CN107834897A - 基于压电驱动的爬行作动器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于压电驱动的爬行作动器及其工作方法，涉及超声、MEMS以及压电技术领域，能够使得作动器能够同时满足尺寸小、反应速度快、能实现转弯运动，以及负载大的特点。本发明包括：第一磷青铜基体、第一压电陶瓷片、第二磷青铜基体、第二压电陶瓷片、连接杆，利用两片压电陶瓷片分别在正弦电压作用下的逆压电效应和基体两脚分别的两边与接触地面形成的60度夹角，造成两脚的两边在压电陶瓷的驱动下产生不同的振动位移，使基体两脚产生朝同一个方向的运动模式。通过控制调节两脚的输入正弦电压值，实现作动器的不同转弯半径，完成预设的行进路径。
Description
技术领域
本发明涉及超声、MEMS以及压电技术领域，尤其涉及基于压电驱动的爬行作动器及其工作方法。
背景技术
作动器是实施振动主动控制的关键部件，是主动控制***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。
随着主动控制要求的提高，作动器需要同时满足尺寸小、反应速度快、能转弯，以及负载大的特点。然而，现有的作动器中，尺寸小则难以满足负载大的需求；反应速度快就难以集成为较小的尺寸。因此，现有作动器的设计难以均衡各项参数的表现，缺乏一种作动器能够同时满足尺寸小、反应速度快、能实现转弯运动，以及负载大的特点。
发明内容
本发明公开了基于压电驱动的爬行作动器及其工作方法，能够均衡作动器的性能，同时满足尺寸小、反应速度快、实现转弯运动，以及负载大的要求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于压电驱动的爬行作动器，包括：第一磷青铜基体（1）、第一压电陶瓷片（2）、第二磷青铜基体（3）、第二压电陶瓷片（4）、连接杆（5），第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）形状大小均相同，第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）两端设置有三角形的支脚，三角形支脚与地面接触,能够提高作动器的负载和运动速度；
第一磷青铜基体（1）上安装第一压电陶瓷片（2），第二磷青铜基体（3）上安装第二压电陶瓷片（4）；
第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）形状大小均相同；
第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）通过连接杆（5）连接，连接杆（5）位于第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）的振动节点位置，振动节点位置由仿真计算得出；
连接杆（5）与第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）一体成型。
进一步的,支脚形状为等边三角形,能够驱动自身体重三倍以上的负载。
进一步的,第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）是长方形。
本发明还公开了基于压电驱动的爬行作动器的工作方法，包括:
S1、对第一磷青铜基体（1）施加正弦电压V1，对第二磷青铜基体（3）施加正弦电压V2，第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）在正弦电压的作用下发生形变；
S2、第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）分别带动第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）产生直线位移；
S3、连接杆（5）将直线位移合成，基于压电驱动的爬行作动器产生位移，实现直线或者转弯的运动模式。
进一步的,当正弦电压V1等于正弦电压V2，基于压电驱动的爬行作动器沿着其长度轴线，向远离连接杆(5)的方向产生位移。
进一步的,当正弦电压V1大于正弦电压V2，基于压电驱动的爬行作动器发生第一合成位移；
第一合成位移由以下位移合成：沿着基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，远离连接杆（5）的方向的位移；以及垂直于基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，朝向第二磷青铜基体（3）方向的位移。
进一步的，正弦电压V1小于正弦电压V2，基于压电驱动的爬行作动器发生第二合成位移；
第二合成位移由以下位移合成：沿着基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，远离连接杆(5)的方向的位移；以及垂直于基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，朝向第一磷青铜基体（1）方向的位移。
本发明的有益效果为：本发明具有两片压电陶瓷片，利用压电陶瓷片的逆压电效应控制压电陶瓷片的形变，通过压电陶瓷片的形变带动磷青铜基体发生形变和位移，通过连接杆的连接合成上述位移，最终实现作动器的位移，由于作动器结构简单，没有复杂的机构，因此尺寸较小，并且作动流程简单直接，缩短的作动过程所用的时间，反应速度快；对压电陶瓷片施加相同的正弦电压时，作动器产生直线运动，对压电陶瓷片施加不同大小的正弦电压时，作动器产生转弯运动，正弦电压的电压差越大，转弯运动的半径越小，因此可以通过调节输入正弦电压值，控制作动器的运动模式，最终实现预设作动器的行动路径；作动器的三角形支脚能大幅提升负载能力和运动速度,等边三角形的支脚至少能驱动作动器自重三倍以上的负载;综上,本发明具有尺寸小、反应速度快、能实现转弯运动，以及负载大的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的结构示意图;
图2是正弦电压V1等于正弦电压V2时的工作示意图；
图3是正弦电压V1等于正弦电压V2时的俯视图；
图4是正弦电压V1大于正弦电压V2时的俯视图；
图5是正弦电压V1小于正弦电压V2时的俯视图。
1-第一磷青铜基体、2-第一压电陶瓷片、3-第二磷青铜基体、4-第二压电陶瓷片、5-连接杆。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
基于压电驱动的爬行作动器，包括：第一磷青铜基体1、第一压电陶瓷片2、第二磷青铜基体3、第二压电陶瓷片4、连接杆5。
第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体3，第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4的形状大小均相同，第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4是长方形。第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体3两端设置有支脚，支脚的形状为等边三角形。
第一磷青铜基体1上安装第一压电陶瓷片2，第二磷青铜基体3上安装第二压电陶瓷片4。第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体3通过连接杆5连接，一体成型。连接杆5位于第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体3的振动节点位置，振动节点位置由仿真计算得出。
本发明实施例还公开了基于压电驱动的爬行作动器的工作方法，包括:
S1、对第一磷青铜基体1施加正弦电压V1，对第二磷青铜基体3施加正弦电压V2，第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4在正弦电压的作用下发生形变；
S2、第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4分别带动第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体3产生直线位移；
S3、连接杆5将直线位移合成，基于压电驱动的爬行作动器产生位移，实现直线或者转弯的运动模式。当正弦电压V1等于正弦电压V2时，第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4在逆压电效应的作用下，第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4扩张，导致第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体3的支脚同时向外扩张，但由于两边支脚与第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体3上表面之间的夹角不同，导致一边支脚离开地面向外上升，一边支脚在地面上向外移动，上升边支脚在重力的作用下下降着地，第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4收缩，由于支脚与接触地面形成的60度夹角夹，基于压电驱动的爬行作动器在一个运动周期内，沿着其长度轴线，向远离连接杆5的方向产生位移，如图2和图3所示。
制作基于压电驱动的爬行作动器的样机，整机质量为9g，正弦电压V1和正弦电压V2均设置为100V，测量得到作动器的负载为35g，速度达到0.31 m/s。
当正弦电压V1大于正弦电压V2时，基于压电驱动的爬行作动器发生第一合成位移，如图4所示；
第一合成位移由以下位移合成：沿着基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，远离连接杆5的方向的位移；以及垂直于基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，朝向第二磷青铜基体3方向的位移。
当正弦电压V1小于正弦电压V2时，基于压电驱动的爬行作动器发生第二合成位移，如图5所示；
第二合成位移由以下位移合成：沿着基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，远离连接杆5的方向的位移；以及垂直于基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，朝向第一磷青铜基体1方向的位移。
本发明的有益效果为：本发明具有两片压电陶瓷片，利用压电陶瓷片的逆压电效应控制压电陶瓷片的形变，通过压电陶瓷片的形变带动磷青铜基体发生形变和位移，通过连接杆的连接合成上述位移，最终实现作动器的位移，由于作动器结构简单，没有复杂的机构，因此尺寸较小，并且作动流程简单直接，缩短的作动过程所用的时间，反应速度快；对压电陶瓷片施加相同的正弦电压时，作动器产生直线运动，对压电陶瓷片施加不同大小的正弦电压时，作动器产生转弯运动，正弦电压的电压差越大，转弯运动的半径越小，因此可以通过调节输入正弦电压值，控制作动器的运动模式，最终实现预设作动器的行动路径；作动器的三角形支脚能大幅提升负载能力和运动速度,等边三角形的支脚至少能驱动作动器自重三倍以上的负载;综上,本发明具有尺寸小、反应速度快、能实现转弯运动，以及负载大的优点。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.基于压电驱动的爬行作动器，其特征在于，包括：第一磷青铜基体（1）、第一压电陶瓷片（2）、第二磷青铜基体（3）、第二压电陶瓷片（4）、连接杆（5），
第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）形状大小均相同，第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）两端设置有三角形的支脚；
第一磷青铜基体（1）上安装第一压电陶瓷片（2），第二磷青铜基体（3）上安装第二压电陶瓷片（4）；
第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）形状大小均相同；
第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）通过连接杆（5）连接，连接杆（5）位于第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）的振动节点位置；
连接杆（5）与第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）一体成型。
2.根据权利要求1所述的基于压电驱动的爬行作动器，其特征在于，所述支脚形状为等边三角形。
3.根据权利要求1所述的基于压电驱动的爬行作动器，其特征在于，第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）是长方形。
4.根据权利要求1所述的基于压电驱动的爬行作动器，其特征在于，第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）采用的材料为PZT8。
5.基于压电驱动的爬行作动器的工作方法，其特征在于，包括:
S1、对第一磷青铜基体（1）施加正弦电压V1，对第二磷青铜基体（3）施加正弦电压V2，第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）在所述正弦电压的作用下发生形变；
S2、第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（3）分别带动第一压电陶瓷片（2）和第二压电陶瓷片（4）产生直线位移；
S3、连接杆（5）将所述直线位移合成，所述基于压电驱动的爬行作动器产生位移。
6.根据权利要求5所述的基于压电驱动的爬行作动器的工作方法，其特征在于，所述正弦电压V1等于所述正弦电压V2，所述基于压电驱动的爬行作动器沿着其长度轴线，向远离连接杆(5)的方向产生位移。
7.根据权利要求5所述的基于压电驱动的爬行作动器的工作方法，其特征在于，所述正弦电压V1大于所述正弦电压V2，所述基于压电驱动的爬行作动器发生第一合成位移；
所述第一合成位移由以下位移合成：沿着所述基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，远离连接杆(5)的方向的位移；以及垂直于所述基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，朝向第二磷青铜基体（3）方向的位移。
8.根据权利要求5所述的基于压电驱动的爬行作动器的工作方法，其特征在于，所述正弦电压V1小于所述正弦电压V2，所述基于压电驱动的爬行作动器发生第二合成位移；
所述第二合成位移由以下位移合成：沿着所述基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，远离连接杆(5)的方向的位移；以及垂直于所述基于压电驱动的爬行作动器的长度轴线，朝向第一磷青铜基体（1）方向的位移。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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