基于压电驱动的三基体作动器及其工作方法
【专利摘要】本发明基于压电驱动的三基体作动器由三个长方体钛合金基体连接在一个金属底座上构成，每个长方体侧面上都粘有压电陶瓷片。利用两对相对压电陶瓷片分别在正余弦电压作用下的振动合成效应，使钛合金基体产生相对于其轴线的扭转运动，带动连接在钛合金基体外侧的刚性可伸缩足做椭圆旋转运动。当三个刚性可伸缩足的长度相同时，使得作动器做原地旋转运动。当任意两个刚性可伸缩足的长度相同且所做的椭圆旋转运动的方向相反，剩余的一个刚性可伸缩足具有伸缩运动而无椭圆旋转运动时，通过使作动器重心产生偏移来终实现作动器的直线运动，同时通过控制具有椭圆旋转运动的两个刚性可伸缩足的伸长和缩短，偏移作动器的重心，使作动器直线运动时转向。
【专利说明】
基于压电驱动的三基体作动器及其工作方法
技术领域
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[0001]本发明涉及一种基于压电驱动的三基体作动器及其工作方法，其属于超声领域、MEMS领域、压电技术领域。
【背景技术】
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[0002]作动器是实施振动主动控制的关键部件，是主动控制系统的重要环节。作动器的作用是按照确定的控制规律，来对控制对象施加控制力。近年来，在传统的流体作动器、气体作动器和电器作动器的基础上，研究开发出了许多智能型作动器，例如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器、伺服作动器和电流变流体作动器等。这些作动器的出现，为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件。同时，在航空航天领域，作动器是飞机操纵系统的执行机构，是飞行控制系统的重要组成部分，随着飞行控制技术的多样化，许多新型作动器也应运而生，例如直接驱动式作动器、电静液作动器、集成电液作动器、机电作动器以及光传灵巧作动器。而本发明涉及的基于压电驱动的三基体作动器，是属于其中的压电陶瓷作动器。
【发明内容】
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[0003]本发明提供一种基于压电驱动的三基体作动器及其工作方式。
[0004]本发明采用如下技术方案:一种基于压电驱动的三基体作动器，包括第一钛合金基体、安装于第一钛合金基体上的第一压电陶瓷片、安装于第一钛合金基体上的第一刚性可伸缩足、第二钛合金基体、安装于第二钛合金基体上的第二压电陶瓷片、安装于第二钛合金基体上的第二刚性可伸缩足、第三钛合金基体、安装于第三钛合金基体上的第三压电陶瓷片、安装于第三钛合金基体上的第三刚性可伸缩足以及金属底座，所述第一钛合金基体、第二钛合金基体和第三钛合金基体上都形成有贯穿其内、外侧面的通孔，三个通孔的内表面均是光滑的，所述第一钛合金基体、第二钛合金基体和第三钛合金基体的外侧面分别粘有第一刚性可伸缩足、第二刚性可伸缩足和第三刚性可伸缩足，所述第一钛合金基体、第二钛合金基体和第三钛合金基体的内侧面分别和金属底座的三个侧面以点接触的形式连接在一起。
[0005]本发明还采用如下技术方案:一种基于压电驱动的三基体作动器的工作方法，包括如下步骤:
[0006]步骤一:第一压电陶瓷片在正余弦电压的作用下，使第一钛合金基体产生相对于其轴线的扭转运动，第二压电陶瓷片在正余弦电压的作用下，使第二钛合金基体产生相对于其轴线的扭转运动，第三压电陶瓷片在正余弦电压的作用下，使第三钛合金基体产生相对于其轴线的扭转运动；
[0007]步骤二:通过分别调节第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片上正余弦电压的初相位，分别使得第一钛合金基体、第二钛合金基体和第三钛合金基体产生具有可变初相位的扭转运动；
[0008]步骤三:通过分别改变第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片上的电压正负，将分别使得第一钛合金基体、第二钛合金基体和第三钛合金基体产生具有与原扭转方向相反的扭转运动；
[0009]步骤四:最终，通过金属底座的连接，将三个钛合金基体的扭转运动合成一个作动器的运动。
[0010]进一步地，所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片在相同的正余弦电压作用下，使第一钛合金基体、第二钛合金基体和第三钛合金基体的扭转运动具有相同的初相位和相同的方向，第一刚性可伸缩足、第二刚性可伸缩足和第三刚性可伸缩足的长度相同时，该作动器作原地旋转运动。
[0011]进一步地，在改变作用于第三压电陶瓷片上的正余弦电压的初始方向的条件下，当断开作用于第一压电陶瓷片上的正余弦电压时，将第一刚性可伸缩足长度伸长或缩短，则可使该作动器重心沿着第一钛合金基体内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第一钛合金基体轴线所在的直线上做直线运动；当断开作用于第二压电陶瓷片上的正余弦电压时，将第二刚性可伸缩足长度伸长或缩短，则可使该作动器重心沿着第二钛合金基体内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第二钛合金基体轴线所在的直线上做直线运动；同理，当改变作用于第一压电陶瓷片或第二压电陶瓷片上的正余弦电压的初始方向时，将第三刚性可伸缩足的长度伸长或缩短，则可使作动器重心沿着第三钛合金基体内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第三钛合金基体轴线所在的直线上做直线运动。
[0012]进一步地，当该作动器沿着第一钛合金基体轴线所在的直线上做直线运动时，通过调节第二刚性可伸缩足的长度和第三刚性可伸缩足的长度，得该作动器的重心产生偏离，使得作动器在沿着直线运动的时候左转向或右转向。
[0013]本发明具有如下有益效果:本发明主要由三个长方体钛合金基体连接在一个金属底座上构成，每个长方体的四个长方形侧面上都粘有正方形的压电陶瓷片。利用两对相对压电陶瓷片分别在正余弦电压作用下的振动合成效应，使钛合金基体产生相对于其轴线的扭转运动，带动以点连接方式连接在钛合金基体外侧的刚性可伸缩足做椭圆旋转运动。利用三基体的结构优势，采用刚性可伸缩足，当三个刚性可伸缩足的长度相同时，可使得作动器做原地旋转运动。当任意两个刚性可伸缩足的长度相同且所做的椭圆旋转运动的方向相反，剩余的一个刚性可伸缩足只具有伸缩运动而无椭圆旋转运动时，则可以通过使作动器重心产生偏移来终实现作动器的直线运动，同时可以通过控制具有椭圆旋转运动的两个刚性可伸缩足的伸长和缩短，来进一步偏移作动器的重心，使作动器直线运动的时候转向。与一般压电陶瓷作动器相比，具有控制简单，安装方便，可实现多种运动模式等优点，同时在微型机器人领域也具有一定的发展前景。
【附图说明】
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[0014]图1是本发明的结构示意图。
[0015]图2是本发明中钛合金基体的工作示意图。
[0016]其中:
[0017]1-第一刚性可伸缩足;2-第一压电陶瓷片;3-第一钛合金基体;4-第二刚性可伸缩足;5-第二钛合金基体;6-第二压电陶瓷片;7-金属底座;8-第三钛合金基体;9-第三压电陶瓷片；10-第三刚性可伸缩足。
【具体实施方式】
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[0018]请参照图1和图2所示，本发明基于压电驱动的三基体作动器包括第一钛合金基体
3、安装于第一钛合金基体3上的第一压电陶瓷片2、安装于第一钛合金基体3上的第一刚性可伸缩足1、第二钛合金基体5、安装于第二钛合金基体5上的第二压电陶瓷片6、安装于第二钛合金基体5上的第二刚性可伸缩足4、第三钛合金基体8、安装于第三钛合金基体8上的第三压电陶瓷片9、安装于第三钛合金基体8上的第三刚性可伸缩足10以及金属底座7。所述第一钛合金基体3、第二钛合金基体5和第三钛合金基体8上都形成有贯穿其内、外侧面的通孔，三个通孔的内表面均是光滑的。第一钛合金基体3、第二钛合金基体5和第三钛合金基体8的外侧面分别粘有第一刚性可伸缩足1、第二刚性可伸缩足4和第三刚性可伸缩足10，第一钛合金基体3、第二钛合金基体5和第三钛合金基体8的内侧面分别和金属底座7的三个侧面以点接触的形式连接在一起。
[0019]本发明基于压电驱动的三基体作动器的工作方法，包括如下步骤:
[0020]步骤一:第一压电陶瓷片2在正余弦电压的作用下，使第一钛合金基体3产生相对于其轴线的扭转运动，第二压电陶瓷片6在正余弦电压的作用下，使第二钛合金基体5产生相对于其轴线的扭转运动，第三压电陶瓷片9在正余弦电压的作用下，使第三钛合金基体8产生相对于其轴线的扭转运动；
[0021]步骤二:通过分别调节第一压电陶瓷片2、第二压电陶瓷片6和第三压电陶瓷片9上正余弦电压的初相位，可以分别使得第一钛合金基体3、第二钛合金基体5和第三钛合金基体8产生具有可变初相位的扭转运动；
[0022]步骤三:通过分别改变第一压电陶瓷片2、第二压电陶瓷片6和第三压电陶瓷片9上的电压正负，将分别使得第一钛合金基体3、第二钛合金基体5和第三钛合金基体8产生具有与原扭转方向相反的扭转运动；
[0023]步骤四:最终，通过金属底座7的连接，将三个钛合金基体的扭转运动合成一个作动器的运动。
[0024]在上述工作方法中:第一压电陶瓷片2、第二压电陶瓷片6和第三压电陶瓷片9在相同的正余弦电压作用下，使第一钛合金基体3、第二钛合金基体5和第三钛合金基体8的扭转运动具有相同的初相位和相同的方向，当第一刚性可伸缩足1、第二刚性可伸缩足4和第三刚性可伸缩足10的长度相同且合适时，则能使得该作动器作原地旋转运动。
[0025]在基于上述工作方法的基础上，在改变作用于第三压电陶瓷片9上的正余弦电压的初始方向的条件下。当断开作用于第一压电陶瓷片2上的正余弦电压时，将第一刚性可伸缩足I长度适当伸长或缩短，则可使该作动器重心沿着第一钛合金基体3内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第一钛合金基体3轴线所在的直线上做直线运动；当断开作用于第二压电陶瓷片6上的正余弦电压时，将第二刚性可伸缩足4长度适当伸长或缩短，则可使该作动器重心沿着第二钛合金基体5内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第二钛合金基体5轴线所在的直线上做直线运动。同理，当改变作用于第一压电陶瓷片2或第二压电陶瓷片6上的正余弦电压的初始方向时，将第三刚性可伸缩足10的长度适当伸长或缩短，则可使作动器重心沿着第三钛合金基体8内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第三钛合金基体8轴线所在的直线上做直线运动。
[0026]在基于上述工作方法的基础上，当该作动器沿着第一钛合金基体3轴线所在的直线上做直线运动时，通过适当调节第二刚性可伸缩足4的长度和第三刚性可伸缩足10的长度，可使得该作动器的重心产生偏离，最终达到使得作动器在沿着直线运动的时候左转向或右转向的目的。
[0027]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于压电驱动的三基体作动器，其特征在于:包括第一钛合金基体(3)、安装于第一钛合金基体(3)上的第一压电陶瓷片(2)、安装于第一钛合金基体(3)上的第一刚性可伸缩足(I)、第二钛合金基体(5)、安装于第二钛合金基体(5)上的第二压电陶瓷片(6)、安装于第二钛合金基体(5)上的第二刚性可伸缩足(4)、第三钛合金基体(8)、安装于第三钛合金基体(8)上的第三压电陶瓷片(9)、安装于第三钛合金基体(8)上的第三刚性可伸缩足(10)以及金属底座(7)，所述第一钛合金基体(3)、第二钛合金基体(5)和第三钛合金基体(8)上都形成有贯穿其内、外侧面的通孔，三个通孔的内表面均是光滑的，所述第一钛合金基体(3)、第二钛合金基体(5)和第三钛合金基体(8)的外侧面分别粘有第一刚性可伸缩足(I)、第二刚性可伸缩足(4)和第三刚性可伸缩足(10)，所述第一钛合金基体(3)、第二钛合金基体(5)和第三钛合金基体(8)的内侧面分别和金属底座(7)的三个侧面以点接触的形式连接在一起。2.—种如权利要求1所述的基于压电驱动的三基体作动器的工作方法，其特征在于:包括如下步骤 步骤一:第一压电陶瓷片(2)在正余弦电压的作用下，使第一钛合金基体(3)产生相对于其轴线的扭转运动，第二压电陶瓷片(6)在正余弦电压的作用下，使第二钛合金基体(5)产生相对于其轴线的扭转运动，第三压电陶瓷片(9)在正余弦电压的作用下，使第三钛合金基体(8)产生相对于其轴线的扭转运动； 步骤二:通过分别调节第一压电陶瓷片(2)、第二压电陶瓷片(6)和第三压电陶瓷片(9)上正余弦电压的初相位，分别使得第一钛合金基体(3)、第二钛合金基体(5)和第三钛合金基体(8)产生具有可变初相位的扭转运动； 步骤三:通过分别改变第一压电陶瓷片(2)、第二压电陶瓷片(6)和第三压电陶瓷片(9)上的电压正负，将分别使得第一钛合金基体(3)、第二钛合金基体(5)和第三钛合金基体(8)产生具有与原扭转方向相反的扭转运动； 步骤四:最终，通过金属底座(7)的连接，将三个钛合金基体的扭转运动合成一个作动器的运动。3.如权利要求2所述的基于压电驱动的三基体作动器的工作方法，其特征在于:所述第一压电陶瓷片(2)、第二压电陶瓷片(6)和第三压电陶瓷片(9)在相同的正余弦电压作用下，使第一钛合金基体(3)、第二钛合金基体(5)和第三钛合金基体(8)的扭转运动具有相同的初相位和相同的方向，第一刚性可伸缩足(I)、第二刚性可伸缩足(4)和第三刚性可伸缩足(10)的长度相同时，该作动器作原地旋转运动。4.如权利要求3所述的基于压电驱动的三基体作动器的工作方法，其特征在于:在改变作用于第三压电陶瓷片(9)上正余弦电压的初始方向的条件下，当断开作用于第一压电陶瓷片(2)上的正余弦电压时，将第一刚性可伸缩足(I)长度伸长或缩短，则可使该作动器重心沿着第一钛合金基体(3)内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第一钛合金基体(3)轴线所在的直线上做直线运动；当断开作用于第二压电陶瓷片(6)上的正余弦电压时，将第二刚性可伸缩足(4)长度伸长或缩短，则可使该作动器重心沿着第二钛合金基体(5)内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第二钛合金基体(5)轴线所在的直线上做直线运动，同理，当变作用于第一压电陶瓷片(2)或第二压电陶瓷片(6)上的正余弦电压的初始方向时，将第三刚性可伸缩足(10)的长度伸长或缩短，则可使作动器重心沿着第三钛合金基体(8)内侧或外侧的方向偏移，使得该作动器沿着第三钛合金基体(8)轴线所在的直线上做直线运动。5.如权利要求4所述的基于压电驱动的三基体作动器的工作方法，其特征在于:当该作动器沿着第一钛合金基体(3)轴线所在的直线上做直线运动时，通过调节第二刚性可伸缩足(4)的长度和第三刚性可伸缩足(10)的长度，得该作动器的重心产生偏离，使得作动器在沿着直线运动的时候左转向或右转向。
【文档编号】H02N2/04GK105827145SQ201610251428
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】彭瀚旻, 卢鹏辉, 朱攀丞
【申请人】南京航空航天大学