[发明专利]可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法

说明书

技术领域

本发明属于压电陶瓷驱动装置，具体涉及一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法。

背景技术

近年来随着微纳米技术的迅猛发展，压电驱动装置在光学、电子、航空、航天、机械制造、医学及遗传工程等技术领域取得广泛应用。尤其是在航天领域，迫切需要一种体积小，质量轻，驱动力大，分辨力高的驱动装置。压电陶瓷驱动器虽然具有体积小，位移输出分辨力高，易于控制，无杂散磁场等特点，但是由于压电作动器只能输出直线位移，所以目前所使用的压电作动器多是沿直线输出推力或拉力的作动器，在需要输出扭矩的场合，单纯使用拉力或推力作动器具有一定的局限性。除此之外，由于压电作动器作动范围较小，因此无论是输出直线位移，还是通过转化输出扭转角，目前压电作动器的输出范围都很小。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法，将压电堆输出的直线位移转化为扭转角从而对外实现扭矩输出，并使用多个压电堆采用尺蠖式步进原理，通过周期性运动将每一步的扭转角叠加，从而实现大行程的扭矩输出，除此之外该扭矩作动器还具有结构紧凑，体积小，重量轻的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器，包括定子1，分别安装于定子1内上端和下端的第一箝位机构3和第二箝位机构9，上端和下端分别连接在第一箝位机构3和第二箝位机构9上的扭矩输出组件5，所述第一箝位机构3和第二箝位机构9内分别设置有位于定子1径向的第一箝位压电堆2和第二箝位压电堆8，所述扭矩输出组件5内设置有位于定子1轴向的中间压电堆6。

所述扭矩输出组件5的上端和下端分别通过第一连接部件4和第二连接部件7连接在第一箝位机构3和第二箝位机构9上

所述第一箝位机构3由采用线切割方式一体加工而成的刚性接触面10、刚性臂11和簧片12组成，两个刚性接触面10通过四个簧片12连接在刚性臂11上下两端；所述第二箝位机构9与第一箝位机构3的结构及尺寸相同。

所述扭矩输出组件5包括两种结构：

第一种：所述扭矩输出组件5包括支撑框架13，位于支撑框架13内部的压电堆约束结构14，位于支撑框架13顶端的第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19；扭矩输出端16通过所述第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19与支撑框架13相连接；螺杆18一端固定于压电堆约束结构14上，另一端通过螺纹孔17连接在扭矩输出端16上，所述中间压电堆6固定在压电堆约束结构14内；

第二种：所述扭矩输出组件5包括支撑框架13，位于支撑框架13内部的压电堆约束结构14，位于支撑框架13顶端的第一斜支撑柔性铰链20及第二斜支撑柔性铰链21，所述第一斜支撑柔性铰链20和第二斜支撑柔性铰链21交错布置即倾斜角度恰好相反；扭矩输出端16通过柔性铰链22与压电堆约束结构14相连接，所述中间压电堆6固定在压电堆约束结构14内。

上述所述的压电扭矩作动器的作动方法，初始状态：中间压电堆6不带电，第一箝位压电堆2及第二箝位压电堆8通电伸长；在第一箝位压电堆2的作用下，第一箝位机构3中的簧片12受拉伸长，刚性接触面10与定子1接触，并对定子1施加正压力，使第一箝位机构3与定子1通过摩擦力相固定从而实现箝位；通过同样方式，第二箝位机构9在第二箝位压电堆8的作用下与定子1通过摩擦力相固定从而实现箝位；实现尺蠖式步进时分为三步：第一步，中间压电堆6和第二箝位压电堆8不带电，第一箝位压电堆2继续保持通电伸长状态，因此第一箝位机构3与定子1继续保持箝位，同时对中间压电堆6通电，使扭矩输出组件5产生扭转，此时由于第二箝位压电堆8不带电而第二箝位机构9处于自由状态，因此第二箝位机构9将随扭矩输出组件5旋转一定角度；第二步，第二箝位压电堆8通电伸长，使得第二箝位机构9与定子1通过摩擦力相固定从而进行箝位；第一箝位压电堆2断电，第一箝位机构3在弹性回复力的作用下恢复原形，与定子1脱离接触，从而解除箝位状态；第三步，中间压电堆6断电，扭矩输出组件5恢复原形，此时由于第一箝位机构3处于自由状态下，因此随扭矩输出组件5一同进行回复运动，将随扭矩输出组件5一同旋转一定角度；重复上述三步，实现尺蠖式旋转步进。

所述扭矩输出组件5产生扭转及恢复原形的方法为：