含有h型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法
含有h型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过压电陶瓷驱动的作动装置，具体涉及一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来压电驱动装置不断发展，支持了国防、航天，机械制造等重要工业的发展建设，也衍生出了品种繁多的压电作动装置，然而受制于压电材料作动行程小的缺点，压电陶瓷作动器难以实现大行程输出，特别是大转角的扭矩输出更难实现。因此迫切需要一种结构简单轻便，驱动行程大，分辨率高的步进式旋转作动装置。
【发明内容】
[0003]为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法，使用三个压电陶瓷相互配合实现大角度的旋转运动，并且采用菱形环实现作动器断电锁止，具有结构重量轻，体积小，能够输出大扭矩、大转角，断电自锁功耗低的特点。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0005]—种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，包括底座1，安装于底座1上并能够自由旋转的输出轴2，分别通过柔性铰链与输出轴2连接的第一作动臂3-1和第二作动臂3-2，连接于第一作动臂3-1—端的第一菱形环4-1，连接于第二作动臂3-2与第一作动臂3-1相对应端的第二菱形环4-2，分别安装在第一菱形环4-1和第二菱形环4-2内部的第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2，连接于第一作动臂3-1和第二作动臂3-2另一端之间的压电陶瓷6，以及通过支柱与底座1相连接的上部顶盖7;所述第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的长轴一端分别与第一作动臂3-1和第二作动臂3-2连接;所述第一作动臂3-1和第二作动臂3-2与输出轴2共同构成“Η”型结构;安装完成后底座1与上部顶盖7之间的距离小于第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的短轴长度即横向长度，以保证第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2在断电情况下结构实现对输出轴2旋转运动的锁止。
[0006]使用长轴与水平面平行即横向放置的第一菱形环4-1和第二菱形环4-2进行锁止，且具有断电锁止功能。
[0007]上述所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置实现大扭矩步进式旋转作动的方法，能实现双向旋转运动输出；结构初始状态第一压电陶瓷5-1、第二压电陶瓷5-2和压电陶瓷6都处于断电状态，通过第一菱形环4-1、第二菱形环4-2与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触锁止输出轴2;
[0008]旋转作动装置驱动输出轴逆时针旋转时采用如下步骤:第一步，第一压电陶瓷5-1通电，推动第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第一压电陶瓷5-1通电，压电陶瓷6通电，推动第一作动臂3-1上的柔性铰铰发生转动、第一菱形环4-1和第一压电陶瓷5-1在第一作动臂3-1带动下向逆时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第一作动臂3-1上的柔性铰链仍保持弹性变形；第四步，第二压电陶瓷5-2通电，第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第一作动臂3-1柔性铰链弹性回复力的驱动下沿逆时针方向发生转，同时第二作动臂3-2、第二菱形环4-2以及第二压电陶瓷5-2也将向逆时针方向产生位移;第五步，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动装置恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之外，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转；
[0009]旋转作动装置驱动输出轴顺时针旋转时采用如下步骤:第一步，第二压电陶瓷5-2通电，推动第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第二压电陶瓷5-2通电，压电陶瓷6通电，推动第二作动臂3-2上的柔性铰链发生转动、第二菱形环4-2、第二压电陶瓷5-2在第二作动臂3-2带动下向顺时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第二作动臂3-2上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第一压电陶瓷5-1通电，第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第二作动臂3-2柔性铰链弹性回复力的驱动下沿顺时针方向发生转动，同时第一作动臂3-1、第一菱形环4-1以及第一压电陶瓷5-1也将向顺时针方向产生位移;第五步，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动器恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之夕卜，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转。
[0010]与现有技术相比，本发明具有下述优势:
[0011]1、与传统的单纯的电机驱动装置相比，本发明通过压电陶瓷推动驱动，能够实现高精度大扭矩输出。
[0012]2、采用步进的方式实现转角输出，在充分发挥压电陶瓷作动精度高的基础上实现双向大转角旋转运动。
[0013]3、采用菱形环进行锁止，在放大压电陶瓷作动位移、提高锁止可靠性的同时，具有断电自锁功能，因此作动器功耗低，节能环保。
[0014]4、作动器结构简单，便于加工安装。
【附图说明】
[0015]图1为本发明作动装置的爆炸示意图。
[0016]图2为本发明作动装置的示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0018]如图1和图2所示，本发明一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，包括底座1，安装于底座1上并能够自由旋转的输出轴2，分别通过柔性铰链与输出轴2连接的第一作动臂3-1和第二作动臂3-2，连接于第一作动臂3-1—端的第一菱形环4-1，连接于第二作动臂3-2与第一作动臂3-1相对应端的第二菱形环4-2，分别安装在第一菱形环4-1和第二菱形环4-2内部的第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2，连接于第一作动臂3-1和第二作动臂3-2另一端之间的压电陶瓷6，以及通过支柱与底座1相连接的上部顶盖7;所述第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的长轴一端分别与第一作动臂3-1和第二作动臂3-2连接;所述第一作动臂3-1和第二作动臂3-2与输出轴2共同构成“H”型结构;安装完成后底座1与上部顶盖7之间的距离小于第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的短轴长度即横向长度，以保证第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2在断电情况下结构实现对输出轴2旋转运动的锁止。
[0019]使用长轴与水平面平行即横向放置的第一菱形环4-1和第二菱形环4-2进行锁止，且具有断电锁止功能。
[0020]上述所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置实现大扭矩步进式旋转作动的方法，能实现双向旋转运动输出；结构初始状态第一压电陶瓷5-1、第二压电陶瓷5-2和压电陶瓷6都处于断电状态，通过第一菱形环4-1、第二菱形环4-2与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触锁止输出轴2;
[0021]旋转作动装置驱动输出轴逆时针旋转时采用如下步骤:第一步，第一压电陶瓷5-1通电，推动第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第一压电陶瓷5-1通电，压电陶瓷6通电，推动第一作动臂3-1上的柔性铰铰发生转动、第一菱形环4-1和第一压电陶瓷5-1在第一作动臂3-1带动下向逆时针方向产生位 移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第一作动臂3-1上的柔性铰链仍保持弹性变形；第四步，第二压电陶瓷5-2通电，第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第一作动臂3-1柔性铰链弹性回复力的驱动下沿逆时针方向发生转，同时第二作动臂3-2、第二菱形环4-2以及第二压电陶瓷5-2也将向逆时针方向产生位移;第五步，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动装置恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之外，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转；
[0022]旋转作动装置驱动输出轴顺时针旋转时采用如下步骤:第一步，第二压电陶瓷5-2通电，推动第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第二压电陶瓷5-2通电，压电陶瓷6通电，推动第二作动臂3-2上的柔性铰链发生转动、第二菱形环4-2、第二压电陶瓷5-2在第二作动臂3-2带动下向顺时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第二作动臂3-2上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第一压电陶瓷5-1通电，第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第二作动臂3-2柔性铰链弹性回复力的驱动下沿顺时针方向发生转动，同时第一作动臂3-1、第一菱形环4-1以及第一压电陶瓷5-1也将向顺时针方向产生位移;第五步，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动器恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之夕卜，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转。
【主权项】
1.一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，其特征在于:包括底座(1)，安装于底座(1)上并能够自由旋转的输出轴(2)，分别通过柔性铰链与输出轴(2)连接的第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)，连接于第一作动臂(3-1)—端的第一菱形环(4-1)，连接于第二作动臂(3-2)与第一作动臂(3-1)相对应端的第二菱形环(4-2)，分别安装在第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)内部的第一压电陶瓷(5-1)和第二压电陶瓷(5-2)，连接于第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)另一端之间的压电陶瓷(6)，以及通过支柱与底座(1)相连接的上部顶盖(7);所述第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)的长轴一端分别与第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)连接;所述第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)与输出轴(2)共同构成“Η”型结构；安装完成后底座(1)与上部顶盖(7)之间的距离小于第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)的短轴长度即横向长度，以保证第一压电陶瓷(5-1)和第二压电陶瓷(5-2)在断电情况下结构实现对输出轴(2)旋转运动的锁止。2.根据权利要求1所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，其特征在于:使用长轴与水平面平行即横向放置的第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)进行锁止，且具有断电锁止功能。3.权利要求1或2所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置实现大扭矩步进式旋转作动的方法，其特征在于:能实现双向旋转运动输出；结构初始状态第一压电陶瓷(5-1)、第二压电陶瓷(5-2)和压电陶瓷(6)都处于断电状态，通过第一菱形环(4-1)、第二菱形环(4-2)与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触锁止输出轴(2); 旋转作动装置驱动输出轴逆时针旋转时采用如下步骤:第一步，第一压电陶瓷(5-1)通电，推动第一菱形环(4-1)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触;第二步，保持第一压电陶瓷(5-1)通电，压电陶瓷(6)通电，推动第一作动臂(3-1)上的柔性铰铰发生转动、第一菱形环(4-1)和第一压电陶瓷(5-1)在第一作动臂(3-1)带动下向逆时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷(6)通电，第一压电陶瓷(5-1)断电，第一菱形环(4-1)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止，此时第一作动臂(3-1)上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第二压电陶瓷(5-2)通电，第二菱形环(4-2)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触，此时输出轴(2)在第一作动臂(3-1)柔性铰链弹性回复力的驱动下沿逆时针方向发生转，同时第二作动臂(3-2)、第二菱形环(4-2)以及第二压电陶瓷(5-2)也将向逆时针方向产生位移;第五步，第二压电陶瓷(5-2)断电，第二菱形环(4-2)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止;至此作动装置恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座(1)和上部顶盖(7)之外，包括输出轴(2)在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴(2)的大转角逆时针旋转； 旋转作动装置驱动输出轴顺时针旋转时采用如下步骤:第一步，第二压电陶瓷(5-2)通电，推动第二菱形环(4-2)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触;第二步，保持第二压电陶瓷(5-2)通电，压电陶瓷(6)通电，推动第二作动臂(3-2)上的柔性铰链发生转动、第二菱形环(4-2)、第二压电陶瓷(5-2)在第二作动臂(3-2)带动下向顺时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷(6)通电，第二压电陶瓷(5-2)断电，第二菱形环(4-2)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止，此时第二作动臂(3-2)上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第一压电陶瓷(5-1)通电，第一菱形环(4-1)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触，此时输出轴(2)在第二作动臂(3-2)柔性铰链弹性回复力的驱动下沿顺时针方向发生转动，同时第一作动臂(3-1)、第一菱形环(4-1)以及第一压电陶瓷(5-1)也将向顺时针方向产生位移;第五步，第一压电陶瓷(5-1)断电，第一菱形环(4-1)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止;至此作动器恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座(1)和上部顶盖(7)之外，包括输出轴(2)在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴(2)的大转角逆时针旋转。
【专利摘要】含有H型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法，该作动器包括作动器底座，安装于底座上，可自由旋转的输出轴，分别通过柔性铰链与输出轴连接的两个作动臂，分别连接于作动臂端部的菱形环，分别安装在菱形环内部的压电陶瓷，连接于作动臂之间的压电陶瓷6，以及通过支柱与底座相连接的上部顶盖，安装完成后底座与顶盖之间的距离小于菱形环的横向长度，以保证压电陶瓷在断电情况下依靠安装预紧锁止菱形环，实现对输出轴旋转运动的锁止；本发明还提供了该作动器作动方法，按照一定次序驱动压电陶瓷，能够实现作动器高精度大扭矩旋转运动的输出，本发明具有结构重量轻，体积小，能够输出大扭矩、大转角，断电自锁功耗低的特点。具有广泛的应用前景与极高的应用价值。
【IPC分类】H02N2/12, H02N2/10
【公开号】CN105490581
【申请号】CN201510824288
【发明人】宋思扬, 徐明龙, 邵恕宝, 刘开园, 陈楠
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月24日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过压电陶瓷驱动的作动装置，具体涉及一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来压电驱动装置不断发展，支持了国防、航天，机械制造等重要工业的发展建设，也衍生出了品种繁多的压电作动装置，然而受制于压电材料作动行程小的缺点，压电陶瓷作动器难以实现大行程输出，特别是大转角的扭矩输出更难实现。因此迫切需要一种结构简单轻便，驱动行程大，分辨率高的步进式旋转作动装置。
【发明内容】
[0003]为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法，使用三个压电陶瓷相互配合实现大角度的旋转运动，并且采用菱形环实现作动器断电锁止，具有结构重量轻，体积小，能够输出大扭矩、大转角，断电自锁功耗低的特点。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0005]—种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，包括底座1，安装于底座1上并能够自由旋转的输出轴2，分别通过柔性铰链与输出轴2连接的第一作动臂3-1和第二作动臂3-2，连接于第一作动臂3-1—端的第一菱形环4-1，连接于第二作动臂3-2与第一作动臂3-1相对应端的第二菱形环4-2，分别安装在第一菱形环4-1和第二菱形环4-2内部的第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2，连接于第一作动臂3-1和第二作动臂3-2另一端之间的压电陶瓷6，以及通过支柱与底座1相连接的上部顶盖7;所述第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的长轴一端分别与第一作动臂3-1和第二作动臂3-2连接;所述第一作动臂3-1和第二作动臂3-2与输出轴2共同构成“Η”型结构;安装完成后底座1与上部顶盖7之间的距离小于第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的短轴长度即横向长度，以保证第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2在断电情况下结构实现对输出轴2旋转运动的锁止。
[0006]使用长轴与水平面平行即横向放置的第一菱形环4-1和第二菱形环4-2进行锁止，且具有断电锁止功能。
[0007]上述所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置实现大扭矩步进式旋转作动的方法，能实现双向旋转运动输出；结构初始状态第一压电陶瓷5-1、第二压电陶瓷5-2和压电陶瓷6都处于断电状态，通过第一菱形环4-1、第二菱形环4-2与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触锁止输出轴2;
[0008]旋转作动装置驱动输出轴逆时针旋转时采用如下步骤:第一步，第一压电陶瓷5-1通电，推动第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第一压电陶瓷5-1通电，压电陶瓷6通电，推动第一作动臂3-1上的柔性铰铰发生转动、第一菱形环4-1和第一压电陶瓷5-1在第一作动臂3-1带动下向逆时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第一作动臂3-1上的柔性铰链仍保持弹性变形；第四步，第二压电陶瓷5-2通电，第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第一作动臂3-1柔性铰链弹性回复力的驱动下沿逆时针方向发生转，同时第二作动臂3-2、第二菱形环4-2以及第二压电陶瓷5-2也将向逆时针方向产生位移;第五步，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动装置恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之外，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转；
[0009]旋转作动装置驱动输出轴顺时针旋转时采用如下步骤:第一步，第二压电陶瓷5-2通电，推动第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第二压电陶瓷5-2通电，压电陶瓷6通电，推动第二作动臂3-2上的柔性铰链发生转动、第二菱形环4-2、第二压电陶瓷5-2在第二作动臂3-2带动下向顺时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第二作动臂3-2上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第一压电陶瓷5-1通电，第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第二作动臂3-2柔性铰链弹性回复力的驱动下沿顺时针方向发生转动，同时第一作动臂3-1、第一菱形环4-1以及第一压电陶瓷5-1也将向顺时针方向产生位移;第五步，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动器恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之夕卜，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转。
[0010]与现有技术相比，本发明具有下述优势:
[0011]1、与传统的单纯的电机驱动装置相比，本发明通过压电陶瓷推动驱动，能够实现高精度大扭矩输出。
[0012]2、采用步进的方式实现转角输出，在充分发挥压电陶瓷作动精度高的基础上实现双向大转角旋转运动。
[0013]3、采用菱形环进行锁止，在放大压电陶瓷作动位移、提高锁止可靠性的同时，具有断电自锁功能，因此作动器功耗低，节能环保。
[0014]4、作动器结构简单，便于加工安装。
【附图说明】
[0015]图1为本发明作动装置的爆炸示意图。
[0016]图2为本发明作动装置的示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0018]如图1和图2所示，本发明一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，包括底座1，安装于底座1上并能够自由旋转的输出轴2，分别通过柔性铰链与输出轴2连接的第一作动臂3-1和第二作动臂3-2，连接于第一作动臂3-1—端的第一菱形环4-1，连接于第二作动臂3-2与第一作动臂3-1相对应端的第二菱形环4-2，分别安装在第一菱形环4-1和第二菱形环4-2内部的第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2，连接于第一作动臂3-1和第二作动臂3-2另一端之间的压电陶瓷6，以及通过支柱与底座1相连接的上部顶盖7;所述第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的长轴一端分别与第一作动臂3-1和第二作动臂3-2连接;所述第一作动臂3-1和第二作动臂3-2与输出轴2共同构成“H”型结构;安装完成后底座1与上部顶盖7之间的距离小于第一菱形环4-1和第二菱形环4-2的短轴长度即横向长度，以保证第一压电陶瓷5-1和第二压电陶瓷5-2在断电情况下结构实现对输出轴2旋转运动的锁止。
[0019]使用长轴与水平面平行即横向放置的第一菱形环4-1和第二菱形环4-2进行锁止，且具有断电锁止功能。
[0020]上述所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置实现大扭矩步进式旋转作动的方法，能实现双向旋转运动输出；结构初始状态第一压电陶瓷5-1、第二压电陶瓷5-2和压电陶瓷6都处于断电状态，通过第一菱形环4-1、第二菱形环4-2与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触锁止输出轴2;
[0021]旋转作动装置驱动输出轴逆时针旋转时采用如下步骤:第一步，第一压电陶瓷5-1通电，推动第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第一压电陶瓷5-1通电，压电陶瓷6通电，推动第一作动臂3-1上的柔性铰铰发生转动、第一菱形环4-1和第一压电陶瓷5-1在第一作动臂3-1带动下向逆时针方向产生位 移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第一作动臂3-1上的柔性铰链仍保持弹性变形；第四步，第二压电陶瓷5-2通电，第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第一作动臂3-1柔性铰链弹性回复力的驱动下沿逆时针方向发生转，同时第二作动臂3-2、第二菱形环4-2以及第二压电陶瓷5-2也将向逆时针方向产生位移;第五步，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动装置恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之外，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转；
[0022]旋转作动装置驱动输出轴顺时针旋转时采用如下步骤:第一步，第二压电陶瓷5-2通电，推动第二菱形环4-2长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触;第二步，保持第二压电陶瓷5-2通电，压电陶瓷6通电，推动第二作动臂3-2上的柔性铰链发生转动、第二菱形环4-2、第二压电陶瓷5-2在第二作动臂3-2带动下向顺时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷6通电，第二压电陶瓷5-2断电，第二菱形环4-2弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止，此时第二作动臂3-2上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第一压电陶瓷5-1通电，第一菱形环4-1长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座1和上部顶盖7之间的摩擦接触，此时输出轴2在第二作动臂3-2柔性铰链弹性回复力的驱动下沿顺时针方向发生转动，同时第一作动臂3-1、第一菱形环4-1以及第一压电陶瓷5-1也将向顺时针方向产生位移;第五步，第一压电陶瓷5-1断电，第一菱形环4-1弹性恢复，与底座1和上部顶盖7接触锁止;至此作动器恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座1和上部顶盖7之夕卜，包括输出轴2在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴2的大转角逆时针旋转。
【主权项】
1.一种含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，其特征在于:包括底座(1)，安装于底座(1)上并能够自由旋转的输出轴(2)，分别通过柔性铰链与输出轴(2)连接的第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)，连接于第一作动臂(3-1)—端的第一菱形环(4-1)，连接于第二作动臂(3-2)与第一作动臂(3-1)相对应端的第二菱形环(4-2)，分别安装在第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)内部的第一压电陶瓷(5-1)和第二压电陶瓷(5-2)，连接于第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)另一端之间的压电陶瓷(6)，以及通过支柱与底座(1)相连接的上部顶盖(7);所述第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)的长轴一端分别与第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)连接;所述第一作动臂(3-1)和第二作动臂(3-2)与输出轴(2)共同构成“Η”型结构；安装完成后底座(1)与上部顶盖(7)之间的距离小于第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)的短轴长度即横向长度，以保证第一压电陶瓷(5-1)和第二压电陶瓷(5-2)在断电情况下结构实现对输出轴(2)旋转运动的锁止。2.根据权利要求1所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置，其特征在于:使用长轴与水平面平行即横向放置的第一菱形环(4-1)和第二菱形环(4-2)进行锁止，且具有断电锁止功能。3.权利要求1或2所述的含有Η型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置实现大扭矩步进式旋转作动的方法，其特征在于:能实现双向旋转运动输出；结构初始状态第一压电陶瓷(5-1)、第二压电陶瓷(5-2)和压电陶瓷(6)都处于断电状态，通过第一菱形环(4-1)、第二菱形环(4-2)与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触锁止输出轴(2); 旋转作动装置驱动输出轴逆时针旋转时采用如下步骤:第一步，第一压电陶瓷(5-1)通电，推动第一菱形环(4-1)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触;第二步，保持第一压电陶瓷(5-1)通电，压电陶瓷(6)通电，推动第一作动臂(3-1)上的柔性铰铰发生转动、第一菱形环(4-1)和第一压电陶瓷(5-1)在第一作动臂(3-1)带动下向逆时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷(6)通电，第一压电陶瓷(5-1)断电，第一菱形环(4-1)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止，此时第一作动臂(3-1)上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第二压电陶瓷(5-2)通电，第二菱形环(4-2)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触，此时输出轴(2)在第一作动臂(3-1)柔性铰链弹性回复力的驱动下沿逆时针方向发生转，同时第二作动臂(3-2)、第二菱形环(4-2)以及第二压电陶瓷(5-2)也将向逆时针方向产生位移;第五步，第二压电陶瓷(5-2)断电，第二菱形环(4-2)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止;至此作动装置恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座(1)和上部顶盖(7)之外，包括输出轴(2)在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴(2)的大转角逆时针旋转； 旋转作动装置驱动输出轴顺时针旋转时采用如下步骤:第一步，第二压电陶瓷(5-2)通电，推动第二菱形环(4-2)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触;第二步，保持第二压电陶瓷(5-2)通电，压电陶瓷(6)通电，推动第二作动臂(3-2)上的柔性铰链发生转动、第二菱形环(4-2)、第二压电陶瓷(5-2)在第二作动臂(3-2)带动下向顺时针方向产生位移;第三步，保持压电陶瓷(6)通电，第二压电陶瓷(5-2)断电，第二菱形环(4-2)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止，此时第二作动臂(3-2)上的柔性铰链仍保持弹性变形;第四步，第一压电陶瓷(5-1)通电，第一菱形环(4-1)长轴膨胀，短轴即横向收缩，脱离与底座(1)和上部顶盖(7)之间的摩擦接触，此时输出轴(2)在第二作动臂(3-2)柔性铰链弹性回复力的驱动下沿顺时针方向发生转动，同时第一作动臂(3-1)、第一菱形环(4-1)以及第一压电陶瓷(5-1)也将向顺时针方向产生位移;第五步，第一压电陶瓷(5-1)断电，第一菱形环(4-1)弹性恢复，与底座(1)和上部顶盖(7)接触锁止;至此作动器恢复到第一步之前的状态，且与之相比，除底座(1)和上部顶盖(7)之外，包括输出轴(2)在内的所有结构都完成了沿逆时针的一步旋转运动，重复上述一至五步，即实现作动装置输出轴(2)的大转角逆时针旋转。
【专利摘要】含有H型结构的高精度大扭矩压电旋转作动装置及方法，该作动器包括作动器底座，安装于底座上，可自由旋转的输出轴，分别通过柔性铰链与输出轴连接的两个作动臂，分别连接于作动臂端部的菱形环，分别安装在菱形环内部的压电陶瓷，连接于作动臂之间的压电陶瓷6，以及通过支柱与底座相连接的上部顶盖，安装完成后底座与顶盖之间的距离小于菱形环的横向长度，以保证压电陶瓷在断电情况下依靠安装预紧锁止菱形环，实现对输出轴旋转运动的锁止；本发明还提供了该作动器作动方法，按照一定次序驱动压电陶瓷，能够实现作动器高精度大扭矩旋转运动的输出，本发明具有结构重量轻，体积小，能够输出大扭矩、大转角，断电自锁功耗低的特点。具有广泛的应用前景与极高的应用价值。
【IPC分类】H02N2/12, H02N2/10
【公开号】CN105490581
【申请号】CN201510824288
【发明人】宋思扬, 徐明龙, 邵恕宝, 刘开园, 陈楠
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月24日
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