CN108768205A - 具有e型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置及方法，该作动器装置包括固定在底座上的两条固定轨道，与底座之间通过柔性铰链链接，能够小范围上下运动的驱动轨道，以及安装在固定轨道、驱动轨道之间，能够实现与轨道之间钳位状态装换的钳位控制‑位移输出结构；本发明还提供了作动方法，按照一定次序驱动压电陶瓷与电机，能够实现钳位输出结构与底座之间的大行程直线位移输出，且装置具有断电锁止功能；断电后能对保持在当前的作动位置上；该作动器具有输出行程大，输出分辨率高，体积轻巧，控制波形简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种作动装置，具体为一种便于加工实施，通过两个压电陶瓷步进驱动，能够实现大行程位移作动输出的作动器及其作动方法。
背景技术
近年来压电驱动装置不断发展，支持了国防、航天，机械制造等重要工业的发展建设，也衍生出了品种繁多的压电作动装置，然而受制于压电材料作动行程小的缺点，压电陶瓷作动器难以实现大行程的输出，需要借助于不同的工作原理实现大行程的位移输出。因此，多种尺蠖式的作动输出结构被设计提出，使得作动装置得益于压电陶瓷能够输出高精度位移的基础上，大大提升了作动行程。传统的尺蠖式作动器一般至少含有三组压电陶瓷。其中两组负责钳位，一组负责输出步进位移。例如发明专利：CN201310202368-一种大步长尺蠖式作动器，CN201710492623-压电型多自由度混合驱动式驱动器，CN201510116738-具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法，都采用了类似作动原理与方法。同时一些新的尺蠖式原理也被提出，希望使用更少的压电陶瓷实现尺蠖式工作原理，例如发明专利CN201310202370-由双压电堆驱动的步进式作动器，以及CN201510061523-含有不对称门形结构的大行程直线步进作动器及方法。上述专利在设计理念上采用了新的作动原理，能够起到降低压电陶瓷数量，减少控制指令的作用，但是其采用的钳位结构并不利于作动器实现稳定的钳位功能，所能输出的作动力较小，例如在专利CN201310202370中，设计了一种具有内外层结构的菱形环进行钳位，这种结构具有很大的柔度，不利于保证钳位结构的接触刚度，而CN201510061523中采用了线-面接触的结构进行钳位，作动力输出能力也不强。因此迫切需要一种结构简单，钳位能力可靠，驱动力大，控制时序简单的的尺蠖式作动装置。
发明内容
为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种便于加工实施的具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置及方法，使用两个压电陶瓷相互配合实现大行程，可靠输出能力的直线位移输出，并且断电锁止功能，具有结构简单，输出锁止能力强的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置，包括作动器底座1，安装在作动器底座1上方的右固定轨道2与左固定轨道3，其中右固定轨道2上加工有右限位凸台21，左固定轨道3上加工有左限位凸台31，设置在右固定轨道2与左固定轨道3之间与作动器底座1连接的驱动轨道5，设置在驱动轨道5前后面的步进柔性铰链4，步进柔性铰链4外端固定在底座凸台11上，安装在右固定轨道2和左固定轨道3与驱动轨道5之间且钳位在驱动轨道5上的钳位控制-位移输出结构6，横向安装在钳位控制-位移输出结构6之间且位于驱动轨道5上方的钳位压电陶瓷7，安装在钳位压电陶瓷7两端的左弯矩消除球面凸台71和右弯矩消除球面凸台72；在作动器底座1中部安装有驱动压电陶瓷8，驱动压电陶瓷8上方与驱动轨道5接触，下方被驱动陶瓷安装底座9固定；所述钳位控制-位移输出结构6包括插入于右固定轨道2与驱动轨道5之间的右钳位臂61，插入于左固定轨道3与驱动轨道5之间的左钳位臂62，右钳位臂61上端为右柔性铰链63，左钳位臂62上端为左柔性铰链64，还包括连接在右柔性铰链63和左柔性铰链64上端的位移输出凸台65；
所述右固定轨道2、左固定轨道3以及驱动轨道5共同构成了一个E字型结构，共同组成了作动位移输出的钳位控制-位移输出结构6的安装空间及作动轨道。
完成安装后，钳位控制-位移输出结构6中的钳位压电陶瓷7断电，钳位控制-位移输出结构6与驱动轨道5之间接触，依靠右柔性铰链63和左柔性铰链64弹性变形所提供的正压力锁止钳位控制-位移输出结构6。
所述的具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置的作动方法，初始状态作动器装置中的钳位压电陶瓷7与驱动压电陶瓷8都处于断电状态，交替向钳位压电陶瓷7与驱动压电陶瓷8输出高电压即能够实现双向大行程直线位移输出，当钳位控制-位移输出结构6向上运动时，采用如下工作步骤：
第一步，驱动压电陶瓷8通电伸长，驱动压电陶瓷8底部被驱动陶瓷安装底座9以及作动器底座1限位，故驱动压电陶瓷8将推动步进柔性铰链4弹性变形，驱动轨道5向上运动微小位移，同时由于钳位控制-位移输出结构6钳位在驱动轨道5上，钳位控制-位移输出结构6也将向上运动一微小位移；
第二步，保持驱动压电陶瓷8的电压不变，钳位压电陶瓷7通电伸长，钳位压电陶瓷7的伸长将推动右柔性铰链63和左柔性铰链64发生弹性变形，带动右钳位臂61和左钳位臂62发生张开运动，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3接触，与驱动轨道5脱离接触；
第三步，保持钳位压电陶瓷7的电压不变，驱动压电陶瓷8的电压降低至0，此过程中驱动压电陶瓷8恢复原长，驱动步进柔性铰链4的弹性变形恢复，也将带动驱动轨道5回到原位，而钳位控制-位移输出结构6此时钳位在右固定轨道2和左固定轨道3上，不产生位移；
第四步，钳位压电陶瓷7断电恢复原长，右柔性铰链63和左柔性铰链64弹性变形恢复，带动右钳位臂61和左钳位臂62的张开运动恢复，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3脱离接触，与驱动轨道5接触锁止；
此时，驱动压电陶瓷8和钳位压电陶瓷7已经恢复到初始的断电状态，但是与初始状态相比，钳位控制-位移输出结构6此时向上输出了一个微小位移，重复上述过程，即能够实现钳位控制-位移输出结构66的连续作动控制；
当钳位控制-位移输出结构6向下运动时，采用如下工作步骤：
第一步，钳位压电陶瓷7通电伸长，钳位压电陶瓷7的伸长将推动右柔性铰链63和左柔性铰链64发生弹性变形，带动右钳位臂61和左钳位臂62发生张开运动，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3接触，与驱动轨道5脱离接触；
第二步，保持钳位压电陶瓷7的电压，驱动压电陶瓷8通电伸长，驱动压电陶瓷8底部被驱动陶瓷安装底座9以及作动器底座1限位，故驱动压电陶瓷8将推动步进柔性铰链4弹性变形，驱动轨道5向上运动微小位移；
第三步：保持驱动压电陶瓷8的电压，钳位压电陶瓷7断电恢复原长，右柔性铰链63和左柔性铰链64弹性变形恢复，带动右钳位臂61和左钳位臂62的张开运动恢复，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3脱离接触，与驱动轨道5接触锁止；
第四步：降低驱动压电陶瓷8的电压至0，此过程中驱动压电陶瓷8恢复原长，驱动步进柔性铰链4的弹性变形恢复，也将带动驱动轨道5回到原位，同时由于钳位控制-位移输出结构6与驱动轨道5锁止，钳位控制-位移输出结构6也将向下作动微小位移；
至此，驱动压电陶瓷8和钳位压电陶瓷7已经恢复到初始的断电状态，但是与初始状态相比，钳位控制-位移输出结构6此时向下输出了一个微小位移，重复上述过程，即能够实现钳位控制-位移输出结构6向下的连续作动控制。
与现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、通过步进叠加的方式实现大行程位移输出，同时由压电材料驱动，具有作动精度高的特点。
2、断电时作动器输出平台将钳位在轨道上，具有断电前卫能力。
3、与传统三组压电陶瓷协同工作实现步进输出的步进式作动器相比，本发明仅使用了两枚压电陶瓷，具有驱动信号简单，能耗低，作动器质量轻巧的特点
4、作动器结构简明，便于组装调整。
附图说明
图1为本发明作动器装置爆炸示意图。
图2为本发明作动器装置装配示意图。
图3为本发明作动器装置剖面视图。
图4为本发明作动器装置的俯视图。
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、图2、图3和图4所示，本发明一种具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置，包括作动器底座1，安装在作动器底座1上方的右固定轨道2与左固定轨道3，其中右固定轨道2上加工有右限位凸台21，左固定轨道3上加工有左限位凸台31，设置在右固定轨道2与左固定轨道3之间与作动器底座1连接的驱动轨道5，设置在驱动轨道5前后面的步进柔性铰链4，步进柔性铰链4外端固定在底座凸台11上，安装在右固定轨道2和左固定轨道3与驱动轨道5之间且钳位在驱动轨道5上的钳位控制-位移输出结构6，横向安装在钳位控制-位移输出结构6之间且位于驱动轨道5上方的钳位压电陶瓷7，安装在钳位压电陶瓷7两端的左弯矩消除球面凸台71和右弯矩消除球面凸台72；在作动器底座1中部安装有驱动压电陶瓷8，驱动压电陶瓷8上方与驱动轨道5接触，下方被驱动陶瓷安装底座9固定；所述钳位控制-位移输出结构6包括插入于右固定轨道2与驱动轨道5之间的右钳位臂61，插入于左固定轨道3与驱动轨道5之间的左钳位臂62，右钳位臂61上端为右柔性铰链63，左钳位臂62上端为左柔性铰链64，还包括连接在右柔性铰链63和左柔性铰链64上端的位移输出凸台65；所述右固定轨道2、左固定轨道3以及驱动轨道5共同构成了一个E字型结构，共同组成了作动位移输出的钳位控制-位移输出结构6的安装空间及作动轨道。
完成安装后，钳位控制-位移输出结构6中的钳位压电陶瓷7断电，钳位控制-位移输出结构6与驱动轨道5之间接触，依靠右柔性铰链63和左柔性铰链64弹性变形所提供的正压力锁止钳位控制-位移输出结构6。
本发明所述具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置的作动方法，初始状态作动器装置中的钳位压电陶瓷7与驱动压电陶瓷8都处于断电状态，交替向钳位压电陶瓷7与驱动压电陶瓷8输出高电压即能够实现双向大行程直线位移输出，当钳位控制-位移输出结构6向上运动时，采用如下工作步骤：
第一步，驱动压电陶瓷8通电伸长，驱动压电陶瓷8底部被陶瓷安装底座9以及作动器底座1限位，故驱动压电陶瓷8将推动步进柔性铰链4弹性变形，驱动轨道5向上运动微小位移，同时由于钳位控制-位移输出结构6钳位在驱动轨道5上，钳位控制-位移输出结构6也将向上运动一微小位移；
第二步，保持驱动压电陶瓷8的电压不变，钳位压电陶瓷7通电伸长，钳位压电陶瓷7的伸长将推动右柔性铰链63和左柔性铰链64发生弹性变形，带动右钳位臂61和左钳位臂62发生张开运动，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3接触，与驱动轨道5脱离接触；
第三步，保持钳位压电陶瓷7的电压不变，驱动压电陶瓷8的电压降低至0，此过程中驱动压电陶瓷8恢复原长，驱动步进柔性铰链4的弹性变形恢复，也将带动驱动轨道5回到原位，而钳位控制-位移输出结构6此时钳位在右固定轨道2和左固定轨道3上，不产生位移；
第四步，钳位压电陶瓷7断电恢复原长，右柔性铰链63和左柔性铰链64弹性变形恢复，带动右钳位臂61和左钳位臂62的张开运动恢复，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3脱离接触，与驱动轨道5接触锁止；
此时，驱动压电陶瓷8和钳位压电陶瓷7已经恢复到初始的断电状态，但是与初始状态相比，钳位控制-位移输出结构6此时向上输出了一个微小位移，重复上述过程，即能够实现钳位控制-位移输出结构66的连续作动控制；
当钳位控制-位移输出结构6向下运动时，采用如下工作步骤：
第一步，钳位压电陶瓷7通电伸长，钳位压电陶瓷7的伸长将推动右柔性铰链63和左柔性铰链64发生弹性变形，带动右钳位臂61和左钳位臂62发生张开运动，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3接触，与驱动轨道5脱离接触；
第二步，保持钳位压电陶瓷7的电压，驱动压电陶瓷8通电伸长，驱动压电陶瓷8底部被陶瓷安装底座9以及作动器底座1限位，故驱动压电陶瓷8将推动步进柔性铰链4弹性变形，驱动轨道5向上运动微小位移；
第三步：保持驱动压电陶瓷8的电压，钳位压电陶瓷7断电恢复原长，右柔性铰链63和左柔性铰链64弹性变形恢复，带动右钳位臂61和左钳位臂62的张开运动恢复，此过程中右钳位臂61和左钳位臂62将逐渐与右固定轨道2和左固定轨道3脱离接触，与驱动轨道5接触锁止；
第四步：降低驱动压电陶瓷8的电压至0，此过程中驱动压电陶瓷8恢复原长，驱动步进柔性铰链4的弹性变形恢复，也将带动驱动轨道5回到原位，同时由于钳位控制-位移输出结构6与驱动轨道5锁止，钳位控制-位移输出结构6也将向下作动微小位移；
至此，驱动压电陶瓷8和钳位压电陶瓷7已经恢复到初始的断电状态，但是与初始状态相比，钳位控制-位移输出结构6此时向下输出了一个微小位移，重复上述过程，即能够实现钳位控制-位移输出结构6向下的连续作动控制。
Claims (3)
1.一种具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置，其特征在于：包括作动器底座(1)，安装在作动器底座(1)上方的右固定轨道(2)与左固定轨道(3)，其中右固定轨道(2)上加工有右限位凸台(21)，左固定轨道(3)上加工有左限位凸台(31)，设置在右固定轨道(2)与左固定轨道(3)之间与作动器底座(1)连接的驱动轨道(5)，设置在驱动轨道(5)前后面的步进柔性铰链(4)，步进柔性铰链(4)外端固定在底座凸台(11)上，安装在右固定轨道(2)和左固定轨道(3)与驱动轨道(5)之间且钳位在驱动轨道(5)上的钳位控制-位移输出结构(6)，横向安装在钳位控制-位移输出结构(6)之间且位于驱动轨道(5)上方的钳位压电陶瓷(7)，安装在钳位压电陶瓷(7)两端的左弯矩消除球面凸台(71)和右弯矩消除球面凸台(72)；在作动器底座(1)中部安装有驱动压电陶瓷(8)，驱动压电陶瓷(8)上方与驱动轨道(5)接触，下方被驱动陶瓷安装底座(9)固定；所述钳位控制-位移输出结构(6)包括插入于右固定轨道(2)与驱动轨道(5)之间的右钳位臂(61)，插入于左固定轨道(3)与驱动轨道(5)之间的左钳位臂(62)，右钳位臂(61)上端为右柔性铰链(63)，左钳位臂(62)上端为左柔性铰链(64)，还包括连接在右柔性铰链(63)和左柔性铰链(64)上端的位移输出凸台(65)；
所述右固定轨道(2)、左固定轨道(3)以及驱动轨道(5)共同构成了一个E字型结构，共同组成了作动位移输出的钳位控制-位移输出结构(6)的安装空间及作动轨道。
2.根据权利要求1所述的一种具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置，其特征在于：完成安装后，钳位控制-位移输出结构(6)中的钳位压电陶瓷(7)断电，钳位控制-位移输出结构(6)与驱动轨道(5)之间接触，依靠右柔性铰链(63)和左柔性铰链(64)弹性变形所提供的正压力锁止钳位控制-位移输出结构(6)。
3.根据权利要求1所述的一种具有E型轨道的两压电陶瓷驱动的步进式作动器装置的作动方法，其特征在于：初始状态作动器装置中的钳位压电陶瓷(7)与驱动压电陶瓷(8)都处于断电状态，交替向钳位压电陶瓷(7)与驱动压电陶瓷(8)输出高电压即能够实现双向大行程直线位移输出，当钳位控制-位移输出结构(6)向上运动时，采用如下工作步骤：
第一步，驱动压电陶瓷(8)通电伸长，驱动压电陶瓷(8)底部被驱动陶瓷安装底座(9)以及作动器底座(1)限位，故驱动压电陶瓷(8)将推动步进柔性铰链(4)弹性变形，驱动轨道(5)向上运动微小位移，同时由于钳位控制-位移输出结构(6)钳位在驱动轨道(5)上，钳位控制-位移输出结构(6)也将向上运动一微小位移；
第二步，保持驱动压电陶瓷(8)的电压不变，钳位压电陶瓷(7)通电伸长，钳位压电陶瓷(7)的伸长将推动右柔性铰链(63)和左柔性铰链(64)发生弹性变形，带动右钳位臂(61)和左钳位臂(62)发生张开运动，此过程中右钳位臂(61)和左钳位臂(62)将逐渐与右固定轨道(2)和左固定轨道(3)接触，与驱动轨道(5)脱离接触；
第三步，保持钳位压电陶瓷(7)的电压不变，驱动压电陶瓷(8)的电压降低至0，此过程中驱动压电陶瓷(8)恢复原长，驱动步进柔性铰链(4)的弹性变形恢复，也将带动驱动轨道(5)回到原位，而钳位控制-位移输出结构(6此时钳位在右固定轨道(2)和左固定轨道(3)上，不产生位移；
第四步，钳位压电陶瓷(7)断电恢复原长，右柔性铰链(63)和左柔性铰链(64)弹性变形恢复，带动右钳位臂(61)和左钳位臂(62)的张开运动恢复，此过程中右钳位臂(61)和左钳位臂(62)将逐渐与右固定轨道(2)和左固定轨道(3)脱离接触，与驱动轨道(5)接触锁止；
此时，驱动压电陶瓷(8)和钳位压电陶瓷(7)已经恢复到初始的断电状态，但是与初始状态相比，钳位控制-位移输出结构(6)此时向上输出了一个微小位移，重复上述过程，即能够实现钳位控制-位移输出结构(6)的连续作动控制；
当钳位控制-位移输出结构(6)向下运动时，采用如下工作步骤：
第一步，钳位压电陶瓷(7)通电伸长，钳位压电陶瓷(7)的伸长将推动右柔性铰链(63)和左柔性铰链(64)发生弹性变形，带动右钳位臂(61)和左钳位臂(62)发生张开运动，此过程中右钳位臂(61)和左钳位臂(62)将逐渐与右固定轨道(2)和左固定轨道(3)接触，与驱动轨道(5)脱离接触；
第二步，保持钳位压电陶瓷(7)的电压，驱动压电陶瓷(8)通电伸长，驱动压电陶瓷(8)底部被驱动陶瓷安装底座(9)以及作动器底座(1)限位，故驱动压电陶瓷(8)将推动步进柔性铰链(4)弹性变形，驱动轨道(5)向上运动微小位移；
第三步：保持驱动压电陶瓷(8)的电压，钳位压电陶瓷(7)断电恢复原长，右柔性铰链(63)和左柔性铰链(64)弹性变形恢复，带动右钳位臂(61)和左钳位臂(62)的张开运动恢复，此过程中右钳位臂(61)和左钳位臂(62)将逐渐与右固定轨道(2)和左固定轨道(3)脱离接触，与驱动轨道(5)接触锁止；
第四步：降低驱动压电陶瓷(8)的电压至0，此过程中驱动压电陶瓷(8)恢复原长，驱动步进柔性铰链(4)的弹性变形恢复，也将带动驱动轨道(5)回到原位，同时由于钳位控制-位移输出结构(6)与驱动轨道(5)锁止，钳位控制-位移输出结构(6)也将向下作动微小位移；
至此，驱动压电陶瓷(8)和钳位压电陶瓷(7)已经恢复到初始的断电状态，但是与初始状态相比，钳位控制-位移输出结构(6)此时向下输出了一个微小位移，重复上述过程，即能够实现钳位控制-位移输出结构(6)向下的连续作动控制。
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