CN105305877A - 采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器及方法 - Google Patents

Abstract

采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器及方法，该作动器包括驱动机构，连接在驱动机构两端的第一丝杠和第二丝杠，分别套接在第一丝杠和第二丝杠上的第一丝杠螺母和第二丝杠螺母，分别设置在第一丝杠螺母和第二丝杠螺母外端用于固定第一丝杠螺母和第二丝杠螺母轴向位置并对其进行径向箝位以使其在被箝位时不进行旋转的第一轴向限位—径向箝位机构和第二轴向限位—径向箝位机构，固定在第一轴向限位—径向箝位机构和第二轴向限位—径向箝位机构间的限位机构，限位机构的中部与驱动机构相连接，以使驱动机构不产生旋转；本发明还公开了作动方法；该作动器输出力大，可实现断电箝位，同时具有结构紧凑，体积小，重量轻的特点。

Description

采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器及方法

技术领域

本发明涉及一种压电作动器，具体涉及一种轴向限位—径向箝位机构的大输出力尺蠖式压电作动器及方法。

背景技术

尺蠖式作动器通过协调控制箝位机构和驱动机构以实现类似于尺蠖爬行的步进。由于具有较长的行程，同时兼具较高的位移输出分辨率因此广泛应用于微电子技术、生物工程、航天工程等领域。典型的尺蠖式(inchworm)压电驱动器(即蠕动式压电驱动器)，一般由两个箝位机构和中间驱动机构组成，且都会采用压电叠堆元件，在通电的情况下压电叠堆均匀伸长，不通电的情况下保持原来长度。在运动过程中，两箝位机构与驱动机构相配合，通过对压电堆通电时序的调整，箝位机构不断的进行位置锁定及松脱，驱动机构不断的伸长及恢复原状，从而使作动器产生类似与尺蠖的运动，从而对外输出位移。但是由于箝位机构需要通过施加正压力从而产生摩擦力以进行位置锁定，因此目前尺蠖式作动器的输出力一般较小。因此有必要设计一种具备大输出力的尺蠖式压电作动器。

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轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器及方法，该作动器输出力大，可实现断电箝位，同时具有结构紧凑，体积小，重量轻的特点。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器，包括驱动机构3，连接在驱动机构3两端的第一丝杠7和第二丝杠8，分别套接在第一丝杠7和第二丝杠8上的第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6，分别设置在第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6外端用于固定第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6轴向位置并对其进行径向箝位以使其在被箝位时不进行旋转的第一轴向限位—径向箝位机构1和第二轴向限位—径向箝位机构2，固定在第一轴向限位—径向箝位机构1和第二轴向限位—径向箝位机构2间的限位机构4，限位机构4的中部与驱动机构3相连接，以使驱动机构3不产生旋转。

所述驱动机构3包括外部约束结构10以及设置在外部约束结构10内的驱动压电堆叠9。

所述第一轴向限位—径向箝位机构1包括第一径向箝位机构14，嵌套在第一径向箝位机构14中部的第一连接件12以及设置第一径向箝位机构14上、第一连接件12外周圈的第一轴向限位结构11，安装于第一轴向限位结构11和第一连接件12之间的第一深沟球轴承13；第一深沟球轴承13的轴承外圈固定于第一轴向限位结构11与第一径向箝位机构14之间，第一深沟球轴承13的轴承内圈固定于第一锁紧螺母15与第一连接件12之间；所述第一连接件12通过第一螺栓组16固定于第一丝杠螺母5；所述第一径向箝位机构14内安装有第一箝位压电堆叠17；所述第二轴向限位—径向箝位机构2的结构同第一轴向限位—径向箝位机构1；包括第二径向箝位机构21，嵌套在第二径向箝位机构21中部的第二连接件19以及设置第二径向箝位机构21上、第二连接件19外周圈的第二轴向限位结构18，安装于第二轴向限位结构18和第二连接件19之间的第二深沟球轴承20；第二深沟球轴承20的轴承外圈固定于第二轴向限位结构18与第二径向箝位机构21之间，第二深沟球轴承20的轴承内圈固定于第二锁紧螺母22与第二连接件19之间；所述第二连接件19通过第二螺栓组23固定于第二丝杠螺母6；所述第二径向箝位机构21内安装有第二箝位压电堆叠24。

所述第一径向箝位机构14包括放置第一连接件12的中心圆形箝位面25，分布于中心圆形箝位面25四周的第一簧片26、第二簧片27、第三簧片28、第四簧片29以及分布于中心圆形箝位面25两侧的第一箝位压电堆叠17；断电时，第一箝位压电堆叠17保持原长，中心圆形箝位面25对第一连接件12施加正压力，使第一连接件12保持径向位置锁定，从而使得第一连接件12及第一丝杠螺母5失去旋转自由度；通电后，第一箝位压电堆叠17伸长，撑开中心圆形箝位面25，从而使其对第一连接件12解除位置锁定，从而使第一连接件12及第一丝杠螺母5能够沿径向自由转动。

所述驱动机构3的限位机构4包括滑轨30及安装于滑轨30上的滑块31，还包括支撑-调节机构32，支撑-调节机构32一端固定于滑块31上，另一端固定在驱动机构3上。

所述的采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器的作动方法，第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6的轴向位置始终处于固定状态；在待机状态下，所述驱动压电堆叠9、第一箝位压电堆叠17和第二箝位压电堆叠24均处于断电状态，因此第一轴向限位—径向箝位机构1与第二轴向限位—径向箝位机构2保持径向位移锁定，从而使得第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6不产生转动，所以此时第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6均处于轴向固定-径向箝位状态；又由于驱动机构3无法旋转，因此与驱动机构3相连接的第一丝杠7和第二丝杠8也处于锁止状态；

在工作状态下，完成一次步进运动需要六步：

第一步，第一箝位压电堆叠17通电伸长，撑开中心圆形箝位面25，从而使其对第一连接件12解除位置锁定，从而使第一连接件12及第一丝杠螺母5沿径向自由转动，第一丝杠7因此具有了轴向平动自由度，进入轴向平动自由状态；此时第二箝位压电堆叠24不通电，因此第二连接件19及第二丝杠螺母6处于箝位状态，由于第二丝杠8被固定于驱动机构3，而限位机构4限定了驱动机构3的旋转自由度，因此安装于第二丝杠螺母6的第二丝杆8无法运动，处于锁止状态；同时驱动压电堆叠9也不通电保持原长；

第二步，第一箝位压电堆叠17继续处于通电伸长状态，驱动压电堆叠9通电伸长，推动第一丝杠7向左侧移动一步；此时第二箝位压电堆叠24不通电，因此第二连接件19及第二丝杠螺母6处于箝位状态，第二丝杆8仍处于锁止状态；

第三步，第一箝位压电堆叠17断电恢复原长，从而使中心圆形箝位面25对第一连接件12施加正压力，使第一连接件12及第一丝杠螺母5位置锁定；此时由于第一丝杠7被固定于驱动机构3，而限位机构4限定了驱动机构3的旋转自由度，所以第一丝杠7无法发生旋转，因此安装于第一丝杠螺母5的第一丝杆7也无法运动，进入锁止状态；

第四步，第二箝位压电堆叠17通电伸长，通过与第一步同样的原理作用于第二径向箝位机构21，从而使第二连接件19及第二丝杠螺母6可以沿径向自由转动，因此第二丝杠8具有了轴向平动自由度，进入轴向平动自由状态；

第五步，驱动压电堆叠9断电恢复原长，驱动机构3收缩，拉动第二丝杠8向左运动一步；

第六步，第二箝位压电堆叠24断电恢复原长，从而使第二连接件19及第二丝杠螺母6进入箝位状态，因此安装于第二丝杠螺母6的第二丝杆8也无法运动，进入锁止状态；整个机构在向左移动一步之后又进入锁止状态；

通过重复上述步骤，作动器可实现不断的步进运动。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

本发明利用丝杠副进行尺蠖式压电作动器的箝位：首先通过结构自身限定丝杠的旋转运动以及丝杠螺母的轴向平动。其次通过控制丝杠螺母的旋转运动实现尺蠖式压电作动器的箝位。这样产生的效果是可以用箝位力矩代替箝位正压力进行箝位，通过增加力臂长度就可以增加箝位力矩从而提升作动器的箝位力，从而增加作动器的输出力。同时本发明使用丝杠产生直线位移并作为力输出部件，这样就可以利用利用较小的箝位力矩产生较大的输出力。假设丝杠传动效率为η，箝位正压力N_μ，丝杠导程P，箝位机构直径D,则作动器输出力F为：

$F=N_{\mathrm{\μ}}\frac{2\mathrm{\π}D\mathrm{\η}}{P}$

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为驱动机构3示意图。

图3为第一轴向限位—径向箝位机构示意图。

图4为第一径向箝位机构示意图。

图5为驱动机构示意图。

图6为本发明作动方法示意图。

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，本发明采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器，包括驱动机构3，连接在驱动机构3两端的第一丝杠7和第二丝杠8，分别套接在第一丝杠7和第二丝杠8上的第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6，分别设置在第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6外端用于固定第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6轴向位置(使第一丝杠螺母5及第二丝杠螺母6失去平动自由度)并对其进行径向箝位以使其在被箝位时不进行旋转(失去旋转自由度)的第一轴向限位—径向箝位机构1和第二轴向限位—径向箝位机构2，固定在第一轴向限位—径向箝位机构1和第二轴向限位—径向箝位机构2间的限位机构4，限位机构4的中部与驱动机构3相连接，以使驱动机构3不产生旋转(失去旋转自由度)。

如图2所示，作为本发明的优选实施方式，所述驱动机构3包括外部约束结构10以及设置在外部约束结构10内的驱动压电堆叠9。

如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述第一轴向限位—径向箝位机构1包括第一径向箝位机构14，嵌套在第一径向箝位机构14中部的第一连接件12以及设置第一径向箝位机构14上、第一连接件12外周圈的第一轴向限位结构11，安装于第一轴向限位结构11和第一连接件12之间的第一深沟球轴承13；第一深沟球轴承13的轴承外圈固定于第一轴向限位结构11与第一径向箝位机构14之间，第一深沟球轴承13的轴承内圈固定于第一锁紧螺母15与第一连接件12之间；所述第一连接件12通过第一螺栓组16固定于第一丝杠螺母5；所述第一径向箝位机构14内安装有第一箝位压电堆叠17。

所述第二轴向限位—径向箝位机构2的结构同第一轴向限位—径向箝位机构1；如图6所示，第二轴向限位—径向箝位机构2包括第二径向箝位机构21，嵌套在第二径向箝位机构21中部的第二连接件19以及设置第二径向箝位机构21上、第二连接件19外周圈的第二轴向限位结构18，安装于第二轴向限位结构18和第二连接件19之间的第二深沟球轴承20；第二深沟球轴承20的轴承外圈固定于第二轴向限位结构18与第二径向箝位机构21之间，第二深沟球轴承20的轴承内圈固定于第二锁紧螺母22与第二连接件19之间；所述第二连接件19通过第二螺栓组23固定于第二丝杠螺母6；所述第二径向箝位机构21内安装有第二箝位压电堆叠24。

如图4所示，作为本发明的优选实施方式，所述第一径向箝位机构14包括放置第一连接件12的中心圆形箝位面25，分布于中心圆形箝位面25四周的第一簧片26、第二簧片27、第三簧片28、第四簧片29以及分布于中心圆形箝位面25两侧的第一箝位压电堆叠17；断电时，第一箝位压电堆叠17保持原长，中心圆形箝位面25对第一连接件12施加正压力，使第一连接件12保持径向位置锁定，从而使得第一连接件12及第一丝杠螺母5失去旋转自由度；通电后，第一箝位压电堆叠17伸长，撑开中心圆形箝位面25，从而使其对第一连接件12解除位置锁定，从而使第一连接件12及第一丝杠螺母5能够沿径向自由转动。

如图5所示，作为本发明的优选实施方式，所述驱动机构3的限位机构4包括滑轨30及安装于滑轨30上的滑块31，还包括支撑-调节机构32，支撑-调节机构32一端固定于滑块31上，另一端固定在驱动机构3上。

如图6所示，本发明采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器的作动方法，第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6的轴向位置始终处于固定状态；在待机状态下，所述驱动压电堆叠9、第一箝位压电堆叠17和第二箝位压电堆叠24均处于断电状态，因此第一轴向限位—径向箝位机构1与第二轴向限位—径向箝位机构2保持径向位移锁定，从而使得第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6不产生转动，所以此时第一丝杠螺母5和第二丝杠螺母6均处于轴向固定-径向箝位状态；又由于驱动机构3无法旋转，因此与驱动机构3相连接的第一丝杠7和第二丝杠8也处于锁止状态；

在工作状态下，完成一次步进运动需要六步：

第一步，第一箝位压电堆叠17通电伸长，撑开中心圆形箝位面25，从而使其对第一连接件12解除位置锁定，从而使第一连接件12及第一丝杠螺母5沿径向自由转动，第一丝杠7因此具有了轴向平动自由度，进入轴向平动自由状态；此时第二箝位压电堆叠24不通电，因此第二连接件19及第二丝杠螺母6处于箝位状态，由于第二丝杠8被固定于驱动机构3，而限位机构4限定了驱动机构3的旋转自由度，因此安装于第二丝杠螺母6的第二丝杆8无法运动，处于锁止状态；同时驱动压电堆叠9也不通电保持原长；

第二步，第一箝位压电堆叠17继续处于通电伸长状态，驱动压电堆叠9通电伸长，推动第一丝杠7向左侧移动一步；此时第二箝位压电堆叠24不通电，因此第二连接件19及第二丝杠螺母6处于箝位状态，第二丝杆8仍处于锁止状态；

第三步，第一箝位压电堆叠17断电恢复原长，从而使中心圆形箝位面25对第一连接件12施加正压力，使第一连接件12及第一丝杠螺母5位置锁定；此时由于第一丝杠7被固定于驱动机构3，而限位机构4限定了驱动机构3的旋转自由度，所以第一丝杠7无法发生旋转，因此安装于第一丝杠螺母5的第一丝杆7也无法运动，进入锁止状态；

第四步，第二箝位压电堆叠17通电伸长，通过与第一步同样的原理作用于第二径向箝位机构21，从而使第二连接件19及第二丝杠螺母6可以沿径向自由转动，因此第二丝杠8具有了轴向平动自由度，进入轴向平动自由状态；

第五步，驱动压电堆叠9断电恢复原长，驱动机构3收缩，拉动第二丝杠8向左运动一步；

第六步，第二箝位压电堆叠24断电恢复原长，从而使第二连接件19及第二丝杠螺母6进入箝位状态，因此安装于第二丝杠螺母6的第二丝杆8也无法运动，进入锁止状态；整个机构在向左移动一步之后又进入锁止状态；

通过重复上述步骤，作动器可实现不断的步进运动。

Claims (6)

1.采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器，其特征在于：包括驱动机构(3)，连接在驱动机构(3)两端的第一丝杠(7)和第二丝杠(8)，分别套接在第一丝杠(7)和第二丝杠(8)上的第一丝杠螺母(5)和第二丝杠螺母(6)，分别设置在第一丝杠螺母(5)和第二丝杠螺母(6)外端用于固定第一丝杠螺母(5)和第二丝杠螺母(6)轴向位置并对其进行径向箝位以使其在被箝位时不进行旋转的第一轴向限位—径向箝位机构(1)和第二轴向限位—径向箝位机构(2)，固定在第一轴向限位—径向箝位机构(1)和第二轴向限位—径向箝位机构(2)间的限位机构(4)，限位机构(4)的中部与驱动机构(3)相连接，以使驱动机构(3)不产生旋转。

2.根据权利要求1所述的采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器，其特征在于：所述驱动机构(3)包括外部约束结构(10)以及设置在外部约束结构(10)内的驱动压电堆叠(9)。

3.根据权利要求1所述的采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器，其特征在于：所述第一轴向限位—径向箝位机构(1)包括第一径向箝位机构(14)，嵌套在第一径向箝位机构(14)中部的第一连接件(12)以及设置第一径向箝位机构(14)上、第一连接件(12)外周圈的第一轴向限位结构(11)，安装于第一轴向限位结构(11)和第一连接件(12)之间的第一深沟球轴承(13)；第一深沟球轴承(13)的轴承外圈固定于第一轴向限位结构(11)与第一径向箝位机构(14)之间，第一深沟球轴承(13)的轴承内圈固定于第一锁紧螺母(15)与第一连接件(12)之间；所述第一连接件(12)通过第一螺栓组(16)固定于第一丝杠螺母(5)；所述第一径向箝位机构(14)内安装有第一箝位压电堆叠(17)；所述第二轴向限位—径向箝位机构(2)的结构同第一轴向限位—径向箝位机构(1)，包括第二径向箝位机构(21)，嵌套在第二径向箝位机构(21)中部的第二连接件(19)以及设置第二径向箝位机构(21)上、第二连接件(19)外周圈的第二轴向限位结构(18)，安装于第二轴向限位结构(18)和第二连接件(19)之间的第二深沟球轴承(20)；第二深沟球轴承(20)的轴承外圈固定于第二轴向限位结构(18)与第二径向箝位机构(21)之间，第二深沟球轴承(20)的轴承内圈固定于第二锁紧螺母(22)与第二连接件(19)之间；所述第二连接件(19)通过第二螺栓组(23)固定于第二丝杠螺母(6)；所述第二径向箝位机构(21)内安装有第二箝位压电堆叠(24)。

4.根据权利要求3所述的采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器，其特征在于：所述第一径向箝位机构(14)包括放置第一连接件(12)的中心圆形箝位面(25)，分布于中心圆形箝位面(25)四周的第一簧片(26)、第二簧片(27)、第三簧片(28)、第四簧片(29)以及分布于中心圆形箝位面(25)两侧的第一箝位压电堆叠(17)；断电时，第一箝位压电堆叠(17)保持原长，中心圆形箝位面(25)对第一连接件(12)施加正压力，使第一连接件(12)保持径向位置锁定，从而使得第一连接件(12)及第一丝杠螺母(5)失去旋转自由度；通电后，第一箝位压电堆叠(17)伸长，撑开中心圆形箝位面(25)，从而使其对第一连接件(12)解除位置锁定，从而使第一连接件(12)及第一丝杠螺母(5)能够沿径向自由转动。

5.根据权利要求1所述的采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器，其特征在于：所述驱动机构(3)的限位机构(4)包括滑轨(30)及安装于滑轨(30)上的滑块(31)，还包括支撑-调节机构(32)，支撑-调节机构(32)一端固定于滑块(31)上，另一端固定在驱动机构(3)上。

6.权利要求1至5任一项所述的采用轴向限位—径向箝位机构的尺蠖式压电作动器的作动方法，其特征在于：第一丝杠螺母(5)和第二丝杠螺母(6)的轴向位置始终处于固定状态；在待机状态下，所述驱动压电堆叠(9)、第一箝位压电堆叠(17)和第二箝位压电堆叠(24)均处于断电状态，因此第一轴向限位—径向箝位机构(1)与第二轴向限位—径向箝位机构(2)保持径向位移锁定，从而使得第一丝杠螺母(5)和第二丝杠螺母(6)不产生转动，所以此时第一丝杠螺母(5)和第二丝杠螺母(6)均处于轴向固定-径向箝位状态；又由于驱动机构(3)无法旋转，因此与驱动机构(3)相连接的第一丝杠(7)和第二丝杠(8)也处于锁止状态；

在工作状态下，完成一次步进运动需要六步：

第一步，第一箝位压电堆叠(17)通电伸长，撑开中心圆形箝位面(25)，从而使其对第一连接件(12)解除位置锁定，从而使第一连接件(12)及第一丝杠螺母(5)沿径向自由转动，第一丝杠(7)因此具有了轴向平动自由度，进入轴向平动自由状态；此时第二箝位压电堆叠(24)不通电，因此第二连接件(19)及第二丝杠螺母(6)处于箝位状态，由于第二丝杠(8)被固定于驱动机构(3)，而限位机构(4)限定了驱动机构(3)的旋转自由度，因此安装于第二丝杠螺母(6)的第二丝杆(8)无法运动，处于锁止状态；同时驱动压电堆叠(9)也不通电保持原长；

第二步，第一箝位压电堆叠(17)继续处于通电伸长状态，驱动压电堆叠(9)通电伸长，推动第一丝杠(7)向左侧移动一步；此时第二箝位压电堆叠(24)不通电，因此第二连接件(19)及第二丝杠螺母(6)处于箝位状态，第二丝杆(8)仍处于锁止状态；

第三步，第一箝位压电堆叠(17)断电恢复原长，从而使中心圆形箝位面(25)对第一连接件(12)施加正压力，使第一连接件(12)及第一丝杠螺母(5)位置锁定；此时由于第一丝杠(7)被固定于驱动机构(3)，而限位机构(4)限定了驱动机构(3)的旋转自由度，所以第一丝杠(7)无法发生旋转，因此安装于第一丝杠螺母(5)的第一丝杆(7)也无法运动，进入锁止状态；

第四步，第二箝位压电堆叠(17)通电伸长，通过与第一步同样的原理作用于第二径向箝位机构(21)，从而使第二连接件(19)及第二丝杠螺母(6)可以沿径向自由转动，因此第二丝杠(8)具有了轴向平动自由度，进入轴向平动自由状态；

第五步，驱动压电堆叠(9)断电恢复原长，驱动机构(3)收缩，拉动第二丝杠(8)向左运动一步；

第六步，第二箝位压电堆叠(24)断电恢复原长，从而使第二连接件(19)及第二丝杠螺母(6)进入箝位状态，因此安装于第二丝杠螺母(6)的第二丝杆(8)也无法运动，进入锁止状态；整个机构在向左移动一步之后又进入锁止状态；

通过重复上述步骤，作动器可实现不断的步进运动。