一種高精度大載荷復合壓電主動作動桿及主動控制方法與流程

本發明涉及高精度指向調節與微振動主動隔振技術領域，具體涉及一種高精度大載荷復合壓電主動作動桿及主動控制方法。

背景技術：

隨著智能材料的發展，具備較大輸出力的智能結構作動器越來越廣泛的應用于航天航空領域中的大載荷對象，其中磁致伸縮、磁流液變、電磁音圈等能輸出大推力的作動設備廣泛應用，但此類設備無法滿足對電磁干擾有嚴格限制要求的環境，而傳統的壓電作動結構如需要輸出大推力，就必須采用上千伏的高壓供電，也不符合航天部門的低壓驅動要求。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種大載荷高精度復合壓電作動桿及主動控制方法，采用低壓驅動，能夠輸出大推力滿足大載荷對象使用需求，并能夠隔離毫米乃至微米級別的振動，用來進行高精度指向調節與微振動主動控制。

為達到以上目的，本發明采用如下技術方案：

一種高精度大載荷復合壓電主動作動桿，包括一個圓形套筒1，圓形套筒1的兩端分別安裝有頂蓋13和預緊裝置12，圓形套筒1內部安裝有力傳感器2、支撐底座9、上級連接片3、上級壓電堆組5、下級連接片6、下級壓電堆組8和壓簧11，圓形套筒1側壁外安裝有四口插座15，上級壓電堆組5和下級壓電堆組8的供電線均連接到四口插座15；支撐桿10一端位于圓形套筒1外，另一端與支撐底座9相連接為一體；下級壓電堆組8坐在支撐底座9上，下級壓電堆組8的頂部安裝有下級半圓形壓帽7，下級半圓形壓帽7安裝在下級連接片6的凹槽中；上級壓電堆組5坐在下級連接片6上，上級壓電堆組5的頂部安裝有上級半圓形壓帽4，上級半圓形壓帽4安裝在上級連接片3的凹槽中；力傳感器2安裝在上級連接片3上；壓簧11安裝在支撐底座9與預緊裝置12之間，將支撐桿10與預緊裝置12彈性連接起來，預緊裝置12與圓形套筒1通過螺紋連接。

所述上級壓電堆組5為4個壓電堆并聯方式連接，下級壓電堆組6為4個壓電堆并聯方式連接，上下兩組壓電堆通過下級連接片6連接，組合成兩極串聯方式連接，組合成雙級壓電驅動單元。

所述上級連接片3和下級連接片6的凹槽為半圓形凹槽。半圓形凹槽與半圓形壓帽接觸為點接觸。

所述頂蓋13、圓形套筒1、上級連接片3、下級連接片6、支撐底座9、支撐桿10和預緊裝置12采用硬鋁合金材料。

所述高精度大載荷復合壓電主動作動桿實現主動控制的方法，當有外界擾動作用在頂蓋13上時，頂蓋13將力傳給力傳感器2，此時力傳感器2就會輸出一個電信號，通過此電信號能夠得到一個力，作為反饋信號，進入外部控制器，外部控制器根據此信號經過計算向上級壓電堆組5和下級壓電堆組8輸入驅動電壓信號，使上級壓電堆組5和下級壓電堆組8同時作動產生一個與頂蓋軸向擾動力相反的控制力推動大載荷對象，使振動迅速衰減，從而實現振動主動控制功能。

本發明和現有技術相比，具有如下優點：

1)采用多個壓電堆并聯的結構方式，相比單一壓電堆，能夠產生較大的輸出力，并且采用兩組并聯壓電堆通過串聯的方式組合成雙級壓電驅動單元，實現大載荷高精度復合壓電作動桿輸出大推力，推動大載荷對象。壓電堆的輸出位移為微米量級，能夠實現大載荷系統的高精度指向調節。

2)能夠隔離毫米乃至微米級別的振動，雙級壓電堆組合與壓簧以并聯方式分別與套筒和支撐桿底座相連接，壓電堆的剛度為微米量級，壓簧的剛度為微米量級，壓電堆的做動位移為微米量級。在頂蓋13受到微擾動時，壓簧和壓電堆的變形都在微米至毫米級別，在對壓電堆實施控制輸出時，壓電堆的輸出位移也在微米級別。本發明選用壓電驅動方式，對指向調節進行閉環控制，從而能夠實現高分辨率、高精度的指向調節，并且響應速度快。

3)壓電堆頂部安裝半圓形壓帽，與連接片上的半圓形凹槽實現點接觸，防止大載荷對象對壓電堆內部結構產生彎矩，損壞壓電堆。

附圖說明

圖1為本發明內部結構剖視圖。

圖2為本發明等效力學模型圖。

具體實施方式

以下結合附圖及具體實施例，對本發明作進一步的詳細描述。

如圖1所示，本發明為一種高精度大載荷復合壓電主動作動桿，頂蓋13和圓形套筒1通過螺栓連接，上級連接片3通過螺栓與圓形套筒1連接，力傳感器2安裝在上級連接片3與頂蓋13之間。當有動態力在頂蓋13軸向方向產生時，力傳感器2就會產生電信號，從而獲得此動態力的具體信息，力傳感器2作為一個反饋傳感器。上級連接片3的底部有四個凹槽，安裝四個上級半圓形壓帽4，四個壓電堆分別安裝在上級半圓形壓帽4上，從而四個壓電堆以并聯方式連接，組合成上級壓電堆5，上級壓電堆5的底部坐在下級連接片6上。在下級連接片6的底部有四個凹槽，安裝四個下級半圓形壓帽7，四個壓電堆分別安裝在下級半圓形壓帽7上，組合成下級壓電堆8，下級壓電堆8坐在支撐底座9上。兩組并聯的壓電堆以串聯的方式連接，組合成雙級壓電驅動單元，根據反饋傳感器的信號輸出大推力。壓簧11與支撐桿10以并聯方式安裝在支撐底座9的下端，壓簧11與預緊裝置12連接，當頂蓋13沿軸向受到動態力載荷，通過壓簧11，頂蓋13和圓形套筒1與支撐桿10之間就會產生相對運動。預緊裝置12通過螺紋與圓形套筒1連接，通過調節螺紋的深度可以調節預壓力。預壓時用微位移計對作動桿進行標定，然后再用材料試驗機得到作動桿的力位移曲線。

作為本發明的優選實施方式，所述頂蓋13、圓形套筒1、上級連接片3和下級連接片6、支撐底座9、支撐桿10和預緊裝置12采用硬鋁合金材料。

具體力學模型如圖2所示，頂蓋13與圓形套筒1的質量為m1，位移為x1。支撐底座9與支撐桿10的質量為m2，位移為x2。壓簧11的剛度為k，阻尼為c，下級連接片6的質量為m3。當頂蓋13受到擾動時會產生一個位移x1，通過力傳感器2檢測到的力信號，反饋給壓電堆，進而產生作動力，來平衡圓形套筒1的受力，使圓形套筒1的位移x1降低。

本發明高精度大載荷復合壓電主動作動桿實現主動控制的方法，當有外界擾動作用在頂蓋13上時，頂蓋13將力傳給力傳感器2，此時力傳感器2就會輸出一個電信號，通過此電信號能夠得到一個力，作為反饋信號，進入外部控制器，外部控制器根據此信號經過計算向上級壓電堆組5和下級壓電堆組8輸入驅動電壓信號，使上級壓電堆組5和下級壓電堆組8同時作動產生一個與頂蓋軸向擾動力相反的控制力推動大載荷對象，使振動迅速衰減，從而實現振動主動控制功能。