[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

说明书

技术领域

本发明属于步进式旋转压电作动器技术领域，具体涉及一种具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器及方法。

背景技术

压电作动器在航天、航空、医疗等领域已有很广泛的应用。其中步进式压电旋转作动器是通过累加由压电叠堆在沿圆周切向输出微小步距引起的相应微小转角，实现高转角分辨率及大转角行程的双向旋转运动。但以往步进式压电旋转作动器一方面受限于其松散的结构，使其压电元件所施加的旋转驱动半径偏大从而降低了转速，另一方面又受限于过多的结构零件，导致其结构及装配过程复杂且通常会引入较大的装配误差从而使得作动器作动异常，可靠性不高。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器及方法，作动器结构极为紧凑和简单且关键零件均为一体化设计，同时其转子具有更小的旋转驱动半径，使作动器在固定步进驱动频率及单步驱动位移下具有更高的转速。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，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通过两边对称设置的柔性铰链与上外围框架一体连接，上层第二钳位块9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。

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，因此可以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。

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。

一种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，所述钳位机构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。