆壓電效應制作的壓電作動器具有分辨率高、輸出力大、響應快、功耗小、結(jié)構(gòu)輕等優(yōu)點。隨著材料制備、加工工藝的進步，新型壓電作動器可以滿足不同的技術(shù)要求。因此，壓電材料類作動器在機械、船舶、汽車、土木、航空航天等諸多領(lǐng)域有應用最廣泛的智能驅(qū)動器件之一。
[0003]由于壓電材料輸出位移為微位移，要實現(xiàn)角位移作動，一般采用多個壓電堆步進式作動，電機驅(qū)動或者設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)作動。若要求輸出輸出角位移和扭矩，同時具有抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單，非步進，功耗小，轉(zhuǎn)角大，體積小，重量輕等功能時，傳統(tǒng)壓電作動器等難以滿足上述所有條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器，具有抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)輕巧，功耗小，轉(zhuǎn)角大等特點，實現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)運動和扭矩的功能。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器，包括外殼1，平面二級位移放大機構(gòu)2的兩端放置在外殼1內(nèi)側(cè)面的凹槽內(nèi)；所述平面二級位移放大機構(gòu)2包括內(nèi)部菱形環(huán)5，放置在內(nèi)部菱形環(huán)5長軸間的壓電堆3 ;布置在內(nèi)部菱形環(huán)5外并與內(nèi)部菱形環(huán)5垂直的外部菱形環(huán)6，所述外部菱形環(huán)6的長軸與內(nèi)部菱形環(huán)5的短軸同軸；外殼1表面中心孔上安裝扭轉(zhuǎn)輪4，扭轉(zhuǎn)輪4內(nèi)側(cè)中心孔套在平面二級位移放大機構(gòu)2的外部菱形環(huán)6的中間軸上，外部菱形環(huán)6的中間軸與外部菱形環(huán)6短軸間采用柔性鉸鏈連接。
[0007]所述平面二級位移放大機構(gòu)2 —級位移放大η倍，二級放大η2倍。
[0008]所述平面二級位移放大機構(gòu)2內(nèi)部菱形環(huán)5和外部菱形環(huán)6各邊之間為柔性鉸鏈連接。
[0009]所述平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器的作動方法，開始作動時，對壓電堆3通電，壓電堆3伸長，內(nèi)部菱形環(huán)5長軸變長，短軸變短，外部菱形環(huán)6長軸變短，短軸變長；外部菱形環(huán)6短軸間的柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)變形，外部菱形環(huán)6中間軸轉(zhuǎn)動一個角度，驅(qū)動扭轉(zhuǎn)輪4轉(zhuǎn)動相同角度，以此實現(xiàn)輸出角位移和扭矩的功能。
[0010]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0011]1)相比于電機驅(qū)動，平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器具有抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單，功耗小等獨特優(yōu)勢。
[0012]2)相比于壓電步進式驅(qū)動，平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器具有非步進，轉(zhuǎn)角大，體積小，重量輕等獨特優(yōu)勢。
[0013]3)由于壓電材料輸出位移很小，且輸出分辨率高，通過平面二級位移放大機構(gòu)2能夠?qū)崿F(xiàn)位移平方倍的放大輸出。
[0014]4)由于壓電材料優(yōu)良的頻率響應特性，要求停止作動，進行位置保持時，驅(qū)動電壓保持，壓電堆3保持伸長，扭轉(zhuǎn)輪4保持扭矩輸出。因此，該作動器可在輸出范圍內(nèi)的任意位置保持鎖止。
[0015]總之，本發(fā)明能夠避免傳統(tǒng)壓電作動器角位移小、電磁類作動器易受電磁干擾等等缺點，具有結(jié)構(gòu)輕巧，角位移大，抗電磁干擾等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)立體剖視圖。
[0017]圖2為本發(fā)明立體圖。
[0018]圖3為本發(fā)明平面二級位移放大機構(gòu)立體圖。
【具體實施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0020]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器，包括外殼1，外殼1凹槽內(nèi)放置平面二級位移放大機構(gòu)2 ;所述平面二級位移放大機構(gòu)2包括內(nèi)部菱形環(huán)5，放置在內(nèi)部菱形環(huán)5長軸間的壓電堆3 ;布置在內(nèi)部菱形環(huán)5外并與內(nèi)部菱形環(huán)5垂直的外部菱形環(huán)6，所述外部菱形環(huán)6的長軸與內(nèi)部菱形環(huán)5的短軸同軸；外殼1外表面中心孔上安裝扭轉(zhuǎn)輪4，扭轉(zhuǎn)輪4內(nèi)側(cè)中心孔套在平面二級位移放大機構(gòu)2的外部菱形環(huán)6中間軸上；作動器整體呈長方體結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)輪4位于外殼1外部。
[0021]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在有尺寸要求和重量限制時，外殼1，平面二級位移放大機構(gòu)2，采用剛度較大的輕質(zhì)材料，并用力學分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小尺寸和重量。
[0022]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，壓電堆3選擇變形量大的壓電材料，在相同電壓驅(qū)動下，角位移大。
[0023]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，外殼1采用鈑金件焊接而成。
[0024]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，平面二級位移放大機構(gòu)2內(nèi)部菱形環(huán)5和外部菱形環(huán)6各邊之間為柔性鉸鏈連接。
[0025]本發(fā)明基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器的作動方法，開始作動時，對壓電堆3通電，壓電堆3伸長，內(nèi)部菱形環(huán)5長軸變長，短軸變短，與內(nèi)部菱形環(huán)5短軸連接的外部菱形環(huán)6長軸變短，短軸變長；外部菱形環(huán)6短軸間的柔性鉸鏈因短軸變長拉伸而旋轉(zhuǎn)變形，外部菱形環(huán)6中間軸轉(zhuǎn)動一個角度，驅(qū)動扭轉(zhuǎn)輪4轉(zhuǎn)動相同角度；若要求停止作動，進行位置保持時，驅(qū)動電壓保持，壓電堆3保持伸長，扭轉(zhuǎn)輪4保持扭矩輸出，在輸出范圍內(nèi)的任意位置可以保持鎖止；以此實現(xiàn)輸出角位移和扭矩的功能。
【主權(quán)項】
1.基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器，其特征在于:包括外殼(1)，平面二級位移放大機構(gòu)(2)的兩端放置在外殼(1)內(nèi)側(cè)面的凹槽內(nèi)；所述平面二級位移放大機構(gòu)(2)包括內(nèi)部菱形環(huán)(5)，放置在內(nèi)部菱形環(huán)(5)長軸間的壓電堆(3);布置在內(nèi)部菱形環(huán)(5)外并與內(nèi)部菱形環(huán)(5)垂直的外部菱形環(huán)(6)，所述外部菱形環(huán)(6)的長軸與內(nèi)部菱形環(huán)(5)的短軸同軸；外殼⑴外表面中心孔上安裝扭轉(zhuǎn)輪(4)，扭轉(zhuǎn)輪(4)內(nèi)側(cè)中心孔套在平面二級位移放大機構(gòu)(2)的外部菱形環(huán)(6)的中間軸上，外部菱形環(huán)(6)的中間軸與外部菱形環(huán)(6)短軸間采用柔性鉸鏈連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器，特征在于:平面二級位移放大機構(gòu)(2) —級位移放大η倍，二級放大η2倍。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器，其特征在于:平面二級位移放大機構(gòu)⑵內(nèi)部菱形環(huán)(5)和外部菱形環(huán)(6)各邊之間為柔性鉸鏈連接。4.權(quán)利要求1所述平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器的作動方法，其特征在于:開始作動時，對壓電堆⑶通電，壓電堆⑶伸長，內(nèi)部菱形環(huán)(5)長軸變長，短軸變短，外部菱形環(huán)(6)長軸變短，短軸變長；外部菱形環(huán)(6)短軸間的柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)變形，外部菱形環(huán)(6)中間軸轉(zhuǎn)動一個角度，驅(qū)動扭轉(zhuǎn)輪⑷轉(zhuǎn)動相同角度，以此實現(xiàn)輸出角位移和扭矩的功能。
【專利摘要】基于平面二級位移放大機構(gòu)的壓電扭矩作動器及作動方法，該作動器由外殼、平面二級位移放大機構(gòu)、壓電堆和扭轉(zhuǎn)輪組成；平面二級位移放大機構(gòu)放置在外殼內(nèi)，壓電堆放置在平面二級位移放大機構(gòu)內(nèi)，扭轉(zhuǎn)輪安裝在外殼上，扭轉(zhuǎn)輪中心孔套在平面二級位移放大機構(gòu)外部菱形環(huán)中間軸上；對壓電堆通電，壓電堆伸長，外部菱形環(huán)短軸方向變長，柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)變形，外部菱形環(huán)中間軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動扭轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動一個角度，以此實現(xiàn)輸出角位移和扭矩的功能；本發(fā)明作動器，具有抗電磁干擾，結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，轉(zhuǎn)角大，體積小，重量輕的特點。
【IPC分類】H02N2/12
【公開號】CN105429507
【申請?zhí)枴緾N201510926659
【發(fā)明人】馬國亮, 徐明龍, 武彤暉, 周媛, 高博
【申請人】西安交通大學
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月12日