CN104868780B - 采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器及作动方法 - Google Patents

采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器及作动方法 Download PDF

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采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器及作动方法，该作动器包括两个钳位机构和钳位机构两侧固定于底板上的具有导向作用的刚性固定板，刚性固定板和钳位机构通过弹簧连接，通过弹簧的预压来提供作动器所需的锁止力；两个楔形块方向同向放置，通过内部安装了压电堆的作动环固连。在装置上部为移动部件，左右两侧的移动部件表面布有细齿，与钳位机构表面的细齿在锁止时相互咬合从而达到提高最大静摩擦力的目的；左右两侧的移动部件通过另一个内置压电堆的作动环而固连，通过下部压电堆的伸缩完成一端锁止一端解锁的目的，上部压电堆完成驱动步进的运动；本发明只采用两个压电堆便完成了驱动步进，可以提供较大的锁止力和最大静摩擦力。

Description

采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器及作动方法
技术领域
本发明属于步进式压电作动器技术领域，具体涉及一种采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器及作动方法
背景技术
压电作动器在航天、航空、医疗等领域应用广泛。压电步进式作动器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通过对压电叠堆微小步距位移的积累，可实现小步距、理论行程无限大、高分辨率的精密双向步进运动。但现有的结构往往无法提供较大的锁止力，往往会出现滑脱的现象导致精度降低，同时现有的作动器通常需要三个甚至更多压电堆来工作，从而带来了作动器体积大，质量大，成本高等问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器及作动方法，该作动器精度高，可输出大位移，可实现钳位锁止功能并通过对其结构的改造使其具有较大的等效最大静摩擦力，同时具有结构紧凑，体积小，重量轻的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器，包括由两个截面为直角梯形的梯形块且斜边相对布置组成的左钳位机构1，由两个截面为直角梯形的梯形块且斜边相对布置组成的右钳位机构2，布置在左钳位机构1梯形块间下部的左楔形块11，布置在左楔形块11上部的左移动部件9，布置在右钳位机构2梯形块间下部的右楔形块12，布置在右楔形块12上部的右移动部件10，固定在左楔形块11和右楔形块12间的下作动环7，下作动环7左侧与左楔形块11的短端固连，右侧与右楔形块12的长端固连，固定在左移动部件9和右移动部件10间的上作动环8，上压电堆6和下压电堆5分别通过过盈配合安装在上作动环8和下作动环7中，安装有预压弹簧并固定的左刚性固定板3和右刚性固定板4分别设置在左钳位机构1和右钳位机构2的两侧，且预压弹簧顶住左钳位机构1和右钳位机构2；所述左钳位机构1的梯形块斜边表面布有细齿，左移动部件9与左钳位机构1接触的表面也布有细齿，同样，右钳位机构2的梯形块斜边表面布有细齿，右移动部件10与右钳位机构2接触的表面也布有细齿，通过细齿互相咬合来达到提高等效最大静摩擦力的目的。
上述所述采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器的作动方法，
第一步：给下作动环7中的下压电堆5在预置电压的基础上再加上驱动电压，下压电堆5伸长，推动左楔形块11和右楔形块12分别向左右运动，当左楔形块11向左运动后，左楔形块11与左钳位机构1之间出现空隙，在预压弹簧的作用下左钳位机构1通过左刚性固定板3的导向将左移动部件9锁住，此时左侧为锁止状态；而右楔形块12将右钳位机构2撑开，右移动部件10不再与右钳位机构2接触，此时右侧为解锁状态；给上作动环8中的上压电堆6施加一定的驱动电压，上压电堆6伸长，左侧与上作动环8固连的左移动部件9处于锁止状态因此无法移动，同时使处于解锁状态的右移动部件10向前前进一个齿的长度；
第二步：下作动环7中的下压电堆5卸掉附加的驱动电压，将其恢复到预置电压值，下压电堆5收缩，右楔形块12向左运动，右楔形块12与右钳位机构2之间出现空隙，在预压弹簧的作用下右钳位机构2将会把右移动部件10钳死，此时右移动部件10处于锁止状态；左楔形块11向右运动，将左钳位机构1撑开，此时左移动部件9与左钳位机构1不再接触，处于解锁状态；卸掉上作动环8中的上压电堆6的驱动电压，上压电堆6收缩，由于右移动部件10处于锁止状态无法移动，此时左移动部件9在上作动环8的带动下向右移动一个齿的位移，这样在一个工作周期内整个作动器就完成了一个齿的位移；
通过重复上述步骤，作动器能够实现大行程作动；如果需要完成反向的位移，则只需要在原来预置电压的基础上加上反向的驱动电压即可，其工作过程相同。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
(1)由于压电堆较为昂贵，本发明只采用了两只压电堆即可同时实现箝位及锁止功能，从而完成步进工作，在是实现大位移输出的同时减少了作动步骤。
(2)在钳位机构和移动部件的接触面上设计有细齿，通过对作动器的相位控制使其在锁止时能完全咬合住，因此极大程度的提高接触面间的静摩擦力，避免锁止失效的问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为第一步工作时作动器下部结构示意图
图3为第一步工作时作动器上部结构示意图
图4为第二步工作时作动器下部结构示意图
图5为第二步工作时作动器上部结构示意图
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器，包括由两个截面为直角梯形的梯形块且斜边相对布置组成的左钳位机构1，由两个截面为直角梯形的梯形块且斜边相对布置组成的右钳位机构2，布置在左钳位机构1梯形块间下部的左楔形块11，布置在左楔形块11上部的左移动部件9，布置在右钳位机构2梯形块间下部的右楔形块12，布置在右楔形块12上部的右移动部件10，固定在左楔形块11和右楔形块12间的下作动环7，下作动环7左侧与左楔形块11的短端固连，右侧与右楔形块12的长端固连，固定在左移动部件9和右移动部件10间的上作动环8，上压电堆6和下压电堆5分别通过过盈配合安装在上作动环8和下作动环7中，安装有预压弹簧并固定在底板13上的左刚性固定板3和右刚性固定板4分别设置在左钳位机构1和右钳位机构2的两侧，且预压弹簧顶住左钳位机构1和右钳位机构2；所述左钳位机构1的梯形块斜边表面布有细齿，左移动部件9与左钳位机构1接触的表面也布有细齿，同样，右钳位机构2的梯形块斜边表面布有细齿，右移动部件10与右钳位机构2接触的表面也布有细齿，通过细齿互相咬合来达到提高等效最大静摩擦力的目的。
在准备工作中，下压电堆5上要有一定的预置电压，为的是下压电堆5在之后的工作中可以通过加减电压来实现压缩和伸长。而后通过左刚性固定板3和右刚性固定板4上安装的预压弹簧令左右两侧的左钳位机构1和右钳位机构2分别夹住左移动部件9和右移动部件10。
具体作动方法如下：
第一步：如图2所示，给下作动环7中的下压电堆5在预置电压的基础上再加上驱动电压，下压电堆5伸长，推动左楔形块11和右楔形块12分别向左右运动，当左楔形块11向左运动后，左楔形块11与左钳位机构1之间出现空隙，在预压弹簧的作用下左钳位机构1通过左刚性固定板3的导向将左移动部件9锁住，此时左侧为锁止状态；而右楔形块12将右钳位机构2撑开，右移动部件10不再与右钳位机构2接触，此时右侧为解锁状态；给上作动环8中的上压电堆6施加一定的驱动电压，如图3所示，上压电堆6伸长，左侧与上作动环8固连的左移动部件9处于锁止状态因此无法移动，同时使处于解锁状态的右移动部件10向前前进一个齿的长度。
第二步：如图4所示，下作动环7中的下压电堆5卸掉附加的驱动电压，将其恢复到预置电压值，下压电堆5收缩，右楔形块12向左运动，右楔形块12与右钳位机构2之间出现空隙，在预压弹簧的作用下右钳位机构2将会把右移动部件10钳死，此时右移动部件10处于锁止状态；左楔形块11向右运动，将左钳位机构1撑开，此时左移动部件9与左钳位机构1不再接触，处于解锁状态；卸掉上作动环8中的上压电堆6的驱动电压，如图5所示，上压电堆6收缩，由于右移动部件10处于锁止状态无法移动，此时左移动部件9在上作动环8的带动下向右移动一个齿的位移，这样在一个工作周期内整个作动器就完成了一个齿的位移。
通过重复上述步骤，作动器能够实现大行程作动；如果需要完成反向的位移，则只需要在原来预置电压的基础上加上反向的驱动电压即可，其工作过程相同。

Claims (2)

1.采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器，其特征在于：包括由两个截面为直角梯形的梯形块且斜边相对布置组成的左钳位机构(1)，由两个截面为直角梯形的梯形块且斜边相对布置组成的右钳位机构(2)，布置在左钳位机构(1)梯形块间下部的左楔形块(11)，布置在左楔形块(11)上部的左移动部件(9)，布置在右钳位机构(2)梯形块间下部的右楔形块(12)，布置在右楔形块(12)上部的右移动部件(10)，固定在左楔形块(11)和右楔形块(12)间的下作动环(7)，下作动环(7)左侧与左楔形块(11)的短端固连，右侧与右楔形块(12)的长端固连，固定在左移动部件(9)和右移动部件(10)间的上作动环(8)，上压电堆(6)和下压电堆(5)分别通过过盈配合安装在上作动环(8)和下作动环(7)中，安装有预压弹簧并固定的左刚性固定板(3)和右刚性固定板(4)分别设置在左钳位机构(1)和右钳位机构(2)的两侧，且预压弹簧顶住左钳位机构(1)和右钳位机构(2)；所述左钳位机构(1)的梯形块斜边表面布有细齿，左移动部件(9)与左钳位机构(1)接触的表面也布有细齿，同样，右钳位机构(2)的梯形块斜边表面布有细齿，右移动部件(10)与右钳位机构(2)接触的表面也布有细齿，通过细齿互相咬合来达到提高等效最大静摩擦力的目的。
2.权利要求1所述采用楔形锁止机构的双压电堆驱动步进作动器的作动方法，其特征在于：
第一步：给下作动环(7)中的下压电堆(5)在预置电压的基础上再加上驱动电压，下压电堆(5)伸长，推动左楔形块(11)和右楔形块(12)分别向左右运动，当左楔形块(11)向左运动后，左楔形块(11)与左钳位机构(1)之间出现空隙，在预压弹簧的作用下左钳位机构(1)通过左刚性固定板(3)的导向将左移动部件(9)锁住，此时左侧为锁止状态；而右楔形块(12)将右钳位机构(2)撑开，右移动部件(10)不再与右钳位机构(2)接触，此时右侧为解锁状态；给上作动环(8)中的上压电堆(6)施加一定的驱动电压，上压电堆(6)伸长，左侧与上作动环(8)固连的左移动部件(9)处于锁止状态因此无法移动，同时使处于解锁状态的右移动部件(10)向前前进一个齿的长度；
第二步：下作动环(7)中的下压电堆(5)卸掉附加的驱动电压，将其恢复到预置电压值，下压电堆(5)收缩，右楔形块(12)向左运动，右楔形块(12)与右钳位机构(2)之间出现空隙，在预压弹簧的作用下右钳位机构(2)将会把右移动部件(10)钳死，此时右移动部件(10)处于锁止状态；左楔形块(11)向右运动，将左钳位机构(1)撑开，此时左移动部件(9)与左钳位机构(1)不再接触，处于解锁状态；卸掉上作动环(8)中的上压电堆(6)的驱动电压，上压电堆(6)收缩，由于右移动部件(10)处于锁止状态无法移动，此时左移动部件(9)在上作动环(8)的带动下向右移动一个齿的位移，这样在一个工作周期内整个作动器就完成了一个齿的位移；
通过重复上述步骤，作动器能够实现大行程作动；如果需要完成反向的位移，则只需要在原来预置电压的基础上加上反向的驱动电压即可，其工作过程相同。
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