CN104158433A - 箝位机构可动式压电直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种箝位机构可动式压电直线电机，包括两个箝位机构、两个预紧机构、压电叠堆、螺杆、力方向转换机构、导轨机构；所述导轨机构上设置沿导轨运动的滑块，以及与导轨机构固定连接的螺杆，所述螺杆上设置两个沿螺杆轴向、周向运动的箝位机构，两个箝位机构上均设置一个与箝位机构相对活动的预紧机构，两个预紧机构之间固定连接压电叠堆；滑块上固定设置力方向转换机构，用于限制两个预紧机构的运动，预紧机构与力方向转换机构之间有间隙。该装置能够提供大输出力，同时应用可移动的箝位机构，并结合螺纹自锁原理，使压电叠堆的小位移得到累积。

Description

箝位机构可动式压电直线电机

技术领域

本发明属于压电精密作动应用技术领域，特别涉及一种箝位机构可动式压电直线电机。

背景技术

压电直线电机是一种新型的直线驱动机构，利用压电材料的逆压电效应，采用特定的结构形式制成。这种电机具有有体积小、成本低、响应快、精度高、无电磁干扰等特点。当前，研究者已经开发出种类繁多的压电直线电机，其中一些已经商品化。

压电直线电机有这么几类：利用摩擦力驱动动子，且利用摩擦力实现箝位，这种结构形式的电机对加工精度要求高，能提供的驱动力较小；利用自锁机构实现箝位，但是要双向驱动时，作为驱动元件的压电叠堆可能会受拉力；用压电叠堆不通过放大机构或者摩擦耦合，直接驱动负载，这种电机行程较小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种箝位机构可动式压电直线电机，采用压电叠堆作为主要驱动元件，通过力方向转换块、预紧机构、箝位机构、螺杆配合连接，使得该压电直线电机能够提供大输出力，解决了现有技术中由于压电叠堆抗拉能力较弱，导致双向驱动输出力相差较大的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

箝位机构可动式压电直线电机，包括两个箝位机构、两个预紧机构、压电叠堆、螺杆、力方向转换机构、导轨机构；所述导轨机构上设置沿导轨运动的滑块，以及与导轨机构固定连接的螺杆，所述螺杆上设置两个沿螺杆轴向、周向运动的箝位机构，两个箝位机构上均设置一个与箝位机构相对活动的预紧机构，两个预紧机构之间固定连接压电叠堆；滑块上固定设置力方向转换机构，用于限制两个预紧机构的运动，预紧机构与力方向转换机构之间有间隙。

两个预紧机构之间固定连接两个压电叠堆，且两个压电叠堆平行设置于螺杆的两侧。

所述力方向转换机构包括两个相对设置的力方向转换块，力方向转换块两端具有向内的折弯部，两个力方向转换块的折弯部相对设置构成两端开口的矩形区域，两个预紧机构设置于矩形区域内，两个箝位机构分别对应设置于矩形区域的开口处。

所述螺杆与箝位机构为螺纹连接。

所述箝位机构的驱动器采用螺纹杆式作动器或电磁电机。

所述滑块上设置转接板，所述力方向转换机构设置于转接板上。

还包括设置于转接板上的定位块，用于对力方向转换机构的位置进行微调，并固定力方向转换机构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、该压电直线电机通过力方向转换块、预紧机构、箝位机构、螺杆配合连接，能够提供大输出力。

2、应用螺纹自锁原理，使得压电叠堆的小位移得到累积，具有较高的分辨率，产生大的行程。

3、通过箝位机构及力方向转换机构的限制，使得压电叠堆只受到压力，而不产生拉力，提高了压电叠堆的使用寿命。

4、该装置可以应用于精密定位平台系统中，并可应用于航空航天领域，或其他工业领域需要较大推力，大行程作动器的狭窄工作环境中。

附图说明

图1为螺纹杆式作动器驱动箝位的压电直线电机结构示意图。

图2为螺纹杆式作动器驱动箝位的压电直线电机运行机理说明图。

图3为电磁电机驱动箝位的压电直线电机结构示意图。

图4为小型压电叠堆驱动箝位的压电直线电机结构示意图。

图5为小型压电叠堆作动器的运行机理说明图。

其中，图中的标识为：1-螺杆；5-定位块；7-转接板；8-滑块；9-直线导轨；10-固定块；21-第一箝位机构；22-第二箝位机构；231-第一小型压电叠堆驱动足、232-第二小型压电叠堆驱动足；241-第三小型压电叠堆驱动足、242-第四小型压电叠堆驱动足；31-第一预紧机构；32-第二预紧机构；41-第一压电叠堆；42-第二压电叠堆；61-第一力方向转换块；62-第二力方向转换块；211-第一电磁电机定子；221-第二电磁电机定子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

箝位机构可动式压电直线电机，包括两个箝位机构、两个预紧机构、压电叠堆、螺杆、力方向转换机构、导轨机构；所述导轨机构上设置沿导轨运动的滑块，以及与导轨机构固定连接的螺杆，所述螺杆上设置两个沿螺杆轴向、周向运动的箝位机构，两个箝位机构上均设置一个与箝位机构相对活动的预紧机构，两个预紧机构之间固定连接压电叠堆；滑块上固定设置力方向转换机构，用于限制两个预紧机构的运动，预紧机构与力方向转换机构之间有间隙。

实施例1 ：螺纹杆式作动器驱动箝位机构的压电直线电机

本实施例的压电直线电机结构，采用双压电叠堆为主要驱动元件，如图1所示，箝位机构可动式压电直线电机，包括第一压电叠堆41、第二压电叠堆42、第一预紧机构31、第二预紧机构32、第一箝位机构21、第二箝位机构22、第一力方向转换块61、第二力方向转换块62、螺杆1、直线导轨9、转接板7、滑块8、定位块5、固定块10；其中，直线导轨9上设置沿直线导轨9滑动的滑块8，滑块上设置转接板7，直线导轨9的两端均设置固定块10，螺杆1固定设置于两个固定块10上，转接板7上固定设置第一力方向转换块61和第二力方向转换块62，两个力方向转换块的两端具有向内的折弯部，两个力方向转换块的折弯部相对设置构成两端开口的矩形区域，两个预紧机构设置于矩形区域内，第一预紧机构31与第一箝位机构21连接，第一箝位机构21位于矩形区域的一个开口处，第二预紧机构32与第二箝位机构22连接，第二箝位机构22位于矩形区域的另一个开口处；两个箝位机构与螺杆1通过螺纹连接，可沿螺杆1进行轴向、周向运动；两个预紧机构之间固定连接两个压电叠堆，且两个压电叠堆平行设置于螺杆的两侧。

两个预紧机构为两个压电叠堆提供预紧力，压电叠堆的数量也可以为1个、3个、4个或者更多，此时相应改变预紧机构的预紧足（即与压电叠堆的连接点）为1个、3个、4个或者更多。

采用带凸台的螺纹杆式直线作动器为箝位机构，螺纹杆式直线作动器与螺杆1上有相互配合的螺纹，螺纹的截面可以是三角形、梯形、矩形以及凸面等各种形式及其组合，螺纹的形式可以是连续的、分段的、或特定轨迹的曲线。

第一力方向转换块61、第二力方向转换块62与转接板7通过螺钉相连，定位块5通过螺钉与转接板7相连。定位块7与力方向转换块之间为面接触。电机运行时，两个力方向转换块与预紧机构最多只能有一面相接触，以此保证了外力始终以压力的形式作用于压电叠堆上，可以充分发挥压电叠堆的性能，防止其承受拉力。

转接板7通过螺钉固定于直线导轨机构的滑块8上，直线导轨9的末端通过固定块10与螺杆1连接。螺杆1紧固于固定块10上，二者不发生相对转动。

本实施例可应用于水平直线定位，在力方向转换块上可以安装载物平台。

本实施例的运动机理如图2所示：图中以该电机在导轨内向右运动为例进行说明，

（1）初始时箝位机构的左凸台右端面顶住预紧机构，如图中a所示，同时预紧机构最右端面顶住力方向转换块，各部件处于静止状态；

（2）压电叠堆伸长，由于螺纹杆式作动器处于自锁状态，第一预紧机构31左端被与第一箝位机构21的左凸台箝位，右端推动力方向转换块，同时第二预紧机构32左侧面离开第二箝位机构22的凸台面，如图中b所示；

（3）第二箝位机构22转动，由于螺杆1与直线导轨9相互固定，不能转动，因此该第二箝位机构22边转边向右移动，直至其左凸台顶住第二箝位机构32，电机停止转动，如图中c所示；

（4）压电叠堆收缩（恢复原长），由于第一预紧机构31左端自由，右端被箝位，故其左端向右移动，左端面离开第一箝位机构21的左凸台面，如图中d所示；

（5）第一箝位机构21转动，同时沿螺杆向右平移，直至其凸台面顶住第一预紧机构31左端面，电机停止转动，如图中e所示，此步骤完成时，状态与图中a相同，滑块向右移动微小距离δ；

（6）回到（2）步骤，进行循环，每一个循环都使滑块向右移动δ，这样滑块及其负载便可以沿着直线导轨9向右运动。从其运动机理看来，当电机不通电时，至少始终有一个箝位机构发生作用，因此电机具有自锁功能；而由于力方向转换块的作用，外载荷作用到压电叠堆上的力始终为压力，可防止叠堆受拉损坏，并可充分发挥叠堆的作用效果。

实施例2 ：电磁电机驱动箝位的压电直线电机

如图3所示，本实施例与实施例1的主要区别在于：在本实施例中，第一箝位机构21、第二箝位机构22为传统电磁电机的动子，第一电磁电机定子211与第一预紧机构31连接，第二电磁电机定子221与第二预紧机构32连接，两个电磁电机的动子与螺杆通过螺纹接触。当压电叠堆伸长使预紧机构与电机定子凸台分离时，电磁电机驱动，使动子转动，直至凸台顶到预紧机构时停止，实现箝位。

实施例3 ：小型压电叠堆驱动箝位的压电直线电机

如图4所示，第一小型压电叠堆驱动足231、第二小型压电叠堆驱动足232组成第一对小型压电叠堆驱动足；第三小型压电叠堆驱动足241、第四小型压电叠堆驱动足242组成第二对小型压电叠堆驱动足；

本实施例与实施例1的主要区别在于：在本实施例中，第一箝位机构21、第二箝位机构22为小型的压电叠堆作动器的动子，第一对小型压电叠堆驱动足与第一预紧机构31连接，第二对小型压电叠堆驱动足与第二预紧机构32连接，两个小型压电叠堆作动器的动子与螺杆通过螺纹接触，小型压电叠堆作动器的驱动足压紧在小型压电叠堆作动器动子的圆柱表面上。双压电叠堆伸长使得动子凸台与预紧机构分离，当其停止伸长时，第一小型压电叠堆驱动足231、第三小型压电叠堆驱动足241（或第二小型压电叠堆驱动足232、第四小型压电叠堆驱动足242）作动，使两个小型压电叠堆作动器的动子转动，沿螺杆移动，直至凸台顶到预紧机构时停止，实现箝位。这种实施方式中的小型叠堆作动器使动子紧压在螺杆上，可以起到消除回程间隙，提高电机运行精度的效果。

其中小型压电叠堆作动器的运行机理如图5所示：图中A点为驱动器与动子接触点，当压电叠堆伸缩时，在A点形成椭圆运动轨迹，驱动，动子，使动子沿螺杆运动。图中压电叠堆将使动子沿逆时针方向转动。

Claims (7)

1.箝位机构可动式压电直线电机，其特征在于，包括两个箝位机构、两个预紧机构、压电叠堆、螺杆、力方向转换机构、导轨机构；所述导轨机构上设置沿导轨运动的滑块，以及与导轨机构固定连接的螺杆，所述螺杆上设置两个沿螺杆轴向、周向运动的箝位机构，两个箝位机构上均设置一个与箝位机构相对活动的预紧机构，两个预紧机构之间固定连接压电叠堆；滑块上固定设置力方向转换机构，用于限制两个预紧机构的运动，预紧机构与力方向转换机构之间有间隙。

2.根据权利要求1所述的箝位机构可动式压电直线电机，其特征在于：两个预紧机构之间固定连接两个压电叠堆，且两个压电叠堆平行设置于螺杆的两侧。

3.根据权利要求1所述的箝位机构可动式压电直线电机，其特征在于：所述力方向转换机构包括两个相对设置的力方向转换块，力方向转换块两端具有向内的折弯部，两个力方向转换块的折弯部相对设置构成两端开口的矩形区域，两个预紧机构设置于矩形区域内，两个箝位机构分别对应设置于矩形区域的开口处。

4.根据权利要求1所述的箝位机构可动式压电直线电机，其特征在于：所述螺杆与箝位机构为螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的箝位机构可动式压电直线电机，其特征在于：所述箝位机构的驱动器采用螺纹杆式作动器或电磁电机。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的箝位机构可动式压电直线电机，其特征在于：所述滑块上设置转接板，所述力方向转换机构设置于转接板上。

7.根据权利要求6所述的箝位机构可动式压电直线电机，其特征在于：还包括设置于转接板上的定位块，用于对力方向转换机构的位置进行微调，并固定力方向转换机构。