[发明专利]具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器及方法

权利要求书

1.具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，其特征在于：包括钳位机构(1)和转子(2)；所述钳位机构(1)内开有长方形通槽，从而使钳位机构(1)形成对称的上层钳位结构和下层钳位结构，钳位机构(1)的上层钳位结构外围为上外围框架，其内设置有上层第一钳位块(7)和上层第二钳位块(9)，上层第一钳位块(7)和上层第二钳位块(9)分别通过两边对称设置的柔性铰链与上外围框架一体连接，两个钳位块均开有半圆孔，两个半圆孔形成一个上层圆孔，所形成的上层圆孔两侧并列设置有上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)的一端与上层第一钳位块(7)接触，其另一端设置有通过柔性铰链与上层第二钳位块(9)连为一体的上层垫片(11)，上层垫片(11)的一端与上钳位压电堆(3)和上钳位压电堆(4)接触，其另一端设置有上层预紧顶丝(13)，上层预紧顶丝(13)与上层第二钳位块(9)通过螺纹连接，钳位机构(1)的上外围框架上与上层预紧顶丝(13)相应的位置开有通孔，以便从外侧调整上层预紧顶丝(13)从而给上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)提供所需预紧力，对称地，下层钳位结构中的下层第一钳位块(8)、下层第二钳位块(10)及二者形成的下层圆孔、下左钳位压电堆(5)、下右钳位压电堆(6)、下层垫片(12)及下层预紧顶丝(14)均具有同上层钳位结构完全相同的设置；转子(2)采用过盈配合方式穿过钳位机构(1)的上层圆孔和下层圆孔，所述转子(2)分为上转体(15)和下转体(16)，上转体(15)一端一体连接有驱动负载的输出杆，其另一端圆周位置一体设置有两个凸块，同时其中心位置一体连接有十字形柔性铰链(17)，十字形柔性铰链(17)的另一端一体连接有下转体(16)，下转体(16)在有十字形柔性铰链(17)的一端的圆周位置一体设置有两个凸块，十字形柔性铰链(17)的两侧采用过盈配合方式对称设置有左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)，左驱动压电堆(18)的一端与上转体(15)的凸块接触，其另一端与下转体(16)的凸块接触，右驱动压电堆(19)的一端与上转体(15)的凸块接触，其另一端与下转体(16)的凸块接触。

2.根据权利要求1所述的具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，其特征在于：所述钳位机构(1)的上层钳位结构及下层钳位结构具有完全对称的结构且为一体化设计，因此能够采用高精度慢走丝线切割工艺进行一体化加工，从而使其结构更加简单且不会引入装配误差。

3.根据权利要求1所述的具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，其特征在于：所述转子(2)中上转体(15)、下转体(16)及十字柔性铰链(17)为一体化设计，使其结构更加简单，另外其左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)所在位置临近旋转驱动中心，从而使驱动压电堆的单步输出位移所能引起的单步转角较大，因此在固定步进驱动频率下能达到更高的转速。

4.具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器驱动负载的方法，其特征在于：钳位机构(1)的上层钳位结构中的上层第一钳位块(7)和上层第二钳位块(9)的两边均设计有柔性铰链，当上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)加电伸长时，各柔性铰链产生弹性变形，使得钳位机构(1)的上层圆孔张开一定距离，此时转子(2)的上转体(15)处于解锁状态；当上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)掉电回缩时，钳位机构(1)的上层圆孔闭合，由于过盈配合使得上层圆孔将转子(2)的上转体(15)抱紧，此时处于钳位状态；左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)加电伸长时，驱动转子(2)的上转体(15)相对下转体(16)顺时针转过一个角度并驱动负载，此时输出正向扭矩，同时连接上转体(15)和下转体(16)的十字形柔性铰链(17)产生扭转弹性变形；当左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)掉电回缩时，十字形柔性铰链(17)回弹驱动转子(2)的上转体(15)相对下转体(16)逆时针转过一个角度并驱动负载，此时输出负向扭矩；所述钳位机构(1)的下层钳位结构的驱动方法同其上层钳位结构的驱动方法。

5.根据权利要求4所述的驱动负载的方法，其特征在于：具体为：初始状态为上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)、下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)以及左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)均处于掉电状态，此时转子(2)处于钳位状态；为使转子(2)输出正向扭矩及实现顺时针旋转，第一步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)通电伸长使得钳位机构(1)的上层钳位结构解锁；第二步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)通电伸长驱动转子(2)的上转体(15)顺时针转过一个角度，同时转子(2)中连接上转体(15)和下转体(16)的十字形柔性铰链(17)产生扭转弹性变形；第三步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)掉电回缩使得钳位机构(1)的上层钳位结构钳位；第四步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)通电伸长使得钳位机构(1)的下层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)掉电回缩，转子(2)中的十字形柔性铰链(17)的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子(2)的下转体(16)顺时针转动一个角度；第六步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)掉电回缩使得钳位机构(1)的下层钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子(2)以步进方式输出正向扭矩并驱动负载实现连续顺时针旋转运动；为使转子(2)逆时针旋转及输出负向扭矩，第一步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)通电伸长使得钳位机构(1)的下层钳位解锁；第二步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)通电伸长驱动转子(2)的下转体(16)逆时针转过一个角度，同时转子(2)中连接上转体(15)和下转体(16)的十字形柔性铰链(17)产生扭转弹性变形；第三步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)掉电回缩使得钳位机构(1)的下层钳位结构钳位；第四步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)通电伸长使得钳位机构(1)的上层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)掉电回缩，转子(2)中的十字形柔性铰链(17)的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子(2)的上转体(15)并驱动负载逆时针转动一个角度；第六步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)掉电回缩使得钳位机构(1)的上层钳位结构钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子(2)以步进方式输出负向扭矩并驱动负载实现连续逆时针旋转运动。