一种压电对接机构及其工作方法

本发明涉及压电驱动领域，尤其涉及一种压电对接机构及其工作方法。

背景技术：

1、基于磁约束原理发展起来的托卡马克装置，是目前最有希望解决可控核聚变技术瓶颈的实验装置，由于其工作在高温、高真空、强磁场等极端环境下，内部构件的强度、寿命等受到严峻的考验，需要对其内部进行定期的检测维护。其中轨道检测机器人系统，由多节轨道悬空铺设，相邻的轨道关节需对接实现固定。而传统的对接装置结构复杂，无法实现自主对接、自主锁紧，同时其驱动系统均采用电磁电机驱动，在强磁场环境下其性能不稳定，难以对其精确控制，既无法保证托卡马克装置高精度、长时间稳定工作，也增加维修次数与损耗成本。基于逆压电效应和摩擦驱动原理发展起来的压电作动器，由于其具有结构紧凑、易于小型化、高精度、快响应、断电自锁，电磁兼容性好、环境适应性强等特点，在极端环境中具有广泛的应用前景。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于压电驱动的轨道关节连接与锁紧机构及其工作方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种压电对接机构，包含第一作动器、第二作动器、对接螺杆、第一固定支座、第二固定支座、轴承和安装环；

4、所述第一作动器、第二作动器结构相同，均包含金属基体、第一至第四压电陶瓷片、以及第一至第四耳片；

5、所述金属基体呈正四棱柱，包含第一端面、第二端面以及首尾依次相连的第一至第四侧壁，其第一端面沿轴线设有用于和所述对接螺杆相配合螺纹通孔；

6、所述第一至第四压电陶瓷片结构相同，一一对应设置在所述第一至第四侧壁上，均沿厚度方向极化，其中，第一、第三压电陶瓷片对称设置且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片对称设置且极化方向相同；

7、所述第一至第四耳片一一对应设置在金属基体第一至第四侧壁的弯曲振动节点处，位于第一至第四压电陶瓷片和第一端面之间；

8、所述安装环呈环状，包含内壁、外壁、第一端壁、第二端壁，其第一端壁上周向均匀设有四个用于和第一作动器的第一至第四耳片一一对应配合的螺纹盲孔；

9、所述第一作动器的第一至第四耳片分别通过螺栓和所述安装环第一端壁上的四个螺纹盲孔一一对应固连，使得第一作动器的金属基体和安装环同轴；

10、所述第一固定支座用于和两个待对接件中的其中一个固连，其上设有第一安装孔；

11、所述轴承同轴设置在所述第一安装孔中，其外圈和第一固定支座固连，内圈和所述安装环的外壁同轴固连；

12、所述第二固定支座用于和两个待对接件中的另一个固连，其上设有第二安装孔，且第二固定支座绕所述第二安装孔周向均匀设有四个和第二作动器的第一至第四耳片一一对应配合的螺纹盲孔；

13、所述第二作动器的第一至第四耳片分别通过螺栓和所述第二固定支座上的四个螺纹盲孔一一对应固连，使得第二作动器的金属基体和第二安装孔同轴；

14、所述对接螺杆一端和所述第二作动器的金属基体上的螺纹通孔螺纹相连。

15、作为本发明一种压电对接机构进一步的优化方案，所述金属基体的第一至第四侧壁之间均设有倒角。

16、本发明还公开了一种该压电对接机构的工作方法，包含以下步骤：

17、如果需要使得两个待对接件对接并锁紧：

18、步骤a.1），对接：待对接螺杆和第一作动器的金属基体上的螺纹通孔对准时，对第二作动器的第一、第三压电陶瓷片施加第一简谐电信号，激励出第二作动器的弯振，对第二作动器的第二、第四压电陶瓷片施加第二简谐电信号，第一、第二简谐电信号的相位差为π/2，激励出第二作动器的另一方向弯振，此两个弯振在空间正交，使得第二作动器产生摇头运动，金属基体螺纹上的质点进行高频椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动对接螺杆朝第一作动器金属基体的螺纹通孔中旋进预设的第一圈数阈值；

19、步骤a.2），锁紧：停止对第二作动器上的压电陶瓷片施加电信号，对第一作动器的第一、第三压电陶瓷片施加第一简谐电信号，激励出第一作动器的弯振，对第一作动器的第二、第四压电陶瓷片施加第二简谐电信号，激励出第一作动器的另一方向弯振，此两个弯振在空间正交，使得第一作动器产生摇头运动，金属基体螺纹上的质点进行高频椭圆运动，由于对接螺杆静止，摩擦作用使得第一作动器相对对接螺杆旋转，使得对接螺杆在第一作动器金属基体的螺纹通孔中旋进预设的第二圈数阈值，实现两个对接件锁紧；

20、如果需要使得两个待对接件松开并分离：

21、步骤b.1），松开：对第一作动器的第一、第三压电陶瓷片施加第三简谐电信号，激励出第一作动器的弯振，对第一作动器的第二、第四压电陶瓷片施加第四简谐电信号，第三、第四简谐电信号的相位差为-π/2，激励出第一作动器的另一方向弯振，此两个弯振在空间正交，使得第一作动器金属基体螺纹上质点进行高频椭圆运动，通过摩擦作用使得自身相对对接螺杆旋转，进而使得对接螺杆在第一作动器金属基体的螺纹通孔中旋出预设的第二圈数阈值；

22、步骤b.2），分离：停止对第一作动器上的压电陶瓷片施加电信号，对第二作动器的第一、第三压电陶瓷片施加第三简谐电信号，对第二作动器的第二、第四压电陶瓷片施加第四简谐电信号，使得第二作动器金属基体螺纹上质点进行高频椭圆运动，通过摩擦作用驱动对接螺杆在第一作动器金属基体的螺纹通孔中旋出预设的第一圈数阈值，实现分离。

23、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

24、1. 本发明通过控制轨道连接件和轨道锁紧件实现对接的整个过程。相较于现有的设计（专利公开号：cn103883698a），本发明无需繁琐的传动部件，可直接驱动。托卡马克装置内部空间十分狭小，本发明所使用零部件数目少，在有限的空间内就可实现对接工作，具有结构简单紧凑、易于小型化的优势。

25、2. 本发明中的对接机构采用压电驱动，面对托卡马克装置所处的超高温、超高电流等极端环境，既不受电磁干扰，也不产生电磁干扰。本发明处于极端环境下仍能长时间连续性完成工作，具有电磁兼容性好、环境适应性强的优势。

26、3. 本发明中金属基体和对接螺杆螺纹配合连接，不仅可以在锁紧完后保持状态不变，也可以提升对接机构的连接刚度。而且，螺纹压电电机驱动精度高，对接机构能精确地完成对接，具有使用寿命长、安全可靠性高的优势。

技术特征：

1.一种压电对接机构，其特征在于，包含第一作动器、第二作动器、对接螺杆、第一固定支座、第二固定支座、轴承和安装环；

2.根据权利要求1所述的压电对接机构，其特征在于，所述金属基体的第一至第四侧壁之间均设有倒角。

3.基于权利要求1所述的压电对接机构的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

技术总结本发明公开了一种压电对接机构及其工作方法，包含第一作动器、第二作动器、对接螺杆、第一固定支座、第二固定支座、轴承和安装环；第一作动器、第二作动器结构相同，均包含金属基体、第一至第四压电陶瓷片、以及第一至第四耳片；第一作动器通过第一至第四耳片同轴固定在安装环中；安装环通过轴承同轴设置在第一固定支座的第一安装孔中，第二作动器通过第一至第四耳片同轴固定在第二固定支座的第二安装孔中，第一、第二固定支座分别用于和两个待对接件的对应固连。本发明利用压电材料的逆压电效应激发弹性体的微幅振动，利用摩擦作用驱动对接螺杆的旋进，实现自主连接与锁紧功能。本发明具有结构简单、紧凑，可靠性高，可控性好，易实现小型化的优势，且能在强磁场及真空环境下工作。技术研发人员：王瑞锋,蒋斌,王亮,贾博韬,黄志来,邓书朝受保护的技术使用者：安徽工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9