一種複合式剛性作動器的製作方法

2023-09-18 13:26:45 1

專利名稱：一種複合式剛性作動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種複合式剛性作動器，屬於結構/機構振動、形狀主動控制技術 領域。
(二)技術背景
隨著現代科學技術的不斷發展，結構/機構體及安裝其上的高精密設備對振動 和變形越來越敏感，這要求結構/機構具備對振動和變形的控制能力，而主動控制是解 決該問題行之有效的手段之一。作動器又稱主動元件，是結構/機構振動、形狀主動控 制中的重要組成部分，其作用在於按照控制指令輸出相應的力或位移，從而改變結構/ 機構的動、靜態特性。結構/機構振動主動控制要求作動器具備良好的高頻精確小位移 作動能力，而形狀主動控制則要求作動器具備大幅作動和精確位置保持能力。此外，作 動器本身還需要具備一定的物理量測量能力。基於上述考慮，本發明通過特殊的設計， 將作動行程大、定位精度較高(ym量級)的滾珠絲槓作動器和響應速度快、線性度優良 且定位精度更高(nm量級)的壓電陶瓷作動器在力學上串連，還將包括力傳感器、加速 度計、速度傳感器、應變片等與作動器集成。其中，滾珠絲槓作動器和壓電陶瓷作動器 剛度均較高，易於實現斷電情況下的精確位置保持；所集成的傳感器可對多種物理量實 施測量。因此，本發明——一種複合式剛性作動器具備結構/機構振動、形狀主動控制 的能力。

發明內容
1、目的本發明的目的旨在提供一種複合式剛性作動器，它用於結構/機構振 動和變形的主動控制，以適應結構/機構體及安裝其上的高精密設備對振動和變形幹擾 控制的要求。2、技術方案本發明一種複合式剛性作動器，它包括宏動部分、微動部分 和測量部分。它們的位置連接關係為宏動部分與微動部分通過測量部分的接頭相連， 測量部分的接頭將測量部分的耳片與宏動部分的宏動外筒相連，測量部分的速度傳感 器、加速度計與測量部分的耳片在外部相連，微動部分的底蓋與測量部分的力傳感器固 定。本發明的宏動部分與微動部分採用「背對背」連接方式，其傳力路線依次為左端 蓋、宏動外筒、接頭、力傳感器，最後由微動部分的輸出頭輸出，如圖2所示。其中
「一」表示傳力路線。所述宏動部分(見圖3、圖4所示)包括花鍵、空心花鍵軸、絲槓螺母、絲槓 軸、圓筒託架、聯軸器、減速機、電機、宏動外筒、左端接頭、左端蓋和左螺母。它們 之間的位置連接關係是花鍵套在空心花鍵軸上，其一端靠在圓筒託架的孔肩上，另一 端由左端接頭旋入圓筒託架的左端螺紋壓緊。左端接頭通過左端蓋旋入宏動外筒的左端 螺紋將其壓緊。左螺母將左端接頭固定在左端蓋上。絲槓螺母套在絲槓軸上並且與空心 花鍵軸後端固定，絲槓軸深入空心花鍵軸的空心中，其後端通過聯軸器與減速機的輸出軸固定，減速機通過法蘭固定在圓筒託架後端，電機的輸出軸與減速機的輸入端固定連 接。該花鍵可根據需要選購；該空心花鍵軸根據需要設計；該絲槓螺母和絲槓軸可根據 需要選購；該絲槓軸的末端預留了光軸，光軸的形狀用戶可自主設計；該減速機為直線 型，可根據需要選購；該電機為帶碼盤的直流旋轉電機，可根據需要選購；該圓筒託架 是兩端加工螺紋孔的管狀結構件。該聯軸器是兩端加工有特殊形狀孔且兩端可以通過螺 栓加壓擰緊的結構件；該宏動外筒是兩端加工螺紋孔的管狀結構件；該左端接頭是兩端 加工螺紋，外加工有階梯軸，內加工通孔的結構件；該左端蓋是右端加工螺紋，外加工 軸肩，內加工通孔的結構件；該左螺母是自主設計的圓型扁平螺母。所述微動部分包括底蓋、外殼、壓電堆、端蓋、輸出頭、預緊彈簧、微動外 筒、右端蓋和右螺母。它們之間的位置連接關係是壓電堆兩端分別裝在輸出頭下部和 底蓋上部的V型槽內，外殼底端固定在底蓋上，端蓋固定在外殼頂端並且通過預緊彈簧 壓住輸出頭肩部以產生預緊力(見圖5所示)，輸出頭的前端軸從預緊彈簧中心孔穿出。 右端蓋通過螺紋與微動外筒緊固，右螺母將端蓋與右端蓋緊固。該壓電堆為表面粘貼 應變片的柱狀陶瓷體，由多片壓電陶瓷薄片在電學上並聯、力學上串聯構成，可在電場 作用下產生伸縮並輸出實際位移，型號為QDS-5-5-50，是市購產品；該預緊彈簧為蝶 形彈簧，可根據需要選購；該輸出頭為前端加工外螺紋、後端帶V型槽的階梯軸狀結構 件；該端蓋為前端加工 外螺紋中間開孔、後端全通且加工內螺紋的帽狀結構件；該外殼 為前端加工外螺紋、後端加工內螺紋的管狀結構件；該底蓋為前端帶V型槽、後端加工 螺紋孔的階梯軸狀結構件；該微動外筒是右端加工螺紋的管狀結構件；該右端蓋是左端 加工螺紋，外加工軸肩，內加工通孔的結構件；該右螺母是自主設計的圓型扁平螺母。所述測量部分包括接頭、力傳感器、速度傳感器、耳片和加速度計。他們之 間的位置連接關係是力傳感器固定在接頭中心，速度傳感器和加速度計固定在耳片兩 側呈對稱分布，耳片通過接頭與宏動部分的宏動外筒壓緊。該力傳感器為單軸壓電式， 可根據需要選購；該速度傳感器為單軸電磁式，可根據需要選購；該加速度計為單軸壓 電式可根據需要選購；該接頭是左端加工螺紋，外加工軸肩的軸狀結構件；該耳片是為 根據需要設計的薄片結構件。本發明的工作過程為宏動部分的電機通過減速機帶動絲槓軸及絲槓螺母運動 以實現空心花鍵軸的伸縮，電機的位移可由碼盤反饋，從而實現大幅作動和精確位置保 持；與此同時，微動部分的壓電堆在電場驅動下產生線形微變形並通過輸出頭輸出位 移，壓電堆的位移可由粘貼其上的應變片反饋，從而實現快速精確響應；測量部分則對 工作過程中的軸向力、速度和加速度予以感測。宏動部分、微動部分和測量部分共同作 用，實現結構/機構振動、形狀主動控制。3、優點及功效本發明的優點在於(1)滾珠絲槓作動行程大且定位精度較高；壓電作動器響應速度快、線性度優 良並具有更高的定位精度；兩者共同的優勢是剛性較高、功耗較低、技術成熟可靠。(2)通過花鍵以及空心花鍵軸，可以只輸出軸向運動，限制不必要的轉動輸出。(3)通過力傳感器、速度傳感器和加速度計的綜合使用可以實現多物力量測量。

圖1本發明的三維1/4剖視圖；圖2本 發明的傳力示意圖；圖3本發明的半剖平面視4本發明的宏動部分剖視圖；圖5本發明的微動部分與測量部分剖視圖。圖中標號具體如下1、花鍵2、空心花鍵軸3、絲槓螺母4、絲槓軸5、圓筒託架6、聯軸器7、 減速機8、電機9、宏動外筒10、左端接頭11、左端蓋12、左螺母13、接頭14、力 傳感器15、底蓋16、外殼17、壓電堆18、端蓋19、預緊彈簧20、輸出頭21、右端 蓋22、右螺母23、微動外筒24、速度傳感器25、耳片26、加速度計；B為宏動部分，C為微動與測量部分，F為力的代號。
(五)具體實施方案下面結合附圖及具體實例，對本發明的技術方案做進一步說明。本發明的目的旨在提供一種複合式剛性作動器，它用於結構/機構振動和變形的 主動控制，以適應結構/機構體及安裝其上的高精密設備對振動和變形幹擾控制的要求。本發明一種複合式剛性作動器，它包括宏動部分、微動部分和測量部分。他 們的位置連接關係為宏動部分與微動部分通過測量部分的接頭13相連，測量部分的接 頭13將測量部分的耳片25與宏動部分的宏動外筒9相連，測量部分的速度傳感器24、加 速度計26與測量部分的耳片25在外部相連，微動部分的底蓋15與測量部分的力傳感器 14固定。本發明的宏動部分與微動部分採用「背對背」連接方式，其傳力路線依次為左 端蓋11、宏動外筒9、接頭13、力傳感器14，最後由微動部分的輸出頭20輸出，如圖2 所示。其中「一」表示傳力路線。(a)如圖4所示，所述宏動部分包括花鍵1、空心花鍵軸2、絲槓螺母3、絲槓 軸4、圓筒託架5、聯軸器6、減速機7、電機8、宏動外筒9、左端接頭10、左端蓋11、 左螺母12。它們之間的位置連接關係是花鍵1套在空心花鍵軸2上，其一端靠圓通託 架5孔肩上，另一端由左端接頭10旋入圓通託架5的左端螺紋壓緊；左端接頭10通過 左端蓋11旋入宏動外筒9的左端螺紋將其壓緊，左螺母12將左端接頭10固定在左端蓋 11上；絲槓螺母3套在絲槓軸4上並且與空心花鍵軸2後端固定，絲槓軸4深入空心花 鍵軸2的空心中，其後端通過聯軸器6與減速機7輸出軸固定；減速機7通過法蘭固定 在圓筒託架後端，電機8輸出軸與減速機7輸入端固定。該花鍵1的型號為THK公司的 LT8，是市購產品；該絲槓螺母3的型號為MDK0401-3，是市購產品；該絲槓軸4的型 號為MDK0401-3，是市購產品，其末端預留了光軸，用戶可自主設計形狀；該減速機7 為直線型，型號為上海新儀公司的P16行星齒輪減速機，是市購產品；該電機8為帶碼盤 的直流旋轉電機，型號為德國Faulhaber公司的2224U003SR，是市購產品；該圓筒託架 5是兩端加工螺紋孔的管狀結構件；該聯軸器6是兩端加工有特殊形狀孔且兩端可以通過 螺栓加壓擰緊的結構件；該宏動外筒9是兩端加工螺紋孔的管狀結構件；該左端接頭10 是兩端加工螺紋，外加工階梯軸，內加工通孔的結構件；該左端蓋11是右端加工螺紋，外加工軸肩，內加工通孔的結構件；該左螺母12是自主設計的扁平螺母。(b)如圖3和圖5所示，所述微動部分包括底蓋15、外殼16、壓電堆17、端 蓋18、預緊彈簧19、輸出頭20、右端蓋21、右螺母22、微動外筒23。它們之間的位置 連接關係是壓電堆17兩端分別裝在輸出頭20下部和底蓋15上部的V型槽內，外殼16 底端固定在底蓋15上；端蓋18固定在外殼頂端並且通過預緊彈簧20壓住輸出頭肩部以 產生預緊力，輸出頭20的前端軸從預緊彈簧19中心孔穿出；右端蓋21通過螺紋與微動 外筒23緊固。右螺母22將端蓋18與右端蓋21緊固。該壓電堆17為表面粘貼應變片 的柱狀陶瓷體，由多片壓電陶瓷薄片在電學上並聯、力學上串聯構成，可在電場作用下 產生伸縮並輸出實際位移，型號為QDS-5-5-50，是市購產品；該預緊彈簧19為蝶形彈 簧，其規格是DIN2093，是市購產品；該輸出頭20為前端加工外螺紋、後端帶V型槽的 階梯軸狀結構件；該端蓋18為前端加工外螺紋中間開孔、後端全通且加工內螺紋的帽狀 結構件；該外殼16為前端加工外螺紋、後端加工內螺紋的管狀結構件；該底蓋15為前 端帶V型槽、後端加工螺紋孔的階梯軸狀結構件；該微動外筒23是右端加工螺紋的管狀 結構件；該右端蓋21是左端加工螺紋，外加工軸肩，內加工通孔的結構件；該右螺母22 是自主設計的扁平螺母。(c)如圖5所示，所述測量部分包括接頭13、力傳感器14、速度傳感器24、 耳片25和加速度計26。他們之間的位置連接關係是力傳感器14固定在接頭13中心， 速度傳感器24和加速度計26固定在耳片25兩側 呈對稱分布；耳片25通過接頭13與宏 動外筒9壓緊。該力傳感器14為單軸壓電式，型號為CL-YD-312，是市購產品；該速 度傳感器24為單軸電磁式，型號為CS-CD-010，是市購產品；該加速度計26為單軸壓 電式，型號為CA-YD-117，是市購產品；該接頭是左端加工螺紋，外加工軸肩的軸狀結 構件；該耳片是為根據需要設計的薄片結構件。本發明的工作過程為宏動部分的電機8通過減速機7帶動絲槓螺母3及絲槓軸 4運動以實現空心花鍵軸2的伸縮，電機8的位移可由電機自帶碼盤反饋，從而實現大幅 作動和精確位置保持；與此同時，微動部分的壓電堆17在電場驅動下產生線形微變形並 通過輸出頭20輸出位移，壓電堆17的位移可由粘貼其上的應變片反饋，從而實現快速精 確響應；測量部分則對工作過程中的軸向力、速度和加速度予以感測。宏動部分、微動 部分和測量部分共同作用，實現結構/機構振動、形狀主動控制。
權利要求
1.一種複合式剛性作動器，其特徵在於它包括宏動部分、微動部分和測量部 分，宏動部分與微動部分通過測量部分的接頭相連，測量部分的接頭將測量部分的耳片 與宏動部分的宏動外筒相連，測量部分的速度傳感器、加速度計與測量部分的耳片在外 部相連，微動部分的底蓋與測量部分的力傳感器固定；宏動部分與微動部分採用「背對 背」連接方式，其傳力路線依次為左端蓋、宏動外筒、接頭、力傳感器，最後由微動部 分的輸出頭輸出；所述宏動部分包括花鍵、空心花鍵軸、絲槓螺母、絲槓軸、圓筒託架、聯軸器、 減速機、電機、宏動外筒、左端接頭、左端蓋和左螺母；花鍵套在空心花鍵軸上，其一 端靠在圓筒託架的孔肩上，另一端由左端接頭旋入圓筒託架的左端螺紋壓緊；左端接頭 通過左端蓋旋入宏動外筒的左端螺紋將其壓緊，左螺母將左端接頭固定在左端蓋上；絲 槓螺母套在絲槓軸上並且與空心花鍵軸後端固定；絲槓軸深入空心花鍵軸的空心中，其 後端通過聯軸器與減速機的輸出軸固定；減速機通過法蘭固定在圓筒託架後端，電機的 輸出軸與減速機的輸入端固定連接；該空心花鍵軸根據需要設計；該減速機為直線型； 該電機為帶碼盤的直流旋轉電機；該圓筒託架是兩端加工螺紋孔的管狀結構件；該聯軸 器是兩端加工有特殊形狀孔且兩端可以通過螺栓加壓擰緊的結構件；該宏動外筒是兩端 加工螺紋孔的管狀結構件；該左端接頭是兩端加工螺紋，外加工有階梯軸，內加工通孔 的結構件；該左端蓋是右端加工螺紋，外加工軸肩，內加工通孔的結構件；該左螺母是 自主設計的圓型扁平螺母；所述微動部分包括底蓋、外殼、壓電堆、端蓋、輸出頭、預緊彈簧、微動外筒、 右端蓋和右螺母；壓電堆兩端分別裝在輸出頭下部和底蓋上部的V型槽內，外殼底端固 定在底蓋上，端蓋固定在外殼頂端並且通過預緊彈簧壓住輸出頭肩部以產塵預緊力，輸 出頭的前端軸從預緊彈簧中心孔穿出；右端蓋通過螺紋與微動外筒緊固，右螺母將端蓋 與右端蓋緊固；該壓電堆為表面粘貼應變片的柱狀陶瓷體，由多片壓電陶瓷薄片在電學 上並聯、力學上串聯構成，可在電場作用下產生伸縮並輸出實際位移；該預緊彈簧是規 格為DIN2093的蝶形彈簧；該輸出頭為前端加工外螺紋、後端帶V型槽的階梯軸狀結構 件；該端蓋為前端加工外螺紋中間開孔、後端全通且加工內螺紋的帽狀結構件；該外殼 為前端加工外螺紋、後端加工內螺紋的管狀結構件；該底蓋為前端帶V型槽、後端加工 螺紋孔的階梯軸狀結構件；該微動外筒是右端加工螺紋的管狀結構件；該右端蓋是左端 加工螺紋，外加工軸肩，內加工通孔的結構件；該右螺母是自主設計的圓型扁平螺母；所述測量部分包括接頭、力傳感器、速度傳感器、耳片和加速度計；力傳感器固 定在接頭中心，速度傳感器和加速度計固定在耳片兩側呈對稱分布，耳片通過接頭與宏 動部分的宏動外筒壓緊；；該力傳感器為單軸壓電式；該速度傳感器為單軸電磁式；該 加速度計為單軸壓電式；該接頭是左端加工螺紋，外加工軸肩的軸狀結構件；該耳片是 根據需要設計的薄片結構件。
2.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該花鍵的型號為 THK公司的LT8。
3.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該絲槓螺母的型號 為 MDK0401-3。
4.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該絲槓軸的型號為MDK0401-3。
5.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該減速機的型號為 上海新儀公司的P16行星齒輪減速機。
6.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該電機的型號為德 國 Faulhaber 公司的 2224U003SR。
7.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該壓電堆的型號為 QDS-5-5-50o
8.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該力傳感器的型號 為 CL-YD-312。
9.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該速度傳感器的型 號為 CS-CD-010。
10.根據權利要求1所述的一種複合式剛性作動器，其特徵在於該加速度計的型號 為 CA-YD-117。
全文摘要
一種複合式剛性作動器，它包括宏動部分、微動部分和測量部分。它們的位置連接關係為宏動部分與微動部分通過測量部分的接頭相連，測量部分的接頭將測量部分的耳片與宏動部分的宏動外筒相連，測量部分的速度傳感器、加速度計與測量部分的耳片在外部相連，微動部分的底蓋與測量部分的力傳感器固定；宏動部分與微動部分採用「背對背」連接方式，其傳力路線依次為左端蓋、宏動外筒、接頭、力傳感器，最後由微動部分的輸出頭輸出。本發明結構新穎，構思科學，它能夠適應結構/機構體及安裝其上的高精密設備對振動和變形幹擾控制的要求。它在結構/機構振動、形狀主動控制技術領域裡具有較好的實用價值和廣闊地應用前景。
文檔編號H02N2/02GK102013755SQ201010562808
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者李偉鵬, 羅波, 黃海 申請人:北京航空航天大學