CN105375811A - 基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器及方法，该作动器包括菱形约束机构，安装于其内的压电堆，菱形约束机构的两端分别连接有左右丝杆，左右丝杠上分别带有左右承载螺母；左右承载螺母分别置于外壳的左右限位槽中并存留一定间隙，左承载螺母同左驱动齿轮通过齿轮相互啮合，右承载螺母同右驱动齿轮通过齿轮相互啮合，左右驱动齿轮分别连接于左右驱动电机的输出轴上；作动器的输出杆连接于左丝杆的左端以实现输出双向推拉力功能；本发明还公开了该作动器的作动方法；作动器钳位机构采用梯型丝杆自锁使得输出力大幅度提升且可靠性高不会打滑，同时压电堆安装于菱形约束机构中从而能完成双向位移及力输出的功能。
Description
技术领域
本发明属于步进式压电作动器技术领域，具体涉及一种基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器及方法。
背景技术
压电作动器在航天、航空、医疗等领域有着极为广泛的应用。其中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、高分辨率的精密步进运动。但以往步进式压电作动器存在以下三项缺点：第一，步进式压电动作动器的输出力大小主要取决于钳位机构的钳位力大小，而传统步进式压电作动器的钳位功能均基于材料间摩擦来实现，并大多以提高正压力的途径提高相应摩擦力，这种方式使得传统步进式压电作动器的输出力难以有量级上的提升且不可靠易打滑；第二，压电堆虽然具有很高的承压能力但无法承受拉载荷，这使得以往步进式压电作动器输出拉力的能力成为一个弱点；第三，压电堆作动行程一般在微米量级，因此以往步进式作动器的机械结构加工精度也要求在微米量级以消除安装间隙从而使作动器有较高的力输出性能，但这给加工制造带来极大的挑战。
发明内容
为了解决以上技术难题，本发明的目的在于提供一种基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器及方法，作动器钳位机构依靠梯型丝杆自锁使得输出力大幅度提升且可靠性高不会打滑，同时压电堆安装于菱形约束机构中从而能完成双向位移及力输出的功能，且此作动器各零件加工精度要求不高，使作动器装配过程非常简单。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器，包括菱形约束机构5，安装于菱形约束机构5内的压电堆4，菱形约束机构5的两端分别连接有左丝杆2和右丝杆7，左丝杆2和右丝杠7上分别带有左承载螺母3和右承载螺母6；左承载螺母3和右承载螺母6的外侧圆周加工有齿轮，左承载螺母3和右承载螺母6分别置于外壳14的左限位槽12和右限位槽13中并存留一定间隙，左承载螺母3同左驱动齿轮11通过齿轮相互啮合，右承载螺母6同右驱动齿轮8通过齿轮相互啮合，左驱动齿轮11与右驱动齿轮8分别连接于左驱动电机10和右驱动电机9的输出轴上；作动器的输出杆1连接于左丝杆2的左端以实现输出双向推拉力功能。
上述所述基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器的作动方法，当输出杆1向左输出推力时，在反作用力下左丝杆2及右丝杆7必然先一同沿丝杠轴向向右运动，使左承载螺母3或右承载螺母6先贴紧于左限位槽12的右承载肩12b或右限位槽13的右承载肩13b以提供向左推力，当左承载螺母3先贴紧左限位槽12的右承载肩12b时，右承载螺母6与右限位槽13的左承载肩13a和右承载肩13b依然存在间隙而处于松弛状态，因此给其施加很小扭矩便可转动右承载螺母6使其沿右丝杆7的轴向运动。此时为使输出杆1继续向左输出推力，第一步，启动右驱动电机9正向旋转，右驱动齿轮8通过齿轮传动转动右承载螺母6使其沿右丝杠7的轴向向右运动，最终贴紧右限位槽13的右承载肩13b后关停右驱动电机9；第二步，压电堆4通电伸长，使菱形约束机构5变形伸长且推动左丝杠2及输出杆1向左运动一小步，而左承载螺母3也被左丝杆2向左带动一小步使其不再贴紧左限位槽12的右承载肩12b而处于松弛状态；第三步，启动左驱动电机10正向旋转，左驱动齿轮11通过齿轮传动转动左承载螺母3使其沿右丝杠2的轴向向右运动，最终贴紧左限位槽12的右承载肩12b后关停左驱动电机10；第四步，压电堆4断电收缩，使菱形约束机构5恢复变形并跟随收缩从而拉动右丝杆7向左运动一小步，而右承载螺母6也被右丝杆7向左带动一小步使其不再贴紧右限位槽13的右承载肩13b而处于松弛状态；重复步骤一到四，由于作动器的钳位机构采用了丝杆自锁原理，因此作动器可以持续向左运动并输出很大的推力；右承载螺母6首先贴紧右限位槽13的右承载肩13b的情况类似；同理：当输出杆1向右输出拉力时，通过上述相应操作步骤，作动器能够持续向右运动并输出很大的拉力。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1、本发明不同于基于材料间摩擦力进行锁止的传统步进式压电作动器，本发明利用丝杆自锁来完成锁止功能，具有极高的可靠性并因此能够输出极大的输出力。
2、本发明的左、右丝杠、螺母及菱形约束机构的配合使用使其具有大推拉力输出功能，且能实现断电自锁功能。
3、本发明结构简单且各零件的加工精度要求不高，使其加工和装配极为简单。
附图说明
图1为本发明作动器结构俯视图。
图2为本发明作动器结构侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明：
如图1和图2所示，本发明一种基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器，包括菱形约束机构5，安装于菱形约束机构5内的压电堆4，菱形约束机构5的两端分别连接有左丝杆2和右丝杆7，左丝杆2和右丝杠7上分别带有左承载螺母3和右承载螺母6；左承载螺母3和右承载螺母6的外侧圆周加工有齿轮，左承载螺母3和右承载螺母6分别置于外壳14的左限位槽12和右限位槽13中并存留一定间隙，左承载螺母3同左驱动齿轮11通过齿轮相互啮合，右承载螺母6同右驱动齿轮8通过齿轮相互啮合，左驱动齿轮11与右驱动齿轮8分别连接于左驱动电机10和右驱动电机9的输出轴上；作动器的输出杆1连接于左丝杆2的左端以实现输出双向推拉力功能。
上述所述基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器的作动方法，如图1和图2所示，当输出杆1向左输出推力时，在反作用力下左丝杆2及右丝杆7必然先一同沿丝杠轴向向右运动，使左承载螺母3或右承载螺母6先贴紧于左限位槽12的右承载肩12b或右限位槽13的右承载肩13b以提供向左推力，以左承载螺母3先贴紧左限位槽12的右承载肩12b为例(右承载螺母6首先贴紧右限位槽13的右承载肩13b的情况类似)，此时右承载螺母6与右限位槽13的左承载肩13a和右承载肩13b依然存在间隙而处于松弛状态，因此给其施加很小扭矩便可转动右承载螺母6使其沿右丝杆7的轴向运动。此时为使输出杆1继续向左输出推力，第一步，启动右驱动电机9正向旋转，右驱动齿轮8通过齿轮传动转动右承载螺母6使其沿右丝杠7的轴向向右运动，最终贴紧右限位槽13的右承载肩13b后关停右驱动电机9；第二步，压电堆4通电伸长，使菱形约束机构5变形伸长且推动左丝杠2及输出杆1向左运动一小步，而左承载螺母3也被左丝杆2向左带动一小步使其不再贴紧左限位槽12的右承载肩12b而处于松弛状态；第三步，启动左驱动电机10正向旋转，左驱动齿轮11通过齿轮传动转动左承载螺母3使其沿右丝杠2的轴向向右运动，最终贴紧左限位槽12的右承载肩12b后关停左驱动电机10；第四步，压电堆4断电收缩，使菱形约束机构5恢复变形并跟随收缩从而拉动右丝杆7向左运动一小步，而右承载螺母6也被右丝杆7向左带动一小步使其不再贴紧右限位槽13的右承载肩13b而处于松弛状态。重复步骤一到四，由于作动器的钳位机构采用了丝杆自锁原理，因此作动器可以持续向左运动并输出很大的推力。当输出杆1向右输出拉力时，在反作用力下左丝杆2及右丝杆7必然先一同沿轴向向左运动，使左承载螺母3或右承载螺母6先贴紧于左限位槽12的左承载肩12a或右限位槽13的左承载肩13a以提供向右拉力，以右承载螺母6先贴紧右限位槽13的左承载肩12a为例(左承载螺母3首先贴紧左限位槽12的左承载肩13a的情况类似)，此时左承载螺母3与左限位槽12的左承载肩12a和右承载肩12b依然存在间隙而处于松弛状态，因此给其施加很小扭矩便可转动左承载螺母3使其沿左丝杆2的轴向运动。此时为使输出杆1继续向右输出拉力，第一步，启动左驱动电机10反向旋转，左驱动齿轮11通过齿轮传动转动左承载螺母3使其沿左丝杠2的轴向向左运动，最终贴紧左限位槽12的左承载肩12a后关停左驱动电机10；第二步，压电堆4通电伸长，使菱形约束机构5变形伸长且推动右丝杠7向右运动一小步，而右承载螺母6也被右丝杆7向右带动一小步使其不再贴紧右限位槽13的左承载肩13a而处于松弛状态；第三步，启动右驱动电机9反向旋转，右驱动齿轮8通过齿轮传动转动右承载螺母6使其沿右丝杠7的轴向向左运动，最终贴紧右限位槽13的左承载肩12a后关停右驱动电机9；第四步，压电堆4断电收缩，使菱形约束机构5的变形恢复，其回弹拉力拉动左丝杆2及输出杆1向左运动一小步，而左承载螺母3也被左丝杆2向左带动一小步使其不再贴紧左限位槽12的左承载肩12a而处于松弛状态。重复步骤一到四，由于作动器的钳位机构采用了丝杆自锁原理，因此作动器可以持续向右运动并输出很大的拉力。
Claims (2)
1.一种基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器，其特征在于：包括菱形约束机构(5)，安装于菱形约束机构(5)内的压电堆(4)，菱形约束机构(5)的两端分别连接有左丝杆(2)和右丝杆(7)，左丝杆(2)和右丝杠(7)上分别带有左承载螺母(3)和右承载螺母(6)；左承载螺母(3)和右承载螺母(6)的外侧圆周加工有齿轮，左承载螺母(3)和右承载螺母(6)分别置于外壳(14)的左限位槽(12)和右限位槽(13)中并存留一定间隙，左承载螺母(3)同左驱动齿轮(11)通过齿轮相互啮合，右承载螺母(6)同右驱动齿轮(8)通过齿轮相互啮合，左驱动齿轮(11)与右驱动齿轮(8)分别连接于左驱动电机(10)和右驱动电机(9)的输出轴上；作动器的输出杆(1)连接于左丝杆(2)的左端以实现输出双向推拉力功能。
2.权利要求1所述基于丝杠自锁的大推拉力步进式压电作动器的作动方法，其特征在于：当输出杆(1)向左输出推力时，在反作用力下左丝杆(2)及右丝杆(7)必然先一同沿丝杠轴向向右运动，使左承载螺母(3)或右承载螺母(6)先贴紧于左限位槽(12)的右承载肩(12b)或右限位槽(13)的右承载肩(13b)以提供向左推力，当左承载螺母(3)先贴紧左限位槽(12)的右承载肩(12b)时，右承载螺母(6)与右限位槽(13)的左承载肩(13a)和右承载肩(13b)依然存在间隙而处于松弛状态，因此给其施加很小扭矩便能够转动右承载螺母(6)使其沿右丝杆(7)的轴向运动；此时为使输出杆(1)继续向左输出推力，第一步，启动右驱动电机(9)正向旋转，右驱动齿轮(8)通过齿轮传动转动右承载螺母(6)使其沿右丝杠(7)的轴向向右运动，最终贴紧右限位槽(13)的右承载肩(13b)后关停右驱动电机(9)；第二步，压电堆(4)通电伸长，使菱形约束机构(5)变形伸长且推动左丝杠(2)及输出杆(1)向左运动一小步，而左承载螺母(3)也被左丝杆(2)向左带动一小步使其不再贴紧左限位槽(12)的右承载肩(12b)而处于松弛状态；第三步，启动左驱动电机(10)正向旋转，左驱动齿轮(11)通过齿轮传动转动左承载螺母(3)使其沿右丝杠(2)的轴向向右运动，最终贴紧左限位槽(12)的右承载肩(12b)后关停左驱动电机(10)；第四步，压电堆(4)断电收缩，使菱形约束机构(5)恢复变形并跟随收缩从而拉动右丝杆(7)向左运动一小步，而右承载螺母(6)也被右丝杆(7)向左带动一小步使其不再贴紧右限位槽(13)的右承载肩(13b)而处于松弛状态；重复步骤一到四，由于作动器的钳位机构采用了丝杆自锁原理，因此作动器能够持续向左运动并输出很大的推力；右承载螺母(6)首先贴紧右限位槽(13)的右承载肩(13b)的情况类似；
同理：当输出杆(1)向右输出拉力时，通过上述相应操作步骤，作动器能够持续向右运动并输出很大的拉力。
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