專利名稱：壓電回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到壓電裝置，特別涉入到用壓電執(zhí)行體提供連接結(jié)構(gòu)間相對轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)。
為象空間站模塊這樣的大型結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)提供回轉(zhuǎn)連接的可轉(zhuǎn)動連接系統(tǒng)，在接觸元件上給予嚴(yán)格要求。對于普通的滾動軸承連接件(提供相對轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu))通常考慮的獨立輔助系統(tǒng)依靠電纜、帶、鏈和齒輪。這些機(jī)構(gòu)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的并且具有如質(zhì)量大，滑動摩擦，分離困難和通過轉(zhuǎn)動連接件的電信號傳遞困難等缺點。此外，盡管使用了為真空環(huán)境配制的干潤滑劑，由于滾動元件受到高接觸壓力而最終會損壞。磨損的軸承導(dǎo)致運(yùn)行中必須被抑制的不穩(wěn)定和有損結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)象。甚至最小的結(jié)構(gòu)振動也會使一些滾動元件脫落，產(chǎn)生機(jī)件撞擊。機(jī)件撞擊加速磨損和引起在結(jié)構(gòu)周圍的高頻噪聲。常規(guī)的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)也遇到一個稱為游隙的問題。游隙一般包括的現(xiàn)象，如齒輪嚙合間隙，軸承凈空間隙，彈性彎曲，機(jī)械塑性及不同心度等都成為回轉(zhuǎn)連接器不能達(dá)到需要的位置，轉(zhuǎn)矩或角速度的原因之一。同樣的大直徑軸承環(huán)的變形導(dǎo)致磨損增加并需要比要求轉(zhuǎn)矩更高的轉(zhuǎn)矩。需要確保軸承定位的較大整體結(jié)構(gòu)常常導(dǎo)致產(chǎn)生難以接受的重量負(fù)擔(dān)、特別是在空間站。此外，在空間普通鋼的軸承環(huán)和輕金屬或復(fù)合材料的軸承支撐結(jié)構(gòu)之間的不同的熱膨脹成為難以對付的問題，特別是在軸承座直接暴露在陽光下而軸承部分被遮敞時。
在工作中，一個回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)不需要很多能量去保持一定的角速度，但它必需有足夠的轉(zhuǎn)矩以按要求增加或減少連接結(jié)構(gòu)的角速度并克服由于機(jī)構(gòu)老化而增加的摩擦力。具有滑環(huán)和其它轉(zhuǎn)換裝置的電磁電機(jī)可以被用來驅(qū)動該系統(tǒng)，但是在許多情況下電機(jī)效率較低并且需要消除余熱。電機(jī)的電刷在環(huán)形滑環(huán)上的滑動產(chǎn)生摩擦熱，熱粘連，電噪聲及不斷的磨損產(chǎn)生游隙等都是降低系統(tǒng)效率的因素。因此，這就需要有一個改進(jìn)的用于大型結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)。它是較簡單的，重量輕的，有效的，容易連接和拆卸并減少游隙，并且能夠通過轉(zhuǎn)動連接傳遞許多電信號。
由本發(fā)明的一種方面，提供了一個回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，包括一個安裝在第一結(jié)構(gòu)上的圓形環(huán)。一個安裝在第二結(jié)構(gòu)上的壓電致動器。致動器相聯(lián)結(jié)用于嚙合環(huán)的裝置，以此在第一和第二結(jié)構(gòu)之間形成一個可轉(zhuǎn)動連接。
由本發(fā)明的另一種方面，提供了一個壓電回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，包括一個安裝在第一結(jié)構(gòu)上的一個圓形環(huán);在第二結(jié)構(gòu)上至少安裝兩對的壓電致動器對;每個致動器有一個拖拉表面，并且每個相對的致動器有相對的拖拉表面，其間設(shè)有嚙合局部圓形環(huán)的間隔;在至少一個致動器上裝有檢測在間隔中環(huán)的定位的部件;通過致動器的拖拉表面產(chǎn)生的步進(jìn)運(yùn)動定位和轉(zhuǎn)動圓形環(huán)的部件;及環(huán)和拖拉表面具有在第一和第二結(jié)構(gòu)中間傳遞電信號的導(dǎo)電部件。
因為壓電致動器用直流電工作不必潤滑和降溫而具有較高的效率和性能，所以它具有在極端環(huán)境下和遠(yuǎn)距離使用的優(yōu)點，產(chǎn)生壓電“平穩(wěn)步進(jìn)”的壓電致動器和電驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)說明見1989年8月16日申請的第891056122號和1990年8月15日申請的第90106979.5號中國專利申請，它們這里被結(jié)合起來考慮。
本發(fā)明的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)可以從一個結(jié)構(gòu)向另一個傳遞電能和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。該系統(tǒng)更進(jìn)一步地包括安裝在第一結(jié)構(gòu)上的環(huán)和安裝在第二結(jié)構(gòu)上用于接收和嚙合第一結(jié)構(gòu)上的環(huán)的許多相對的壓電致動器對。環(huán)可以有一個可繞轉(zhuǎn)動中心軸轉(zhuǎn)的圈邊。每一個壓電致動器分別具有徑向、切向和軸向運(yùn)動的“開降件”“切向件”和“軸向件”部分及具有“拖拉件”的拖拉表面。當(dāng)?shù)谝缓偷诙Y(jié)構(gòu)被連接，第一結(jié)構(gòu)的相對的致動器對在第二結(jié)構(gòu)的環(huán)上形成鉗形夾持。相對的致動器對的拖拉件可以夾住環(huán)的內(nèi)外表面，而不用軸承。無間隙和相對拖拉件的充分接觸很好地提供一個較高的機(jī)械剛性以使環(huán)非常精確的定位。平穩(wěn)步進(jìn)的致動器運(yùn)動被用于定位和轉(zhuǎn)動環(huán)由此使第一結(jié)構(gòu)相對于第二結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動和定位。由于有足夠的結(jié)構(gòu)剛性，相對的拖拉件的平穩(wěn)步進(jìn)運(yùn)動可以基本上從回轉(zhuǎn)連接件上消除游隙。
為了更全面地了解本發(fā)明及其其它優(yōu)點，下面結(jié)合附圖對一個較好的實施例進(jìn)行說明。在這幾個圖中相同的數(shù)字標(biāo)示著相同或類似的部件。其中

圖1是本發(fā)明的壓電回轉(zhuǎn)連接器的一個透視圖;
圖2是本發(fā)明的相對的壓電致動器對的一個透視圖;
圖3是圖2中壓電致動器的局部透視圖;及圖4是本發(fā)明的連接環(huán)的一個局部透視/剖視圖。
參見圖1，本發(fā)明的一個壓電回轉(zhuǎn)連接器總體由數(shù)字2標(biāo)示?；剞D(zhuǎn)連接器2把一個第一結(jié)構(gòu)8與一個第二結(jié)構(gòu)10連接起來。連接器2使得電信號和動力從一個結(jié)構(gòu)傳遞到另一結(jié)構(gòu)上并使一個結(jié)構(gòu)相對另一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動。如結(jié)構(gòu)8和10可具有幾個可轉(zhuǎn)動空間站模塊。回轉(zhuǎn)連接件2具有一個剛性地連接于結(jié)構(gòu)8的圓形環(huán)6和一些連接于結(jié)構(gòu)10的壓電致動模塊4。致動模塊4設(shè)計及安裝適于接收并嚙合圓環(huán)6以形或回轉(zhuǎn)連接器2。
圖2顯示一個嚙合局部環(huán)6的一個致動模塊4。致動模塊4具有安裝在機(jī)座12上的兩對相對的壓電致動器14，被稱為致動件A、B、C和D、在殼體12上可以安裝一個環(huán)位置檢測器，如傳感器32和探測器34。每一個壓電致動器14包括一個稱作“拖拉件”的牽引部分18，一個稱作“切向件”的切向作用壓電部分20，一個稱作“軸向件”的軸向作用壓電部分22和一個稱作“開降件”的徑向作用壓電部分24。每個壓電部位可以具有一個把作用在其上的電壓轉(zhuǎn)變或在上述三個正交的方向之一上的機(jī)械運(yùn)動的壓電晶體，為了使圖面清晰，在圖中省略了電驅(qū)動系統(tǒng)和每個晶體的連接電路。由于致動器14的各部分在與拖拉件18相對的另一端被疊層粘接在機(jī)座12上，拖拉件18的運(yùn)動方向是壓電部件20，22和24的運(yùn)動的矢量和。致動器對如尋A和C及對B和D被以相對的關(guān)系安裝在機(jī)座12上，在相對的拖拉件18間有接收環(huán)6的間隔或隘縫。當(dāng)一個預(yù)定二電壓施加于所有四個升降件24以打開隘縫時，在拖拉件18之間的隘縫恰好能通過環(huán)6的厚度。由電驅(qū)動系統(tǒng)(圖中未顯示)產(chǎn)生的其它預(yù)定電壓能夠被施加到致動器14上，參見1990年3月5日申請的同樣未審定的第488，548號申請中所述的那樣通過拖拉件18的平穩(wěn)步進(jìn)移動并置位環(huán)6。例如致動器對A-C能移被一起操縱以夾緊并定位環(huán)6，同時執(zhí)行件B-D完全提升并返回到它們在環(huán)6上方的位置以裝備下一周期的接合和定位。
圖3是圖2中致動模塊4的上致動件A和B的一個更詳細(xì)的視圖。拖拉件18的表面部分可以具有鑲?cè)氲膶?dǎo)電體，如導(dǎo)體26和28，它們分別與導(dǎo)線36和38相聯(lián)，致動件A和B的表面分別以44A和44B標(biāo)示。在需要導(dǎo)電拖拉件體18的情況，電絕緣墊片40可以被用來為導(dǎo)體26和28絕緣。象導(dǎo)體26和28一樣的導(dǎo)體對通過旁路導(dǎo)線36與一個連接于結(jié)構(gòu)10的電元件的公共導(dǎo)線42相連接，如圖4所示環(huán)6的內(nèi)、外環(huán)表面上鑲有環(huán)形電導(dǎo)體16，它們對應(yīng)于致動器，14的導(dǎo)體26和28。關(guān)于環(huán)6的的環(huán)形導(dǎo)體的電連接方式(圖中未示出)可以象普通滑環(huán)技術(shù)中已知的那樣加在環(huán)6的邊上。圖4是環(huán)6的一個局部橫剖視5圖，它顯示了在環(huán)6的要求使用導(dǎo)體的情況下，用墊片46絕緣導(dǎo)體16。致動器在環(huán)6的置位和步進(jìn)的全部過程中，不是拖拉表面44A和導(dǎo)體28就是拖拉表面44B和導(dǎo)體26完全不滑動地與環(huán)6和導(dǎo)體16接觸。
當(dāng)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的升降機(jī)構(gòu)24通過分離相對的致動器的拖拉件18打開致動模塊4的隘縫時，在回轉(zhuǎn)連接器2的連接過程中，結(jié)構(gòu)8根據(jù)外力的引導(dǎo)進(jìn)入結(jié)構(gòu)10上的位置。當(dāng)環(huán)6被致動模塊4局部嚙合時，致動器14開始步進(jìn)運(yùn)動以嚙合并定位環(huán)6。一個控制器(圖中未示出)用來自檢測器32和34的信號控制致動器14的步進(jìn)，以使環(huán)6正確置位。當(dāng)升降件24和切向件20繞環(huán)6的中心軸在環(huán)6上平穩(wěn)步進(jìn)時，軸向件22使環(huán)導(dǎo)體16與對應(yīng)的拖拉件18上的導(dǎo)體26和28對齊并保持它。
幾乎環(huán)形連接器2的應(yīng)用都要求一個結(jié)構(gòu)相對于另一結(jié)構(gòu)以恒角速度轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動過程中軸向件22保持各個電導(dǎo)體對齊。以保證在相應(yīng)的電路中電動力及信號被傳送?；剞D(zhuǎn)連接器2使電信號和電源的通路具有較低的電器噪聲和阻力。致動器14的平穩(wěn)步進(jìn)的牽引力避免了滑動摩擦。致動器14提供的牽引力是通過在一個較大的牽引面上施加適當(dāng)?shù)膲毫Ξa(chǎn)生的，如致動件A的表面44A與相對的致動件C的拖拉件18的相應(yīng)表面。不滑動的結(jié)合垂直于牽引表面的壓力導(dǎo)致輕微的電觸點阻力。這樣使電器噪聲相對降低。拖拉通常是具有一個用于拖拉的壓力，它大于電觸點接觸良好所需的壓力。
在致動器步進(jìn)過程中，一對相對的致動器14在送它的環(huán)置位碰撞時一起作用以臺鉗式的夾具夾住環(huán)6。致動器夾緊保持在回程致動器對隘縫中的環(huán)6對正，避免回程摩擦。雖然在圖1中說明了三個致動模塊4，在某些情況下兩個模塊可能足夠了，而在需要高轉(zhuǎn)矩的情況下可能要求大量的致動模塊。
要求回轉(zhuǎn)連接環(huán)6大到難以制造或送入空間的結(jié)構(gòu)必需使用分段環(huán)。分段環(huán)6上的環(huán)形導(dǎo)體16可以用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式相互間電連接或并連。數(shù)個致動模塊4的使用減少了沿環(huán)段6通過的電流路程。多個致動模塊4也為有相對嚴(yán)格精度要求的應(yīng)用提供了一預(yù)定量的余度。
本發(fā)明的壓電回轉(zhuǎn)連接器2以較低的速度提供了較大的轉(zhuǎn)矩;在電流輸送中具有低電噪聲和可忽略的余熱;在反復(fù)拆開連接器，重新嚙合，轉(zhuǎn)動和置位時的滑動摩擦可以忽略，連接器2在真空中工作沒有軸承控制機(jī)械轉(zhuǎn)動并有效地衰減了結(jié)構(gòu)振動。由于重量輕且裝置小巧產(chǎn)生的熱可忽略不計，當(dāng)固定一個空間站時壓電致動器的使用使得電的和機(jī)構(gòu)的效率較高。此外，壓電致動器也能被用來提供附屬結(jié)構(gòu)受力情況的反饋信號。以防止繞曲或損壞。
雖然本發(fā)明在這里只是以一個特殊實施例說明，但是各種變更和改進(jìn)是可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所想到的。因此象在從屬權(quán)利要求中的變更和改進(jìn)一樣它們被包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)包括一個安裝在一個第一結(jié)構(gòu)上的圓形環(huán)；一個安裝在一個第二結(jié)構(gòu)上的壓電致動器；及與所述致動器相連接的用干嚙合所述環(huán)以在所述第一和第二結(jié)構(gòu)間形或一個可轉(zhuǎn)動連接的部件。
2.如權(quán)利要求1的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少兩對相對的壓電致動器，每對相對的致動器具有相對的致動器拖拉表面，其間設(shè)有用于嚙合所述圓形環(huán)的一部分的間隔。
3.如權(quán)利要求2的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，進(jìn)一步包括通過所述致動器的所述拖拉表面產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動的部件，以置位和轉(zhuǎn)動圓形環(huán)，所述相對拖拉表面對運(yùn)動的同時以鉗式形式夾住所述環(huán)的部分。
4.如權(quán)利要求3的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連接在至少一個所述致動器上用于檢測在所述間隔內(nèi)的所述環(huán)位置的部件。
5.如權(quán)利要求3的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連接于所述環(huán)和所述拖拉件表面用于在第一和第二結(jié)構(gòu)間傳遞電信號的導(dǎo)電部件。
6.一個壓電回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，包括一個安裝在一個第一結(jié)構(gòu)上的圓形環(huán);至少兩個安裝在一個第二結(jié)構(gòu)上的相對的壓電致動器對;每個所述致動器具有一個拖拉表面，并且每個相對的具有相對拖拉表面的致動器對設(shè)有一個用于嚙合部分所述圓形環(huán)的間隔;連接在至少一個所述致動器上用于檢測在所述間隔中所述環(huán)的位置的部件;用于通過所述致動器的拖拉表面產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動以定位和轉(zhuǎn)動所述圓形環(huán)的部件;及所述環(huán)和所述拖拉表面具有用于在第一和第二結(jié)構(gòu)間傳遞電信號的導(dǎo)電部件。
7.如權(quán)利要求6的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，進(jìn)一步包括許多安裝在所述第二結(jié)構(gòu)上的壓電模塊，每個所述的模塊包括至少兩個相對壓電模塊的對。
8.如權(quán)利要求7的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，其中用于產(chǎn)生步進(jìn)的所述部件包括有用于移動所述相對的拖拉表面對同時以鉗形的方式夾持所述環(huán)的部件。
9.如權(quán)利要求8的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述圓形環(huán)的嚙合和脫離過程中分離所述相對的拖拉表面，以打開間隔的部件。
10.一個以可轉(zhuǎn)動方式連接第一和第二結(jié)構(gòu)的壓電回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，包括一個安裝在第一結(jié)構(gòu)上的圓形環(huán);許多安裝在第二結(jié)構(gòu)上的壓電模塊，每個模塊包括至少兩個相對的壓電致動器對;每個相對的致動器對具有相對的致動器拖拉表面，其間設(shè)有一個間隔用于嚙合部分圓形環(huán);連接在至少一個所述模塊上用于檢測在所述間隔中所述環(huán)位置的部件;用于通過所述致動器的所述拖拉表面產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動以定位和轉(zhuǎn)動圓形環(huán)的部件，所述相對的拖拉表面移動同時以鉗形方式夾持所述環(huán)的局部;及所述環(huán)和所述拖拉表面具有用于在第一和第二結(jié)構(gòu)間傳遞電信號的導(dǎo)電部件。
11.如權(quán)利要求10的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述圓形環(huán)嚙合和脫離過程中分離所述相對的拖拉表面，以打開所述間隔的部件。
12.如權(quán)利要求11的回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，其中所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有提供顯示所述環(huán)的應(yīng)力的反饋信號，以防止變形和損壞所述結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種重量輕效率高結(jié)構(gòu)緊湊的壓電回轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)，用于連接空間站模塊之類的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)包括安裝在第一結(jié)構(gòu)上的壓電模塊，它嚙合并轉(zhuǎn)動安裝在第二結(jié)構(gòu)上的一個環(huán)。致動器通過非滑動的平穩(wěn)步進(jìn)運(yùn)動定位和轉(zhuǎn)動該環(huán)，嵌入環(huán)和致動器拖拉表面的電導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)間傳遞電流和電信號。沒有普通的滾動軸承，而使回轉(zhuǎn)連接件的連接和分離容易。
文檔編號H02N2/00GK1058307SQ91103238
公開日1992年1月29日 申請日期1991年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月23日
發(fā)明者高爾頓·沃爾特·卡爾普 申請人:洛克威爾國際公司