基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器及作動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及作動(dòng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器及作動(dòng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電粗纖維復(fù)合材料-MFC(Macro fiber composite)是一種新型的壓電陶瓷材料，相比于傳統(tǒng)的壓電陶瓷，MFC更柔軟、耐用、可靠和易于表面粘貼，能夠產(chǎn)生大的變形，且質(zhì)量輕、厚度薄，對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度幾乎沒(méi)有影響。其獨(dú)特的電極和壓電纖維布置使得其擁有更高的壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，可以產(chǎn)生更大的作動(dòng)力。因此，MFC類(lèi)作動(dòng)器在機(jī)械、船舶、汽車(chē)、土木、航空航天等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]由于傳統(tǒng)壓電材料輸出位移為微位移，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)，一般采用多個(gè)壓電堆步進(jìn)式作動(dòng)，或電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重。若要求輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩，同時(shí)具有抗電磁干擾，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，柔軟耐用，體積小，重量輕等功能時(shí)，傳統(tǒng)壓電或電磁類(lèi)作動(dòng)器等難以滿(mǎn)足上述所有條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器及作動(dòng)方法，具有抗電磁干擾、持續(xù)作動(dòng)、結(jié)構(gòu)輕巧等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩的功能。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，包括外部框架1，通過(guò)螺釘9固定在外部框架1內(nèi)上下端的導(dǎo)軌2，設(shè)置在導(dǎo)軌2間并兩端放置于導(dǎo)軌凹槽內(nèi)的滑塊3，兩個(gè)弧形板4凹面相對(duì)放置，其一端通過(guò)銷(xiāo)釘8與導(dǎo)軌2連接，另一端通過(guò)銷(xiāo)釘8與滑塊3連接，兩個(gè)弧形板4上分別粘貼有壓電粗纖維5 ;所述滑塊3中部軸與連桿6 —端連接；所述連桿6另一端與飛輪7的偏心軸連接；所述飛輪7安裝在外部框架1外部?jī)蓚?cè)；所述滑塊3-連桿6-飛輪7構(gòu)成對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
[0007]所述飛輪7的軸心未與飛輪7中心重合，兩者之間有預(yù)設(shè)距離，即就是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄的長(zhǎng)度。
[0008]所述弧形板4初始形狀為圓弧狀薄板，表面采用粘貼劑7649促進(jìn)劑和326結(jié)構(gòu)膠粘貼有壓電粗纖維5。
[0009]所述外部框架1為薄板結(jié)構(gòu)。
[0010]所述的壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的作動(dòng)方法，開(kāi)始作動(dòng)時(shí)，壓電粗纖維5處于彎曲工作模式，給兩個(gè)壓電粗纖維5同時(shí)通電，壓電粗纖維5和弧形板4 一起彎曲，拉動(dòng)滑塊3在導(dǎo)軌2內(nèi)移動(dòng)；滑塊3中部軸拉動(dòng)連桿6 —起運(yùn)動(dòng)，作用于飛輪7的偏心軸，推動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸出扭矩；對(duì)壓電粗纖維5有序地通、斷電，壓電粗纖維5和弧形板4 一起彎曲、恢復(fù)，使滑塊3往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)飛輪7持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；以此實(shí)現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩。
[0011]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1)相比于傳統(tǒng)壓電作動(dòng)器，壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器采用壓電粗纖維5實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)率103ppm級(jí)作動(dòng)，弧形板4為變形量大的材料，在壓電粗纖維5彎曲工作模式時(shí)，有更大的位移變形。
[0013]2)相比于電磁旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器在采用壓電粗纖維5，具有抗電磁干擾的功能。
[0014]3)相比于一般旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器在采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)持續(xù)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩。
[0015]4)作動(dòng)器的弧形板4初始形狀為圓弧狀薄板，外部框架1也為薄板結(jié)構(gòu)，減輕結(jié)構(gòu)重量。
[0016]5)作動(dòng)器的壓電粗纖維5粘貼時(shí)，采用7649促進(jìn)劑和326結(jié)構(gòu)膠，粘貼效果好。
[0017]總之，本發(fā)明能夠避免傳統(tǒng)壓電作動(dòng)器位移小、電磁類(lèi)作動(dòng)器易受電磁干擾等等缺點(diǎn)，具有抗電磁干擾、持續(xù)作動(dòng)、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)立體剖視圖。
[0019]圖2為本發(fā)明側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0021 ] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，包括兩個(gè)壓電粗纖維5，所述壓電粗纖維5為P1型的MFC，利用d33效應(yīng)作動(dòng)，極化方向沿壓電陶瓷纖維，工作在伸縮狀態(tài)下，當(dāng)施加的最大電壓-500V到1500V時(shí)，伸長(zhǎng)率能達(dá)到1800ppm ；兩個(gè)弧形板4上分別粘貼一個(gè)壓電粗纖維5，弧形板4 一端通過(guò)銷(xiāo)釘8與導(dǎo)軌2連接，另一端通過(guò)銷(xiāo)釘8與滑塊3連接；所述滑塊3兩端放置于兩個(gè)導(dǎo)軌2凹槽內(nèi)，滑塊3中部軸與連桿6 —端連接；所述連桿6另一端與飛輪7的偏心軸連接；所述飛輪7安裝在外部框架1外部?jī)蓚?cè)；采用螺釘9將導(dǎo)軌2固定在外部框架1內(nèi)；所述滑塊3中部軸心與飛輪軸心在一條直線(xiàn)上，滑塊3-連桿6-飛輪7構(gòu)成對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
[0022]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在有尺寸要求和重量限制時(shí)，弧形板4選擇變形量大的材料；外部框架1、導(dǎo)軌2、滑塊3、連桿6和飛輪7均采用剛度大的輕質(zhì)材料，并通過(guò)力學(xué)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。
[0023]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，外部框架1采用鈑金件焊接而成。
[0024]本發(fā)明基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的作動(dòng)方法，開(kāi)始作動(dòng)時(shí)，壓電粗纖維5處于彎曲工作模式，給兩個(gè)壓電粗纖維5同時(shí)通相同電壓，兩個(gè)壓電粗纖維5和兩個(gè)弧形板4 一起彎曲，通過(guò)銷(xiāo)釘8拉動(dòng)滑塊3在導(dǎo)軌2內(nèi)移動(dòng)一小段距離；滑塊3中部軸拉動(dòng)連桿6 —起做平面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，連桿6作用于飛輪7的偏心軸形成力矩，推動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩；對(duì)壓電粗纖維5有序地通、斷電，壓電粗纖維5和弧形板4 一起彎曲、恢復(fù)，使滑塊3往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)飛輪7持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；若要扭矩保持，則對(duì)兩個(gè)壓電粗纖維5施加一定電壓，兩個(gè)壓電粗纖維5和兩個(gè)弧形板4 一起彎曲到一定程度，滑塊3移動(dòng)到某位置，連桿6約束飛輪7保持在某位置，則扭矩保持；以此實(shí)現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，其特征在于:包括外部框架⑴，通過(guò)螺釘(9)固定在外部框架(1)內(nèi)上下端的導(dǎo)軌(2)，設(shè)置在導(dǎo)軌(2)間并兩端放置于導(dǎo)軌凹槽內(nèi)的滑塊(3)，兩個(gè)弧形板(4)凹面相對(duì)放置，其一端通過(guò)銷(xiāo)釘(8)與導(dǎo)軌(2)連接，另一端通過(guò)銷(xiāo)釘(8)與滑塊(3)連接，兩個(gè)弧形板(4)上分別粘貼有壓電粗纖維(5);所述滑塊⑶中部軸與連桿(6) —端連接；所述連桿(6)另一端與飛輪(7)的偏心軸連接；所述飛輪(7)安裝在外部框架(1)外部?jī)蓚?cè)；所述滑塊(3)-連桿(6)-飛輪(7)構(gòu)成對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，其特征在于:所述飛輪(7)的軸心未與飛輪(7)中心重合，兩者之間有預(yù)設(shè)距離，即就是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄的長(zhǎng)度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，其特征在于:所述弧形板(4)初始形狀為圓弧狀薄板，表面采用粘貼劑7649促進(jìn)劑和326結(jié)構(gòu)膠粘貼有壓電粗纖維(5)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，其特征在于:所述外部框架(1)為薄板結(jié)構(gòu)。5.權(quán)利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的作動(dòng)方法，其特征在于:開(kāi)始作動(dòng)時(shí)，壓電粗纖維(5)處于彎曲工作模式，給兩個(gè)壓電粗纖維(5)同時(shí)通電，壓電粗纖維(5)和弧形板(4) 一起彎曲，拉動(dòng)滑塊(3)在導(dǎo)軌(2)內(nèi)移動(dòng)；滑塊(3)中部軸拉動(dòng)連桿(6) —起運(yùn)動(dòng)，作用于飛輪(7)的偏心軸，推動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸出扭矩；對(duì)壓電粗纖維(5)有序地通、斷電，壓電粗纖維(5)和弧形板(4) 一起彎曲、恢復(fù)，使滑塊(3)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)飛輪(7)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；以此實(shí)現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩。
【專(zhuān)利摘要】基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器及作動(dòng)方法，該作動(dòng)器由壓電粗纖維、弧形板、銷(xiāo)釘，滑塊、連桿、飛輪、導(dǎo)軌、螺釘和外部框架組成；壓電粗纖維粘貼于弧形板上，弧形板兩端通過(guò)銷(xiāo)釘分別與滑塊和導(dǎo)軌連接；滑塊兩端位于導(dǎo)軌內(nèi)，中部軸與連桿一端連接，連桿另一端與飛輪軸連接；飛輪安裝在外部框架上；采用螺釘將導(dǎo)軌固定在外部框架內(nèi)；滑塊-連桿-飛輪構(gòu)成對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；對(duì)壓電粗纖維有序地通、斷電，壓電粗纖維和弧形板一起彎曲、恢復(fù)，使滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)連桿并驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)；以此實(shí)現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩；本發(fā)明作動(dòng)器，具有抗電磁干擾，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，柔軟耐用，體積小，重量輕的特點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】H02N2/04, H02N2/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105406757
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510929107
【發(fā)明人】馬國(guó)亮, 徐明龍, 李亮, 苗維凱
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年12月12日