[发明专利]大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统及其方法

说明书

本发明公开了一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统及其方法。它包括压电复合材料双晶片、非对称高压供电回路；压电复合材料双晶片是在中间层的上下表面贴敷两片压电复合材料的复合梁、梁的自由端与一轴固定、轴的两端套上两只微型轴承，轴承上套上预制卡槽的外环，在卡槽内嵌入弹性带，弹性带的另一端的两头与固定基座相连，紧绷的弹性带提供悬臂梁预压力；非对称高压供电系统包括了直流‑直流变压器、电阻、二极管、从而组成不对称的分压电路。本发明可使压电复合材料双晶片在全驱动电压下变形，从而大幅提高作动器输出位移，并克服传统压电陶瓷双晶片不可大幅弯曲的缺点；能够作为内部空间狭小、操控带宽大的微型飞行器伺服作动器。

技术领域

本发明涉及大位移压电作动技术领域。具体涉及一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统。

背景技术

微型飞行器广泛应用于侦查、打击、搜寻、物流及急救等军民领域。为了提高飞行器的隐蔽性和机动能力，进一步微型化是该领域的趋势之一，但目前的电动舵机控制带宽较窄(<20Hz)，且需要占据机身内部较大的体积和重量，因而逐渐不能适应飞行器微型化的要求。

压电作动器具有较大的控制带宽和响应速率，作为大力小位移作动器传感器已在航空航天以及机械领域广泛运用，然而压电作动器较小的输出位移限制了其在大位移作动场合的应用。如何通过机电设计实现压电作动器的大行程作动引起广泛关注。目前提出的柔性铰链法、位移累积法等都是增大压电作动器输出位移的方法，但是这些作动器通常结构形式复杂、零件较多、体积较大，因而也难以满足微型飞行器的操控要求。

压电复合材料是一种新型的压电作动器，其相较于压电陶瓷材料的优点在于具有较大的柔度，因而可以作为一种承受较大曲率的压电作动器；但缺点在于驱动电压较高且不对称，如MFC的作动电压为-500～1500V，一般的微型无人机上供电设备难以达到这一不对称的高驱动幅值，因而限制了其作动能力。另外根据专利US6236143B1可知，压电双晶片作动器需要产生大位移主要是要克服其横向弯曲刚度，可通过轴向预压力的施加从而减小梁的等效横向弯曲刚度，然而当施加方式不合理，如轴向力施加单元与作动器端部有较大的摩擦力，不但不能增大作动位移反而会阻碍作动，另外专利US6236143B1提出的增大压电双晶片输出位移是针对压电陶瓷双晶片，由于压电陶瓷的抗拉性能较差，因而作动器也无法达到更大的行程。

发明内容

为了克服现有压电双晶片由于材料以及供电电路对输出位移的限制，本发明的目的在于提供一种增大压电复合材料双晶片作动器输出位移的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大行程压电复合材料双晶片悬臂梁作动系统，其特征在于：包括压电复合材料双晶片悬臂梁、非对称高压供电回路；在压电复合材料双晶片悬臂梁的中间层的上下表面分别贴敷上层压电复合材料和下层压电复合材料，中间层的自由端与轴固连，轴的两端分别设置于轴承中，在左右两侧的轴承外分别套有预制卡槽轴承套，预制卡槽轴承套外壁上周向预先开设有卡槽；两条弹性带分别布置在压电复合材料双晶片悬臂梁的左右两侧，且两条弹性带的端部分别固定于固定基座上，再分别将两条弹性带中间段各箍入一个预制卡槽轴承套的卡槽内，用于对压电复合材料双晶片悬臂梁施加预压力；上层压电复合材料和下层压电复合材料的正负电极均引出导线接入非对称高压供电回路。

作为优选，所述的轴以过盈配合方式设置于轴承中。

作为优选，所述的预制卡槽轴承套以过盈配合方式套设于轴承外。