CN104506078A - 大推力压电作动器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大推力压电作动器及其工作方法，属于压电作动器领域。由驱动元件，箝位组件和输出元件组成。驱动元件为压电叠堆；箝位组件由驱动螺母，承载螺母，上柔性联轴器、下柔性联轴器和力矩电机组成；输出元件为丝杠。该大推力压电作动器采用驱动螺母和承载螺母在丝杠上的交替旋转来达到累积压电叠堆振幅实现大位移和大推力输出的目的；另外，该大推力压电作动器采用螺旋箝位机构，只需偏转扭矩，不需偏转力，可很方便的通过传统的电磁电机或者超声电机提供偏转扭矩，结构紧凑、成本低；同时，该大推力压电作动器可应用于无人战机中，通过该作动器来控制机翼的收缩，从而控制无人战机的速度，将显著提高无人战机完成作战任务的效率。
Description
技术领域：
本发明涉及大推力压电作动器及其工作方法，其属于压电作动器领域。
背景技术：
随着现代科学技术的飞速发展，航空航天、无人变形机、精密光学工程、医学工程等领域对作动器提出了很多新的要求。比如体积小、质量轻、功率密度大等。传统的电磁电机由于工作原理和结构形式等方面的限制，已经无法满足新的要求。所以研制新型作动器已经成为世界各国研究的重点。新型作动器是指利用新型功能材料自身的物性效应来实现对目标单位精确驱动和控制的装置。根据物性效应的不同，可分为：电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器、静电作动器、电流变作动器、压电作动器等。
压电作动器是指利用压电材料的逆压电效应，即压电材料在电场的作用下产生变形的特性来实现精密驱动的。和普通的电磁电机相比，压电作动器有很多优点。例如，压电作动器不需要绕组和磁路，不依靠电磁耦合来获得动力，定位精度高、输出力大，响应速度快等。另外，由于它本身不产生磁场并且也不受磁场的干扰，而且，在合理的设计下，能够耐高温、低温，在恶劣的环境下正常运转，这对航空航天领域的发展有着重要的意义。
压电作动器可以分为：压电超声电机、压电微位移作动器、压电惯性作动器和压电尺蠖作动器。目前压电超声电机发展最为成熟，已成功的运用到光学机器、汽车、航空航天、生物医学工程等领域中。压电超声电机具有很多优点，例如低速大转矩、结构紧凑、响应速度快，噪声极低、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确等优点，另外还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。但是压电超声电机由于其原理的限制导致其输出力较小。压电微位移作动器的结构较为简单紧凑，输出力大，定位精度高，动态特性好，但是其工作行程较小。而压电惯性作动器具有高分辨率、大行程的特点，但其因没有箝位机构导致输出力和输出刚度较小，并且定位不稳定。
压电尺蠖作动器可以克服上述三种电机的缺点，其可以兼顾高分辨率、大行程的同时，稳定输出大推力、大功率密度。另外，由于其原理简单，可以根据需要设计出不同结构的压电作动器。
发明内容：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种大推力压电作动器及其工作方法。
本发明采用如下技术方案：一种大推力压电作动器，其包括压电叠堆、驱动螺母、下柔性联轴器、包含有转子的力矩电机、上柔性联轴器、承载螺母、丝杠及外壳，所述驱动螺母和下柔性联轴器下端连接在一起，所述下柔性联轴器上端和上柔性联轴器下端分别与力矩电机的转子连接在一起，上柔性联轴器上端和承载螺母连接在一起，所述驱动螺母、下柔性联轴器、力矩电机、上柔性联轴器及承载螺母共同组成箝位机构；所述压电叠堆、为驱动元件，其上端面与驱动螺母顶在一起；所述丝杠作为输出元件从箝位机构的中间穿过，且丝杠与驱动螺母和承载螺母的内螺纹相配合，在所述丝杠上位于压电叠堆中的末端安装有用于防止丝杠转动进而确保其只能轴向运动的滚珠花键。
本发明还采用如下技术方案：一种大推力压电作动器的工作方法，其中：正向运动时包括如下步骤
(1)初始状态时，承载螺母压在承载面上支撑负载，压电叠堆顶住驱动螺母；
(2)同时施加压电叠堆激励信号和力矩电机的正向启动信号，压电叠堆将驱动螺母向上顶，驱动螺母带动丝杠向上运动，此过程中，丝杠带动承载螺母向上运动，承载螺母不再承受负载，开始在力矩电机的带动下正向旋转，产生向着承载面方向的轴向位移，这个过程中驱动螺母受负载作用，被压紧在压电叠堆上端面上不跟随力矩电机转动；
(3)当压电叠堆收缩时，承载螺母已经旋回承载面，重新支撑负载，此时，驱动螺母与压电叠堆上端面分离，开始向下旋转，产生向着压电叠堆上端面的轴向位移，当压电叠堆收缩回原始非伸长状态时，驱动螺母也已旋回压电叠堆上端面上，大推力压电作动器便回到初始状态，完成一个工作周期，大推力压电作动器正向运动了一步，如此往复，便实现了正向的持续动力输出。
进一步地，回程运动时包括如下步骤
(1)同时施加压电叠堆激励信号和力矩电机反向启动信号，驱动螺母跟随力矩电机反向旋转，产生向上的轴向位移，承载螺母受负载作用，被压紧在承载面上不跟随力矩电机转动，驱动螺母由于受到下柔性联轴器作用，转速会逐渐降低，直至为0，由于驱动螺母的反向旋转产生了沿丝杠向上的轴向位移，使得这一阶段内压电叠堆伸长的位移没有传递到丝杠上；
(2)压电叠堆继续伸长到开始接触到并推动驱动螺母向上运动，驱动螺母又带动丝杠向上运动，这个过程中，丝杠带动承载螺母离开承载面，承载螺母不再承受负载，开始跟随力矩电机反向旋转，直至上柔性联轴器达到最大扭矩；
(3)当压电叠堆到达最长状态后，开始收缩，丝杠受负载作用，将带动驱动螺母、承载螺母向下运动，驱动螺母在下降的过程中一直承受负载，和压电叠堆上端面紧压在一起，无法转动，直至承载螺母落回承载面，当承载螺母落回承载面后，整个大推力压电作动器便完成一个周期，由于丝杠向上的行程小于向下的行程，丝杠往下运动一步，如此往复，大推力压电作动器实现了回程运动。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明大推力压电作动器采用承载螺母和驱动螺母在丝杠上的交替旋转来达到累积压电叠堆振幅从而实现大位移和大推力输出的目的；
(2)本发明作动器大推力压电作动器采用螺旋箝位机构，只需偏转扭矩，不需偏转力，可以很方便的通过传统的电磁电机或者超声电机提供偏转扭矩，结构紧凑、成本低；
(3)本发明作动器大推力压电作动器可应用于无人战机中，通过该大推力压电作动器来控制机翼的收缩，从而控制无人战机的速度，将显著提高无人战机完成作战任务的效率。
附图说明：
图1为本发明大推力压电作动器的结构图。
图2为本发明大推力压电作动器正向运动时序图。
图3为正向运动承载螺母及驱动螺母随压电叠堆变化状态图(螺母运动状态图中，1代表螺母处于正向转动状态，0代表处于不转状态)。
图4为本发明大推力压电作动器回程运动时序图。
图5为回程运动承载螺母及驱动螺母随压电叠堆变化状态图(螺母运动状态图中，-1代表螺母处于反向转动状态，0代表处于不转状态)。
其中：
1-承载螺母；2-力矩电机；3-1-上柔性联轴器；3-2-下柔性联轴器；4-驱动螺母；5-丝杠；6-压电叠堆；7-滚珠花键；8-外壳；9-承载面；10-压电叠堆处于伸长状态；11-压电叠堆处于收缩状态；P-负载。
具体实施方式：
请参照图1所示，本发明大推力压电作动器包括压电叠堆6、驱动螺母4、下柔性联轴器3-2、力矩电机2、上柔性联轴器3-1、承载螺母1、丝杠5及外壳8。其中，驱动螺母4和下柔性联轴器3-2的下端连接在一起，下柔性联轴器3-2上端和上柔性联轴器3-1下端分别与力矩电机2的转子连接在一起，上柔性联轴器3-1的上端和承载螺母1连接在一起，其中驱动螺母4、下柔性联轴器3-2、力矩电机2、上柔性联轴器3-1及承载螺母1共同组成箝位机构；压电叠堆6为驱动元件，其上端面和驱动螺母4顶在一起；丝杠5作为输出元件从箝位机构的中间穿过，且丝杠5与驱动螺母4和承载螺母1的内螺纹相配合。在丝杠5上位于压电叠堆6中的末端安装有用于防止丝杠5转动进而确保其只能轴向运动的滚珠花键7。本发明大推力压电作动器通过采用驱动螺母4和承载螺母1在丝杠5上的交替旋转来达到累积压电叠堆6振幅的目的，改变力矩电机2的转向及各部件运动的时序可以使作动器实现往返运动。
请参照图1并结合图2和图3所示，本发明大推力压电作动器的正向运动过程如下：正向运动时，在初始状态，承载螺母1压在承载面9上支撑负载P，压电叠堆6顶住驱动螺母4，之后同时施加压电叠堆6激励信号和力矩电机2正向启动信号，首先压电叠堆6将驱动螺母4向上顶，驱动螺母4带动丝杠5向上运动。此过程中，丝杠5带动承载螺母1向上运动，因此承载螺母1不再承受负载P，开始在力矩电机2的带动下正向旋转，产生向着承载面9方向的轴向位移。这个过程中驱动螺母4受负载P作用，被压紧在压电叠堆6上端面上不转动。当压电叠堆6收缩时，承载螺母1已经在力矩电机2的带动下旋回承载面9，重新支撑负载P。此时，驱动螺母4与压电叠堆6上端面分离，开始向下旋转，产生向着压电叠堆6上端面的轴向位移。当压电叠堆6收缩回原始非伸长状态时，驱动螺母4也已旋回压电叠堆6上端面上，大推力压电作动器便回到初始状态，完成一个工作周期，大推力压电作动器正向运动了一步。如此往复，便实现了正向的持续动力输出。具体的过程如下：
在0～T/4(状态a-状态b)，同时施加压电叠堆6激励信号和力矩电机2正向启动信号后，压电叠堆6开始伸长，将驱动螺母4向上顶，驱动螺母4带动丝杠5向上运动。此过程中，丝杠5带动承载螺母1向上运动，因此承载螺母1不再承受负载压力，开始在力矩电机2的带动下正向旋转，产生向着承载面9方向的轴向位移。因驱动螺母4和压电叠堆6之间的压力很大，所产生的摩擦力阻止了驱动螺母4跟随力矩电机2旋转；
在T/4～T/2(状态b-状态c)，压电叠堆6继续伸长到最大伸长位置处，继续带动丝杠5向上运动。此过程中，承载螺母1在力矩电机2的带动下继续正向旋转，直到旋回承载面9，驱动螺母4同样因其和压电叠堆6之间的摩擦力而不跟随力矩电机2旋转；
在T/2～3T/4(状态c-状态d),压电叠堆6开始收缩，此时承载螺母1也已旋回到承载面9上，由于丝杠5承受的负载，使得承载螺母1压紧在承载面9上，不再跟随力矩电机2旋转，同时也锁紧丝杠5使其不跟随压电叠堆6向下运动。驱动螺母4因压电叠堆6的快速收缩而与其分离，由于上柔性联轴器3-1和下柔性联轴器3-2的作用，驱动螺母4在力矩电机2的带动下快速正向旋转，产生向着压电叠堆6上端面方向的轴向位移；
在3T/4～T(状态d-状态e)，压电叠堆6继续收缩，回到初始位置。此过程中，驱动螺母4在力矩电机2的带动下继续正向旋转，旋回到压电叠堆6上端面上，承载螺母1仍因负载作用，压紧在承载面9上，继续锁紧丝杠5使其不产生向下的运动。由此，从状态a到状态e，大推力压电作动器正向运动了一步。如此往复，便实现了正向的持续动力输出。
请参照图1并结合图4和图5所示，本发明大推力压电作动器的回程运动过程如下：回程运动时，同时施加压电叠堆6激励信号和力矩电机2反向启动信号，驱动螺母4跟随力矩电机2反向旋转，产生向上的轴向位移。而承载螺母1受负载作用，被压紧在承载面9上不转动。驱动螺母4由于受到下柔性联轴器3-2作用，转速会逐渐降低，直至为0。由于驱动螺母4的反向旋转产生了沿丝杠5向上的轴向位移，使得这一阶段内压电叠堆伸长的位移没有传递到丝杠上。之后压电叠堆6开始推动驱动螺母4向上运动，驱动螺母4又带动丝杠5向上运动。这个过程中，丝杠5带动承载螺母1离开承载面9，承载螺母1不再承受负载，开始跟随力矩电机2反向旋转，直至上柔性联轴器3-1达到最大扭矩。当压电叠堆6到达最长状态后，开始收缩。丝杠5受负载作用，将带动驱动螺母4、承载螺母1向下运动。驱动螺母4在下降的过程中一直承受负载，和压电叠堆6上端面紧压在一起，无法转动，直至承载螺母1落回承载面9。当承载螺母1落回承载面9后，整个大推力压电作动器便完成一个周期，由于丝杠5向上的行程小于向下的行程，丝杠5往下运动一步。如此往复，大推力压电作动器实现了回程运动。具体的过程如下：
在0～t1(状态a-状态b)，在初始状态a，压电叠堆6处于自然状态，承载螺母1锁紧在承载面9上，限制丝杠5向下运动。同时施加压电叠堆6激励信号和力矩电机2反向启动信号后，驱动螺母4跟随力矩电机2反向旋转，产生向上的轴向运动。转动到一定角度后，同驱动螺母4相连的下柔性联轴器3-1达到最大扭矩，驱动螺母4停止旋转。承载螺母1由于负载的作用，压紧在承载面9上，不随力矩电机2旋转。而压电叠堆6在0～T/2时间内伸长，在t1时刻，压电叠堆6上端面顶住驱动螺母4下端面。此过程中，由于驱动螺母4的反向旋转产生了沿着丝杆5向上的轴向位移，使得压电叠堆6在0～t1阶段内伸长的位移没有传递到丝杠5上；
在t1～T/2(状态b-状态c)，在t1时刻，驱动螺母4下端面和压电叠堆6上端面压紧在一起。此后，压电叠堆6带动驱动螺母4向上运动，驱动螺母4又带动丝杠5向上运动。此过程中，丝杠5带动承载螺母1脱离承载面，承载螺母1开始在力矩电机2的带动下反向旋转，产生远离承载面9的轴向位移；
在T/2～t2(状态c-状态d)，压电叠堆6开始收缩，在负载作用下，丝杠5随压电叠堆6的收缩向下运动，承载螺母1继续反向旋转的同时跟随丝杠5向下运动，直至和承载螺母1相连的上柔性联轴器3-1达到最大扭矩。驱动螺母4由于负载的作用，和压电叠堆6压紧在一起，不随力矩电机2旋转。
在t2～T(状态d-状态e)，承载螺母1停止旋转后跟随丝杠5向下运动，回落到承载面9上。此过程中，驱动螺母4因负载的作用，和压电叠堆6上端面压紧在一起，仍不随力矩电机2旋转，直至承载螺母1落回到承载面9锁紧丝杠5承受负载。由此，由于丝杠5正向的位移小于反向的位移，推力压电作动器反向运动一步。如此往复，推力压电作动器实现了回程运动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种大推力压电作动器，其特征在于：包括压电叠堆(6)、驱动螺母(4)、下柔性联轴器(3-2)、包含有转子的力矩电机(2)、上柔性联轴器(3-1)、承载螺母(1)、丝杠(5)及外壳(8)，所述驱动螺母(4)和下柔性联轴器(3-2)下端连接在一起，所述下柔性联轴器(3-2)上端和上柔性联轴器(3-1)下端分别与力矩电机(2)的转子连接在一起，上柔性联轴器(3-1)上端和承载螺母(1)连接在一起，所述驱动螺母(4)、下柔性联轴器(3-2)、力矩电机(2)、上柔性联轴器(3-1)及承载螺母(1)共同组成箝位机构；所述压电叠堆(6)为驱动元件，其上端面与驱动螺母(4)顶在一起；所述丝杠(5)作为输出元件从箝位机构的中间穿过，且丝杠(5)与驱动螺母(4)和承载螺母(1)的内螺纹相配合，在所述丝杠(5)上位于压电叠堆(6)中的末端安装有用于防止丝杠(5)转动进而确保其只能轴向运动的滚珠花键(7)。
2.一种如权利要求1所述的大推力压电作动器的工作方法，其特征在于：正向运动时包括如下步骤
(1)初始状态时，承载螺母(1)压在承载面(9)上支撑负载，压电叠堆(6)顶住驱动螺母(4)；
(2)同时施加压电叠堆(6)激励信号和力矩电机(2)的正向启动信号，压电叠堆(6)将驱动螺母(4)向上顶，驱动螺母(4)带动丝杠(5)向上运动，此过程中，丝杠(5)带动承载螺母(1)向上运动，承载螺母(1)不再承受负载，开始在力矩电机(2)的带动下正向旋转，产生向着承载面(9)方向的轴向位移，这个过程中驱动螺母(4)受负载作用，被压紧在压电叠堆(6)上端面上不跟随力矩电机(2)转动；
(3)当压电叠堆(6)收缩时，承载螺母(1)已经旋回承载面(9)，重新支撑负载，此时，驱动螺母(4)与压电叠堆(6)上端面分离，开始向下旋转，产生向着压电叠堆(6)上端面的轴向位移，当压电叠堆(6)收缩回原始非伸长状态时，驱动螺母(4)也已旋回压电叠堆(6)上端面上，大推力压电作动器便回到初始状态，完成一个工作周期，大推力压电作动器正向运动了一步，如此往复，便实现了正向的持续动力输出。
3.如权利要求2所述的大推力压电作动器的工作方法，其特征在于：回程运动时包括如下步骤
(1)同时施加压电叠堆(6)激励信号和力矩电机(2)反向启动信号，驱动螺母(4)跟随力矩电机(2)反向旋转，产生向上的轴向位移，承载螺母(1)受负载作用，被压紧在承载面(9)上不跟随力矩电机(2)转动，驱动螺母(4)由于受到下柔性联轴器(3-2)作用，转速会逐渐降低，直至为0，由于驱动螺母(4)的反向旋转产生了沿丝杠(5)向上的轴向位移，使得这一阶段内压电叠堆(6)伸长的位移没有传递到丝杠(5)上；
(2)压电叠堆(6)继续伸长到开始接触到并推动驱动螺母(4)向上运动，驱动螺母(4)又带动丝杠(5)向上运动，这个过程中，丝杠(5)带动承载螺母(1)离开承载面(9)，承载螺母(1)不再承受负载，开始跟随力矩电机(2)反向旋转，直至上柔性联轴器(3-1)达到最大扭矩；
(3)当压电叠堆(6)到达最长状态后，开始收缩，丝杠(5)受负载作用，将带动驱动螺母(4)、承载螺母(1)向下运动，驱动螺母(4)在下降的过程中一直承受负载，和压电叠堆(6)上端面紧压在一起，无法转动，直至承载螺母(1)落回承载面(9)，当承载螺母(1)落回承载面(9)后，整个大推力压电作动器便完成一个周期，由于丝杠(5)向上的行程小于向下的行程，丝杠(5)往下运动一步，如此往复，大推力压电作动器实现了回程运动。
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