專利名稱：特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)器，特別是涉及一種特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
隨著石油、化工、能源、冶金、國(guó)防以及航空航天等行業(yè)的迅速發(fā)展，各種管孔類零部件的應(yīng)用日益廣泛，譬如激光打印機(jī)噴嘴、原油或化工原料輸送管道、核反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)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(chǎng)控制管路等。然而隨之帶來諸如這些管孔類零部件的內(nèi)部檢測(cè)和維修問題，尤其是復(fù)雜的三維曲線微細(xì)管道類零部件的內(nèi)部形貌無損檢測(cè)、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(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、微機(jī)械人的研究日趨活躍，并已逐漸滲透到許多工業(yè)領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于以上微小管道檢測(cè)維修的微機(jī)器人更是成為關(guān)注的焦點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)微形管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究目前還處于剛剛起步階段，其中有基于SMA的蠕動(dòng)式微形管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，有蠕動(dòng)式電磁鐵驅(qū)動(dòng)器的微形管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，有壓電雙疊片驅(qū)動(dòng)機(jī)器人等，但對(duì)于直徑小于10mm的微形管道機(jī)器人還未見報(bào)道。壓電陶瓷材料作為一種新型功能材料具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、位移分辨率及頻響高，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)微型管道機(jī)器人壓電元件驅(qū)動(dòng)是一種較好的方式。微型管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)片則彌補(bǔ)這兩種方式的不足，既有輸出位移大的特點(diǎn)又能產(chǎn)生較大的輸出力，而且其結(jié)構(gòu)緊湊、制造簡(jiǎn)單、成本低廉，可集成度高，可以通過多片重疊實(shí)現(xiàn)要求位移輸出。然而傳統(tǒng)鈸形壓電驅(qū)動(dòng)片存在一定的機(jī)械損耗，即存在環(huán)向應(yīng)力損耗，對(duì)輸出力和輸出位移影響較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，采用無環(huán)向應(yīng)力損耗壓電驅(qū)動(dòng)片消除了環(huán)向機(jī)械應(yīng)力損耗和作為一種高靈敏度壓電傳感元件。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是它包括慣性質(zhì)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(qū)動(dòng)片重疊而成，在固定于槽鈸形變形器一端的軸上裝有慣性質(zhì)量塊，并用螺母固定；在固定于槽鈸形變形器另一端的軸上裝有支撐爪，并用螺母固定。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是1)由于采用放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)片，消除了環(huán)向機(jī)械應(yīng)力損耗，輸出位移和輸出力較傳統(tǒng)鈸形片分別提高60％和80％以上，能量轉(zhuǎn)換率高；2)采用一體化設(shè)計(jì)的十字形彈性金屬膜片支撐爪及防側(cè)滑觸點(diǎn)方案，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、便于安裝等特點(diǎn)；3)慣性質(zhì)量塊和支撐爪的均采用可拆卸式安裝于質(zhì)量塊連接器和支撐爪連接器，以便于針對(duì)不同負(fù)載和不同管道直徑加以更換；4)放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)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(cè)量方面，較傳統(tǒng)的鈸形片靈敏度高。
5)本特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊、驅(qū)動(dòng)效率高、制造簡(jiǎn)便、成本低廉，可實(shí)現(xiàn)ф8-ф10mm的剛性管道中可控運(yùn)動(dòng)。


圖1是特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的槽鈸形變形器結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是槽鈸形變形器結(jié)構(gòu)剖視示意圖；圖4是支撐爪結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，它包括慣性質(zhì)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(qū)動(dòng)片重疊而成，在固定于槽鈸形變形器3一端的軸上裝有慣性質(zhì)量塊2，并用螺母1固定；在固定于槽鈸形變形器3另一端的軸上裝有支撐爪5，并用螺母1固定。
如圖2所示，所說的每組放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)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(gòu)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(jié)構(gòu)，相對(duì)兩爪支撐方向相同，其中兩爪向前支撐，兩爪向后支撐，每爪尖端固定有防側(cè)滑觸點(diǎn)。
上述放射槽鈸形變形器根據(jù)微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力要求由若干放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)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°)可通過沖壓一次成型。相鄰放射槽鈸形金屬膜片采用激光點(diǎn)焊使其頂部相接作為一組金屬膜片電極。根據(jù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)要求若干壓電陶瓷片與金屬膜片電極之間采用導(dǎo)電膠粘合。變形器兩端金屬膜片上分別焊接有質(zhì)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(zhì)量塊和支撐爪裝配于其上，并根據(jù)機(jī)器人負(fù)載的大小和工作管道內(nèi)徑的大小，適當(dāng)更換慣性質(zhì)量塊和支撐爪。支撐爪與管道內(nèi)壁通過防側(cè)滑觸點(diǎn)接觸，防側(cè)滑觸點(diǎn)為有凹槽的球冠形鋼珠，凹槽方向與驅(qū)動(dòng)器前進(jìn)方向一致，使驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)動(dòng)時(shí)延管道環(huán)向的摩擦力增大，從而有效抑制機(jī)器人的環(huán)向旋轉(zhuǎn)。
此特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器采用慣性沖擊驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行電壓放大。當(dāng)給槽鈸形驅(qū)動(dòng)片緩慢施加一定電壓時(shí)，壓電片產(chǎn)生d31模式的徑向緩慢收縮變形，并帶動(dòng)槽鈸形金屬膜片產(chǎn)生軸向緩慢伸張位移變形，此時(shí)由于慣性質(zhì)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(dòng)；當(dāng)給槽鈸形驅(qū)動(dòng)片快速施加反向電壓時(shí)，壓電片產(chǎn)生d31模式的徑向快速伸張變形，并帶動(dòng)槽鈸形金屬膜片產(chǎn)生軸向快速收縮位移變形，此時(shí)由于慣性質(zhì)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。重復(fù)這一過程，可使槽鈸形驅(qū)動(dòng)器前行。當(dāng)施加反向規(guī)律的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可使槽鈸形驅(qū)動(dòng)器后退。通過實(shí)驗(yàn)分析采用大占空比的方波電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)效率較高，并通過調(diào)節(jié)占空比的大小可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)方向以及速度。
權(quán)利要求
1.一種特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，其特征在于它包括慣性質(zhì)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(qū)動(dòng)片重疊而成，在固定于槽鈸形變形器(3)一端的軸上裝有慣性質(zhì)量塊(2)，并用螺母(1)固定；在固定于槽鈸形變形器(3)另一端的軸上裝有支撐爪(5)，并用螺母(1)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，其特征在于每組放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)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(gòu)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(jù)權(quán)利要求1或2所述特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所說的支撐爪(5)為四爪十字形彈性片結(jié)構(gòu)，相對(duì)兩爪支撐方向相同，其中兩爪向前支撐，兩爪向后支撐，每爪尖端固定有防側(cè)滑觸點(diǎn)(5.1)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種特種微小管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。槽鈸形變形器由若干組放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)片重疊而成，其一端的軸上裝有慣性質(zhì)量塊，其另一端的軸上裝有支撐爪。由于采用放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)片，消除了環(huán)向機(jī)械應(yīng)力損耗，提高輸出位移和輸出力，能量轉(zhuǎn)換率高；采用一體化的十字形彈性金屬膜片支撐爪及防側(cè)滑觸點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、便于安裝等特點(diǎn)；慣性質(zhì)量塊和支撐爪的均采用可拆卸式以便于針對(duì)不同負(fù)載和不同管道直徑加以更換；放射槽鈸形驅(qū)動(dòng)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(cè)量方面，較傳統(tǒng)的鈸形片靈敏度高。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)效率高、制造簡(jiǎn)便、成本低廉，可實(shí)現(xiàn)φ8－φ10mm的剛性管道中可控運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B25J7/00GK1488472SQ0314204
公開日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者柯映林, 郭彤, 李江雄 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)