含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器及作动方法

摘要

一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器及作动方法，该作动器包括零泊松比八边形结构，对称连接着一对半圆弧力导向偏转钳位结构，当驱动偏转压电堆通电纵向伸长，导致零泊松比八边形结构的一对输出面输出等大小方向的横向放大位移，通过将同方向横向力在半圆弧力导向偏转钳位结构的端部的柔性铰链处分别转换为纵向反向差动力，实现半圆弧力导向偏转钳位结构偏转，从而推动转子顶盖旋转；驱动偏转压电堆断电后弹性回复力推动转子顶盖继续同向旋转，期间调节两个钳位机构相互配合，共同实现步进式旋转作动；本发明具有零泊松比八边形结构使作动器更加简单可靠；步进差动式旋转方法使得单步位移角度更大，且断电自锁；由于通电顺序不同可完成双向旋转。

说明书

技术领域

本发明涉及步进式压电作动技术领域，具体涉及一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器及作动方法。

背景技术

压电驱动的工作原理是基于压电具有的逆压电效应，压电驱动具有体积小、刚度大、位移分辨率及定位精度高、线性度较好、频率响应高、不发热、易于控制等优点。

随着近年来生物工程、微电子技术、航天工程等学科的迅速发展，压电作动器在生命科学、医学和生物工程,半导体及微电子、数据存储、光学、型面精细调整、光纤、度量和测量技术、精密机械和机械工程等领域具有广泛的应用背景。目前，市面上使用的压电旋转作动器多种多样，比较常见的是超声波压电旋转作动器和惯性式压电旋转作动器等。相对于市面上这两类传统的压电旋转作动器，本压电旋转作动器具有更紧凑的结构，更大的驱动力和更强的锁止力。

发明内容

本发明目的在于提供一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器及作动方法，具有零泊松比八边形结构，实现沿压电堆纵向伸长的同时横向只发生水平同向等距平移，截面积不变；半圆弧形力导向结构可以传递力，实现力大小不变，方向的转变，分别在一对四分之一圆弧的端部形成反向差动力实现绕转动中心转动；体积尺寸相较于传统的步进压电式作动器更小，可靠性更高，结构更简便等特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器，包括固定圆盘底座1，置于固定圆盘底座1内并关于XOY面镜像对称且位于Z轴上两端的结构相同的第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3，位于第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3之间的零泊松比八边形结构4，位于零泊松比八边形结构4内部并与Z轴平行布置的驱动偏转压电堆5，分别位于第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中且与Z轴垂直布置的第一钳位压电堆6和第二钳位压电堆7，扣合在固定圆盘底座1上的转子顶盖8；X轴和Z轴垂直并位于同一水平面内，Y轴在垂直于水平面的铅锤面上；零泊松比八边形结构4固定于圆盘底座1上的凸台1-3上，驱动偏转压电堆5安装在零泊松比八边形结构4中预紧，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3通过零泊松比八边形结构4上的卡槽与零泊松比八边形结构4相互连接，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的圆弧段与钳位菱形环通过第一柔性铰链2-1和第二柔性铰链2-2相连接，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中圆弧段与钳位菱形环通过第三柔性铰链3-1和第四柔性铰链3-2相连接，在第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的钳位菱形环中预紧安装有第一钳位压电堆6，在第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环中预紧安装有第二钳位压电堆7，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2在临近零泊松比八边形结构4的一侧八边形与圆盘底座1接触于第一Z轴向导槽1-1，并通过第五柔性铰链2-3与第一Z轴向导槽1-1滑动连接，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3在临近零泊松比八边形结构4的一侧与圆盘底座1接触于第二Z轴向导槽1-2，并通过第六柔性铰链3-3与第二Z轴向导槽1-2滑动连接，第五柔性铰链2-3与第六柔性铰链3-3分别是第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3的偏转中心；非作动状态下，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环分别与转子顶盖8相接触，靠摩擦进行钳位。

所述零泊松比八边形机构4包括关于XOY平面镜像对称并垂直于Z轴的两个压电堆预紧面，同时这两个面也是零泊松比八边形机构4的输入面；零泊松比八边形机构4的输出面关于YOZ面镜像对称，并平行于YOZ面放置，输出面外侧为了与第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3连接而刻有卡槽；两个输出面与两个输入面通过两组分别平行的平面相连接，两个位于Z轴的正方向的平面为第一组连接面，两个位于Z轴的负方向的平面为第二组连接面，每组里的两个连接面互相平行，且第一组平面与第二组平面关于X轴对称分布；机构作动时，当预装在该零泊松比八边形机构4中的驱动偏转压电堆5通电伸长，零泊松比八边形机构4的输出面会沿Z轴两侧运动，带动第一组连接面向Z轴正方向运动，第二组连接面向Z轴负方向运动，导致两组连接面与输出面的夹角会增大，从而带动两个输出面同时产生沿X轴负向的平移运动；由于该零泊松比八边形机构4沿Z轴长度远大于沿X轴长度，故机构沿X轴伸长量会大于沿Z轴的伸长量，从而实现该零泊松比八边形机构4的输出力换向和放大功能。

所述第一半圆弧力导向偏转钳位机构2包括两部分，第一部分是实现力的导向，包括与零泊松比八边形机构4中的卡槽相配合的卡台，和一对与卡台相连接并关于Z轴镜面对称、水平放置的左四分之一圆弧和右四分之一圆弧，左四分之一圆弧顶部存在第一柔性铰链2-1，右四分之一圆弧顶部存在第二柔性铰链2-2；第二部分为位于第一半圆弧力导向偏转钳位机构2顶部的钳位菱形环，其关于Z轴轴对称，钳位部分在靠近下部处通过第五柔性铰链2-3与第一Z轴向导槽1-1滑动连接；第一部分的左四分之一圆弧和右四分之一圆弧分别通过第一柔性铰链2-1和第二柔性铰链2-2分别与第二部分的钳位菱形环进行连接；当外部输出等大小位移且方向沿X轴负方向时，由于圆弧结构具有传导力时大小不变，方向沿圆弧切向的功能，故第一半圆弧力导向偏转钳位机构2通过左四分之一圆弧将X轴负向的力在第一柔性铰链2-1处转换成沿Z轴正向力，大小不变；通过右四分之一圆弧，将X轴负向的力在第二柔性铰链2-2处转换成沿Z轴负向力，大小不变，这两个力在第五柔性铰链2-3处共同形成了一个顺时针扭矩；由于第五柔性铰链2-3只存在转动自由度和Z向自由度，因此第五柔性铰链2-3就是偏转中心；第一半圆弧力导向偏转钳位机构2相对于第五柔性铰链2-3会发生转动；非作动状态下，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的钳位菱形环与转子顶盖8相接触，靠摩擦进行钳位，作动状态下，第一钳位压电堆6通电，钳位菱形环部分沿压电堆方向伸长，垂直于压电堆方向缩短，钳位菱形环与转子顶盖8脱离接触，钳位取消。

含零泊松比八边形机构步进式旋转压电作动器的作动方法，

在初始状态下，第一钳位压电堆6、第二钳位压电堆7和驱动偏转压电堆5均不带电，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环分别与转子顶盖8相接触，靠摩擦进行钳位，保持断电锁止；

作动状态下，具体步骤如下：第一步：第二钳位压电堆7通电，由于逆压电效应，第二钳位压电堆7伸长，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环沿Z轴即转子顶盖8径向长度减小，不再钳位，同时第一半圆弧力导向偏转钳位机构2保持钳位状态；第二步：驱动偏转压电堆5通电，由于逆压电效应，驱动偏转压电堆5伸长，导致零泊松比八边形结构4沿Z轴方向伸长，而零泊松比八边形结构4左右端面都会沿X轴负方向产生放大位移，且左右端面位移大小相同；通过第二半圆弧力导向偏转钳位机构3将沿X轴负方向的力在柔性铰链3-1处变为沿Z轴负方向的力，同时将沿X轴正方向的力在柔性铰链3-2处变为沿Z轴正方向的力，从而实现第二半圆弧力导向偏转钳位机构3逆时针偏转；第一半圆弧力导向偏转钳位机构2将沿X轴负方向的力在柔性铰链2-1处变为沿Z轴正方向的力，同时将沿X轴正方向的力在柔性铰链3-2处变为沿Z轴负方向的力，从而实现第一半圆弧力导向偏转钳位机构2顺时针偏转；由于第一半圆弧力导向偏转钳位机构2与转子顶盖8摩擦接触，所以第一半圆弧力导向偏转钳位机构2顺时针偏转带动转子顶盖8一起顺时针运动；第三步：第二钳位压电堆7断电，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环沿圆盘径向长度恢复，保持钳位；驱动偏转压电堆5保持伸长，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3保持偏转状态；第一钳位压电堆6通电，由于逆压电效应，第一钳位压电堆6伸长，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的钳位菱形环沿Z轴即转子顶盖8径向长度减小，不再钳位；第四步：驱动偏转压电堆5断电，零泊松比八边形结构4恢复初始状态，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3在弹性回复力作用下解除弯曲状态；由于第二半圆弧力导向偏转钳位机构3与转子顶盖8摩擦接触，所以第二半圆弧力导向偏转钳位机构3在回复力作用下顺时针偏转带动转子顶盖8一起顺时针运动，解除机构偏转状态；第五步：第一钳位压电堆6断电，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的钳位菱形环沿转子顶盖8径向长度恢复，保持钳位；第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环分别与转子顶盖8相接触，机构恢复到初始状态；以此往复，实现旋转步进，通过改变通电顺序实现旋转方向的改变，达到双向旋转运动。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1)、零泊松比八边形结构使机构更加简单可靠；步进差动式偏转方法使单步位移角度更大，效率更高。

2)、机构由于通电顺序不同可完成双向旋转，也可以实现断电自锁功能。

3)、驱动压电堆数量比普通步进式旋转作动器更少，耗能更少。

4)、作动器整体结构更加紧凑，体积尺寸更小。

附图说明

图1为本发明装置三维爆炸图。

图2为本发明装置Y轴俯视图。

图3为本发明装置偏转钳位机构图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明是一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器，包括：固定圆盘底座1，置于固定圆盘底座1内并关于XOY面镜像对称且位于Z轴上两端结构相同的第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3，位于第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3之间的零泊松比八边形结构4，位于零泊松比八边形结构4内部并于Z轴平行布置的驱动偏转压电堆5，分别位于第一两半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二两半圆弧力导向偏转钳位机构3中的第一钳位压电堆6和第二钳位压电堆7，扣合在固定圆盘底座1上的转子顶盖8；

X轴和Z轴垂直并位于同一水平面内，Y轴在垂直于水平面的铅锤面上；零泊松比八边形结构4固定于圆盘底座1上的凸台1-3上，驱动偏转压电堆5安装在零泊松比八边形结构4中预紧，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3通过零泊松比八边形结构4上的卡槽与零泊松比八边形结构4相互连接，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的圆弧段与钳位菱形环通过第一柔性铰链2-1和第二柔性铰链2-2相连接，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中圆弧段与钳位菱形环通过第三柔性铰链3-1和第四柔性铰链3-2相连接，在第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的钳位菱形环中预紧安装有第一钳位压电堆6，在第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环中预紧安装有第二钳位压电堆7，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2在临近零泊松比八边形结构4的一侧与圆盘底座1接触于第一Z轴向导槽1-1，并通过第五柔性铰链2-3与第一Z轴向导槽1-1滑动连接，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3在临近零泊松比八边形结构4的一侧与圆盘底座1接触于第二Z轴向导槽1-2，并通过第六柔性铰链3-3与第一Z轴向导槽1-2滑动连接，第五柔性铰链2-3与第六柔性铰链3-3分别是第一半圆弧力导向偏转机构2和第二半圆弧力导向偏转机构3的偏转中心；非作动状态下，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环分别与转子顶盖8相接触，靠摩擦进行钳位。

本发明提出一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器作动方法，其特征在于：为实现旋转步进运动，在初始状态下，第一钳位压电堆6、第二钳位压电堆7和驱动偏转压电堆5均不带电，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环分别与转子顶盖8相接触，靠摩擦进行钳位，保持断电锁止；作动状态下，具体步骤如下：

第一步：第二钳位压电堆7通电，由于逆压电效应，第二钳位压电堆7伸长，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环沿Z轴即转子顶盖8径向长度减小，不再钳位，同时第一半圆弧力导向偏转钳位机构2保持钳位状态；

第二步：驱动偏转压电堆5通电，由于逆压电效应，驱动偏转压电堆5伸长，导致零泊松比八边形结构4沿Z轴方向伸长，而零泊松比八边形结构4左右端面会沿X轴负方向产生相应被放大的位移，且左右端面位移大小相同；通过第二半圆弧力导向偏转钳位机构3将沿X轴负方向的力在柔性铰链3-1处变为沿Z轴负方向的力，同时将沿X轴正方向的力在柔性铰链3-2处变为沿Z轴正方向的力，从而实现第二半圆弧力导向偏转钳位机构3逆时针偏转；第一半圆弧力导向偏转钳位机构2将沿X轴负方向的力在柔性铰链2-1处变为沿Z轴正方向的力，同时将沿X轴正方向的力在柔性铰链3-2处变为沿Z轴负方向的力，从而实现第一半圆弧力导向偏转钳位机构2顺时针偏转；由于第一半圆弧力导向偏转钳位机构2与转子顶盖8摩擦接触，所以第一半圆弧力导向偏转钳位机构2顺时针偏转带动转子顶盖8一起顺时针运动；

第三步：第二钳位压电堆7断电，第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环沿圆盘径向长度恢复，保持钳位；驱动偏转压电堆5保持伸长，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3保持偏转状态；第一钳位压电堆6通电，由于逆压电效应，第一钳位压电堆6伸长，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的钳位菱形环沿Z轴即转子顶盖8径向长度减小，不再钳位；

第四步：驱动偏转压电堆5断电，零泊松比八边形结构4恢复初始状态，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3在弹性回复力作用下解除弯曲状态；由于第二半圆弧力导向偏转钳位机构3与转子顶盖8摩擦接触，所以第二半圆弧力导向偏转钳位机构3在回复力作用下顺时针偏转带动转子顶盖8一起顺时针运动，解除机构偏转状态；

第五步：第一钳位压电堆6断电，第一半圆弧力导向偏转钳位机构2中的钳位菱形环沿转子顶盖8径向长度恢复，保持钳位；第一半圆弧力导向偏转钳位机构2和第二半圆弧力导向偏转钳位机构3中的钳位菱形环分别与转子顶盖8相接触，机构恢复到初始状态；

重复上述五个步骤，实现旋转步进，同时通过改变通电顺序，也可以实现旋转方向的改变，实现双向旋转运动。