[发明专利]一种压电驱动的摆动鳍及其工作方式

权利要求书

1.一种压电驱动的摆动鳍，其特征在于，包括支架导轨、压电作动器、弹性薄板、第一连接杆、第二连接杆、固定件和摆动鳍；

所述支架导轨包含依次相连的第一夹持段、第一连接段、第一工作段、第二工作段、第三工作段、第二连接段、第二夹持段；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段均为圆弧段，其中，所述第一、第三工作段结构相同，对称设置在第二工作段两端；第一工作段的半径小于第二工作段的半径；所述第一连接段和第二连接段、第一夹持段和第二夹持段均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；所述第一、第二夹持段相互平行设置且通过螺栓固定，将所述弹性薄板的一端夹持固定在其中；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段的开口方向均指向第一夹持段，形成了配合压电作动器工作的工作轨道；

所述压电作动器包含第一基体、第二基体、预紧弹簧、第一双晶片和第二双晶片；

所述第一基体为柱体，其上端面设有第一V形槽；所述第二基体包含连接部和驱动部，所述连接部为柱体，所述驱动部为面积从上至下逐渐变小的变幅杆，连接部的下端面和驱动部的上端面形状相同且同轴固连；

所述第一双晶片、第二双晶片结构相同，平行设置在第一基体、第二基体的驱动部之间，两端分别和第一基体、第二基体的驱动部固连，且第一双晶片和第二双晶片关于第一V形槽的对称面对称；第一双晶片上两个压电陶瓷片和第二双晶片上两个压电陶瓷片的极化方向均相同；

所述预紧弹簧设置在第一双晶片和第二双晶片之间，一端和第一基体固连，另一端和第二基体固连，成拉伸状态；

所述弹性薄板一端夹持在所述第一夹持段、第二夹持段之间，另一端抵在压电作动器第一基体上的第一V形槽内，呈压缩状态，使得压电作动器第二基体的下端作为作动头抵住所述工作轨道的内壁；

所述第一连接杆、第二连接杆分别设置在所述工作轨道两侧，均一端和所述第二基体连接部固连、另一端通过所述固定件和所述摆动鳍固连。

2.根据权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍，其特征在于，所述弹性薄板采用65Mn弹簧钢带制成。

3.根据权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍，其特征在于，所述支架导轨采用铝合金、钛合金、金属玻璃中的任意一种制成。

4.根据权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍，其特征在于，所述第一基体、第二基体均采用金属玻璃或磷青铜制成。

5.基于权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍的推进方法，其特征在于，包含以下步骤：

在预紧弹簧拉力的作用下，第一双晶片、第二双晶片均朝内对称弯曲；

如果需要波动推进：

给所述第一双晶片、第二双晶片施加同频的驱动信号A、驱动信号B，调整驱动信号A、驱动信号B使其相位差为180度；当驱动信号A为正时，驱动信号B为负，第一双晶片、第二双晶片对称回复成平直状态；当驱动信号A为负时，驱动信号B为正，第一双晶片、第二双晶片加大弯曲程度；第一双晶片、第二双晶片在弯曲和平直两个状态下来回切换，激发压电作动器使其纵向振动，压电作动器和工作轨道的内壁保持倾斜接触，压电作动器第二基体的作动头不断和工作轨道的内壁进行斜碰撞、脱离，产生摩擦；压电作动器依靠第二基体的作动头的不断摩擦，与支架导轨发生相对运动，具体运动的周期过程如下：

步骤1），压电作动器带动摆动鳍由第二工作段朝第一工作段行进；摆动鳍拨水时克服水的阻力；

步骤2），压电作动器带动摆动鳍从第二工作段进入到第一工作段中；此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第一工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤3），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第一工作段顺时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤1）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤4），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第一工作段朝第二工作段行进；

步骤5），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第一工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

步骤6），压电作动器在第二工作段上朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水；

步骤7），压电作动器带动尾部摆动鳍从第二工作段进入到第三工作段中，此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第三工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤8），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第三工作段逆时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤7）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤9），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第三工作段朝第二工作段行进；

步骤10），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第三工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

如果需要俯身推进：

给所述第一双晶片施加驱动信号A，第二双晶片不施加驱动信号，当驱动信号A为正时，第一双晶片回复平直状态，第二双晶片保持弯曲，当驱动信号A为负时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力小、下摆动时水动反力大，实现潜航器俯身推进；

如果需要仰身推进方法：

给所述第二双晶片施加驱动信号B，第一双晶片不施加驱动信号，当驱动信号B为负时，第二双晶片回复平直状态，第一双晶片保持弯曲；当驱动信号B为正时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力大、下摆动时水动反力小，实现潜航器仰身推进。