CN106374773A - 螺杆式压电作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺杆式压电作动器，包括支架(1)、中部设有轴向穿孔(2)的定子套筒(3)、锥套(4)和螺杆(5)；所述定子套筒(3)的一端固定在支架(1)的底端上，定子套筒(3)的另一端与锥套(4)抵紧，所述定子套筒(3)的外圆周面上固定设有压电陶瓷片(9)；支架(1)的顶端上设有轴承(6)，支架(1)的底端设有螺杆穿孔(7)，轴承(6)与锥套(4)之间设有用以将锥套(4)与定子套筒(3)抵紧的弹性件(8)，锥套(4)与螺杆(5)上设有当锥套(4)旋转时带动螺杆(5)旋转的传动结构。采用这种结构后，提供一种在摩擦耦合位置处具有预紧力从而使螺杆的轴向输出力大的螺杆式压电作动器。
Description
技术领域
本发明涉及压电作动器技术领域，具体讲的是一种螺杆式压电作动器。
背景技术
压电作动器是一种区别于传统电机的新型电机，具有结构简单、响应速度快、分辨率高等优点，广泛应用在日常生活和工业发展中。压电作动器一般是利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，压电材料固定在定子基体上，当压电材料接通交变电压时产生机械振动以使定子基体某特定区域的表面质点发生周期性椭圆运动，动子表面与定子基体表面质点接触，在摩擦力的作用下，则定子基体表面质点的周期性椭圆运动能够产生致动效应，通过摩擦耦合将致动效应从定子基体传递给动子，宏观表现为动子可相对定子弹体旋转或运动，从而形成动子的输出力，即动子表面与定子基体表面抵紧形成一个摩擦驱动副。
螺杆式压电作动器将压电材料的超声振动和精密螺旋传动相结合，形成一种超声与螺旋混合直驱进给方式。螺杆式压电作动器一般包括定子基体、驱动螺母和螺杆，所述定子基体设有穿孔，驱动螺母固定在穿孔端部的定子基体上；螺杆设在穿孔内并且螺杆与驱动螺母螺纹连接，定子基体外壁上设有当接通交变电压时产生振动以带动驱动螺母上的螺牙侧面上的质点作椭圆运动的压电陶瓷组。上述结构的螺杆式压电作动器，一方面，由于压电作动器的原理为摩擦耦合方式，螺杆与驱动螺母未设定预紧机构，驱动螺母在驱动螺杆时缺少预紧力而使得摩擦动力较小，另外由于驱动螺母在驱动螺杆时，驱动螺母与螺杆的螺纹连接会产生摩擦阻力，从而表现为轴向输出力较小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种在摩擦耦合位置处具有预紧力从而使螺杆的轴向输出力大的螺杆式压电作动器。
为解决上述技术问题，本发明的螺杆式压电作动器，包括支架、中部设有轴向穿孔的定子套筒、锥套和螺杆；所述定子套筒的一端固定在支架的底端上，定子套筒的另一端与锥套抵紧，所述定子套筒的外圆周面上固定设有当接通交变电压时产生机械振动以带动定子套筒的端部质点作椭圆运动从而驱动锥套作旋转运动的压电陶瓷片；支架的顶端上设有轴承，支架的底端设有螺杆穿孔，螺杆依次穿过螺杆穿孔、轴向穿孔、锥套和轴承设置，轴承与锥套之间设有用以将锥套与定子套筒抵紧的弹性件，锥套与螺杆上设有当锥套旋转时带动螺杆旋转的传动结构。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
由于压电作动器的驱动方式为摩擦耦合方式，通过定子套筒的另一端与锥套贴合处产生的摩擦力进行驱动锥套旋转，当锥套旋转时驱动机构驱动螺杆旋转，之后由螺杆旋转输出轴向力，弹性件将锥套与定子套筒抵紧，弹性件给锥套施加一定的预紧压力，此预紧压力作用在摩擦副表面，从而有效提高摩擦副的摩擦力，进而提高定子套筒对锥套的驱动力；并且，弹性件的另一端与轴承接触，也就是说，当定子套筒驱动锥套时，锥套和弹性件可以随着轴承旋转，而轴承的摩擦系数力，产生的旋转阻力小，从而保证了螺杆式压电作动器具有较大的轴向输出力。另外，并且螺杆穿孔、轴承对螺杆起到导向作用，这样也保证了螺杆的运动方向为轴线方向，提高螺杆式压电作动器的工作稳定性。
优选的，所述传动结构包括滚珠，锥套的内壁面设有环形槽，螺杆外圆周面上设有外螺纹，环形槽与外螺纹的牙槽之间形成容纳滚珠的容纳腔，滚珠位于容纳腔内并且滚珠与牙型面滚动连接。这样，通过滚珠与外螺纹的牙型面滚动配合方式将锥套的旋转运动传递到螺杆上，使螺杆产生旋转而做轴向运动，输出直线位移，滚珠与外螺纹的牙型面滚动配合这种方式由于是滚动摩擦，所以可有效减少锥套的旋转运动传递到螺杆上摩擦阻力，从而为得到轴向输出力大的螺杆式压电作动器做出贡献。
优选的，所述容纳腔内设有润滑油。这样，润滑油的存在可以进一步减少锥套的旋转运动传递到螺杆上摩擦阻力。
优选的，所述螺杆穿孔的内壁面上安装有第二轴承，第二轴承的外圈与螺杆穿孔的内壁面固定，第二轴承的内圈套设在螺杆的外圆周面上。这样，由第二轴承的内圈将螺杆进行周向限位，当螺杆被锥套驱动转动时，螺杆与第二轴承的内圈接触，第二轴承的内圈可以跟着螺杆旋转，从而减少螺杆与其周向限位件的摩擦力，从而可以进一步提高螺杆的轴向输出力。
优选的，所述支架包括底板、挡圈、以及将底板和挡圈锁紧的螺钉和螺母，所述定子套筒的一端固定在底板上，所述轴承安装在挡圈内环上，螺钉穿过底板和挡圈后与螺母连接。这样，通过螺钉与螺母的作用可以调节弹性件给锥套施加的预紧压力，从而可以方便调节至所需的预紧压力。
优选的，所述锥套的外圆周面为圆锥面，对应的，定子套筒与锥套贴合的一端设有与圆锥面对应的锥面，锥套上的圆锥面与定子套筒上的锥面抵紧。这样，锥套的圆锥面与定子套筒的锥面抵紧一方面起到相互限位的作用，使得锥套的旋转更为稳定，从而提高螺杆式压电作动器的工作稳定性。
当然，锥套与定子套筒的连接方式还可以是：所述锥套的外圆周面为圆锥面，定子套筒与锥套贴合的一端设有凸弧圆周面，锥套上的圆锥面与定子套筒上的凸弧圆周面抵紧。这样，凸弧圆周面与圆锥面这种抵紧方式使摩擦副表面呈线接触，可以进一步提高摩擦力，从而提高驱动锥套旋转的驱动力；另一方面也起到了限位作用，使得锥套的旋转更为稳定，从而提高螺杆式压电作动器的工作稳定性。
优选的，所述圆锥面、锥面的表面粗糙度为1.6～3.2um。这样，因为第一驱动螺母和第二驱动螺母与螺杆的驱动方式为摩擦耦合方式，通过内螺纹与外螺纹接触面的摩擦力进行驱动螺杆旋转，在这个表面粗糙度的范围下，可以得到较大摩擦系数，从而提高驱动力。
优选的，所述圆锥面上设有碳氮扩散层，所述碳氮扩散层通过氰化处理工艺制得。这样，碳氮扩散层与碳氮扩散层接触时或者碳氮扩散层与基体接触的情况下均具有以下特性，摩擦力较大且摩擦对偶材料磨损量小的情况，从而在保证得到较大摩擦力从而提高驱动力的同时达到耐磨损的效果，提高使用寿命。
优选的，所述碳氮扩散层上镀有TiAlN涂层，所述TiAlN涂层中的各元素的摩尔质量比为Ti:Al:N＝0.7:0.3:1，TiAlN涂层通过物理气相沉积工艺制得；物理气相沉积工艺包括
a.将锥套放于丙酮溶液中，用超声波清洗机清洗25～30分钟，之后装入磁控溅射炉内；
b.将磁控溅射炉抽真空，用等离子体轰击锥套表面15～20分钟；
c.停止等离子体轰击锥套表面，并且保压15～20分钟；
d.镀制TiAlN涂层，所述TiAlN涂层中的各元素的摩尔质量比为Ti:Al:N＝0.7:0.3:1；
e.镀制TiAlN涂层完成，并且保温保压25～30分钟后出炉。这样，摩尔质量比为Ti:Al:N＝0.7:0.3:1的TiAlN涂层具有较好硬度和抗氧化性能，当其与基体或者碳氮扩散层作为摩擦副时，可以得到较大摩擦力从而进一步提高驱动力的同时达到耐磨损的效果，提高使用寿命。
优选的，所述定子套筒的原材料为30CrSiMoV合金钢，所述锥套由以下原料比例通过粉末冶金烧结后车削而成，所述锥套的原料重量比为：3.6～3.8％重量的碳，0.l～0.4％重量的铬，0.6～l.0％重量的锰，l.6～2.3％重量的硅，0.2～0.6％重量的钼，0.2～0.6％重量的镍，余量为铁。这样，摩擦副对偶材料为上述配比的粉末冶金对偶30CrSiMoV合金钢，由于粉末冶金对偶材料中含有6～8％的孔隙和3.6～3.8％的石墨，因而较软，硬度仅为合金钢硬度的50％，粉末冶金材料较软，容易被摩擦材料中的硬质点产生“犁沟”，“犁沟”的作用能使摩擦系数增加，并且粉末冶金对偶材料含有3.6～3.8％的石墨，摩擦磨损过程中，石墨具有自润滑的作用，并且粉末冶金材料由于软性易随着磨损产生适应的变形，减少摩擦磨损，从而具有较大摩擦力和较小的磨损量，运用到本发明中可得到轴向输出力大和寿命高的压电作动器。
附图说明
图1是本发明螺杆式压电作动器的结构示意图。
图2是本发明螺杆式压电作动器的截面示意图。
图3是本发明螺杆式压电作动器螺杆穿孔的内壁面上安装有第二轴承时的截面示意图。
图4是图2中A处的放大示意图。
图5是本发明螺杆式压电作动器中定子套筒与锥套贴合的一端设有凸弧圆周面示意图。
其中：
1、支架；2、轴向穿孔；3、定子套筒；4、锥套；5、螺杆；6、轴承；7、螺杆穿孔；8、弹性件；9、压电陶瓷片；10、滚珠；11、环形槽；12、外螺纹；13、容纳腔；14、第二轴承；15、底板；16、挡圈；17、螺钉；18、螺母；19、圆锥面；20、锥面；21凸弧圆周面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细地说明。
下文将使用本领域技术人员向本领域的其它技术人员传达他们工作的实质所通常使用的术语来描述本公开的发明概念。然而，这些发明概念可体现为许多不同的形式，因而不应视为限于本文中所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开内容更详尽和完整，并且向本领域的技术人员完整传达其包括的范围。也应注意这些实施例不相互排斥。来自一个实施例的组件、步骤或元素可假设成在另一实施例中可存在或使用。在不脱离本公开的实施例的范围的情况下，可以用多种多样的备选和/或等同实现方式替代所示出和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文论述的实施例的任何修改或变型。对于本领域的技术人员而言明显可以仅使用所描述的方面中的一些方面来实践备选实施例。本文出于说明的目的，在实施例中描述了特定的数字、材料和配置，然而，领域的技术人员在没有这些特定细节的情况下，也可以实践备选的实施例。在其它情况下，可能省略或简化了众所周知的特征，以便不使说明性的实施例难于理解。此外，下文为有助于理解说明性的实施例，将各种操作依次描述为了多个离散的操作；然而，所描述的顺序不应当被认为是意味着这些操作必须依赖于该顺序执行。而是不必以所呈现的顺序来执行这些操作。
下文中的“在一些实施例中”，“在一个实施例中”等短语可以或可以不指相同的实施例。术语“包括”、“具有”和“包含”是同义的，除非上下文中以其它方式规定。短语“A和/或B”意味着(A)、(B)或(A和B)。短语“A/B”意味着(A)、(B)或(A和B)，类似于短语“A和/或B”。短语“A、B和C中的至少一个”意味着(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。短语“(A)B”意味着(B)或(A和B)，即A是可选的。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见附图1至附图5所示，一种螺杆式压电作动器，包括支架1、中部设有轴向穿孔2的定子套筒3、锥套4和螺杆5；所述定子套筒3的一端固定在支架1的底端上，定子套筒3的另一端与锥套4抵紧，所述定子套筒3的外圆周面上固定设有当接通交变电压时产生机械振动以带动定子套筒3的端部质点作椭圆运动从而驱动锥套4作旋转运动的压电陶瓷片9；具体的，压电陶瓷片9是粘接在定子套筒3的外圆周面上。支架1的顶端上设有轴承6，轴承6的外圈与支架1固定连接，支架1的底端设有螺杆穿孔7，螺杆5依次穿过螺杆穿孔7、轴向穿孔2、锥套4和轴承6设置，轴承6与锥套4之间设有用以将锥套4与定子套筒3抵紧的弹性件8，锥套4与螺杆5上设有当锥套4旋转时带动螺杆5旋转的传动结构。螺杆5与螺杆穿孔7、锥套4和轴承6间隙配合，这样螺杆穿孔7、锥套4和轴承6的内表面对螺杆5起到轴向导向作用。
具体的，弹性件8一端与锥套4抵紧，弹性件8另一端与轴承6的内圈端面抵紧。弹性件8可以是弹簧。
当然，弹性件8与轴承6的内圈端面之间还可以设有一个垫圈，垫圈可以是聚四氟垫圈。
轴承6具体的可以是滚珠轴承。
所述传动结构包括滚珠10，锥套4的内壁面设有环形槽11，螺杆5外圆周面上设有外螺纹12，环形槽11与外螺纹12的牙槽之间形成容纳滚珠的容纳腔13，滚珠10位于容纳腔13内并且滚珠10与牙型面滚动连接。
所述容纳腔13内设有润滑油。
所述螺杆穿孔7的内壁面上安装有第二轴承14，第二轴承14的外圈与螺杆穿孔7的内壁面固定，第二轴承14的内圈套设在螺杆5的外圆周面上。
所述支架1包括底板15、挡圈16、以及将底板15和挡圈16锁紧的螺钉17和螺母18，所述定子套筒3的一端固定在底板15上，所述轴承6安装在挡圈16内环上，螺钉17穿过底板15和挡圈16后与螺母18连接。
所述锥套4的外圆周面为圆锥面19，对应的，定子套筒3与锥套4贴合的一端设有与圆锥面19对应的锥面20，锥套4上的圆锥面19与定子套筒3上的锥面20抵紧。
所述锥套4的外圆周面为圆锥面19，定子套筒3与锥套4贴合的一端设有凸弧圆周面21，锥套4上的圆锥面19与定子套筒3上的凸弧圆周面21抵紧。
所述圆锥面19上设有碳氮扩散层，所述碳氮扩散层通过氰化处理工艺制得。
所述碳氮扩散层上镀有TiAlN涂层，所述TiAlN涂层中的各元素的摩尔质量比为Ti:Al:N＝0.7:0.3:1，TiAlN涂层通过物理气相沉积工艺制得；物理气相沉积工艺包括
a.将锥套4放于丙酮溶液中，用超声波清洗机清洗25～30分钟，之后装入磁控溅射炉内；用丙酮溶液清洗为了将锥套4表面的油污等异物，为提高镀制的TiAlN涂层与锥套4的结合力奠定基础。
b.将磁控溅射炉抽真空，用等离子体轰击锥套4表面15～20分钟；这样，等离子体轰击后的锥套4表面形成微小形变，提高镀制的TiAlN涂层与表面的接触面积，为提高镀制的TiAlN涂层与锥套4的结合力奠定基础。
c.停止等离子体轰击锥套4表面，并且保压15～20分钟；锥套4在步骤b时产生的微小形变会在表面产生应力，这是保压15～20分钟为了让应力释放，避免应力在镀制TiAlN涂层时造成影响。
d.镀制TiAlN涂层，所述TiAlN涂层中的各元素的摩尔质量比为Ti:Al:N＝0.7:0.3:1；
e.镀制TiAlN涂层完成，并且保温保压25～30分钟后出炉。
所述定子套筒3的原材料为30CrSiMoV合金钢，所述锥套4由以下原料比例通过粉末冶金烧结后车削而成，所述锥套4的原料重量比为：3.6～3.8％重量的碳，0.l～0.4％重量的铬，0.6～l.0％重量的锰，l.6～2.3％重量的硅，0.2～0.6％重量的钼，0.2～0.6％重量的镍，余量为铁。
3.6～3.8％重量的碳是为了使锥套摩擦磨损过程中具有自润滑的作用，因为3.6～3.8％重量的碳部分以石墨形式分散在锥套内，而石墨具有自润滑效果。
0.l～0.4％重量的铬使锥套提高强度、硬度和耐磨性。
0.6～l.0％重量的锰使锥套增加钢的强度及硬度。
0.2～0.6％重量的钼使锥套在粉末冶金过程中细化基体晶粒，以提高强度、硬度的作用。
以上结构的螺杆式压电作动器的工作原理如下：压电陶瓷组与外接的交变电压驱动器连接，交变电压驱动器提供压电陶瓷组交变电压以使定子套筒3的端部质点作椭圆运动从而驱动锥套4作旋转运动，锥套4的旋转运动通过传动结构带动螺杆旋转运动，具体的，锥套4的旋转带动滚珠运动，滚珠通过滚动摩擦方式传递到螺杆从而带动螺杆旋转运动，从而螺杆输出轴向输出力。当需要改变螺杆的运动方向时，改变交变电压驱动器提供压电陶瓷组交变电压的相位差即可。
以上所述，仅是本发明较佳可行的实施示例，不能因此即局限本发明的权利范围，对熟悉本领域的技术人员来说，凡运用本发明的技术方案和技术构思做出的其他各种相应的改变都应属于在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种螺杆式压电作动器，包括支架(1)、中部设有轴向穿孔(2)的定子套筒(3)、锥套(4)和螺杆(5)；所述定子套筒(3)的一端固定在支架(1)的底端上，定子套筒(3)的另一端与锥套(4)抵紧，所述定子套筒(3)的外圆周面上固定设有当接通交变电压时产生机械振动以带动定子套筒(3)的端部质点作椭圆运动从而驱动锥套(4)作旋转运动的压电陶瓷片(9)；其特征在于：支架(1)的顶端上设有轴承(6)，支架(1)的底端设有螺杆穿孔(7)，螺杆(5)依次穿过螺杆穿孔(7)、轴向穿孔(2)、锥套(4)和轴承(6)设置，轴承(6)与锥套(4)之间设有用以将锥套(4)与定子套筒(3)抵紧的弹性件(8)，锥套(4)与螺杆(5)上设有当锥套(4)旋转时带动螺杆(5)旋转的传动结构。
2.根据权利要求1所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述传动结构包括滚珠(10)，锥套(4)的内壁面设有环形槽(11)，螺杆(5)外圆周面上设有外螺纹(12)，环形槽(11)与外螺纹(12)的牙槽之间形成容纳滚珠的容纳腔(13)，滚珠(10)位于容纳腔(13)内并且滚珠(10)与牙型面滚动连接。
3.根据权利要求2所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述容纳腔(13)内设有润滑油。
4.根据权利要求1所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述螺杆穿孔(7)的内壁面上安装有第二轴承(14)，第二轴承(14)的外圈与螺杆穿孔(7)的内壁面固定，第二轴承(14)的内圈套设在螺杆(5)的外圆周面上。
5.根据权利要求1所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述支架(1)包括底板(15)、挡圈(16)、以及将底板(15)和挡圈(16)锁紧的螺钉(17)和螺母(18)，所述定子套筒(3)的一端固定在底板(15)上，所述轴承(6)安装在挡圈(16)内环上，螺钉(17)穿过底板(15)和挡圈(16)后与螺母(18)连接。
6.根据权利要求1所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述锥套(4)的外圆周面为圆锥面(19)，对应的，定子套筒(3)与锥套(4)贴合的一端设有与圆锥面(19)对应的锥面(20)，锥套(4)上的圆锥面(19)与定子套筒(3)上的锥面(20)抵紧。
7.根据权利要求1所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述锥套(4)的外圆周面为圆锥面(19)，定子套筒(3)与锥套(4)贴合的一端设有凸弧圆周面(21)，锥套(4)上的圆锥面(19)与定子套筒(3)上的凸弧圆周面(21)抵紧。
8.根据权利要求6或7所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述圆锥面(19)上设有碳氮扩散层，所述碳氮扩散层通过氰化处理工艺制得。
9.根据权利要求8所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述碳氮扩散层上镀有TiAlN涂层，所述TiAlN涂层中的各元素的摩尔质量比为Ti:Al:N＝0.7:0.3:1，TiAlN涂层通过物理气相沉积工艺制得；物理气相沉积工艺包括
a.将锥套(4)放于丙酮溶液中，用超声波清洗机清洗25～30分钟，之后装入磁控溅射炉内；
b.将磁控溅射炉抽真空，用等离子体轰击锥套(4)表面15～20分钟；
c.停止等离子体轰击锥套(4)表面，并且保压15～20分钟；
d.镀制TiAlN涂层，所述TiAlN涂层中的各元素的摩尔质量比为Ti:Al:N＝0.7:0.3:1；
e.镀制TiAlN涂层完成，并且保温保压25～30分钟后出炉。
10.根据权利要求1所述的螺杆式压电作动器，其特征在于：所述定子套筒(3)的原材料为30CrSiMoV合金钢，所述锥套(4)由以下原料比例通过粉末冶金烧结后车削而成，所述锥套(4)的原料重量比为：3.6～3.8％重量的碳，0.l～0.4％重量的铬，0.6～l.0％重量的锰，l.6～2.3％重量的硅，0.2～0.6％重量的钼，0.2～0.6％重量的镍，余量为铁。
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