[发明专利]基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机及控制方法

权利要求书

1.一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，其特征在于：该舵机包括底座(1)、角度调节机构(5)、十字梁双稳态装置(6)以及与十字梁双稳态装置(6)相连接的舵片(12)；角度调节机构(5)包括弹性元件(2)、调节螺钉(3)以及楔面相互接触的滑动楔块(4-1)和固定楔块(4-2)，其中弹性元件(2)通过前端凹槽与底座(1)固接，弹性元件(2)前后两端内壁分别与滑动楔块(4-1)和固定于底座(1)上的固定楔块(4-2)垂直面紧密接触，调节螺钉(3)穿过滑动楔块(4-1)并通过螺纹连接于底座(1)；十字梁双稳态装置(6)纵向两端分别通过第一固定块(7-1)和第二固定块(7-2)安装于底座上方，其中第一固定块(7-1)纵向过盈内嵌于弹性元件(2)后端凹槽，第二固定块(7-2)固定于底座上方；十字梁双稳态装置(6)主要由十字连接的纵梁(8)和水平梁(9)组成，纵梁(8)由第一柔性梁(8-1)、第二柔性梁(8-2)、第一刚性梁(8-3)以及第三柔性梁(8-4)依次构成，水平梁(9)位于第一柔性梁(8-1)和第二柔性梁(8-2)之间，由结构和尺寸相同的第一水平刚性梁(9-1)和第二水平刚性梁(9-2)构成，第一水平刚性梁(9-1)和第二水平刚性梁(9-2)的外端两侧分别固定有第一压电堆(11-1)和第二压电堆(11-2)，第一压电堆(11-1)和第二压电堆(11-2)另一侧分别固接有第一惯性块(10-1)和第二惯性块(10-2)；舵片(12)连接在水平梁(9)上部；舵机装配完成后，角度调节机构(5)对十字梁双稳态装置(6)施加纵向预压力，纵梁(8)中的柔性梁受压变形并导致水平梁(9)绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆(11-1)和第二压电堆(11-2)的通断电进行控制，由此随水平梁(9)运动的舵片(12)实现姿态调整；最后为保证舵机的平稳运行，将固定螺钉(14)穿过第一固定块(7-1)的通孔并旋入底座(1)中，以固定调整后的第一固定块(7-1)位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，其特征在于：所述第一柔性梁(8-1)、第二柔性梁(8-2)、第三柔性梁(8-4)和弹性元件(2)均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变形；所述第一刚性梁(8-3)、第一水平刚性梁(9-1)和第二水平刚性梁(9-2)的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度大且能抵御外力。

3.根据权利要求1所述的一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，其特征在于：所述角度调节机构(5)中的滑动楔块(4-1)夹紧于弹性元件(2)前端内壁和固定楔块(4-2)的楔面之间，当向下旋转调节螺钉(3)预设距离时，其螺帽带动滑动楔块(4-1)沿楔面向下运动，滑动楔块(4-1)和固定楔块(4-2)增加的纵向尺寸导致弹性元件(2)前后两端内壁相互远离，使得嵌于弹性元件(2)后端凹槽的第一固定块(7-1)受到纵向挤压并施以十字梁双稳态装置(6)预设预压力，该预压力导致纵梁(8)中的第一柔性梁(8-1)，第二柔性梁(8-2)以及第三柔性梁(8-4)弹性变形，该变形对应于水平梁(9)绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉(3)改变双稳态状态即舵机角度的功能。

4.权利要求1所述基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机的控制方法，其特征在于：首先，安装时，通过调节螺钉(3)对十字梁双稳态装置(6)施加预压力，水平梁(9)绕十字中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使水平梁(9)顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对第二压电堆(11-2)快速升至满行程电压，第二压电堆(11-2)快速伸长带动第二惯性块(10-2)产生惯性力，使得第一水平刚性梁(9-1)端部和第二水平刚性梁(9-2)端部形成顺时针力偶，该力偶导致水平梁(9)顺时针转动并经过平衡状态后转换至第二稳态，转换完成后对第二压电堆(11-2)缓慢断电，此时第二惯性块(10-2)产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第二稳态在断电情况下得到保持；同理，为使水平梁(9)逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对第一压电堆(11-1)快速升至满行程电压，第一压电堆(11-1)快速伸长带动第一惯性块(10-1)产生惯性力，使得第一水平刚性梁(9-1)端部和第二水平刚性梁(9-2)端部形成逆时针力偶，该力偶导致水平梁(9)逆时针转动并经过平衡状态后转换至第一稳态，转换完成后对第一压电堆(11-1)缓慢断电，此时第一惯性块(10-1)产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第一稳态在断电情况下得到保持；如此便可实现舵机的双向大角度控制。