[发明专利]基于继电器式控制的角度可调节压电舵机及控制方法

权利要求书

1.一种基于继电器式控制的角度可调节压电舵机，其特征在于：该舵机包括框架(1)、十字梁双稳态装置(5)以及与十字梁双稳态装置(5)相连接的舵片(12)；其中框架(1)与十字梁双稳态装置(5)采用线切割一体化成型，整体结构呈轴对称分布，框架(1)内部设有“凸”形槽，槽内下方的两侧分别设有左悬臂梁(2-1)和右悬臂梁(2-2)，左悬臂梁(2-1)的自由端上侧设有第二压电堆(3-2)，自由端下侧设有第一压电堆(3-1)，右悬臂梁(2-2)的自由端上侧设有第一压电堆(3-1)，自由端下侧设有第二压电堆(3-2)，第一压电堆(3-1)上固接有第一质量块(4-1)，第二压电堆(3-2)上固接有第二质量块(4-2)；十字梁双稳态装置(5)包括预压调节块(8)、纵向梁(9)和横向梁(10)，其中预压调节块(8)通过左右两侧的水平弹性梁(7)与框架(1)槽内上方两侧壁面相连，预压调节块(8)的顶部平面受到螺钉(6)的挤压，该螺钉(6)与框架(1)螺纹连接，预压调节块(8)下部连接有纵向梁(9)，纵向梁(9)由第一柔性梁(9-1)、第二柔性梁(9-2)、刚性梁(9-3)以及与框架(1)槽内下方连接的第三柔性梁(9-4)自上而下依次组成，在纵向梁(9)的第一柔性梁(9-1)和第二柔性梁(9-2)之间布置有横向梁(10)，两者相互垂直呈十字形连接，横向梁(10)由结构和尺寸相同的第一刚性梁(10-1)和第二刚性梁(10-2)组成，两者自由端正对于质量块；舵片(12)连接在横向梁(10)上部；舵机装配完成后，螺钉(6)通过挤压预压调节块(8)对十字梁双稳态装置(5)施加纵向预压力，纵向梁(9)中的柔性梁受压变形并导致横向梁(10)绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆(3-1)和第二压电堆(3-2)的通断电进行控制，由此随横向梁(10)运动的舵片(12)实现姿态调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于继电器式控制的角度可调节压电舵机，其特征在于：所述第一柔性梁(9-1)、第二柔性梁(9-2)、第三柔性梁(9-4)和水平弹性梁(7)均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生大变形；所述第一刚性梁(10-1)和第二刚性梁(10-2)的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度较大且能抵御外力。

3.根据权利要求1所述的一种基于继电器式控制的角度可调节压电舵机，其特征在于：所述螺钉(6)穿过框架(1)上方并与预压调节块(8)顶部紧密接触，当向下旋转螺钉(6)预设距离，预压调节块(8)下移且带动水平弹性梁(7)产生变形，其中水平弹性梁(7)能够防止预压调节块(8)的旋转和横向运动，此时十字梁双稳态装置(5)受到预设预压力，该预压力导致纵向梁(9)中的第一柔性梁(9-1)、第二柔性梁(9-2)以及第三柔性梁(9-4)弹性变形，该变形对应于横向梁(10)绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉(6)的纵向位置来改变双稳态状态即舵机角度的功能。

4.根据权利要求1所述的一种基于继电器式控制的角度可调节压电舵机，其特征在于：所述双稳态间的转换是激振的左悬臂梁(2-1)和右悬臂梁(2-2)通过上端部的第二质量块(4-2)和第一质量块(4-1)敲击横向梁(10)末端实现的，左悬臂梁(2-1)和右悬臂梁(2-2)端部双侧压电堆的作动频率即控制电压频率与悬臂梁固有频率相同，第一压电堆(3-1)和第二压电堆(3-2)的控制电压相位相差180度，当通电时，第一压电堆(3-1)和第二压电堆(3-2)交替伸长和缩短，第一质量块(4-1)和第二质量块(4-2)产生惯性力，该惯性力相当于频率为左悬臂梁(2-1)和右悬臂梁(2-2)固有频率的激振力，使得左悬臂梁(2-1)和右悬臂梁(2-2)产生共振且端部运动的位移幅值最大，该幅值大于横向梁(10)与质量块之间的间隙，由此横向梁(10)端部受到左悬臂梁(2-1)和右悬臂梁(2-2)端部质量块的敲击后会经过平衡位置转换至另一稳态。

5.权利要求1所述基于继电器式控制的角度可调节压电舵机的控制方法，其特征在于：首先，安装时，通过调节螺钉(6)的位置对十字梁双稳态装置(5)施加预压力，横向梁(10)对应地绕十字中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使横向梁(10)顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对左悬臂梁(2-1)的第一压电堆(3-1)和第二压电堆(3-2)通电，第一质量块(4-1)和第二质量块(4-2)相应产生的激振力使得左悬臂梁(2-1)共振，横向梁(10)受第二质量块(4-2)敲击第一刚性梁(10-1)的作用力后，经过平衡位置转换为第二稳态；同理，为使横向梁(10)逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对右悬臂梁(2-2)的第一压电堆(3-1)和第二压电堆(3-2)通电，第一质量块(4-1)和第二质量块(4-2)相应产生的激振力使得右悬臂梁(2-2)共振，横向梁(10)受第一质量块(4-1)敲击第二刚性梁(10-2)的作用力后，经过平衡位置转换为第一稳态；如此便可实现舵机的双向大角度控制。