[发明专利]一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器及方法

权利要求书

1.一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器，其特征在于：包括外壳(5)，具有一级放大特点和钳位功能的一体化驱动机构(1)，一体化驱动机构(1)包括一端固定在外壳(5)上位于x方向上的支撑臂(102)，所述支撑臂(102)另一端一体化对称设置有第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)上对称设置有实现控制钳位功能的钳位臂柔性铰链(103)，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)相连接处临近钳位臂柔性铰链(103)处安装有过盈配合的位于y方向上的第一压电堆(3)，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)端部内侧与角位移输出轴(2)接触；所述支撑臂(102)与外壳(5)固定处设置有支撑臂柔性铰链(101)，支撑臂(102)侧壁临近支撑臂柔性铰链(101)处一体化设置有位移输入机构，位移输入机构内设置有位于y方向上的第二压电堆(4)安装完成后，角位移输出轴(2)的圆心应在第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)的对称轴上，以确保作动的精确性。

2.根据权利要求1所述的一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器，其特征在于：第一压电堆(3)用来控制钳位状态，并且在解除钳位状态时，通过控制第二压电堆(4)的电压极性和幅值大小驱动第二压电堆(4)的伸长与缩短，再通过支撑臂(102)进行一级位移放大，使其中一个钳位臂的内壁与角位移输出轴(2)发生摩擦接触，带动角位移输出轴(2)向某一方向发生一个角度的旋转。

3.权利要求1所述的一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器的作动方法，其特征在于：角位移作动器的初始状态，初始状态时，第二压电堆(4)通电并处于预压紧状态，并且此时整个作动器处于平衡状态，即支撑臂柔性铰链(101)处于无变形状态，记此时初始电压为平衡电压，第一压电堆(3)处于断电状态，作动器处于钳位状态；

角位移作动器输出逆时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆(3)通一定正向电压，第一压电堆(3)在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链(103)的作用下，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂(104)与第二钳位臂(105)不再平行，并且与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆(4)所加载的电压由平衡电压正向增大至设定电压值，记为最大正向电压，使第二压电堆(4)在此电压变化的作用下伸长，其一端被螺钉(6)固定，另一端输出y方向的伸长位移，使支撑臂(102)以支撑臂柔性铰链(101)为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)发生摩擦接触，由于此时的第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)发生接触摩擦，会带动角位移输出轴(2)输出逆时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆(3)的正向电压，使第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)的张角更大，第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)再次接触；给第二压电堆(4)通的电压减小到平衡电压，一体化驱动机构(1)的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链(101)没有变形；第四步，给第一压电堆(3)断电，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)回复到初始位置，作动器处于钳位状态；至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转；

角位移作动器输出顺时针旋转时采用的步骤如下：第一步，给第一压电堆(3)通一定正向电压，第一压电堆(3)在y方向上伸长，在钳位臂柔性铰链(103)的作用下，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)与角位移输出轴(2)不再接触，钳位状态被解除，此时，第一钳位臂(104)与第二钳位臂(105)不再平行，与对称轴成一定角度；第二步，第二压电堆(4)所加载的电压由平衡电压反向减小至设定电压值，记为最大反向电压，使第二压电堆(4)在此电压变化的作用下收缩，其一端被螺钉(6)固定，另一端输出y方向的收缩位移，使支撑臂(102)以支撑臂柔性铰链(101)为支点，根据杠杆原理，第一钳位臂(104)和第二钳位臂(105)构成的钳位机构输出一个放大的位移，此时，第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)发生摩擦接触，由于此时的第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)的相对位置已经发生变化，在运动过程中，第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)发生接触摩擦，会带动角位移输出轴(2)输出顺时针方向的角位移；第三步，增大给第一压电堆(3)的正向电压，使第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)的张角更大，第一钳位臂(104)与角位移输出轴(2)再次接触；给第二压电堆(4)通的电压增大到平衡电压，一体化驱动机构(1)的对称轴回复到初始位置，支撑臂柔性铰链(101)没有变形；第四步，给第一压电堆(3)断电，第一钳位臂(104)、第二钳位臂(105)回复到初始位置，作动器处于钳位状态；至此作动器输出了一个逆时针方向的旋转运动，重复上述步骤，可实现作动器的大转角逆时针旋转。

4.根据权利要求3所述的一种具有钳位功能的双压电堆角位移作动器的作动方法，其特征在于：所述第二压电堆(4)的通电电压涉及三个参数，分别是平衡电压，最大正向电压，最大反向电压；压电材料在极化方向分别通正向、反向电压，会有极化方向上的伸长、缩短趋势，即为压电材料的逆压电效应，由于压电材料在一定条件下的伸长能力远大于缩短能力，分别对应最大正向电压和最大反向电压，故最大正向电压和最大反向电压并不关于零电压对称，为了实现顺时针、逆时针一个步进的旋转角度相等且最大化，取平衡电压为最大正向电压和最大反向电压的平均值；

给第二压电堆(4)通平衡电压时，整个作动器平衡状态，支撑臂柔性铰链(101)不发生形变；当电压从平衡电压变为最大正向电压时，第二压电堆(4)伸长，与第一压电堆(3)配合，使输出轴逆时针旋转一个角度；当电压从平衡电压变为最大反向电压时，第二压电堆(4)收缩，与第一压电堆(3)配合，使输出轴顺时针旋转一个角度；当电压在最大反向电压和最大正向电压范围内变化的时，第二压电堆的长度与所通电压为线性关系。