[发明专利]直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置及方法

权利要求书

1.一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置，其特征在于：包括作动器底座(1)，安装于底座(1)上，能够固定第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)的作动器旋转定子(2)，滚动轴承(6)嵌在作动器旋转定子(2)上侧，下部推力球轴承(7)安装在滚动轴承(6)上方，作动器旋转转子(8)下部的作动器旋转转子限位轴(8-1)安装在滚动轴承(6)和下部推力球轴承(7)内，安装在作动器旋转转子(8)上部的作动器旋转转子输出轴(8-2)上的上部推力球轴承(9)，作动器旋转转子(8)安装在下部推力球轴承(7)和上部推力球轴承(9)之间，所述第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)能够通过摩擦作动器旋转转子(8)内壁驱动作动器旋转转子(8)转动，安装在上部推力球轴承(9)上方的外壳(10)，作动器旋转转子输出轴(8-2)顶部伸出外壳(10)；

所述第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)具有完全相同的几何尺寸；第一压电陶瓷组(3)包括固定在作动器旋转定子(2)上的第一直线压电堆(3-1)，及固定在第一直线压电堆(3-1)上且与作动器旋转转子(8)内壁摩擦接触的第一剪切压电堆(3-2)；第二压电陶瓷组(4)包括固定在作动器旋转定子(2)上的第二直线压电堆(4-1)，及固定在第二直线压电堆(4-1)上且与作动器旋转转子(8)内壁摩擦接触的第二剪切压电堆(4-2)；第三压电陶瓷组(5)包括固定在作动器旋转定子(2)上的第三直线压电堆(5-1)，及固定在第三直线压电堆(5-1)上且与作动器旋转转子(8)内壁摩擦接触的第三剪切压电堆(5-2)；第一直线压电堆(3-1)、第二直线压电堆(4-1)和第三直线压电堆(5-1)能够输出直线位移，能够推动第一剪切压电堆(3-2)、第二剪切压电堆(4-2)和第三剪切压电堆(5-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，第一剪切压电堆(3-2)、第二剪切压电堆(4-2)和第三剪切压电堆(5-2)能够输出剪切位移，能够推动作动器旋转转子(8)输出转角位移；当未加电时，第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)与作动器旋转转子(8)内壁保持摩擦接触，能够钳位约束作动器旋转转子(8)，具有断电锁止功能。

2.根据权利要求1所述的一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置，其特征在于：所述滚动轴承(6)能够限制作动器旋转转子(8)径向移动，所述下部推力球轴承(7)和上部推力球轴承(9)能够承受轴向方向载荷，且能限制作动器旋转转子(8)轴向移动。

3.根据权利要求1所述的一种直线-剪切压电陶瓷配合驱动的步进旋转作动装置的作动方法，其特征在于：能够实现双向大角度旋转运动，逆时针作动步骤如下：第一步，第一剪切压电堆(3-2)通正电产生正向剪切位移，同时第三剪切压电堆(5-2)通负电产生负向剪切位移，第一直线压电堆(3-1)和第二直线压电堆(4-1)通正电伸长，推动第一剪切压电堆(3-2)和第二剪切压电堆(4-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第三直线压电堆(5-1)通负电缩短，带动第三剪切压电堆(5-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁，这是作动初始状态；第二步，作动，第一剪切压电堆(3-2)断电产生负向剪切位移，第二剪切压电堆(4-2)通负电产生负向剪切位移，同时第三剪切压电堆(5-2)通正电产生正向剪切位移，由于第一剪切压电堆(3-2)和第二剪切压电堆(4-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子(8)产生负向位移，即逆时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子(8内壁脱离的第三剪切压电堆(5-2)，则不会对作动器旋转转子(8)造成影响；第三步，换足，第三直线压电堆(5-1通正电伸长，推动第三剪切压电堆(5-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第二直线压电堆(4-1)通负电缩短，带动第二剪切压电堆(4-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁；第四步，作动，第三剪切压电堆(5-2)断电产生负向剪切位移，第一剪切压电堆(3-2)通负电产生负向剪切位移，同时第二剪切压电堆(4-2)通正电产生正向剪切位移，由于第三剪切压电堆(5-2)和第一剪切压电堆(3-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子(8)产生负向位移，即逆时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子(8)内壁脱离的第二剪切压电堆(4-2)，则不会对作动器旋转转子(8)造成影响；第五步，换足，第二直线压电堆(4-1)通正电伸长，推动第二剪切压电堆(4-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第一直线压电堆(3-1)通负电缩短，带动第一剪切压电堆(3-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁；第六步，作动，第二剪切压电堆(4-2)断电产生负向剪切位移，第三剪切压电堆(5-2)通负电产生负向剪切位移，同时第一剪切压电堆(3-2通正电产生正向剪切位移，由于第二剪切压电堆(4-2和第三剪切压电堆(5-2与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子(8)产生负向位移，即逆时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子(8)内壁脱离的第一剪切压电堆(3-2)，则不会对作动器旋转转子(8)造成影响；第七步，换足，第一直线压电堆(3-1)通正电伸长，推动第一剪切压电堆(3-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第三直线压电堆(5-1)通负电缩短，带动第三剪切压电堆(5-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁；至此作动装置恢复到作动初始状态，并且与初始状态相比，作动器旋转转子(8)在第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)的交替配合推动下向逆时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现作动器旋转转子(8)逆时针大角度旋转作动；

顺时针作动步骤如下：第一步，第一剪切压电堆(3-2)通正电产生正向剪切位移，同时第三剪切压电堆(5-2)通负电产生负向剪切位移，第二直线压电堆(4-1)和第三直线压电堆(5-1)通正电伸长，推动第二剪切压电堆(4-2)和第三剪切压电堆(5-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第一直线压电堆(3-1)通负电缩短，带动第一剪切压电堆(3-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁，这是作动初始状态；第二步，作动，第三剪切压电堆(5-2)断电产生正向剪切位移，第二剪切压电堆(4-2)通正电产生正向剪切位移，同时第一剪切压电堆(3-2)通负电产生负向剪切位移，由于第二剪切压电堆(4-2)和第三剪切压电堆(5-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子(8)产生正向位移，即顺时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子(8)内壁脱离的第一剪切压电堆(3-2)，则不会对作动器旋转转子(8)造成影响；第三步，换足，第一直线压电堆(3-1)通正电伸长，推动第一剪切压电堆(3-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第二直线压电堆(4-1)通负电缩短，带动第二剪切压电堆(4-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁；第四步，作动，第一剪切压电堆(3-2)断电产生正向剪切位移，第三剪切压电堆(5-2)通正电产生正向剪切位移，同时第二剪切压电堆(4-2)通负电产生负向剪切位移，由于第一剪切压电堆(3-2)和第三剪切压电堆(5-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动旋转转子(8)产生正向位移，即顺时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子(8)内壁脱离的第二剪切压电堆(4-2)，则不会对作动器旋转转子(8)造成影响；第五步，换足，第二直线压电堆(4-1)通正电伸长，推动第二剪切压电堆(4-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第三直线压电堆(5-1)通负电缩短，带动第三剪切压电堆(5-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁；第六步，作动，第二剪切压电堆(4-2)断电产生正向剪切位移，第一剪切压电堆(3-2)通正电产生正向剪切位移，同时第三剪切压电堆(5-2)通负电产生负向剪切位移，由于第一剪切压电堆(3-2)和第二剪切压电堆(4-2)与作动器旋转转子(8)内壁紧密接触，因此靠摩擦力带动作动器旋转转子(8)产生正向位移，即顺时针转过一微小角度，而与作动器旋转转子(8)内壁脱离的第三剪切压电堆(5-2)，则不会对作动器旋转转子(8)造成影响；第七步，换足，第三直线压电堆(5-1)通正电伸长，推动第三剪切压电堆(5-2)顶紧作动器旋转转子(8)内壁，第一直线压电堆(3-1)通负电缩短，带动第一剪切压电堆(3-2)脱离作动器旋转转子(8)内壁；至此作动器装置恢复到作动初始状态，并且与初始状态相比，作动器旋转转子(8)在第一压电陶瓷组(3)、第二压电陶瓷组(4)和第三压电陶瓷组(5)的交替配合推动下向顺时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现作动器旋转转子(8)顺时针大角度旋转作动。