[发明专利]基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法

说明书

一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法，该结构形状调节机构包括被调节结构，支座和n个相同的压电作动器；n个压电作动器的法兰盘固定安装在支座的n个作动器安装孔上，n个压电作动器各自的输出杆与被调结构的底部固连；压电作动器的上套筒和下套筒通过法兰盘连为一体，波纹预紧环设置在上、下套筒连接形成的空腔内并固定在下套筒上底端，波纹预紧环顶端伸出的输出杆从上套筒中心通孔穿出；压电堆底端粘接有垫片并设置在波纹预紧环中，旋紧或旋松波纹预紧环底部中心的预紧顶丝可对压电堆进行不同程度地预紧。本发明还提供结构形状调节后可断电保形的驱动方法；本发明能实现在驱动电源电压为零时被调结构的目标形状仍能保持。

技术领域

本发明属于航天结构高精度调节技术领域，具体涉及一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法。

背景技术

空间结构形状调节是大尺寸天线/镜片实现在轨高精度面型保持的关键技术，该技术是在空间结构上布置一定数量的压电作动器，通过各作动器输出特定位移来调节空间结构形状，从而补偿服役环境温度变化与材料蠕变导致的结构形状变化，实现结构的高精度保形，然而，受限于压电材料在断电后其输出位移无法保持的特性，传统的基于压电驱动的空间天线/镜片形状调节技术为实现形状保持通常采用两种方法，方法一：为所有压电作动器单独设置一路功率驱动通道，所有通道持续加电实现形状保持；方法二：采用依靠摩擦机构实现位移锁止的压电作动器，从而获得断电后结构形状的保持能力。方法一造成驱动电路体积大、质量重、功耗高，方法二会使得结构复杂、体积大、质量重、可靠性低，受限于航天运载能力，上述两种方法的不足均极大地限制了空间结构形状调节技术的在轨应用，阻碍了大尺寸高精度天线/镜片的研制进程。

发明内容

为了解决传统基于压电驱动的天线/镜片形状调节技术所面临的体积大、质量重，可靠性低等不足，本发明的目的在于提供一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构与断电保形方法，本发明天线型面调节机构与断电保形方法基于压电材料的力电耦合效应，采用一路驱动电源分时切换至多个压电作动器的驱动策略，利用压电材料电容储存电荷的特性完成物理断开驱动电源时保持压电材料的充电电压，使得压电作动器的输出位移可断电保持，进而实现天线型面的断电保形。该方法所述压电作动器没有额外的摩擦锁止机构，且所述驱动电源只需一路，因此，相比于已有结构形状调节技术其系统体积更小、质量更轻、可靠性更高。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于压电充放电原理的结构形状调节机构，包括被调节结构1，支座2和n个压电作动器3；所述支座2上均匀开有n个相同的作动器安装孔；n个所述压电作动器3具有完全相同的结构并安装在支座2上的作动器安装孔中，压电作动器3各自的输出杆3-4-1与被调节结构1的底部固连；每个压电作动器的正驱动端连接一个簧片继电器J的一端，每个簧片继电器J另一端并行连接电源V_DD的正端，每个压电作动器3的负驱动端并行连接电源V_DD的负端并作为电源的地参考点GND；

所述压电作动器3包括下套筒3-1、上套筒3-2、波纹预紧环3-4、压电堆3-5和预紧顶丝3-6；所述下套筒3-1和上套筒3-2连接，下套筒3-1和上套筒3-2连接后形成的空腔内设置有波纹预紧环3-4，所述波纹预紧环3-4左右两侧为波纹形柔性结构，顶端中心设有输出杆3-4-1穿出上套筒3-2，波纹预紧环3-4内放置压电堆3-5，压电堆3-5顶部和底部分别与波纹预紧环3-4内顶部和底部接触；所述下套筒3-1底端中心设置有中心通孔3-1-3，所述波纹预紧环3-4底端中心设有与中心通孔3-1-3圆心对齐的中心螺纹通孔3-4-3，所述预紧顶丝3-6穿入圆心对齐的中心螺纹通孔3-4-3和中心通孔3-1-3，顶端与压电堆3-5接触，通过旋入或旋出预紧顶丝3-6调节压电堆3-5在波纹预紧环3-4内的预紧程度；所述下套筒3-1对侧设有前出线孔3-1-4和后出线孔3-1-5，所述压电堆3-5的正端引线从下套筒3-1的前出线孔3-1-4引出成为压电作动器的正驱动端，压电堆3-5的负端引线从下套筒3-1的后出线孔3-1-5引出成为压电作动器的负驱动端。