特種微小管道機器人驅動器的製作方法
2023-06-13 17:19:16
專利名稱：特種微小管道機器人驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及驅動器，特別是涉及一種特種微小管道機器人驅動器。
背景技術：
隨著石油、化工、能源、冶金、國防以及航空航天等行業的迅速發展，各種管孔類零部件的應用日益廣泛，譬如雷射印表機噴嘴、原油或化工原料輸送管道、核反應堆、蒸汽發生器熱交換管，坦克用火炮炮膛、航空航天飛行器散熱或氣流場控制管路等。然而隨之帶來諸如這些管孔類零部件的內部檢測和維修問題，尤其是複雜的三維曲線微細管道類零部件的內部形貌無損檢測、維修及最終的三維重建工作更是急需解決的問題。近年來微電子機械系統(MEMS)、微機械人的研究日趨活躍，並已逐漸滲透到許多工業領域，尤其是應用於以上微小管道檢測維修的微機器人更是成為關注的焦點之一。國內微形管內移動機器人的研究目前還處於剛剛起步階段，其中有基於SMA的蠕動式微形管內移動機器人，有蠕動式電磁鐵驅動器的微形管內移動機器人，有壓電雙疊片驅動機器人等，但對於直徑小於10mm的微形管道機器人還未見報導。壓電陶瓷材料作為一種新型功能材料具有體積小、結構簡單、質量輕、位移解析度及頻響高，易於控制等優點，針對微型管道機器人壓電元件驅動是一種較好的方式。微型管道機器人驅動器不但需要有較高的位移輸出還需要有較大的力輸出。壓電迭堆輸出力大但位移小，而壓電雙疊片輸出位移大輸出力卻較小。鈸形壓電驅動片則彌補這兩種方式的不足，既有輸出位移大的特點又能產生較大的輸出力，而且其結構緊湊、製造簡單、成本低廉，可集成度高，可以通過多片重疊實現要求位移輸出。然而傳統鈸形壓電驅動片存在一定的機械損耗，即存在環向應力損耗，對輸出力和輸出位移影響較大。
發明內容
本發明的目的是提供一種特種微小管道機器人驅動器，採用無環向應力損耗壓電驅動片消除了環向機械應力損耗和作為一種高靈敏度壓電傳感元件。
為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是它包括慣性質量塊，槽鈸形變形器，支撐爪；槽鈸形變形器由若干組放射槽鈸形驅動片重疊而成，在固定於槽鈸形變形器一端的軸上裝有慣性質量塊，並用螺母固定；在固定於槽鈸形變形器另一端的軸上裝有支撐爪，並用螺母固定。
本發明與背景技術相比，具有的有益的效果是1)由於採用放射槽鈸形驅動片，消除了環向機械應力損耗，輸出位移和輸出力較傳統鈸形片分別提高60％和80％以上，能量轉換率高；2)採用一體化設計的十字形彈性金屬膜片支撐爪及防側滑觸點方案，具有結構簡單、可靠性高、便於安裝等特點；3)慣性質量塊和支撐爪的均採用可拆卸式安裝於質量塊連接器和支撐爪連接器，以便於針對不同負載和不同管道直徑加以更換；4)放射槽鈸形驅動片也可作為一種高靈敏度的壓電傳感元件，尤其在低頻加速度或力的測量方面，較傳統的鈸形片靈敏度高。
5)本特種微小管道機器人驅動器整體結構簡潔緊湊、驅動效率高、製造簡便、成本低廉，可實現ф8-ф10mm的剛性管道中可控運動。
圖1是特種微小管道機器人驅動器結構原理示意圖；圖2是特種微小管道機器人驅動器的槽鈸形變形器結構原理圖；圖3是槽鈸形變形器結構剖視示意圖；圖4是支撐爪結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，它包括慣性質量塊2，槽鈸形變形器3，支撐爪5；槽鈸形變形器3由若干組放射槽鈸形驅動片重疊而成，在固定於槽鈸形變形器3一端的軸上裝有慣性質量塊2，並用螺母1固定；在固定於槽鈸形變形器3另一端的軸上裝有支撐爪5，並用螺母1固定。
如圖2所示，所說的每組放射槽鈸形驅動片，是由槽鈸形第一金屬膜片3.1和第二金屬膜片3.3中間固定有壓電片3.2構成，電極引線分別由槽鈸形第一金屬膜片3.1和第二金屬膜片3.3引出，相鄰接兩片槽鈸形金屬膜片共用一根電極引線。
如圖3所示，所說的放射槽鈸形第一金屬膜片3.1和第二金屬膜片3.3為圓形有放射狀槽的鈸形彈性金屬膜片。
如圖4所示，所說的支撐爪5為四爪十字形彈性片結構，相對兩爪支撐方向相同，其中兩爪向前支撐，兩爪向後支撐，每爪尖端固定有防側滑觸點。
上述放射槽鈸形變形器根據微小管道機器人驅動力要求由若干放射槽鈸形驅動片重疊而成。放射槽鈸形金屬膜片為等間距36槽(每槽開口1°)可通過衝壓一次成型。相鄰放射槽鈸形金屬膜片採用雷射點焊使其頂部相接作為一組金屬膜片電極。根據機器人驅動力設計要求若干壓電陶瓷片與金屬膜片電極之間採用導電膠粘合。變形器兩端金屬膜片上分別焊接有質量塊連接器和支撐爪連接器。連接器上有螺紋通過固定螺母將慣性質量塊和支撐爪裝配於其上，並根據機器人負載的大小和工作管道內徑的大小，適當更換慣性質量塊和支撐爪。支撐爪與管道內壁通過防側滑觸點接觸，防側滑觸點為有凹槽的球冠形鋼珠，凹槽方向與驅動器前進方向一致，使驅動器在運動時延管道環向的摩擦力增大，從而有效抑制機器人的環向旋轉。
此特種微小管道機器人驅動器採用慣性衝擊驅動方式運動，驅動信號經過壓電陶瓷驅動電源進行電壓放大。當給槽鈸形驅動片緩慢施加一定電壓時，壓電片產生d31模式的徑向緩慢收縮變形，並帶動槽鈸形金屬膜片產生軸向緩慢伸張位移變形，此時由於慣性質量塊緩慢前伸，而反作用力不足以克服支撐爪與管壁的摩擦力，從而使支撐爪不動；當給槽鈸形驅動片快速施加反向電壓時，壓電片產生d31模式的徑向快速伸張變形，並帶動槽鈸形金屬膜片產生軸向快速收縮位移變形，此時由於慣性質量塊的慣性作用，反向作用力克服支撐爪與管壁的摩擦力，從而使支撐爪前移。重複這一過程，可使槽鈸形驅動器前行。當施加反向規律的電壓驅動信號，可使槽鈸形驅動器後退。通過實驗分析採用大佔空比的方波電壓信號驅動效率較高，並通過調節佔空比的大小可以調節驅動器的運動方向以及速度。
權利要求
1.一種特種微小管道機器人驅動器，其特徵在於它包括慣性質量塊(2)，槽鈸形變形器(3)，支撐爪(5)；槽鈸形變形器(3)由若干組放射槽鈸形驅動片重疊而成，在固定於槽鈸形變形器(3)一端的軸上裝有慣性質量塊(2)，並用螺母(1)固定；在固定於槽鈸形變形器(3)另一端的軸上裝有支撐爪(5)，並用螺母(1)固定。
2.根據權利要求1所述特種微小管道機器人驅動器，其特徵在於每組放射槽鈸形驅動片，是由槽鈸形第一金屬膜片(3.1)和第二金屬膜片(3.3)中間固定有壓電片(3.2)構成，電極引線分別由槽鈸形第一金屬膜片(3.1)和第二金屬膜片(3.3)引出，相鄰接兩片槽鈸形金屬膜片共用一根電極引線。
3.根據權利要求1或2所述特種微小管道機器人驅動器，其特徵在於所說的放射槽鈸形第一金屬膜片(3.1)和第二金屬膜片(3.3)為圓形有放射狀槽的鈸形彈性金屬膜片。
4.根據權利要求1所述特種微小管道機器人驅動器，其特徵在於所說的支撐爪(5)為四爪十字形彈性片結構，相對兩爪支撐方向相同，其中兩爪向前支撐，兩爪向後支撐，每爪尖端固定有防側滑觸點(5.1)。
全文摘要
本發明公開了一種特種微小管道機器人驅動器。槽鈸形變形器由若干組放射槽鈸形驅動片重疊而成，其一端的軸上裝有慣性質量塊，其另一端的軸上裝有支撐爪。由於採用放射槽鈸形驅動片，消除了環向機械應力損耗，提高輸出位移和輸出力，能量轉換率高；採用一體化的十字形彈性金屬膜片支撐爪及防側滑觸點，具有結構簡單、可靠性高、便於安裝等特點；慣性質量塊和支撐爪的均採用可拆卸式以便於針對不同負載和不同管道直徑加以更換；放射槽鈸形驅動片也可作為一種高靈敏度的壓電傳感元件，尤其在低頻加速度或力的測量方面，較傳統的鈸形片靈敏度高。本發明結構緊湊、驅動效率高、製造簡便、成本低廉，可實現φ8－φ10mm的剛性管道中可控運動。
文檔編號B25J7/00GK1488472SQ0314204
公開日2004年4月14日 申請日期2003年7月31日 優先權日2003年7月31日
發明者柯映林, 郭彤, 李江雄 申請人:浙江大學