[发明专利]一种四自由度弯矩作动器

说明书

本发明公开了一种四自由度弯矩作动器；该弯矩作动器采用压电堆作为执行机构，通过对不同压电单元施加不同的电压，输出大小、方向不同的控制力矩，作用于挠性平面结构上，补偿挠性平面结构的变形。弯矩作动器的底座作为压电作动器安装平面，拉力压电堆沿菱形放大环的短边方向位于拉力菱形放大环中，二者采用过盈配合固连，拉力菱形放大环位于上方；推力压电堆沿菱形放大环的长边方向位于推力菱形放大环中，二者采用过盈配合固连，推力菱形放大环位于下方，且拉力菱形放大环与推力菱形放大环二者的安装方向相互垂直。弯矩作动器结构简单，易于安装，具有较大的驱动力和力矩，而且控制精度高，在形状控制方面有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及微小形变控制技术领域，具体地说，涉及一种利用压电材料特性来控制挠性平面变形的弯矩作动器。

背景技术

压电作动器是一种利用新型智能材料压电陶瓷的逆压电效应制作而成的作动器。作动器具有精度高、工作频带宽、响应速度快的特点，同时能提供较大驱动力、易于安装和更换、机械输出效率较高。

目前，在空间应用的结构如天线反射器、主镜等对形状控制精度要求很高，可达到λ/20次微米甚至纳米级精度，其中λ为微波或光波波长。空间冷热交变环境及结构应力的改变，导致天线反射器、主镜等在空间冷热交变环境中由于温度的急剧变化产生热变形，以及内部结构应力的改变，导致其产品表面产生微米级的变形，不能满足苛刻的形状控制精度要求，需要提供大输出力矩、正负双向调整形状的多自由度弯矩作动器。

现有公开的技术文献“充气可展开天线精度分析和形面调整”(空间科学学报，2006年04期)中，针对可展开天线系统，利用天线反射器表面与支承结构间连接的索段来调整形面精度。通过改变索段的初始张力，来调整形面偏差，并进行了实验。但初始张力是通过改变索段的初应变或降温而导入的，在太空冷热交变环境下很难改变温度，同时索段的初应变改变量不易测量，故无法精确的改变初始张力。同时，对于索网式结构，其初始张力的精确测量很难实现，该方法实现较为困难。

在文献“型面可调整反射器结构与调整技术概述”(空间电子技术，2010年第3期)中,所涉及的利用PVDF薄膜作动器调整形面精度。但是形状控制的薄膜作动器片出力有限，变形位移小，对作动材质要求较高，适合粘贴在光滑物体表面，不适合大变形、高刚度的复杂空间结构。

在文献“大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制”(计算力学学报，2016年8月第33卷第4期)中，提出在索网天线竖向张力索中用压电堆(PZT)作动器进行主动控制以提高反射面的形面精度。但是这种压电堆只能产生一个方向的弯矩，无法提供多自由度的弯矩，并且只能补偿一个方向的变形。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种四自由度弯矩作动器；该弯矩作动器采用压电堆作为执行机构，通过对不同压电单元施加不同的电压，输出大小、方向不同的控制力矩，作用于挠性平面结构上，补偿挠性平面结构的变形。弯矩作动器结构简单，易于安装，具有较大的驱动力和力矩，而且控制精度高，在形状控制方面有很好的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括底座、拉力压电堆、拉力菱形放大环、连接板、推力菱形放大环、推力压电堆、双头螺栓，所述底座为十字形结构，中间有矩形中空凸台，每个十字边上外侧部有与中间凸台相对的矩形凸块，在凸块上的四个角均布有螺孔，在底座的每个十字边的外边缘均布有底座安装孔，底座作为压电作动器安装平面，拉力菱形放大环在上方，推力菱形放大环在下方，且拉力菱形放大环与推力菱形放大环的安装方向相互垂直；

所述连接板的四个角上设有圆通孔，圆通孔与螺孔直径相同，且位于同一轴线上；连接板的中间部分有两个连接板轴向螺孔，连接板轴向螺孔与双头螺栓直径相同；

所述拉力菱形放大环的两侧面有拉力菱形放大环侧端螺孔，螺孔与双头螺栓直径相同，连接板与拉力菱形放大环通过双头螺栓螺纹配合安装，拉力压电堆沿菱形放大环的短边方向位于拉力菱形放大环中心，二者采用过盈配合固连；