本發(fā)明屬于慣性壓電作動器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)含光電編碼器的旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器及作動方法。

背景技術(shù)：

慣性式壓電作動器是一類采用非對稱的驅(qū)動信號、非對稱的機械夾持結(jié)構(gòu)或非對稱的摩擦力為控制方式，通過慣性沖擊運動形成驅(qū)動的機構(gòu)。

與其他類型的壓電驅(qū)動比較，慣性壓電作動器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、分辨率高、大行程、運動速度快和成本低等主要優(yōu)點，可實現(xiàn)較大行程且同時具有納米級定位精度。因此，慣性壓電作動器適用于需要高分辨率、大行程的場合。目前，科技工作者已成功將慣性壓電作動器應(yīng)用于高精度定位機構(gòu)，多自由度驅(qū)動器，微型機器人關(guān)節(jié)以及微操作手等領(lǐng)域。

一般地，旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器常常利用雙晶片作為驅(qū)動元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強度低；目前在多數(shù)旋轉(zhuǎn)式慣性作動器中，僅依靠線接觸進行鉗位，容易因表面磨損而鉗位失效；另外，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器雖能完成轉(zhuǎn)角的輸出，但是無法準確實時測量輸出角度的大小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)含光電編碼器的旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器及作動方法，在高頻驅(qū)動條件下，能夠快速響應(yīng)并穩(wěn)定驅(qū)動負載雙向旋轉(zhuǎn)；此作動器結(jié)構(gòu)新穎，鉗位可靠，具有實時測量輸出角度的功能，能夠斷電鎖止并實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種內(nèi)含光電編碼器的旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器，包括外殼1、輸出軸3、軸承8、第一作動件5、第二作動件6、碼盤9、光電檢測組件10及印制板11；所述外殼1底座經(jīng)軸承8安裝有輸出軸3，該輸出軸3的中下部一體加工有大截面的圓盤2，圓盤2下表面粘貼有碼盤9，布置于碼盤9下方的是固定在底座上表面的光電檢測組件10和印制板11；第一作動件5和第二作動件6固定于外殼1內(nèi)側(cè)壁面，兩者關(guān)于所在平面上的軸心點成中心對稱分布，第一作動件5和第二作動件6內(nèi)部均過盈配合有壓電堆7，兩者底部設(shè)有摩擦足4，摩擦足4能夠與圓盤2上表面緊密接觸；所述碼盤9、光電檢測組件10及印制板11一同構(gòu)成光電編碼器，當碼盤9隨輸出軸3旋轉(zhuǎn)，光電檢測組件10和印制板11一起形成的處理電路進行光電轉(zhuǎn)換和信號處理的功能，從而實時獲得作動器的輸出轉(zhuǎn)角。

所述摩擦足4為設(shè)置在第一作動件5和第二作動件6底部的突出粗糙面，摩擦足4與圓盤2上表面緊密接觸，兩者之間能夠產(chǎn)生可靠的摩擦力。

所述的內(nèi)含光電編碼器的旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器的作動方法，未通電時，輸出軸3處于鉗位狀態(tài)；為使輸出軸3逆時針旋轉(zhuǎn)，第一步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7緩慢施加電壓，壓電堆7沿其軸向緩慢伸長，帶動摩擦足4遠離安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩能夠克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4保持相對靜止，推動輸出軸3逆時針旋轉(zhuǎn)一個微小角度；第二步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7迅速降電，壓電堆7沿其軸向迅速收縮，帶動摩擦足4朝安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩?zé)o法克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4出現(xiàn)相對滑動，在降電極短的時間內(nèi)，輸出軸3基本保持原位，由此輸出軸3保留一個逆時針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸3連續(xù)地驅(qū)動負載逆時針旋轉(zhuǎn)；類似地，為使輸出軸3順時針旋轉(zhuǎn)，第一步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7迅速加電，壓電堆7沿其軸向迅速伸長，帶動摩擦足4遠離安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩?zé)o法克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4出現(xiàn)相對滑動，在加電極短的時間內(nèi)，輸出軸3基本保持原位；第二步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7緩慢降電，壓電堆7沿其軸向緩慢收縮，帶動摩擦足4朝安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩能夠克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4保持相對靜止，拉動輸出軸3順時針旋轉(zhuǎn)一個微小角度，由此輸出軸3保留一個順時針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸3連續(xù)地驅(qū)動負載順時針旋轉(zhuǎn)；當碼盤9隨輸出軸3旋轉(zhuǎn)，光電檢測組件10和印制板11一起形成的處理電路進行光電轉(zhuǎn)換和信號處理的功能，從而實時獲得作動器的輸出轉(zhuǎn)角。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1)本發(fā)明的第一作動件5和第二作動件6安裝于外殼1內(nèi)壁后，其摩擦足4與輸出軸3上的圓盤2實現(xiàn)了緊密的面接觸，使得摩擦表面增大，摩擦力相應(yīng)增大，另外摩擦力對輸出軸3軸心的力臂大于輸出軸3軸徑，輸出力矩顯著增大，由此提高了作動器的輸出性能，降低了外在環(huán)境及接觸面磨損的影響。

2)本發(fā)明的輸出軸3圓盤2下方設(shè)有碼盤9，該碼盤9與光電檢測組件10及印制板11一同構(gòu)成光電編碼器，當碼盤9隨輸出軸3旋轉(zhuǎn)，光電檢測組件10和印制板11一起形成的處理電路進行光電轉(zhuǎn)換和信號處理，實現(xiàn)實時測量輸出轉(zhuǎn)角的功能。

3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間利用合理，體積小，質(zhì)量輕，使用慣性作動的原理，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，作動方便易行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖2為本發(fā)明剖面圖。

圖3為本發(fā)明作動件的立體圖。

圖4為本發(fā)明逆時針旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動電壓時序圖。

圖5為本發(fā)明順時針旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動電壓時序圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明內(nèi)含光電編碼器的旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器，包括外殼1、輸出軸3、軸承8、第一作動件5、第二作動件6、碼盤9、光電檢測組件10及印制板11；所述外殼1底座經(jīng)軸承8安裝有輸出軸3，該輸出軸3的中下部一體加工有大截面的圓盤2，圓盤2下表面粘貼有碼盤9，布置于碼盤9下方的是固定在底座上表面的光電檢測組件10和印制板11；第一作動件5和第二作動件6固定于外殼1內(nèi)側(cè)壁面，兩者關(guān)于所在平面上的軸心點成中心對稱分布，第一作動件5和第二作動件6內(nèi)部均過盈配合有壓電堆7，兩者底部設(shè)有摩擦足4，摩擦足4能夠與圓盤2上表面緊密接觸。

所述碼盤9、光電檢測組件10及印制板11一同構(gòu)成光電編碼器，當碼盤9隨輸出軸3旋轉(zhuǎn)，光電檢測組件10和印制板11一起形成的處理電路進行光電轉(zhuǎn)換和信號處理的功能，從而實時獲得作動器的輸出轉(zhuǎn)角。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述摩擦足4為設(shè)置在第一作動件5和第二作動件6底部的突出粗糙面，摩擦足4與圓盤2上表面緊密接觸，兩者之間能夠產(chǎn)生可靠的摩擦力。

如圖4和圖5所示，內(nèi)含光電編碼器的旋轉(zhuǎn)式慣性壓電作動器的作動方法，其特征在于：未通電時，輸出軸3處于鉗位狀態(tài)；為使輸出軸3逆時針旋轉(zhuǎn)，第一步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7緩慢施加電壓，壓電堆7沿其軸向緩慢伸長，帶動摩擦足4遠離安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩能夠克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4保持相對靜止，推動輸出軸3逆時針旋轉(zhuǎn)一個微小角度；第二步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7迅速降電，壓電堆7沿其軸向迅速收縮，帶動摩擦足4朝安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩?zé)o法克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4出現(xiàn)相對滑動，在降電極短的時間內(nèi)，輸出軸3基本保持原位，由此輸出軸3保留一個逆時針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸3連續(xù)地驅(qū)動負載逆時針旋轉(zhuǎn)；類似地，為使輸出軸3順時針旋轉(zhuǎn)，第一步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7迅速加電，壓電堆7沿其軸向迅速伸長，帶動摩擦足4遠離安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩?zé)o法克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4出現(xiàn)相對滑動，在加電極短的時間內(nèi)，輸出軸3基本保持原位；第二步，對第一作動件5和第二作動件6中的壓電堆7緩慢降電，壓電堆7沿其軸向緩慢收縮，帶動摩擦足4朝安裝壁面運動，此時摩擦足4與圓盤2之間的靜摩擦力對輸出軸3產(chǎn)生的力矩能夠克服輸出軸3的慣性力矩，輸出軸3上的圓盤2與摩擦足4保持相對靜止，拉動輸出軸3順時針旋轉(zhuǎn)一個微小角度，由此輸出軸3保留一個順時針的旋轉(zhuǎn)步距；重復(fù)第一、二步，能夠使輸出軸3連續(xù)地驅(qū)動負載順時針旋轉(zhuǎn)；當碼盤9隨輸出軸3旋轉(zhuǎn)，光電檢測組件10和印制板11一起形成的處理電路進行光電轉(zhuǎn)換和信號處理的功能，從而實時獲得作動器的輸出轉(zhuǎn)角。