一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器

一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器
所属技术领域
1.本发明涉及一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，具体涉及一种压电-弹簧耦合执行器，属于振动抑制技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着航天科技和国防安全领域等高端装备的发展，机械结构正朝着高速化，智能化，轻量化，和精密化发展。这些机械结构在执行动作时受自身位姿改变和工作环境中外部激励的影响，会发生受迫振动和冗余振动。从而影响系统对机械结构的控制精度和定位精度，严重甚至是导致机械结构的损坏。
3.高端装备中使用最为广泛的机械结构是梁结构。而在现有的有关梁结构的振动研究技术中，受工作环境限制的限制很难通过布置传感器进行运动状态的监测从而通过实时反馈控制的方式进行振动控制。而通过轨迹规划等方式仅能在一定程度上抑制梁结构的受迫振动，但不能解决低频，非线性的冗余振动。如参考文献“马鹏宇,李永超,任豪等.一种单连杆柔性机械臂的减振方法：cn111015737a[p].2020.”公开发明了一种单连杆柔性机械臂的减振方法.基于机械臂的动力学模型，对柔性机械臂进行运动轨迹规划及运动参数配制，实现横向运动的减振。该项发明应用轨迹规划的方式，虽然可以在一定程度上解决结构自身运动导致的横向振动，但对于突发外部激励及结构运动结束后的冗余振动没有办法抑制。本发明通过在梁结构上安装振动抑制的执行器，将压电系数更高的d33模式压电叠堆应用到梁振动抑制中，利用弹簧实现对水平压电叠堆的预紧的同时。利用压电材料的高响应，输出力大的特点耦合拉伸状态的弹簧的回复力，对梁结构产生弯矩，有效的进行尺寸较大，有一定厚度的梁结构的振动抑制，可以在解决结构运动产生振动的同时可以抑制冗余振动。


技术实现要素：

[0004]
本发明提出一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，旨在不破坏梁结构工作状态和性能的基础上，利用水平压电叠堆作为驱动装置耦合弹簧结构，解决梁结构在受到外部激励及自身位姿变化时发生弯曲振动从而影响控制精度和定位精度的问题。
[0005]
一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器包括水平压电叠堆、凸轮回转机构、限位件、支撑底座和背支底座。
[0006]
水平压电叠堆一个输出端嵌入凸轮回转机构中，另一端对准另一侧的凸轮回转机构的插口。两个凸轮回转机构绕着回转轴进行旋转，从而将水平压电叠堆安装进复合式压电执行器中。两个回转轴穿进两个凸轮回转机构，使得凸轮回转机构可以带着水平压电叠堆绕着回转轴旋转。两个凸轮回转轴两侧安装两个转子轴承，使得回转轴可以顺利旋转。转子轴承上侧连接限位件，下方放在支撑底座上，通过固定螺钉连接限位件和支撑底座，实现对转子轴承的限位和压紧。支撑底座底端开有螺纹孔，通过四个紧固螺钉与背支底座连接。通过紧固螺钉的松紧，调节支撑底座和背支底座间的距离从而将执行器与梁结构的连接并
固定在一起。
[0007]
优选的：回转轴为阶梯轴，实现凸轮回转机构以及滚子轴承的安装和限位。
[0008]
优选的：凸轮回转结构回转侧的半圆结构与回转轴同心。矩形侧开槽，对称穿过圆心。开槽截面大于水平压电叠堆的截面，安装方式为过盈配合。
[0009]
优选的：水平压电叠堆选用极化方式为d33模式的压电叠堆，输出方向垂直与回转轴，平行于弹簧伸长方向。
[0010]
本发明与现有产品相比具有以下效果：
[0011]
1、利用压电系数较大的d33模式进行执行器驱动，在保证执行器快速响应的同时保证在相同驱动电压下输出力最大。
[0012]
2、水平压电叠堆的横向输出和被拉伸的弹簧耦合，在实现对压电叠堆预紧的同时，对梁结构产生更大的弯矩。
[0013]
3、该执行器具有结构新颖，设计灵活的特点。提出一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，能保证在不破坏梁结构本身结构和功能的基础上实现对梁结构的振动抑制；
[0014]
4、该振动抑制执行器针对梁结构复杂的、非线性的受迫振动及冗余振动，利用压电叠堆的高响应特性耦合弹簧的收缩产生的力，通过执行器巧妙的机械结构，将沿轴向方向的输出力转化为对梁结构的弯矩。在不改变梁结构的基础上，产生与振动方向相反的弯矩，实现对梁结构的振动。同时由于压电材料的快速响应，通过控制系统可以解决末端执行机构低频非线性振动。避免目前研究中较多的对末端执行机构的结构改变和响应迟滞的问题。
附图说明
[0014]
图1是一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器的结构示意图；
[0015]
图2是凸轮回转机构和回转轴以及水平压电叠堆安装的结构图；
[0016]
图3是弹簧与支撑底座安装连接的三维结构图；
[0017]
图4是弹簧与支撑安装底座及紧固螺钉的俯视图；
[0018]
图5是支撑底座与背支底座及紧固螺钉连接方式的侧视图。
[0019]
图中：1—固定螺钉、2—左限位件、3—左凸轮回转机构、4—水平压电叠堆、5—右凸轮回转机构、6—右限位件、7—固定螺钉、8—右回转轴、9—右转子轴承、10—右支撑底座、11—右背支底座、12—紧固螺钉、13—左拉伸弹簧、14—右拉伸弹簧、15—左支撑底座、16—右背支底座、17—右紧固螺钉、18—左滚子轴承、19—左回转轴。
具体实施方式
[0020]
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
[0021]
如图1至图5所示，本发明所述的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器包含：左右背支底座(11、16)、水平压电叠堆(4)、左右支撑底座(10、15)和左右限位件(2、6)、左右凸轮回转机构(3、5)、左右回转轴(8、19)；
[0022]
水平压电叠堆(4)的两个输出端嵌入左右凸轮回转机构(3、5)的开槽中，凸轮回转机构(3、5)安装在回转轴(8、19)上，回转轴(8、19)两端安装转子轴承(9、18)；
[0023]
进一步：凸轮回转机构(3、5)可以绕着回转轴(8、19)旋转，将水平压电叠堆(4)插入凸轮回转机构(3、5)的卡槽中；
[0024]
进一步：滚子轴承(9、18)安装在凸轮回转机构(3、5)外侧的回转轴(8、19)上，上下两端通过过盈配合的方式固定在限位件(2、16)和左右支撑底座(10、15)之间；
[0026]
进一步：左右支撑底座(10、15)间的弹簧当安装好水平压电叠堆(4)后，始终保持拉伸状态，从而实现对水平压电叠堆(4)的预紧，耦合水平压电叠堆(4)的输出力给梁结构提供反向的弯矩；
[0027]
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只是没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。


技术特征：
1.一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，其特征在于：包括背支底座(11、16)、水平压电叠堆(4)、支撑底座(10、15)和限位件(2、6)；所述水平压电叠堆(4)一端与左凸轮回转结构(3)连接，左凸轮回转机构(3)通过左回转轴(19)与左滚子轴承(18)相连接。左滚子轴承(18)由左支撑底座(15)和左限位件(2)相连接。左限位件(2)和左支撑底座(15)通过四个左固定螺钉(1)进行固定。水平压电叠堆(4)另一端与右凸轮回转结构(5)连接，右凸轮回转机构(5)通过右回转轴(8)与右滚子轴承(9)相连接。右滚子轴承(9)由右支撑底座(10)和右限位件(6)相连接。右限位件(6)和右支撑底座(10)通过四个右固定螺钉(7)进行固定。左支撑底座(15)通过四个左紧固螺钉(17)与左背支底座(16)连接。右支撑底座(10)通过四个右紧固螺钉(12)与右背支底座(11)连接。左支撑底座(15)和右支撑底座(10)通过拉伸弹簧(13)和拉伸弹簧(14)连接。2.根据权利要求1所述的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，其特征在于：所述的左滚子轴承(18)包括左回转轴(19)两侧的两个滚子轴承，右滚子轴承(9)包括右回转轴(8)两侧的两个滚子轴承。3.根据权利要求1所述的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，其特征在于：所述的左限位件(2)包括左支撑底座(15)上用于固定左滚子轴承(18)的两个限位件。右限位件(6)包括右支撑底座(10)上用于固定右滚子轴承(9)的两个限位件。4.根据权利要求1所述的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，其特征在于：所述的拉伸弹簧(13)和拉伸弹簧(14)始终处于拉伸状态。5.根据权利要求1所述的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，其特征在于：所述的水平压电叠堆(4)极化方式为d33模式。6.根据权利要求1所述的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，其特征在于：所述的左凸轮回转机构(3)和右凸轮回转机构(5)可以分别绕着左回转轴(19)和右回转轴(8)进行90
°
的旋转。7.根据权利要求1所述的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，其特征在于：所述的两个左限位件(2)通过四个左固定螺钉(1)将左凸轮回转机构(3)固定在左支撑底座(15)上。两个右限位件(6)通过四个右固定螺钉(7)将右凸轮回转机构(5)固定在右支撑底座(10)。

技术总结
一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，属于振动抑制技术领域。本发明旨在抑制梁结构在受到外部激励发生的受迫振动，削弱或消除振动对系统的负面影响。通过驱动d33极化方式下的压电叠堆，结合底部弹簧，产生对梁结构振型相反的弯矩，抑制梁结构的弯曲振动，提高结构的定位精度和控制精度。本发明的一种用于梁结构振动抑制的复合式压电执行器，结构新颖，设计灵活，提出的类凸轮结构可以很好的实现压电叠堆的安装与更换，与弹簧的结合，既增加了d33模式压电叠堆的输出弯矩也实现了对压电叠堆的预紧，能有效抑制梁结构的弯曲振动，在具有梁结构的高端装备如玻璃基板搬运机器人、雷达天线、太阳能帆板等上有良好的应用前景。景。景。


技术研发人员：单小彪 宋赫男 孙凯威 韩承硕 谢涛
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/5/25