本發(fā)明屬于慣性壓電作動(dòng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輕小型單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式雙向旋轉(zhuǎn)慣性作動(dòng)器及作動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

慣性式壓電作動(dòng)器是一類采用非對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、非對(duì)稱的機(jī)械夾持結(jié)構(gòu)或非對(duì)稱的摩擦力為控制方式，通過慣性沖擊運(yùn)動(dòng)形成驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

與其他類型的壓電驅(qū)動(dòng)比較，慣性壓電作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、分辨率高、大行程、運(yùn)動(dòng)速度快和成本低等主要優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大行程且同時(shí)具有納米級(jí)定位精度。因此，慣性壓電作動(dòng)器適用于需要高分辨率、大行程的場(chǎng)合。目前，科技工作者已成功將慣性壓電作動(dòng)器應(yīng)用于高精度定位機(jī)構(gòu)，多自由度驅(qū)動(dòng)器，微型機(jī)器人關(guān)節(jié)以及微操作手等領(lǐng)域。

一般地，旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動(dòng)器常常利用雙晶片作為驅(qū)動(dòng)元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強(qiáng)度低；目前在多數(shù)旋轉(zhuǎn)式慣性作動(dòng)器中，僅依靠線接觸進(jìn)行鉗位，容易因表面磨損而鉗位失效；另外，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)慣性作動(dòng)器需要較高電壓才能輸出微小步距，效率較低。

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輕小型單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式雙向旋轉(zhuǎn)慣性作動(dòng)器及作動(dòng)方法，在高頻驅(qū)動(dòng)條件下，能夠快速響應(yīng)并穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)負(fù)載雙向旋轉(zhuǎn)；此作動(dòng)器結(jié)構(gòu)新穎，易于加工，結(jié)合慣性驅(qū)動(dòng)及杠桿放大原理，具有作動(dòng)高效精準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)輕簡(jiǎn)小巧的特點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種輕小型單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式雙向旋轉(zhuǎn)慣性作動(dòng)器，包括底座14、軸承16、輸出軸13、作動(dòng)平面板1及壓電堆9；所述底座14左側(cè)設(shè)有安裝凸臺(tái)12，底座14右上角設(shè)有軸承座15，安裝于軸承座15中的軸承16內(nèi)部過盈配合有輸出軸13；底座14的安裝凸臺(tái)12上方經(jīng)安裝螺釘11固定有一體加工的作動(dòng)平面板1，該作動(dòng)平面板1由縱向板2、作動(dòng)臂3、菱形環(huán)4以及柔性鉸鏈5組成，其中作動(dòng)臂3左側(cè)經(jīng)水平柔性鉸鏈5-1與縱向板2相連，作動(dòng)臂3靠近水平柔性鉸鏈5-1端經(jīng)縱向柔性鉸鏈5-2與菱形環(huán)4一端相連，菱形環(huán)4內(nèi)部過盈配合有壓電堆9，菱形環(huán)4另一端端設(shè)有安裝通孔10，安裝螺釘11-3穿過安裝通孔10并與底座14上的安裝凸臺(tái)12螺紋連接，另外作動(dòng)臂3末端設(shè)有圓弧凹面6，該圓弧凹面6與輸出軸13同心并且兩者緊密貼合。

所述縱向板2內(nèi)部正對(duì)水平柔性鉸鏈5-1處開有調(diào)節(jié)直槽口7，調(diào)節(jié)螺釘8由縱向板2左側(cè)旋入并緊抵于調(diào)節(jié)直槽口7右壁面，改變調(diào)節(jié)螺釘8的旋入量，作動(dòng)臂3圓弧凹面6與輸出軸13之間的正壓力改變，兩者間的摩擦力隨之改變，即作動(dòng)器的鉗位力矩得到調(diào)節(jié)。所述菱形環(huán)4設(shè)置于作動(dòng)臂3靠近水平柔性鉸鏈5-1端，當(dāng)壓電堆9伸長(zhǎng)，作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1旋轉(zhuǎn)，作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6輸出位移，該位移是壓電堆9伸長(zhǎng)量經(jīng)杠桿放大后所得。

所述的輕小型單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式雙向旋轉(zhuǎn)慣性作動(dòng)器的作動(dòng)方法，未通電時(shí)，輸出軸13處于鉗位狀態(tài)；為使輸出軸13順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第一步，對(duì)壓電堆9緩慢施加電壓，壓電堆9沿其軸向緩慢伸長(zhǎng)，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6因靜摩擦力與輸出軸13軸面保持相對(duì)靜止，輸出軸13軸面隨作動(dòng)臂3的圓弧凹面6一起運(yùn)動(dòng)，并相對(duì)自身軸心產(chǎn)生一個(gè)微小的順時(shí)針切向位移，推動(dòng)輸出軸13順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度；第二步，對(duì)壓電堆9迅速降電，壓電堆9沿其軸向迅速收縮，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6與輸出軸13軸面間的靜摩擦力無法維持兩者相對(duì)靜止，輸出軸13軸面與作動(dòng)臂3的圓弧凹面6出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，在降電極短的時(shí)間內(nèi)，輸出軸13基本保持原位，由此輸出軸13保留一個(gè)順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸13連續(xù)地驅(qū)動(dòng)負(fù)載順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；類似地，為使輸出軸13逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第一步，對(duì)壓電堆9迅速施加電壓，壓電堆9沿其軸向迅速伸長(zhǎng)，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6與輸出軸13軸面間的靜摩擦力無法維持兩者相對(duì)靜止，輸出軸13軸面與作動(dòng)臂3的圓弧凹面6出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，在升電極短的時(shí)間內(nèi)，輸出軸13基本保持原位；第二步，對(duì)壓電堆9緩慢降電，壓電堆9沿其軸向緩慢縮短，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6因靜摩擦力與輸出軸13軸面保持相對(duì)靜止，輸出軸13軸面隨作動(dòng)臂3的圓弧凹面6一起運(yùn)動(dòng)，并相對(duì)自身軸心產(chǎn)生一個(gè)微小的逆時(shí)針切向位移，推動(dòng)輸出軸13逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，由此輸出軸13保留一個(gè)逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸13連續(xù)地驅(qū)動(dòng)負(fù)載逆時(shí)針旋轉(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)明的菱形環(huán)4設(shè)置于作動(dòng)臂3靠近水平柔性鉸鏈5-1端的下方，當(dāng)壓電堆9伸長(zhǎng)，作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1旋轉(zhuǎn)，作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6帶動(dòng)輸出軸13產(chǎn)生切向位移，該位移是壓電堆9的伸長(zhǎng)量經(jīng)作動(dòng)臂3利用杠桿放大原理所得，能夠有效增大輸出軸13單步的轉(zhuǎn)角，提高作動(dòng)器的作動(dòng)效率。

2)本發(fā)明的調(diào)節(jié)螺釘8由縱向板2左側(cè)旋入并緊抵于調(diào)節(jié)直槽口7右壁面，通過改變調(diào)節(jié)螺釘8的旋入量，作動(dòng)臂3圓弧凹面6與輸出軸13之間的的摩擦力隨之改變，即作動(dòng)器的鉗位力矩能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，通過慣性驅(qū)動(dòng)原理僅需單個(gè)壓電疊堆便可驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)行雙向旋轉(zhuǎn)作動(dòng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖2為本發(fā)明作動(dòng)平面板立體圖。

圖3為本發(fā)明底座立體圖。

圖4為本發(fā)明順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)序圖。

圖5為本發(fā)明逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

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

如圖1至圖3所示，本發(fā)明輕小型單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式雙向旋轉(zhuǎn)慣性作動(dòng)器，包括底座14、軸承16、輸出軸13、作動(dòng)平面板1及壓電堆9；其中底座14左側(cè)設(shè)有安裝凸臺(tái)12，底座14右上角設(shè)有軸承座15，安裝于軸承座15中的軸承16內(nèi)部過盈配合有輸出軸13；底座14的安裝凸臺(tái)12上方經(jīng)安裝螺釘11固定有一體加工的作動(dòng)平面板1，該作動(dòng)平面板1由縱向板2、作動(dòng)臂3、菱形環(huán)4以及柔性鉸鏈5組成，其中作動(dòng)臂3左側(cè)經(jīng)水平柔性鉸鏈5-1與縱向板2相連，作動(dòng)臂3靠近水平柔性鉸鏈5-1端的下方經(jīng)縱向柔性鉸鏈5-2與菱形環(huán)4上端相連，菱形環(huán)4內(nèi)部過盈配合有壓電堆9，菱形環(huán)4下端設(shè)有安裝通孔10，安裝螺釘11-3穿過安裝通孔10并與底座14上的安裝凸臺(tái)12螺紋連接，另外作動(dòng)臂3末端設(shè)有圓弧凹面6，該圓弧凹面6與輸出軸13同心并且兩者緊密貼合。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述縱向板2內(nèi)部正對(duì)水平柔性鉸鏈5-1處開有調(diào)節(jié)直槽口7，調(diào)節(jié)螺釘8由縱向板2左側(cè)旋入并緊抵于調(diào)節(jié)直槽口7右壁面，改變調(diào)節(jié)螺釘8的旋入量，作動(dòng)臂3圓弧凹面6與輸出軸13之間的正壓力改變，兩者間的摩擦力隨之改變，即作動(dòng)器的鉗位力矩得到調(diào)節(jié)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述菱形環(huán)4設(shè)置于作動(dòng)臂3靠近水平柔性鉸鏈5-1端的下方，當(dāng)壓電堆9伸長(zhǎng)，作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1旋轉(zhuǎn)，作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6輸出位移，該位移是壓電堆9伸長(zhǎng)量經(jīng)杠桿放大后所得。

如圖4和圖5所示，本發(fā)明輕小型單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式雙向旋轉(zhuǎn)慣性作動(dòng)器的作動(dòng)方法，未通電時(shí)，輸出軸13處于鉗位狀態(tài)；為使輸出軸13順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第一步，對(duì)壓電堆9緩慢施加電壓，壓電堆9沿其軸向緩慢伸長(zhǎng)，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6因靜摩擦力與輸出軸13軸面保持相對(duì)靜止，輸出軸13軸面隨作動(dòng)臂3的圓弧凹面6一起運(yùn)動(dòng)，并相對(duì)自身軸心產(chǎn)生一個(gè)微小的順時(shí)針切向位移，推動(dòng)輸出軸13順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度；第二步，對(duì)壓電堆9迅速降電，壓電堆9沿其軸向迅速收縮，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6與輸出軸13軸面間的靜摩擦力無法維持兩者相對(duì)靜止，輸出軸13軸面與作動(dòng)臂3的圓弧凹面6出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，在降電極短的時(shí)間內(nèi)，輸出軸13基本保持原位，由此輸出軸13保留一個(gè)順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸13連續(xù)地驅(qū)動(dòng)負(fù)載順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；類似地，為使輸出軸13逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第一步，對(duì)壓電堆9迅速施加電壓，壓電堆9沿其軸向迅速伸長(zhǎng)，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6與輸出軸13軸面間的靜摩擦力無法維持兩者相對(duì)靜止，輸出軸13軸面與作動(dòng)臂3的圓弧凹面6出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，在升電極短的時(shí)間內(nèi)，輸出軸13基本保持原位；第二步，對(duì)壓電堆9緩慢降電，壓電堆9沿其軸向緩慢縮短，帶動(dòng)作動(dòng)臂3繞水平柔性鉸鏈5-1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作動(dòng)臂3末端的圓弧凹面6因靜摩擦力與輸出軸13軸面保持相對(duì)靜止，輸出軸13軸面隨作動(dòng)臂3的圓弧凹面6一起運(yùn)動(dòng)，并相對(duì)自身軸心產(chǎn)生一個(gè)微小的逆時(shí)針切向位移，推動(dòng)輸出軸13逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，由此輸出軸13保留一個(gè)逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸13連續(xù)地驅(qū)動(dòng)負(fù)載逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。