CN104578897B - 压电直线电机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电直线电机及其工作方法，该电机包括底板,底板上固定连接有双向力输出机构、箝位机构和驱动机构,双向力输出机构包括十字交叉的活动预紧杆和固定预紧杆,固定预紧杆两端分别连接有固定预紧块,活动预紧杆两端分别连接有活动预紧块,每个固定预紧块与相邻的活动预紧块之间均连接有压电作动单元；活动预紧杆通过输出轴与箝位机构连接,箝位机构通过齿轮副与驱动机构连接。本发明通过应用双向力输出机构，能够在输出方向同时提供较大的推力和拉力，二者大小相当。并且应用螺纹箝位自锁，对输出位移进行累积，能产生较大的行程，同时使该电机得到较高的位置精度，并具有断电自锁功能。

Description

压电直线电机及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电精密致动应仪器领域，具体是一种压电直线电机及其工作方法。

背景技术

压电直线电机是近几年发展起来的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。这种电机具有微型化时效率高、能直接产生直线输出、结构简单、响应快、位置和速度控制精度高、无电磁干扰等优点，可以满足高新技术对精密定位技术的要求。当前，研究者们已经研发出种类繁多的压电直线电机，其中一些实现了商品化。

根据压电器件对驱动足激振方式的不同，压电直线电机可分为共振式和非共振式两种：共振式压电直线电机利用压电元件激发定子弹性体的共振，从而得到放大的变形，再由这种变形来驱动，主要有驻波型、行波型、声表面波型及模态复合型等；非共振式压电直线电机大都采用自身变形较大（可达微米级）的叠层式压电元件作为驱动元件，主要有直接驱动式、尺蠖原理式、位移放大式及惯性冲击式。

在非共振式压电直线电机中，直接驱动式电机直接利用压电元件的变形驱动，位置分辨率高，输出推力较大，但是行程较小；尺蠖原理式电机利用多个压电元件间的特定关系的交替驱动和箝位实现高精度步进，具有大行程，但是该种电机对加工精度要求很高，输出推力通常较小。

发明内容

本发明为了解决现有技术由于压电叠堆抗拉能力较弱，导致输出推力与拉力相差大的问题，提供了一种压电直线电机及其工作方法，能够在输出方向同时提供较大的推力和拉力，二者大小相当，并且能产生较大的行程。

一种压电直线电机，包括底板,底板上固定连接有双向力输出机构、箝位机构和驱动机构, 双向力输出机构包括十字交叉的活动预紧杆和固定预紧杆, 固定预紧杆两端分别连接有固定预紧块, 活动预紧杆两端分别连接有活动预紧块,每个固定预紧块与相邻的活动预紧块之间均连接有压电作动单元；活动预紧杆通过输出轴与箝位机构连接, 箝位机构通过齿轮副与驱动机构连接。

所述的压电作动单元包括一个压电叠堆，压电叠堆两端通过弧形端面固定块分别与固定预紧块、活动预紧块连接。

所述的双向力输出机构通过定位块与底板相连，双向力输出机构与定位块之间设有可调预紧螺钉。

所述的箝位机构包括螺杆，螺杆上依次穿有轴承卡环、轴承组、运动变向套筒、箝位套筒和箝位套筒端盖，双向力输出机构的输出轴穿过轴承卡环与轴承组连接。箝位套筒与底板固定连接，箝位套筒内设有套在螺杆上的空心齿轮，空心齿轮两端分别连接有扭簧和哑铃状箝位块，所述的哑铃状箝位块穿过箝位套筒的中心通孔，箝位套筒两凸起端分别卡在箝位套筒内外，当空心齿轮被带动时，通过扭簧传递扭力使哑铃状箝位块在螺杆上运动。

所述的哑铃状箝位块包括通过螺纹固连的箝位螺母与箝位环。

所述的驱动机构通过电机座固连于底板上，包括依次相连的驱动电机、联轴器、齿轮、齿轮轴，齿轮轴与箝位机构中的空心齿轮连接。

所述的驱动电机为超声电机。

本发明还提供了一种压电直线电机的工作方法，包括以下步骤：

1）初始时负载通过螺杆作用于左侧的哑铃状箝位机构，左侧的哑铃状箝位机构与运动变向套筒固连，又与双向力输出机构的输出轴相连，负载进而作用于输出轴上，各部件处于静止状态；

2）驱动机构启动，齿轮转动带动空心齿轮，空心齿轮通过扭簧将扭转力加在哑铃状箝位机构上，哑铃状箝位机构此时具有沿螺杆向左运动的趋势，但左侧的哑铃状箝位机构b承受负载，扭簧的扭转力不足以使其沿螺杆转动，右侧的哑铃状箝位机构的右箝位端面被箝位套筒端面卡死，也无法沿螺杆转动；

3）靠近箝位机构的压电作动单元伸长，使输出轴、运动变向套筒、左侧的哑铃状箝位机构以及螺杆产生向右的一个微小位移δ，此时右侧哑铃状箝位机构的右箝位端面与箝位套筒脱离，此时由于没有受到限位，右侧哑铃状箝位机构将在扭簧扭转力作用下沿螺杆转动，并向左运动；

4）右侧的哑铃状箝位机构沿螺杆向左运动时受到箝位套筒的限位，停止运动，此时右侧的哑铃状箝位机构开始承受螺杆上传来的负载；

5）靠近箝位机构的压电作动单元收缩直至恢复原长，此时由于螺杆上的负载已经全部转移到右侧哑铃状箝位机构上，左侧哑铃状箝位机构与螺杆之间松开，同时扭簧的扭转力能够带动左侧哑铃状箝位机构，在运动变向套筒的作用下，左侧哑铃状箝位机构转动，并沿螺杆向左运动；

6）回到步骤2）进行循环，每一个循环都使螺杆向右推动负载产生微小位移δ。

本发明有益效果在于：

1、该压电直线电机通过应用双向力输出机构，能够在输出方向同时提供较大的推力和拉力，二者大小相当。

2、应用螺纹箝位自锁，对输出位移进行累积，能产生较大的行程，同时使该电机得到较高的位置精度，并具有断电自锁功能。

3、在箝位机构的驱动机构采用的是超声电机时，该压电直线电机具有无电磁干扰，输出效率高，质量轻等优点，可以应用于航天领域及电磁干扰强烈的工作环境中。

4、该压电直线电机可用于精密定位平台系统中，相比电磁电机有更高的精度，响应快，可自锁，结构简单。

附图说明

图1为本发明俯视图。

图2为本发明立体图。

图3为双向力输出机构的结构示意图。

图4为双向力输出机构的构成组件结构分解图。

图5为压电作动单元的构成组件结构分解图。

图6为箝位机构的结构示意图。

图7为箝位机构的构成组件结构分解图。

图8为哑铃状箝位机构的构成组件结构分解图。

图9为驱动机构的结构示意图。

图10为驱动机构的构成组件结构分解图。

图11为电机的运动机理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明提供的压电直线电机，由双向力输出机构a、箝位机构b、驱动机构c以及底板1组成，其中双向力输出机构的力输出端与箝位机构通过一输出轴a8连接，箝位机构与箝位机构的驱动机构通过齿轮副相连，所述的双向力输出机构、箝位机构、箝位机构的驱动机构都固连在底板上。

双向力输出机构a的一种具体的结构如图3、图4所示，包括四个压电作动单元a11、a12、a13、a14，两个活动预紧块a21、a22，活动预紧杆a3，两个固定预紧块a41、a42，固定预紧杆a5，可调预紧螺钉a6，定位块a7，输出轴a8，两个活动预紧块a21、a22固连于活动预紧杆a3的两端，两个固定预紧块a41、a42固连于固定预紧杆a5的两端，所述固定预紧杆穿过活动预紧杆上的圆孔，圆孔直径大于固定预紧杆的直径，可使活动预紧杆发生运动时，不与固定预紧杆接触，四个压电作动单元a11、a12、a13、a14中，每个压电作动单元的两端面均为圆弧面，四个压电作动单元分别被压紧于固定预紧块与活动预紧块的圆弧凹面内，呈菱形布置，固定预紧块a41与底板固连，a42通过可调预紧螺钉a6与定位块a7固连，定位块a7与底板1固连，输出轴a8与箝位机构的轴承组连接。

压电作动单元a11（a12、a13、a14结构相同）的一种具体结构如图5所示，包括一个压电叠堆aa、两个弧形面端块ab、ac，压电叠堆与弧形面端块通过预紧机构压紧。

箝位机构一种具体结构如图6、图7所示，包括两个哑铃状箝位结构b31、b32，箝位套筒b1，箝位套筒端盖b2，两个扭簧b41、b42，空心齿轮b5，运动变向套筒b6、两个轴承b71、b72，轴承卡环b8，螺杆b9，其中螺杆b9与哑铃状箝位结构b31、b32为螺纹接触，哑铃状箝位结构b31穿过箝位套筒b1的底孔，其箝位面之间的距离略宽于箝位套筒b1底板的厚度，该结构位于箝位套筒外的一端与运动变向套筒b6固连，哑铃状箝位结构b32穿过箝位套筒端盖b2上的中心孔，箝位套筒端盖b2与箝位套筒b1固连，空心齿轮b5位于套筒内，一端通过扭簧b41与哑铃状箝位结构b31固连，另一端通过扭簧b42与哑铃状箝位结构b32固连，当空心齿轮被带动时，将通过扭簧传递扭力，使哑铃状箝位结构在螺杆b9上运动，箝位套筒端盖b2、箝位套筒b1与底板固连。

哑铃状箝位结构b31（b32结构相同）如图8所示，包括箝位螺母ba，箝位环bb，箝位螺母ba与箝位环bb通过螺纹固连，四个平行端面中内侧两个端面形成一对箝位面，可通过调节螺纹拧紧圈数调节箝位面间距，从而达到需要的箝位效果，箝位螺母ba与运动变向套筒b6固连。

驱动机构c的一种具体结构如图9、图10所示，包括驱动电机c1、联轴器c2、齿轮轴c3、齿轮c4，驱动电机c1可采用超声电机、电磁电机等具有转动输出轴的电机，该电机通过电机座固连于底板1上，联轴器c2一端与电机输出轴固连，另一端与齿轮轴c3固连，齿轮c4与齿轮轴c3固连，齿轮面与箝位机构b中的空心齿轮b5啮合。

本技术方案中电机的运动机理如图11所示，图中以该电机螺杆向右驱动向左的负载为例进行说明：

（1）初始时负载通过螺杆b9作用于哑铃状箝位机构b31，b31与运动变向套筒b6固连，b6又与双向力输出机构的输出轴a8相连，负载进而作用于a8上，各部件处于静止状态；

（2）驱动机构启动，齿轮c4转动方向如图中A所示时，带动空心齿轮b5，空心齿轮b5通过扭簧b41、b42将扭转力加在哑铃状箝位机构b31、b32上，b31、b32此时具有沿螺杆向左运动的趋势，但b31承受负载，扭簧的扭转力不足以使其沿螺杆转动，b32的右箝位端面被箝位套筒端面卡死，也无法沿螺杆转动；

（3）如图中B所示，压电作动单元a11、a12伸长，使输出轴a8、运动变向套筒b6、哑铃状箝位机构b31以及螺杆b9产生向右的一个微小位移δ，此时哑铃状箝位机构b32的右箝位端面与箝位套筒脱离，此时由于没有受到限位，b32将在扭簧扭转力作用下沿螺杆转动，并向左运动；

（4）如图中C所示，哑铃状箝位机构b32沿螺杆向左运动时受到箝位套筒的限位，停止运动，此时b32开始承受螺杆b9上传来的负载；

（5）如图中D所示，压电作动单元a11、a12收缩直至恢复原长，此时由于螺杆b9上的负载已经全部转移到b32上，哑铃状箝位机构b31与螺杆b9之间松开，同时扭簧b41的扭转力能够带动b31，在运动变向套筒b6的作用下，b31转动，并沿螺杆b9向左运动；

（6）回到（2）步骤进行循环，每一个循环都使螺杆b9向右推动负载产生微小位移δ。

从其运动机理来看，当电机不通电时，哑铃状箝位机构b32仍然能发挥作用，因此该电机具有自锁功能；由于双向力输出机构的对称性，在反方向拉动负载时电机能产生与推动负载时相同大小的力；而该结构也使得电机能产生较大的直线行程。

本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种压电直线电机，包括底板（1）,其特征在于：底板（1）上固定连接有双向力输出机构、箝位机构和驱动机构, 双向力输出机构包括十字交叉的活动预紧杆（a3）和固定预紧杆（a5），固定预紧杆（a5）两端分别连接有固定预紧块（a4）, 活动预紧杆（a3）两端分别连接有活动预紧块（a2），每个固定预紧块（a4）与相邻的活动预紧块（a2）之间均连接有压电作动单元（a1）；活动预紧杆（a3）通过输出轴（a8）与箝位机构连接, 箝位机构通过齿轮副与驱动机构连接。

2.根据权利要求1所述的压电直线电机，其特征在于：所述的压电作动单元（a1）包括一个压电叠堆（aa），压电叠堆两端通过弧形端面固定块（ab）、（ac）分别与固定预紧块（a4）、活动预紧块（a2）连接。

3.根据权利要求1所述的压电直线电机，其特征在于：所述的双向力输出机构通过定位块（a7）与底板（1）相连，双向力输出机构与定位块（a7）之间设有可调预紧螺钉（a6）。

4.根据权利要求1所述的压电直线电机，其特征在于：所述的箝位机构包括螺杆（b9），螺杆（b9）上依次穿有轴承卡环（b8）、轴承组（b7）、运动变向套筒（b6）、箝位套筒（b1）和箝位套筒端盖（b2），双向力输出机构的输出轴（a8）穿过轴承卡环（b8）与轴承组（b7）连接；箝位套筒（b1）与底板（1）固定连接，箝位套筒（b1）内设有套在螺杆（b9）上的空心齿轮（b5），空心齿轮（b5）两端分别连接有扭簧（b4）和哑铃状箝位机构（b3），所述的哑铃状箝位机构（b3）穿过箝位套筒（b1）的中心通孔，箝位套筒（b1）两凸起端分别卡在箝位套筒（b1）内外，当空心齿轮（b5）被带动时，通过扭簧（b4）传递扭力使哑铃状箝位机构（b3）在螺杆（b9）上运动。

5.根据权利要求4所述的压电直线电机，其特征在于：所述的哑铃状箝位机构（b3）包括通过螺纹固连的箝位螺母（ba）与箝位环（bb）。

6.根据权利要求1所述的压电直线电机，其特征在于：所述的驱动机构通过电机座固连于底板（1）上，包括依次相连的驱动电机（c1）、联轴器（c2）、齿轮轴（c3）、齿轮（c4），齿轮（c4）与箝位机构中的空心齿轮（b5）连接。

7.根据权利要求6所述的压电直线电机，其特征在于：所述的驱动电机（c1）为超声电机。

8.一种以上任意一项权利要求所述的压电直线电机的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

1）初始时负载通过螺杆（b9）作用于左侧的哑铃状箝位机构（b31），左侧的哑铃状箝位机构（b31）与运动变向套筒（b6）固连，运动变向套筒（b6）又与双向力输出机构的输出轴（a8）相连，负载进而作用于输出轴（a8）上，各部件处于静止状态；

2）驱动机构启动，齿轮（c4）转动带动空心齿轮（b5），空心齿轮（b5）通过扭簧（b4）将扭转力加在哑铃状箝位机构（b3）上，哑铃状箝位机构（b3）此时具有沿螺杆向左运动的趋势，但左侧的哑铃状箝位机构（b31）承受负载，扭簧的扭转力不足以使其沿螺杆转动，右侧的哑铃状箝位机构（b32）的右箝位端面被箝位套筒端面卡死，也无法沿螺杆转动；

3）靠近箝位机构的压电作动单元（a11、a12）伸长，使输出轴（a8）、运动变向套筒（b6）、左侧的哑铃状箝位机构（b31）以及螺杆（b9）产生向右的一个微小位移δ，此时哑铃状箝位机构（b32）的右箝位端面与箝位套筒脱离，此时由于没有受到限位，右侧哑铃状箝位机构（b32）将在扭簧扭转力作用下沿螺杆转动，并向左运动；

4）右侧的哑铃状箝位机构（b32）沿螺杆向左运动时受到箝位套筒的限位，停止运动，此时右侧的哑铃状箝位机构（b32）开始承受螺杆（b9）上传来的负载；

5）靠近箝位机构的压电作动单元（a11、a12）收缩直至恢复原长，此时由于螺杆（b9）上的负载已经全部转移到右侧的哑铃状箝位机构（b32）上，左侧哑铃状箝位机构（b31）与螺杆（b9）之间松开，同时扭簧（b41）的扭转力能够带动左侧的哑铃状箝位机构（b31），在运动变向套筒（b6）的作用下，左侧的哑铃状箝位机构（b31）转动，并沿螺杆（b9）向左运动；

6）回到步骤2）进行循环，每一个循环都使螺杆（b9）向右推动负载产生微小位移δ。