本發(fā)明屬于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置，具體涉及一種人字結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)式角位移壓電作動(dòng)器及方法。

背景技術(shù)：

壓電驅(qū)動(dòng)裝置是基于壓電材料具有的逆壓電效應(yīng)，在國防、航天航空和機(jī)械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在直線微位移控制方面具有線性好、高分辨率、大驅(qū)動(dòng)力、易于控制等優(yōu)異特性，然而，壓電材料作動(dòng)行程短小，難以實(shí)現(xiàn)大行程輸出，尤其是大轉(zhuǎn)角的扭矩輸出更難實(shí)現(xiàn)。因此，需要一種精度高、驅(qū)動(dòng)行程大的步進(jìn)式角位移作動(dòng)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種人字結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)式角位移壓電作動(dòng)器及方法，利用壓電陶瓷的相互配合實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式的大行程角位移輸出，并且采用菱形環(huán)實(shí)現(xiàn)斷電鎖止功能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，小步距步進(jìn)，作動(dòng)精度高，驅(qū)動(dòng)行程大，能夠斷電鎖止并實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種人字結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)式角位移壓電作動(dòng)器，包括圓周軌道的底座2，通過支柱與底座2固定的上擋板1，安裝在底座2上且與之同心的可自由旋轉(zhuǎn)的輸出軸3，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5，安裝在人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部的壓電陶瓷4，安裝在人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5下部兩端的用于鎖止的第一菱形環(huán)(6-1和第二菱形環(huán)6-2以及第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2內(nèi)部的第一壓電陶瓷7-1和第二壓電陶瓷7-2；安裝完成后，當(dāng)其內(nèi)部的第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2不通電時(shí)，第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2與上擋板1和底座2間為緊配合，來保證第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2與第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2組成的鎖止機(jī)構(gòu)在斷電時(shí)有效鎖止。

所述人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5為一體加工而成包括與輸出軸3同心且抱死的夾緊機(jī)構(gòu)501，通過柔性鉸鏈502與夾緊機(jī)構(gòu)501連接的第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504，以及通過柔性鉸鏈502與第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504分別連接的第一滑塊505和第二滑塊506，所述第一滑塊505和第二滑塊506與底座2的軌道相切，在未鎖止?fàn)顟B(tài)下，可以在軌道上發(fā)生自由滑動(dòng)；所述夾緊機(jī)構(gòu)501的中心軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，在滑動(dòng)摩擦力的作用下，帶動(dòng)輸出軸3繞其軸心旋轉(zhuǎn)同樣的角度；第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504分別用來推動(dòng)第一滑塊505和第二滑塊506在底座軌道2上滑動(dòng)。

所述人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504末端安裝了由橫放的第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2以及第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2組成的鎖止機(jī)構(gòu)，其長軸與底座2和上擋板1平行，短軸在第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2斷電狀態(tài)時(shí)的長度大于底座2與上擋板1之間的距離，故具有了斷電鎖止功能。

所述一種人字結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)式角位移壓電作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)作動(dòng)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出軸3的雙向步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)；初始狀態(tài)時(shí)壓電陶瓷4、第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2均不帶電，通過第一菱形環(huán)6-1、第二菱形環(huán)6-2與底座2和上擋板1之間的摩擦力，作動(dòng)器處于鎖止?fàn)顟B(tài)；

旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出軸3輸出一個(gè)逆時(shí)針角度時(shí)的驅(qū)動(dòng)方案如下：第一步，給第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2通電，使第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2長軸伸長，短軸收縮，脫離了與底座2和上擋板1之間的摩擦接觸，從而解除作動(dòng)器的鎖止?fàn)顟B(tài)，于是人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第一滑塊505和第二滑塊506具有了在底座2的軌道上滑動(dòng)的能力；第二步，給壓電陶瓷4通電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部產(chǎn)生膨脹，通過柔性鉸鏈502作用于第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504，兩臂張角擴(kuò)大，推動(dòng)第一滑塊505和第二滑塊506在底座2的軌道上分別在順時(shí)針和逆時(shí)針方向上運(yùn)動(dòng)；第三步，對第二鎖止壓電陶瓷7-2斷電，第二菱形環(huán)6-2長軸縮短，短軸伸長至初始狀態(tài)，與底座2和上擋板1發(fā)生摩擦接觸，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第二作動(dòng)臂504末端的第二滑塊506被鎖止，此時(shí)柔性鉸鏈502處于拉伸狀態(tài)；第四步，給壓電陶瓷4斷電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部復(fù)原，整個(gè)結(jié)構(gòu)有回到初始狀態(tài)的趨勢，柔性鉸鏈502在恢復(fù)過程中，第一作動(dòng)臂503在柔性鉸鏈502的作用下發(fā)生逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)，它與第二作動(dòng)臂504的張角也恢復(fù)初始角度，兩臂的中心線繞底座2即輸出軸3圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，夾緊機(jī)構(gòu)501抱住輸出軸3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相同的角度；第五步，第一鎖止壓電陶瓷7-1斷電，第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2此時(shí)均被鎖止，整個(gè)作動(dòng)器處于鎖止?fàn)顟B(tài)；至此，角位移壓電作動(dòng)器輸出一個(gè)逆時(shí)針方向上的步進(jìn)角度；重復(fù)上述五個(gè)步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出軸3在逆時(shí)針方向上的步進(jìn)式大轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)；

旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出軸3輸出一個(gè)順時(shí)針角度時(shí)的驅(qū)動(dòng)方案如下：第一步，給第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2通電，推動(dòng)第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2長軸伸長，短軸收縮，脫離了與底座2和上擋板1之間的摩擦接觸，從而解除作動(dòng)器的鎖止?fàn)顟B(tài)，于是人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第一滑塊505和第二滑塊506具有了在底座2的軌道上滑動(dòng)的能力；第二步，給壓電陶瓷4通電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部產(chǎn)生膨脹，通過柔性鉸鏈502作用于第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504，兩臂張角擴(kuò)大，推動(dòng)第一滑塊505和第二滑塊506在底座軌道2上分別在順時(shí)針和逆時(shí)針方向上運(yùn)動(dòng)；第三步，對第一鎖止壓電陶瓷7-1斷電，第一菱形環(huán)6-1長軸縮短，短軸伸長至初始狀態(tài)，與底座2和上擋板1發(fā)生摩擦接觸，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第一作動(dòng)臂503末端的第一滑塊505被鎖止，此時(shí)柔性鉸鏈502處于拉伸狀態(tài)；第四步，給壓電陶瓷4斷電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部復(fù)原，整個(gè)結(jié)構(gòu)有回到初始狀態(tài)的趨勢，柔性鉸鏈502在恢復(fù)過程中，第二作動(dòng)臂504在柔性鉸鏈502的作用下發(fā)生順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)，它與第一作動(dòng)臂503的張角也恢復(fù)初始角度，兩臂的中心線繞底座2即輸出軸3圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，夾緊機(jī)構(gòu)501抱住輸出軸3順指針旋轉(zhuǎn)相同的角度；第五步，第二鎖止壓電陶瓷7-2斷電，第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2此時(shí)均被鎖止，整個(gè)作動(dòng)器處于鎖止?fàn)顟B(tài)；至此，角位移壓電作動(dòng)器輸出一個(gè)順時(shí)針方向上的步進(jìn)角度；重復(fù)上述五個(gè)步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出軸3在順時(shí)針方向上的步進(jìn)式大轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明采用菱形環(huán)實(shí)現(xiàn)斷電鎖止功能，節(jié)能環(huán)保。

2)本發(fā)明通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高精度、大行程輸出。

3)本發(fā)明采用人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明作動(dòng)裝置的爆炸示意圖(隱藏螺栓)。

圖2為本發(fā)明人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)俯視圖。

圖3為本發(fā)明中鎖止機(jī)構(gòu)的安裝方式。

圖4為本發(fā)明逆時(shí)針步進(jìn)一個(gè)角位移的作動(dòng)原理的簡單示意圖，圖4(a)為作動(dòng)器初始狀態(tài)，圖4(b)為壓電陶瓷4通電后人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部膨脹時(shí)的狀態(tài)，圖4(c)為輸出一個(gè)角位移之后的狀態(tài)。其中L2與L1的差值是壓電陶瓷4通電時(shí)的伸長長度，β是輸出的角位移，大圓的圓心既是底座2的圓心，也是輸出軸3的圓心。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1、圖2和圖4所示，旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出軸3輸出一個(gè)逆時(shí)針角度時(shí)的驅(qū)動(dòng)方案如下：第一步，給第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2通電，使第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2長軸伸長，短軸收縮，脫離了與底座2和上擋板1之間的摩擦接觸，從而解除作動(dòng)器的鎖止?fàn)顟B(tài)，于是人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第一滑塊505和第二滑塊506具有了在底座軌道2上滑動(dòng)的能力，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5處于初始狀態(tài)，如圖4(a)；第二步，給壓電陶瓷4通電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部產(chǎn)生膨脹，通過柔性鉸鏈502作用于第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504，兩臂張角擴(kuò)大，推動(dòng)第一滑塊505和第二滑塊506在底座2軌道上順時(shí)針和逆時(shí)針方向的運(yùn)動(dòng)，如圖4(b)；第三步，對第二鎖止壓電陶瓷7-2斷電，第二菱形環(huán)6-2長軸縮短，短軸伸長至初始狀態(tài)，與底座2和上擋板1發(fā)生摩擦接觸，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第二作動(dòng)臂504末端的第二滑塊506被鎖止，此時(shí)柔性鉸鏈502處于拉伸狀態(tài)，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5仍處于圖4(b)狀態(tài)；第四步，給壓電陶瓷4斷電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部復(fù)原，整個(gè)結(jié)構(gòu)有回到初始狀態(tài)的趨勢，柔性鉸鏈502在恢復(fù)過程中，第一作動(dòng)臂503在柔性鉸鏈502的作用下發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，它與第二作動(dòng)臂504的張角也恢復(fù)初始角度，兩臂的中心線繞底座2即輸出軸3圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，夾緊機(jī)構(gòu)501抱住輸出軸3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相同的角度，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5再次處于初始狀態(tài)，如圖4(c)；第五步，第一鎖止壓電陶瓷7-1斷電，第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2此時(shí)均被鎖止，整個(gè)作動(dòng)器處于鎖止?fàn)顟B(tài)。至此，角位移作動(dòng)器輸出一個(gè)逆時(shí)針方向上的步進(jìn)角度。重復(fù)上述五個(gè)步驟，可實(shí)現(xiàn)輸出軸3在逆時(shí)針方向上的步進(jìn)式大轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)。

如圖1和圖2所示，旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出軸3輸出一個(gè)順時(shí)針角度時(shí)的驅(qū)動(dòng)方案如下：第一步，給第一鎖止壓電陶瓷7-1和第二鎖止壓電陶瓷7-2通電，推動(dòng)第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2長軸伸長，短軸收縮，脫離了與底座2和上擋板1之間的摩擦接觸，從而解除作動(dòng)器的鎖止?fàn)顟B(tài)，使人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第一滑塊505和第二滑塊506具有了在底座軌道2上滑動(dòng)的能力；第二步，給壓電陶瓷4通電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部產(chǎn)生膨脹，通過柔性鉸鏈502作用于第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504，兩臂張角擴(kuò)大，推動(dòng)第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504在底座軌道2上順時(shí)針和逆時(shí)針方向上的運(yùn)動(dòng)；第三步，對第一鎖止壓電陶瓷7-1斷電，第一菱形環(huán)6-1長軸縮短，短軸伸長至初始狀態(tài)，與底座2和上擋板1發(fā)生摩擦接觸，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的第一作動(dòng)臂503末端的第一滑塊505被鎖止，此時(shí)柔性鉸鏈502處于拉伸狀態(tài)；第四步，給壓電陶瓷4斷電，人字型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5上部復(fù)原，整個(gè)結(jié)構(gòu)有回到初始狀態(tài)的趨勢，柔性鉸鏈502在恢復(fù)過程中，第二作動(dòng)臂504在柔性鉸鏈502的作用下發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，它與第一作動(dòng)臂503的張角也恢復(fù)初始角度，兩臂的中心線繞底座2即輸出軸3圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，夾緊機(jī)構(gòu)501抱住輸出軸3順指針旋轉(zhuǎn)相同的角度；第五步，第二鎖止壓電陶瓷7-2斷電，第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2此時(shí)均被鎖止，整個(gè)作動(dòng)器處于鎖止?fàn)顟B(tài)。至此，角位移作動(dòng)器輸出一個(gè)順時(shí)針方向上的步進(jìn)角度。重復(fù)上述五個(gè)步驟，可實(shí)現(xiàn)輸出軸3在順時(shí)針方向上的步進(jìn)式大轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)。

如圖3所示，本發(fā)明中，第一作動(dòng)臂503和第二作動(dòng)臂504分別與第一菱形環(huán)6-1和第二菱形環(huán)6-2的安裝方式為螺栓8固定，但需要說明的是，本安裝方式只是為了實(shí)現(xiàn)作動(dòng)效果的其中一種方式，而非對實(shí)施方式的限定，在上述說明的基礎(chǔ)上可以做出其他形式的變化和改進(jìn)，在這里無法盡述所有安裝方式；類似的，對第一滑塊505和第二滑塊506外形的設(shè)計(jì)也并非限定于本發(fā)明所述形狀，無法對滿足滑動(dòng)條件的滑塊的眾多外形設(shè)計(jì)予以窮舉。因而，由此引申的顯而易見的變化和等同替換等應(yīng)處于本申請的保護(hù)范圍之中。