CN105811801A - 含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器及作动方法 - Google Patents
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Abstract
含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器及作动方法，该作动器由端盖、外壳、压簧、楔形半环、压电环、菱形驱动机构、驱动压电堆及输出杆组成；作动器外壳内对称设有左、右钳位机构，左钳位机构中有一端压紧于端盖内侧处于压缩状态的压簧，压簧另一端与两个相对布置的楔形半环大端面紧密接触，两个楔形半环倾斜外表面与外壳倾斜内表面紧密接触，压电环一侧与楔形半环小端面接触，另一侧固定于外壳内的凸台表面；右钳位机构结构同左钳位机构；驱动机构设置于左、右钳位机构间，其菱形驱动机构内过盈配合有驱动压电堆，驱动机构左、右两端分别连接有输出杆；本发明作动器具有结构简单，装配便捷，磨损容限大，断电锁止，钳位可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于步进式压电作动器技术领域，具体涉及一种含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器及作动方法。
背景技术
压电驱动的工作原理是基于压电具有的逆压电效应,其具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、无噪声、无电磁干扰、低电压驱动及易于微型化的优点。压电作动器在航空航天技术、光学、自适应智能结构、主动振动抑制、超精密微细加工等诸多关键科技领域具有广泛的应用背景。
步进式压电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。但以往步进式作动器所采用的爬行方式要求三个相互配合的压电元件一同移动，因此在高频驱动条件下其结构较为笨重，无法以更高的频率驱动，从而限制了作动器位移输出的速率。
此外对于传统的利用静摩擦力驱动的主动箝位型步进驱动器，摩擦力由法向力和摩擦系数决定,而摩擦表面之间非常小的间隙要求,受环境,如热膨胀、污染、腐蚀和磨损的影响严重，往往不能长时间工作。
最后，以往的步进式压电作动器多采用通电钳位的方式，而在要求系统在断电情况下仍能保持输出位移应用场合中，以往的作动器无法完成此类任务。
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含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器及作动方法，在高频驱动条件下，只有一个压电元件随输出位移一同移动，其它两个压电元件保持不动并提供断电钳位和通电解锁的功能；此作动器结构简单、装配便捷，磨损容限大，可双向大位移作动。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器，包括外壳1，分别固定在外壳1内部左端和右端的左钳位机构2和右钳位机构3；所述左钳位机构2中有左压簧7，左压簧7呈压缩状态，一端紧压于左端盖13内侧，另一端与两个相对布置的左楔形半环8大端面紧密接触，两个左楔形半环8视为由一个内径与输出杆6相同的整体楔形环从中间沿平行于直径的两条对称直线切开得到，两个左楔形半环8倾斜外表面与外壳1倾斜内表面紧密接触，外壳1倾斜内表面长度比两个左楔形半环8倾斜外表面轴向长度长，左压电环9一侧与两个左楔形半环8小端面接触，另一侧固接于外壳1内的凸台表面，左压电环9内环直径略大于输出杆6直径；所述右钳位机构3的结构同左钳位机构2，其中有右压簧12，右压簧12呈压缩状态，一端紧压于右端盖14内侧，另一端与两个相对布置的右楔形半环11大端面紧密接触，两个右楔形半环11视为由一个内径与输出杆6相同的整体楔形环从中间沿平行于直径的两条对称直线切开得到，两个右楔形半环11倾斜外表面与外壳1倾斜内表面紧密接触，外壳1倾斜内表面长度比两个右楔形半环11倾斜外表面轴向长度长，右压电环10一侧与两个右楔形半环11小端面接触，另一侧固接于外壳1内的凸台表面，右压电环10内环直径略大于输出杆6直径；还包括设置在外壳1内的菱形驱动机构4，所述菱形驱动机构4内采用过盈配合设置有驱动压电堆5，以给驱动压电堆5提供预紧力，菱形驱动机构4的左右两端分别连接有输出杆6，所述输出杆6的另一端分别穿过左钳位机构2和右钳位机构3的内部。
所述左钳位机构2和右钳位机构3中的两个左楔形半环8和两个右楔形半环11分别受左压簧7和右压簧12压力时，其内表面与输出杆6贴合且接触面粗糙，在钳位状态，静摩擦力大。
所述左压簧7和左楔形半环8间接触表面及左楔形半环8和左压电环9间的接触表面需进行光滑处理，所述右压簧12和右楔形半环11间接触表面及右楔形半环11和右压电环10间的接触表面需进行光滑处理，用以减小上述接触面间的磨损。
所述菱形驱动机构4的刚度能够通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。
含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器驱动负载的方法，所述左钳位机构2中有呈压缩状态的左压簧7，当左压电环9掉电时，左压簧7向两个左楔形半环8施加压力，，两个左楔形半环8受压后，其倾斜外表面与外壳1的倾斜内表面贴合并受到挤压，进而使两者内表面与输出杆6紧密接触，产生足够大的静摩擦力，输出杆6处于断电锁止的钳位状态；当左压电环9加电伸长时，左压电环9施加给两个左楔形半环8的推力抵消左压簧7对两者的压力，并且使两个左楔形半环8被推离外壳1的倾斜内表面，两个左楔形半环8内表面与输出杆6接触不再紧密，输出杆6处于解锁状态；驱动压电堆5加电伸长时，推动输出杆6驱动负载，此时输出推力，同时菱形驱动机构4产生弹性变形；当驱动压电堆5掉电回缩时，菱形机构4回弹拉动输出杆6驱动负载，此时输出拉力；所述右钳位机构3的驱动方法同左钳位机构2。
上述所述的驱动负载的方法，具体为：初始状态为左压电环9、右压电环10及驱动压电堆5均处于掉电状态，此时输出杆6处于钳位状态；为使输出杆6输出向左的拉力，第一步，左压电环9通电伸长使得左钳位机构2解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长，菱形驱动机构4产生弹性变形；第三步，左压电环9掉电回缩使得左钳位机构2钳位；第四步，右压电环10通电伸长使得右钳位机构3解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，菱形驱动机构4弹性变形恢复，其恢复力拉动输出杆6向左运动一步长；第六步，右压电环10掉电回缩使得右钳位机构3钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆6以步进方式向左运动驱动负载；为使输出杆6向右运动输出推力，第一步，右压电环10通电伸长使得右钳位机构3解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长向右推动输出杆6驱动负载向右运动一步长，同时菱形驱动机构4产生弹性变形；第三步，右压电环10掉电回缩使得右钳位机构3钳位；第四步，左压电环9通电伸长使得左钳位机构2解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，菱形驱动机构4弹性变形恢复，其恢复力使输出杆6向右跟进一步长；第六步，左压电环9掉电回缩使得左钳位机构2钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆6以步进方式向右运动驱动负载。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明在输出位移时，仅有一个驱动压电堆5随输出位移一同移动，在步进过程中不必带动左钳位机构2和右钳位机构3一同移动，因此能以更高的步进频率驱动作动器以提高输出速率。
2)本发明具有断电钳位功能。左钳位机构2、右钳位机构3在左压电环9、右压电环10通电伸长时解锁，而在左压电环9、右压电环10断电回缩时钳位。改变了一般尺蠖式作动器通电钳位而断电解锁的现状。断电钳位功能是一般工程应用中常见的需求。
3)本发明在合理设计外壳1内部分别与左楔形半环8和右楔形半环11接触的表面时，即在该表面与相应楔形半环倾斜外表面角度相同，但轴向长度略长，留有余量的情况下。当左钳位机构2、右钳位机构3在钳位状态时，左楔形半环8和右楔形半环11可以在一定范围内自动补偿表面磨损，钳位可靠。
4)本发明左钳位机构2、右钳位机构3及驱动机构均布置于外壳1、左端盖13及右端盖14内部，该设计可实现对内部机构的保护作用，并且装配简单，便于拆卸。
附图说明
图1为本发明结构立体剖视图。
图2为本发明立体结构图。
图3为本发明侧视剖视图。
具体实施方式
以下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、图2和图3所示，本发明含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器，包括外壳1，分别固定在外壳1内部左端和右端的左钳位机构2和右钳位机构3；所述左钳位机构2中有左压簧7，左压簧7呈压缩状态，一端紧压于左端盖13内侧，另一端与两个相对布置的左楔形半环8大端面紧密接触，两个左楔形半环8可视为由一个内径与输出杆6相同的整体楔形环从中间沿平行于直径的两条对称直线切开得到，两个左楔形半环8倾斜外表面与外壳1倾斜内表面紧密接触，外壳1倾斜内表面长度比两个左楔形半环8倾斜外表面轴向长度长，左压电环9一侧与两个左楔形半环8小端面接触，另一侧固接于外壳1内的凸台表面，左压电环9内环直径略大于输出杆6直径；所述右钳位机构3的结构同左钳位机构2，其中有右压簧12，右压簧12呈压缩状态，一端紧压于右端盖14内侧，另一端与两个相对布置的右楔形半环11大端面紧密接触，两个右楔形半环11可视为由一个内径与输出杆6相同的整体楔形环从中间沿平行于直径的两条对称直线切开得到，两个右楔形半环11倾斜外表面与外壳1倾斜内表面紧密接触，外壳1倾斜内表面长度比两个右楔形半环11倾斜外表面轴向长度长，右压电环10一侧与两个右楔形半环11小端面接触，另一侧固接于外壳1内的凸台表面，右压电环10内环直径略大于输出杆6直径；还包括菱形驱动机构4，所述菱形驱动机构4内采用过盈配合设置有驱动压电堆5，以给驱动压电堆5提供预紧力，菱形驱动机构4的左右两端分别连接有输出杆6，所述输出杆6的另一端分别穿过左钳位机构2和右钳位机构3的内部。
作为本发明的优选实施方式，所述左钳位机构2和右钳位机构3中的两个左楔形半环8和两个右楔形半环11分别受左压簧7和右压簧12压力时，其内表面与输出杆6贴合且接触面粗糙，在钳位状态，静摩擦力大。
作为本发明的优选实施方式，所述左压簧7和左楔形半环8间接触表面及左楔形半环8和左压电环9间的接触表面需进行光滑处理，所述右压簧12和右楔形半环11间接触表面及右楔形半环11和右压电环10间的接触表面需进行光滑处理，用以减小上述接触面间的磨损。
作为本发明的优选实施方式，所述菱形驱动机构4的刚度能够通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。
如图1所示，含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器驱动负载的方法，所述左钳位机构2中有呈压缩状态的左压簧7，当左压电环9掉电时，左压簧7向两个左楔形半环8施加压力，，两个左楔形半环8受压后，其倾斜外表面与外壳1的倾斜内表面贴合并受到挤压，进而使两者内表面与输出杆6紧密接触，产生足够大的静摩擦力，输出杆6处于断电锁止的钳位状态；当左压电环9加电伸长时，左压电环9施加给两个左楔形半环8的推力抵消左压簧7对两者的压力，并且使两个左楔形半环8被推离外壳1的倾斜内表面，两个左楔形半环8内表面与输出杆6接触不再紧密，输出杆6处于解锁状态；驱动压电堆5加电伸长时，推动输出杆6驱动负载，此时输出推力，同时菱形驱动机构4产生弹性变形；当驱动压电堆5掉电回缩时，菱形机构4回弹拉动输出杆6驱动负载，此时输出拉力；所述右钳位机构3的驱动方法同左钳位机构2。
下面对本发明的驱动负载的方法进行详细说明：
初始状态为左压电环9、右压电环10及驱动压电堆5均处于掉电状态，此时输出杆6处于钳位状态；为使输出杆6输出向左的拉力，第一步，左压电环9通电伸长使得左钳位机构2解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长，菱形驱动机构4产生弹性变形；第三步，左压电环9掉电回缩使得左钳位机构2钳位；第四步，右压电环10通电伸长使得右钳位机构3解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，菱形驱动机构4弹性变形恢复，其恢复力拉动输出杆6向左运动一步长；第六步，右压电环10掉电回缩使得右钳位机构3钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆6以步进方式向左运动驱动负载；为使输出杆6向右运动输出推力，第一步，右压电环10通电伸长使得右钳位机构3解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长向右推动输出杆6驱动负载向右运动一步长，同时菱形驱动机构4产生弹性变形；第三步，右压电环10掉电回缩使得右钳位机构3钳位；第四步，左压电环9通电伸长使得左钳位机构2解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，菱形驱动机构4弹性变形恢复，其恢复力使输出杆6向右跟进一步长；第六步，左压电环9掉电回缩使得左钳位机构2钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆6以步进方式向右运动驱动负载。
Claims (6)
1.一种含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器，其特征在于：包括外壳(1)、分别固定在外壳(1)内部左端和右端的左钳位机构(2)和右钳位机构(3)；所述左钳位机构(2)中有左压簧(7)，左压簧(7)呈压缩状态，一端紧压于左端盖(13)内侧，另一端与两个相对布置的左楔形半环(8)大端面紧密接触，两个左楔形半环(8)视为由一个内径与输出杆(6)相同的整体楔形环从中间沿平行于直径的两条对称直线切开得到，两个左楔形半环(8)倾斜外表面与外壳(1)倾斜内表面紧密接触，外壳(1)倾斜内表面长度比两个左楔形半环(8)倾斜外表面轴向长度长，左压电环(9)一侧与两个左楔形半环(8)小端面接触，另一侧固接于外壳(1)内的凸台表面，左压电环(9)内环直径略大于输出杆(6)直径；所述右钳位机构(3)的结构同左钳位机构(2)，其中有右压簧(12)，右压簧(12)呈压缩状态，一端紧压于右端盖(14)内侧，另一端与两个相对布置的右楔形半环(11)大端面紧密接触，两个右楔形半环(11)视为由一个内径与输出杆(6)相同的整体楔形环从中间沿平行于直径的两条对称直线切开得到，两个右楔形半环(11)倾斜外表面与外壳(1)倾斜内表面紧密接触，外壳(1)倾斜内表面长度比两个右楔形半环(11)倾斜外表面轴向长度长，右压电环(10)一侧与两个右楔形半环(11)小端面接触，另一侧固接于外壳(1)内的凸台表面，右压电环(10)内环直径略大于输出杆(6)直径；还包括设置在外壳(1)内的菱形驱动机构(4)，所述菱形驱动机构(4)内采用过盈配合设置有驱动压电堆(5)，以给驱动压电堆(5)提供预紧力，菱形驱动机构(4)的左右两端分别连接有输出杆(6)，所述输出杆(6)的另一端分别穿过左钳位机构(2)和右钳位机构(3)的内部。
2.根据权利要求1所述含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器，其特征在于：所述左钳位机构(2)和右钳位机构(3)中的两个左楔形半环(8)和两个右楔形半环(11)分别受左压簧(7)和右压簧(12)压力时，两者内表面与输出杆(6)贴合且接触面粗糙，在钳位状态，静摩擦力大。
3.根据权利要求1所述含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器，其特征在于：所述左压簧(7)和左楔形半环(8)间接触表面及左楔形半环(8)和左压电环(9)间的接触表面均进行光滑处理，所述右压簧(12)和右楔形半环(11)间接触表面及右楔形半环(11)和右压电环(10)间的接触表面均进行光滑处理，用以减小接触面间的磨损。
4.根据权利要求1所述含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器，其特征在于：所述菱形驱动机构(4)的刚度能够通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。
5.权利要求1至4任一项所述的含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器驱动负载的方法，其特征在于：所述左钳位机构(2)中有呈压缩状态的左压簧(7)，当左压电环(9)掉电时，左压簧(7)向两个左楔形半环(8)施加压力，使两个左楔形半环(8)倾斜外表面与外壳(1)倾斜内表面贴合并受到挤压，进而使两个左楔形半环(8)内表面与输出杆(6)紧密接触产生足够大的静摩擦力，输出杆(6)处于断电锁止的钳位状态；当左压电环(9)加电伸长时，左压电环(9)施加给两个左楔形半环(8)的推力抵消左压簧(7)对两者的压力，并且使两个左楔形半环(8)被左压电环(9)推离外壳(1)倾斜内表面，两个左楔形半环(8)内表面与输出杆(6)接触不再紧密，输出杆(6)处于解锁状态；驱动压电堆(5)加电伸长时，推动输出杆(6)驱动负载，此时输出推力，同时菱形驱动机构(4)产生弹性变形；当驱动压电堆(5)掉电回缩时，菱形机构(4)回弹拉动输出杆(6)驱动负载，此时输出拉力；所述右钳位机构(3)的驱动方法同左钳位机构(2)。
6.根据权利要求5所述的驱动负载的方法，其特征在于：具体为：初始状态为左压电环(9)、右压电环(10)及驱动压电堆(5)均处于掉电状态，此时输出杆(6)处于钳位状态；为使输出杆(6)输出向左的拉力，第一步，左压电环(9)通电伸长使得左钳位机构(2)解锁；第二步，驱动压电堆(5)通电伸长，菱形驱动机构(4)产生弹性变形；第三步，左压电环(9)掉电回缩使得左钳位机构(2)钳位；第四步，右压电环(10)通电伸长使得右钳位机构(3)解锁；第五步，驱动压电堆(5)掉电回缩，菱形驱动机构(4)弹性变形恢复，其恢复力拉动输出杆(6)向左运动一步长；第六步，右压电环(10)掉电回缩使得右钳位机构(3)钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆(6)以步进方式向左运动驱动负载；为使输出杆(6)向右运动输出推力，第一步，右压电环(10)通电伸长使得右钳位机构(3)解锁；第二步，驱动压电堆(5)通电伸长向右推动输出杆(6)驱动负载向右运动一步长，同时菱形驱动机构(4)产生弹性变形；第三步，右压电环(10)掉电回缩使得右钳位机构(3)钳位；第四步，左压电环(9)通电伸长使得左钳位机构(2)解锁；第五步，驱动压电堆(5)掉电回缩，菱形驱动机构(4)弹性变形恢复，其恢复力使输出杆(6)向右跟进一步长；第六步，左压电环(9)掉电回缩使得左钳位机构(2)钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆(6)以步进方式向右运动驱动负载。
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