基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器及作动方法技术

基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器及作动方法，该作动器包括轨道、位于轨道内的挠曲电型双向步进式旋转作动单元，控制中枢和控制器；其中双向步进式作动单元由3个类圆环状的左锁止环、作动环和右锁止环从左向右依次分别固结构成，其尺寸与轨道内外径相匹配；当控制中枢下达逆时针行进命令时，锁1控制器输出电压，左锁止环处于锁止状态，与轨道内壁相接触且有静态摩擦力保证其锁止；作动控制器输出电压，作动环由于挠曲电效应产生变形而推动右锁止环使其向右移动；再使锁2控制器输出电压使右锁止环与轨道内壁相接触锁止；锁1控制器输出电压使左锁止环开锁，再使作动控制器输出相应电压使作动环恢复初始状态，将左锁止环向右拽动，从而完成一个步进周期的作动。

Stepping rotary actuator and actuation method based on inverse flexural electricity principle

A step-by-step rotary actuator based on the principle of inverse flexoelectricity and its actuating method consist of a track, a flexoelectricity bi-directional step-by-step rotary actuating unit located in the track, which controls the center and the controller. The bi-directional step-by-step actuating unit consists of three ring-like left locking rings, actuating rings and right locking rings which are left to right. When the control center sends the counter-clockwise marching command, the lock-1 controller outputs voltage, the left lock-up loop is in the lock state, contacts with the inner wall of the track and has static friction to ensure its lock-up; the output voltage of the actuator controller and the actuator loop are produced due to the flexoelectric effect The output voltage of the lock 1 controller makes the left lock loop unlock, and then the output voltage of the actuator controller makes the left lock loop return to its original state, and the left lock loop is dragged to the right, thus completing one. The operation of stepping cycle.

【技术实现步骤摘要】
基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器及作动方法
本专利技术涉及微位移作动器装置，具体涉及基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器及作动方法。
技术介绍
极微小位移的作动及基于极高精度的大变形作动技术是科学仪器、航天器精确指向、材料工程、高精度机加工等领域的核心技术。目前多由压电材料执行核心作动任务。然而由于压电材料具有居里温度、使其在高温环境下失效以至于无法正常工作，除此之外，由于压电材料仅存在于非中心对称的晶体结构中，选材范围受限，同时极化效应随时间衰减，使其进一步发展受到了限制；更为重要的是，基于压电材料的作动器技术目前的输出精度极限在亚纳米量级，难以进一步发展。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器及作动方法，为解决宽温度环境范围下的极微小位移输出(输出精度)及基于步进式的大变形作动技术提供了有效的解决方案。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器，包括外轨道1-1，套结于外轨道1-1内的内轨道1-2、位于外轨道1-1与内轨道1-2间的挠曲电型双向步进式旋转作动单元，所述挠曲电型双向步进式旋转作动单元包括左锁止环2、与左锁止环2右端固结的作动环3、与作动环3右端固结的右锁止环4；还包括分别与左锁止环2的对电极、作动环3的对电极和右锁止环4的对电极连接的锁1控制器6、作动控制器7和锁2控制器8，以及与锁1控制器6、作动控制器7和锁2控制器8连接的控制中枢5；所述左锁止环2和右锁止环4的外径与外轨道1-1的内径和内轨道1-2的外径相匹配。所述挠曲电型双向步进式旋转作动单元中的左锁止环2、作动环3和右锁止环4有两种结构形式，即：圆环式a或椭圆环式b，其目的都是为了产生沿径向的电场梯度，从而产生相应的挠曲电致变形；具体的单元结构选择模式、结构大小需根据需求的载荷、位移及轨道表面进行设计。所述左锁止环2和右锁止环4上的对电极通过不同的布置方式实现断电锁止或通电锁止的功能；第一种为对电极布置在与外轨道1-1和内轨道1-2相接触处即垂直式，第二种为对电极布置在远离与外轨道1-1和内轨道1-2相接触处的对侧即水平式；若为水平式，该方式实现的目的是：对于左锁止环2和右锁止环4而言，其实现通电锁止、断电解锁，对于作动环3而言，其实现断电推、通电拉的功能；若为垂直式，其作为锁止环实现的功能是断电锁止、通电解锁，作为作动环而言实现的是断电拉、通电推的功能；具体电极布置方式和相应的控制方式根据不同的运动方式、锁止状态需求来具体选择和设计，具有较强的可设计性。所述作动环3单步输出位移小，在单步输出时认为输出的为直线位移；在多个步进周期的作动时，作动环3相对于作动器轴线转动了一定的角度，作动器输出角度为±360°。所述左锁止环2和右锁止环4的材料相同，而作动环3的材料因负载需求与左锁止环2和右锁止环4不同，当需要大单步位移时，作动环3选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料，当需要大载荷输出时，左锁止环2和右锁止环4可选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料。本专利技术基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器的作动方法，当控制中枢5下达逆时针行进的命令时，锁1控制器6输出相应电压，由于挠曲电效应，左锁止环2处于锁止状态，与外轨道1-1和内轨道1-2相接触且有静态摩擦力保证锁止；作动控制器7输出相应电压，作动环3由于挠曲电效应产生变形而推动与作动环3右侧固结的右锁止环4使其向右移动；再使锁2控制器8输出相应的电压使右锁止环4与外轨道1-1和内轨道1-2相接触，从而实施与左锁止环2相同的锁止动作；锁1控制器6输出相应电压使左锁止环2开锁，再使作动控制器7输出相应电压使作动环3恢复初始状态，将左锁止环2向右拽动，从而完成一个步进周期的作动；逆时针行进时只需将控制中枢5的控制时序颠倒运行即可；该作动方法有方向可选、单步作动位移小和锁止状态可选的优点，且既能工作在准静态、也能使其工作在共振状态以实现高精度、高速度的位移输出。本专利技术和现有技术相比，具有如下优点：1)相对于传统的压电材料作动器技术，本专利技术具有单步位移输出数量级更小，适应的温度范围更广，尺度效应明显，选材范围更广，器件服役可靠性更高等明显优势。2)本专利技术能够实现比现有技术高至少一个数量级的高精度步进式旋转位移输出，同时锁止状态可选，且具有良好的结构、作动方式和载荷范围可设计性。附图说明图1为本专利技术的结构部分示意图。图2为本专利技术的控制部分示意图。图3为本专利技术电极结构示意图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。如图1和图2所示，基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器，包括外轨道1-1，套结于外轨道1-1内的内轨道1-2、位于外轨道1-1与内轨道1-2间的挠曲电型双向步进式旋转作动单元，所述挠曲电型双向步进式旋转作动单元包括左锁止环2、与左锁止环2右端固结的作动环3、与作动环3右端固结的右锁止环4；还包括分别与左锁止环2的对电极、作动环3的对电极和右锁止环4的对电极连接的锁1控制器6、作动控制器7和锁2控制器8，以及与锁1控制器6、作动控制器7和锁2控制器8连接的控制中枢5；所述左锁止环2和右锁止环4的外径与外轨道1-1的内径和内轨道1-2的外径相匹配。如图3中图3a和图3b所示，所述挠曲电型双向步进式旋转作动单元中的左锁止环2、作动环3和右锁止环4有两种结构形式，即：圆环式a或椭圆环式b，其目的都是为了产生沿径向的电场梯度，从而产生相应的挠曲电致变形；具体的单元结构选择模式、结构大小需根据需求的载荷、位移及轨道表面进行设计。如图3中图3a和图3b所示，所述左锁止环2和右锁止环4上的对电极通过不同的布置方式实现断电锁止或通电锁止的功能；第一种为对电极布置在与外轨道1-1和内轨道1-2相接触处即垂直式，第二种为对电极布置在远离与外轨道1-1和内轨道1-2相接触处的对侧即水平式；若为水平式，该方式实现的目的是：对于左锁止环2和右锁止环4而言，其实现通电锁止、断电解锁，对于作动环3而言，其实现断电推、通电拉的功能；若为垂直式，其作为锁止环实现的功能是断电锁止、通电解锁，作为作动环而言实现的是断电拉、通电推的功能；具体电极布置方式和相应的控制方式根据不同的运动方式、锁止状态需求来具体选择和设计，具有较强的可设计性。所述作动环3单步输出位移小，在单步输出时认为输出的为直线位移；在多个步进周期的作动时，作动环3相对于作动器轴线转动了一定的角度，作动器输出角度为±360°。所述左锁止环2和右锁止环4和作动环3固结的方式可选用胶接。作为本专利技术的优选实施方式，所述左锁止环2和右锁止环4和作动环3上的电极具有良好的导电性能和低的附着刚度。所述左锁止环2和右锁止环4的材料相同，而作动环3的材料因负载需求与左锁止环2和右锁止环4不同，当需要较大单步位移时，作动环3选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料，如比值为10.37(μC/m)/68.85(GPa)；当需要较大载荷输出时，左锁止环2和右锁止环4可选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料，如比值为10.37(μC/m)/68.85(GPa)。如图1和图2所示，本专利技术基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器的作动方法，当控制中枢5下达逆时针本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器，其特征在于：包括外轨道(1‑1)，套结于外轨道(1‑1)内的内轨道(1‑2)、位于外轨道(1‑1)与内轨道(1‑2)间的挠曲电型双向步进式旋转作动单元，所述挠曲电型双向步进式旋转作动单元包括左锁止环(2)、与左锁止环(2)右端固结的作动环(3)、与作动环(3)右端固结的右锁止环(4)；还包括分别与左锁止环(2)的对电极、作动环(3)的对电极和右锁止环(4)的对电极连接的锁1控制器(6)、作动控制器(7)和锁2控制器(8)，以及与锁1控制器(6)、作动控制器(7)和锁2控制器(8)连接的控制中枢(5)；所述左锁止环(2)和右锁止环(4)的外径与外轨道(1‑1)的内径和内轨道(1‑2)的外径相匹配。

【技术特征摘要】
1.基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器，其特征在于：包括外轨道(1-1)，套结于外轨道(1-1)内的内轨道(1-2)、位于外轨道(1-1)与内轨道(1-2)间的挠曲电型双向步进式旋转作动单元，所述挠曲电型双向步进式旋转作动单元包括左锁止环(2)、与左锁止环(2)右端固结的作动环(3)、与作动环(3)右端固结的右锁止环(4)；还包括分别与左锁止环(2)的对电极、作动环(3)的对电极和右锁止环(4)的对电极连接的锁1控制器(6)、作动控制器(7)和锁2控制器(8)，以及与锁1控制器(6)、作动控制器(7)和锁2控制器(8)连接的控制中枢(5)；所述左锁止环(2)和右锁止环(4)的外径与外轨道(1-1)的内径和内轨道(1-2)的外径相匹配。2.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器，其特征在于：所述挠曲电型双向步进式旋转作动单元中的左锁止环(2)、作动环(3)和右锁止环(4)有两种结构形式，即：圆环式(a)或椭圆环式(b)，其目的都是为了产生沿径向的电场梯度，从而产生相应的挠曲电致变形；具体的单元结构选择模式、结构大小需根据需求的载荷、位移及轨道表面进行设计。3.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电原理的步进式旋转作动器，其特征在于：所述左锁止环(2)和右锁止环(4)上的对电极通过不同的布置方式实现断电锁止或通电锁止的功能；第一种为对电极布置在与外轨道(1-1)和内轨道(1-2)相接触处即垂直式，第二种为对电极布置在远离与外轨道(1-1)和内轨道(1-2)相接触处的对侧即水平式；若为水平式，该方式实现的目的是：对于左锁止环(2)和右锁止环(4)而言，其实现通电锁止、断电解锁，对于作动环(3)而言，其实现断电推、通电拉的功能；若为垂直式，其作为锁止环实现的功能是断电锁止、通电解锁，作为作动环而言实现的是断电拉、通电推的功能...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘开园，徐明龙，张舒文，武彤晖，申胜平，张丰，王源，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61