一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置及驱动方法

1.本发明涉及摩擦驱动和压电换能器领域，尤其涉及一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置及其工作方法。


背景技术：

2.不论是海洋健康监测、海洋资源开发，还是海洋权益的维护，海洋信息的获取都是最基础的工作。近年来由于计算机辅助设计、先进制造工艺、传感器等技术的进步，以自主水下航行器（auv）为代表的水下可移动无人无缆探测设备，正朝着小型、微小型化的方向发展，需要搭载结构紧凑、质量较小、运行安全的水下推进器。而电磁电机带螺旋桨等类型的传统推进器，因抗水压能力较弱、需要严苛动密封等问题，难以适应深海环境，且传统的螺旋桨式推进器需要利用轴承，轴承容易受到泥沙阻塞影响；利用记忆合金等新材料驱动的水下航行器驱动力较小，其游动速度还会受到材料滞后性和响应慢的限制。基于压电驱动设计的新驱动装置对水下环境有更好的适应性，如何通过仿生水族动物实现推进将是一个新颖的、亟待研究和完善的构思，需要设计新的结构以满足更快速、更稳定、更可靠的动力需求。而现有的摆动鳍往复摆动的压电驱动设计，其压电激励通常需要多个模态耦合，存在调频一致性困难的问题；对单模态驱动方法的研究可简化工作方法，提高靠压电驱动工作的装置的稳定性。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置及其工作方法。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置，包括支架导轨、压电换能器、弹性薄板、第一限位板、第二限位板和摆动鳍；所述支架导轨包含依次相连的第一夹持段、第一连接段、第一工作段、第二工作段、第三工作段、第二连接段、第二夹持段；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段均为圆弧段，其中，所述第一、第三工作段结构相同，对称设置在第二工作段两端；第一工作段的半径小于第二工作段的半径；所述第一连接段和第二连接段、第一夹持段和第二夹持段均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；所述第一、第二夹持段相互平行设置且通过螺栓固定，将所述弹性薄板的一端夹持固定在其中；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段的开口方向均指向第一夹持段，形成了配合压电换能器工作的工作轨道；所述压电换能器包含上基体、下基体以及压电陶瓷模块；所述压电陶瓷模块包含2n个依次层叠的压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数；所述压电陶瓷片均为单分区压电陶瓷片，均沿厚度方向极化；相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述上基体为柱体，其上端面设有两侧开口的v形槽，两侧对称设有和上基体垂直
的第一预紧板、第二预紧板；所述下基体为面积从上至下逐渐变小的变幅杆，两侧对称设有和下基体垂直的第三预紧板、第四预紧板；所述第一预紧板、第三预紧板通过螺栓相连，第二预紧板、第四预紧板通过螺栓相连，使得上基体的下端面和下基体的上端面将2n个压电陶瓷片夹紧在其中；所述摆动鳍上设有供所述支架导轨的工作轨道穿过的工作方孔，且摆动鳍的根部设有供所述压电换能器伸入至工作方孔内的通槽；所述工作方孔内设有分别贴合在工作轨道的两侧侧壁上的第一转动滚筒、第二转动滚筒，使得摆动鳍能够在工作轨道的长度方向相对工作轨道自由滑动；所述压电换能器设置在所述摆动鳍的通槽内，上基体、下基体均和摆动鳍固连，且下基体的下端作为作动头和所述工作轨道的内壁相抵；所述弹性薄板一端夹持在所述第一夹持段、第二夹持段之间，另一端抵在压电换能器上基体上的v形槽内，呈压缩状态；所述第一限位板、第二限位板分别设置在压电换能器上基体上的v形槽的两侧，均和所述弹性薄板垂直固连，用于防止所述弹性薄板从上基体的v形槽内脱离。
5.作为本发明一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置进一步的优化方案，所述弹性薄板采用65mn弹簧钢带制成。
6.作为本发明一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置进一步的优化方案，所述支架导轨采用铝合金、钛合金、金属玻璃中的任意一种制成。
7.作为本发明一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置进一步的优化方案，所述上基体、下基体均采用金属玻璃或磷青铜制成。
8.本发明还公开了一种该单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置的驱动方法，激发压电换能器使得纵向振动，压电换能器和工作轨道的内壁保持倾斜接触，压电换能器下基体的作动头不断和工作轨道的内壁进行斜碰撞、脱离，产生摩擦；压电换能器依靠下基体的作动头的不断摩擦，与支架导轨发生相对运动，具体运动的周期过程如下：步骤1），压电换能器带动摆动鳍由第二工作段朝第一工作段行进；摆动鳍拨水时克服水的阻力，同时弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；步骤2），压电换能器带动摆动鳍从第二工作段进入到第一工作段中；此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电换能器有绕第一工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；步骤3），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电换能器行程速度惯性的影响，压电换能器在弹性薄板的搭压作用下抵着第一工作段顺时针旋转，导致压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤1）相反；此过程压电换能器带动固连的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；步骤4），由于压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电换能器带动摆动鳍由第一工作段朝第二工作段行进；步骤5），压电换能器带动摆动鳍沿着支架导轨从第一工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的弹性势能进一步释放；步骤6），压电换能器在第二工作段上朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水；
步骤7），压电换能器带动摆动鳍由第二工作段朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水，弹性薄板的弹性势能不断存储和增大；步骤8），压电换能器带动摆动鳍从第二工作段进入到第三工作段中，此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电换能器有绕第三工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；步骤9），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电换能器行程速度惯性的影响，压电换能器在弹性薄板的搭压作用下抵着第三工作段逆时针旋转，导致压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤7）相反；此过程压电换能器带动固连的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；步骤10），由于压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电换能器带动摆动鳍由第三工作段朝第二工作段行进；步骤11），压电换能器带动摆动鳍沿着支架导轨从第三工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的弹性势能进一步释放。
9.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 本发明压电驱动方式更为简单，所公开的装置结合利用连接薄板弹性势能的存储与释放、压电换能器的纵向振动、工作轨道相配合，促使压电换能器和摆动鳍在工作轨道上自动往复摆动。其中的压电换能器仅需利用其纵振“单模态”便可实现作动，不存在模态耦合、调频一致性难等问题；且利用压电换能器单模态驱动的响应速度快，装置工作更稳定。
10.2. 本发明公开的装置为压电激励和摩擦驱动结构，压电作动器内部本身无空腔，因此可解除深海高水压对驱动系统的制约。
11.3. 本发明公开的装置为全开放式仿生结构，无需考虑电磁电机密封、螺旋桨输出轴需要严苛动密封等问题。
附图说明
12.图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明中支架导轨的结构示意图图3为本发明中工作轨道的结构示意图；图4为本发明中压电换能器的结构示意图；图5为本发明中压电换能器的一阶纵向振动模态示意图；图6为本发明中弹性薄板、支架导轨、压电换能器、摆动鳍相配合的结构示意图；图7为本发明中弹性薄板、第一限位板、第二限位板相配合的结构示意图；图8为本发明中压电换能器与工作轨道相对运动的原理示意图；图9为本发明在一个摆动周期内的工作原理图。
13.图中，1-支架导轨，2-压电换能器，3-摆动鳍，4-弹性薄板，5-第一限位板，6-第二限位板，1.1-第一连接段，1.2-工作轨道，1.2.1-第一工作段，1.2.2-第二工作段，1.2.3-第三工作段，1.3-第一夹持段， 2.1-上基体，2.2-下基体，2.3-压电陶瓷模块，2.4-第一预紧板，2.5-第二预紧板，2.6-第三预紧板，2.7-第四预紧板，3.1-第一转动滚筒。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
15.本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
16.如图1所示，本发明公开了一种单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置，包括支架导轨、压电换能器、弹性薄板、第一限位板、第二限位板和摆动鳍；如图2所示，所述支架导轨包含依次相连的第一夹持段、第一连接段、第一工作段、第二工作段、第三工作段、第二连接段、第二夹持段；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段均为圆弧段，其中，所述第一、第三工作段结构相同，对称设置在第二工作段两端，第一工作段的半径小于第二工作段的半径，如图3所示，图中，o1、o2、o3分别为第一、第二、第三工作段的圆心；所述第一连接段和第二连接段、第一夹持段和第二夹持段均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；所述第一、第二夹持段相互平行设置且通过螺栓固定，将所述弹性薄板的一端夹持固定在其中；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段的开口方向均指向第一夹持段，形成了配合压电换能器工作的工作轨道；如图4所示，所述压电换能器包含上基体、下基体以及压电陶瓷模块；所述压电陶瓷模块包含2n个依次层叠的压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数；所述压电陶瓷片均为单分区压电陶瓷片，均沿厚度方向极化；相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述上基体为柱体，其上端面设有两侧开口的v形槽，两侧对称设有和上基体垂直的第一预紧板、第二预紧板；所述下基体为面积从上至下逐渐变小的变幅杆，两侧对称设有和下基体垂直的第三预紧板、第四预紧板；所述第一预紧板、第三预紧板通过螺栓相连，第二预紧板、第四预紧板通过螺栓相连，使得上基体的下端面和下基体的上端面将2n个压电陶瓷片夹紧在其中；如图5所示，利用压电换能器模态频率下的交变电压激励每片压电陶瓷片的d
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工作模态，压电陶瓷片的高频振动激发出下部基体及其驱动足的纵向振动；如图6所示，所述摆动鳍上设有供所述支架导轨的工作轨道穿过的工作方孔，且摆动鳍的根部设有供所述压电换能器伸入至工作方孔内的通槽；所述工作方孔内设有分别贴合在工作轨道的两侧侧壁上的第一转动滚筒、第二转动滚筒，使得摆动鳍能够在工作轨道的长度方向相对工作轨道自由滑动；所述压电换能器设置在所述摆动鳍的通槽内，上基体、下基体均和摆动鳍固连，且下基体的下端作为作动头和所述工作轨道的内壁相抵；所述弹性薄板一端夹持在所述第一夹持段、第二夹持段之间，另一端抵在压电换能器上基体上的v形槽内，呈压缩状态；如图6、图7所示，所述第一限位板、第二限位板分别设置在压电换能器上基体上的v形槽的两侧，均和所述弹性薄板垂直固连，用于防止所述弹性薄板从上基体的v形槽内脱离。
17.所述弹性薄板优先采用65mn弹簧钢带制成，所述支架导轨可以采用铝合金、钛合金、金属玻璃中的任意一种制成，所述上基体、下基体均采用金属玻璃或磷青铜制成。
18.摆动鳍的形状可为矩形、等腰梯形、等腰三角形、等腰梯形和半圆形结合的封闭图形、多个样条曲线结合的封闭图形等；其厚度按照连接关系和强度要求设计；所述摆动鳍其材料可为硬塑料、特殊工程塑料等质量轻、刚度大的材料，也可以选择柔性较大的柔性材料。
19.本发明利用弹性连接薄板、压电换能器纵向振动与工作轨道相配合，促使压电换能器在导轨上自动往复摆动，如图8所示，该相对运动形成的原理如下：在a—e运动周期（也是压电换能器纵向振动的周期）内，在a状态瞬间，压电换能器处于纵振的缩短变形中，与支架导轨接触；在a—b状态，压电换能器从缩短变形状态回复到纵振周期变形的平衡状态，由于其自身纵振产生了与支架导轨的相互作用力，二者分离；在b—c状态，压电换能器作伸长变形，压电换能器与支架导轨继续分离，c状态瞬间纵振伸长变形达到最大；在c—d状态，由于存在弹性薄板对压电换能器的下压力f
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的作用，压电换能器重新靠近支架导轨，d状态瞬间压电换能器处于纵振的平衡状态；在d—e状态，压电换能器做缩短变形，e状态瞬间压电换能器再次与支架导轨接触，e状态瞬间与a状态瞬间相同。图7中的虚线表示在一个运动周期内，压电换能器下基体驱动足与支架导轨的相对椭圆轨迹。因此，压电换能器沿着支架导轨的圆弧柱面，往压电换能器倾斜的一侧方向行进。
20.支架导轨曲率的变化改变着压电换能器与支架导轨的接触状况，压电换能器位置和姿态的变化影响着弹性薄板的形变量。当压电换能器从第二工作段进入第一工作段或第三工作段时，压电换能器的对称轴线与支架导轨在接触点处的切线之间的夹角（锐角）增大，导致压电换能器受到的摩擦驱动力突然减小，摩擦驱动力小于弹性薄板弹性恢复力，因此弹性薄板拱弯方向发生瞬变；同时，压电换能器上方受到该反向拱弯的力，压电换能器与支架导轨相对倾斜方向发生改变；压电换能器相对姿态发生变化，进而改变其行进方向。又由于摆动鳍与压电换能器固连，整个工作过程自动实现了摆动鳍的摆动与自动换向。
21.如图9所示，本发明还公开了一种该单模态夹心式压电驱动的摆动鳍装置的驱动方法，激发压电换能器使得纵向振动，压电换能器和工作轨道的内壁保持倾斜接触，压电换能器下基体的作动头不断和工作轨道的内壁进行斜碰撞、脱离，产生摩擦；压电换能器依靠下基体的作动头的不断摩擦，与支架导轨发生相对运动，具体运动的周期过程如下：步骤1），由状态a经状态b变化至状态c，压电换能器带动摆动鳍由第二工作段朝第一工作段行进；摆动鳍拨水时克服水的阻力，同时弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；步骤2），由状态c变化至状态d，压电换能器带动摆动鳍从第二工作段进入到第一工作段中；此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电换能器有绕第一工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；步骤3），由状态d变化至状态e，由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电换能器行程速度惯性的影响，压电换能器在弹性薄板的搭压作用下抵着第一工作段顺时针旋转，导致压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤1）相反；此过程压电换能器带动固连的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；步骤4），由状态e变化至状态f，由于压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电换能器带动摆动鳍由第一工作段朝第二工作段行进；步骤5），由状态f变化至状态g，压电换能器带动摆动鳍沿着支架导轨从第一工作
段进入到第二工作段中；弹性薄板的弹性势能进一步释放；步骤6），由状态g变化至状态h，压电换能器在第二工作段上朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水；步骤7），由状态h变化至状态i，压电换能器带动摆动鳍由第二工作段朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水，弹性薄板的弹性势能不断存储和增大；步骤8），由状态i变化至状态j，压电换能器带动摆动鳍从第二工作段进入到第三工作段中，此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电换能器有绕第三工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；步骤9），由状态j变化至状态k，由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电换能器行程速度惯性的影响，压电换能器在弹性薄板的搭压作用下抵着第三工作段逆时针旋转，导致压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤7）相反；此过程压电换能器带动固连的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；步骤10），由状态k变化至状态l，由于压电换能器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电换能器带动摆动鳍由第三工作段朝第二工作段行进；步骤11），由状态l变化至状态a，压电换能器带动摆动鳍沿着支架导轨从第三工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的弹性势能进一步释放。
22.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
23.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。