基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器及作動方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及作動器技術領域，具體涉及基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器及作動方法。
【背景技術】
[0002]壓電粗纖維復合材料-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，能夠產生大的變形，且質量輕、厚度薄，對結構的質量和剛度幾乎沒有影響。其獨特的電極和壓電纖維布置使得其擁有更高的壓電系數和機電耦合系數，可以產生更大的作動力。因此，MFC類作動器在機械、船舶、汽車、土木、航空航天等諸多領域有廣闊的應用前景。
[0003]由于傳統(tǒng)壓電材料輸出位移為微位移，實現旋轉作動，一般采用多個壓電堆步進式作動，或電磁驅動轉動，且結構復雜、笨重。若要求輸出旋轉運動和扭矩，同時具有抗電磁干擾，持續(xù)轉動，柔軟耐用，體積小，重量輕等功能時，傳統(tǒng)壓電或電磁類作動器等難以滿足上述所有條件。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決上述現有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器及作動方法，具有抗電磁干擾、持續(xù)作動、結構輕巧等特點，實現輸出旋轉運動和扭矩的功能。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0006]基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器，包括外部框架1，通過螺釘9固定在外部框架1內上下端的導軌2，設置在導軌2間并兩端放置于導軌凹槽內的滑塊3，兩個弧形板4凹面相對放置，其一端通過銷釘8與導軌2連接，另一端通過銷釘8與滑塊3連接，兩個弧形板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外部兩側；所述滑塊3-連桿6-飛輪7構成對心曲柄滑塊機構。
[0007]所述飛輪7的軸心未與飛輪7中心重合，兩者之間有預設距離，即就是曲柄滑塊機構曲柄的長度。
[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促進劑和326結構膠粘貼有壓電粗纖維5。
[0009]所述外部框架1為薄板結構。
[0010]所述的壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器的作動方法，開始作動時，壓電粗纖維5處于彎曲工作模式，給兩個壓電粗纖維5同時通電，壓電粗纖維5和弧形板4 一起彎曲，拉動滑塊3在導軌2內移動；滑塊3中部軸拉動連桿6 —起運動，作用于飛輪7的偏心軸，推動飛輪轉動輸出扭矩；對壓電粗纖維5有序地通、斷電，壓電粗纖維5和弧形板4 一起彎曲、恢復，使滑塊3往復運動，驅動飛輪7持續(xù)轉動；以此實現輸出旋轉運動和扭矩。
[0011]本發(fā)明和現有技術相比，具有如下優(yōu)點:
[0012]1)相比于傳統(tǒng)壓電作動器，壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器采用壓電粗纖維5實現伸長率103ppm級作動，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，有更大的位移變形。
[0013]2)相比于電磁旋轉作動器，壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器在采用壓電粗纖維5，具有抗電磁干擾的功能。
[0014]3)相比于一般旋轉作動器，壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器在采用曲柄滑塊機構持續(xù)輸出旋轉運動和扭矩。
[0015]4)作動器的弧形板4初始形狀為圓弧狀薄板，外部框架1也為薄板結構，減輕結構重量。
[0016]5)作動器的壓電粗纖維5粘貼時，采用7649促進劑和326結構膠，粘貼效果好。
[0017]總之，本發(fā)明能夠避免傳統(tǒng)壓電作動器位移小、電磁類作動器易受電磁干擾等等缺點，具有抗電磁干擾、持續(xù)作動、結構輕巧等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明結構立體剖視圖。
[0019]圖2為本發(fā)明側視圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[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構的旋轉作動器，包括兩個壓電粗纖維5，所述壓電粗纖維5為P1型的MFC，利用d33效應作動，極化方向沿壓電陶瓷纖維，工作在伸縮狀態(tài)下，當施加的最大電壓-500V到1500V時，伸長率能達到1800ppm ；兩個弧形板4上分別粘貼一個壓電粗纖維5，弧形板4 一端通過銷釘8與導軌2連接，另一端通過銷釘8與滑塊3連接；所述滑塊3兩端放置于兩個導軌2凹槽內，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外部兩側；采用螺釘9將導軌2固定在外部框架1內；所述滑塊3中部軸心與飛輪軸心在一條直線上，滑塊3-連桿6-飛輪7構成對心曲柄滑塊機構。
[0022]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在有尺寸要求和重量限制時，弧形板4選擇變形量大的材料；外部框架1、導軌2、滑塊3、連桿6和飛輪7均采用剛度大的輕質材料，并通過力學分析，優(yōu)化結構尺寸。
[0023]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，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構的旋轉作動器的作動方法，開始作動時，壓電粗纖維5處于彎曲工作模式，給兩個壓電粗纖維5同時通相同電壓，兩個壓電粗纖維5和兩個弧形板4 一起彎曲，通過銷釘8拉動滑塊3在導軌2內移動一小段距離；滑塊3中部軸拉動連桿6 —起做平面運動，同時，連桿6作用于飛輪7的偏心軸形成力矩，推動飛輪轉動輸出旋轉運動和扭矩；對壓電粗纖維5有序地通、斷電，壓電粗纖維5和弧形板4 一起彎曲、恢復，使滑塊3往復運動，驅動飛輪7持續(xù)轉動；若要扭矩保持，則對兩個壓電粗纖維5施加一定電壓，兩個壓電粗纖維5和兩個弧形板4 一起彎曲到一定程度，滑塊3移動到某位置，連桿6約束飛輪7保持在某位置，則扭矩保持；以此實現輸出旋轉運動和扭矩。
【主權項】
1.基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器，其特征在于:包括外部框架⑴，通過螺釘(9)固定在外部框架(1)內上下端的導軌(2)，設置在導軌(2)間并兩端放置于導軌凹槽內的滑塊(3)，兩個弧形板(4)凹面相對放置，其一端通過銷釘(8)與導軌(2)連接，另一端通過銷釘(8)與滑塊(3)連接，兩個弧形板(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)外部兩側；所述滑塊(3)-連桿(6)-飛輪(7)構成對心曲柄滑塊機構。2.根據權利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器，其特征在于:所述飛輪(7)的軸心未與飛輪(7)中心重合，兩者之間有預設距離，即就是曲柄滑塊機構曲柄的長度。3.根據權利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器，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促進劑和326結構膠粘貼有壓電粗纖維(5)。4.根據權利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器，其特征在于:所述外部框架(1)為薄板結構。5.權利要求1所述基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器的作動方法，其特征在于:開始作動時，壓電粗纖維(5)處于彎曲工作模式，給兩個壓電粗纖維(5)同時通電，壓電粗纖維(5)和弧形板(4) 一起彎曲，拉動滑塊(3)在導軌(2)內移動；滑塊(3)中部軸拉動連桿(6) —起運動，作用于飛輪(7)的偏心軸，推動飛輪轉動輸出扭矩；對壓電粗纖維(5)有序地通、斷電，壓電粗纖維(5)和弧形板(4) 一起彎曲、恢復，使滑塊(3)往復運動，驅動飛輪(7)持續(xù)轉動；以此實現輸出旋轉運動和扭矩。
【專利摘要】基于壓電粗纖維和曲柄滑塊機構的旋轉作動器及作動方法，該作動器由壓電粗纖維、弧形板、銷釘，滑塊、連桿、飛輪、導軌、螺釘和外部框架組成；壓電粗纖維粘貼于弧形板上，弧形板兩端通過銷釘分別與滑塊和導軌連接；滑塊兩端位于導軌內，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；采用螺釘將導軌固定在外部框架內；滑塊-連桿-飛輪構成對心曲柄滑塊機構；對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，使滑塊往復運動，拉動連桿并驅動飛輪轉動；以此實現輸出旋轉運動和扭矩；本發(fā)明作動器，具有抗電磁干擾，持續(xù)轉動，柔軟耐用，體積小，重量輕的特點。
【IPC分類】H02N2/04, H02N2/02
【公開號】CN105406757
【申請?zhí)枴緾N201510929107
【發(fā)明人】馬國亮, 徐明龍, 李亮, 苗維凱
【申請人】西安交通大學
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月12日