CN110138266B - 一种尺蠖式压电作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种尺蠖式压电作动器，包括壳体、本体和输出轴；壳体为带有腔体的长方体结构，包括下挡板，上挡板和侧挡板；本体包括两个箝位机构和位于该两个箝位机构之间的驱动机构组成的连接体，箝位机构包括由丁字型连接板和与其主干边两端通过柔性铰链连接的两个杠杆臂组成的杠杆式放大机构，驱动机构包括由两个凸台和与该两个凸台通过柔性铰链连接且对称排布的两条柔性运动链组成的桥式放大机构，两个杠杆式放大机构丁字型连接板支干边的自由端分别与桥式放大机构的两个凸台连接；输出轴与驱动机构没有安装预紧螺钉的一侧的箝位机构连接；该作动器体积小，质量轻，可实现断电箝位。
Description
技术领域
本发明属于压电技术领域，涉及一种尺蠖式压电作动器，可用于航空航天、精密光学仪器、生物工程等领域。
背景技术
随着科学技术的发展，精密作动器在航空航天的天线型面高精度保持、精密光学仪器的位置调整、生物工程中纳米级操作等方面占有越来越重要的地位，尤其在航空航天领域，运载工具的载荷有限，要求作动器具有小体积和轻质量的特点。传统作动器存在响应慢，精度低等劣势，影响了其在作动领域的应用。因此压电式作动器以其响应快、精度高、不受电磁环境干扰等特点成为目前的研究热点。
压电式作动器主要包括压电超声波作动器，压电惯性式作动器以及尺蠖式压电作动器三种类型。相比于其他两种类型的压电式作动器，尺蠖式压电作动器克服了压电惯性式作动器的输出力小和压电超声波作动器磨损严重的缺点。但是目前压电尺蠖式压电作动器中的箝位机构和驱动机构结构复杂，组件数目多，造成了作动器体积较大的问题；为提高输出力，箝位机构多采用通电箝位的方式，造成了功耗较大的问题；以上两个问题制约了其在精密作动领域的应用。
授权公告号为CN 103295651 B,名称为“基于柔性放大原理的压电驱动尺蠖式定位工作台”的中国专利，公开了一种基于柔性放大原理的压电驱动尺蠖式定位工作台的结构，其由导向调节机构和尺蠖式运动平台组成，导向调节机构为交叉滚子导轨，尺蠖式运动平台的箝位机构采用对称杠杆放大机构，驱动机构采用复合桥式机构，该结构具有导向性好，行程大的优点。但是由于采用了对称杠杆式放大机构和交叉滚子导轨造成体积偏大，且因为无法实现断电箝位导致功耗较较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种尺蠖式压电作动器，用于实现小型化，同时减小质量，并降低功耗。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种尺蠖式压电作动器，包括壳体1、本体2和输出轴3；
所述壳体1，采用带有腔体的长方体结构，该壳体1下底的上表面沿长度方向的中线上设置有燕尾形直线导轨槽；
所述本体2，包括两个箝位机构21和位于该两个箝位机构21之间的驱动机构22组成的连接体，其中：
所述箝位机构21，包括由丁字型连接板和与其主干边两端通过柔性铰链连接的两个杠杆臂组成的杠杆式放大机构211，所述丁字型连接板朝向沿垂直于壳体1的下底并指向下底的下表面方向一侧固定有导轨滑块215；所述杠杆式放大机构211中丁字型连接板支干边一侧的一个杠杆臂上设置有定位槽，另一侧的两个杠杆臂上设置有安装槽，所述定位槽与另一个杠杆臂之间安装有箝位压电陶瓷叠堆212，且定位槽与箝位压电陶瓷叠堆212的结合面之间设置有第一绝缘垫片213，所述两个杠杆臂上的安装槽之间安装有用于为两个杠杆臂提供张力的弹性体214；
所述驱动机构22，包括由两个凸台和与该两个凸台通过柔性铰链连接且对称排布的两条柔性运动链组成的桥式放大机构221，所述两个凸台的内侧设置的定位槽之间安装有驱动压电陶瓷叠堆222，其中位于沿壳体1的长度并指向壳体1腔体左侧出口的方向一侧的定位槽与驱动压电陶瓷叠堆222的结合面之间设置有第二绝缘垫片223，位于沿壳体1的长度并指向壳体1腔体左侧出口的方向的凸台外侧设置有预紧螺钉224；
所述两个杠杆式放大机构211丁字型连接板支干边的自由端分别与桥式放大机构221的两个凸台连接；
所述输出轴3与驱动机构22没有安装预紧螺钉224的一侧的箝位机构21连接；
所述本体2位于壳体1的腔体内，本体2一侧的箝位机构21中的杠杆臂在弹性体214产生的张力作用下，与腔体两侧的内表面接触，另一侧的箝位机构21中的杠杆臂在箝位压电陶瓷叠堆212的输出力作用下，与腔体两侧的内表面脱离，并在驱动机构22中的驱动压电陶瓷叠堆222的作用下，通过镶嵌在燕尾形直线导轨槽中的导轨滑块215的引导，沿壳体1长度方向移动。
所述壳体1，包括下挡板11和与下挡板11平行的两块上挡板12，以及与下挡板11和两块上挡板12沿壳体1长度方向两边侧棱分别固定的两块侧挡板13，所述燕尾形直线导轨设置在下挡板11上。
所述驱动机构22，其中的柔性运动链包括通过柔性铰链连接的至少三个运动臂。
所述杠杆式放大机构211，其中的两个杠杆臂与丁字型连接板的主干边垂直，且导轨滑块215的固定点位于丁字型连接板的主干边与支干边的交汇处。
所述弹性体214，由两个对称分布的弧形段和与两个弧形段连接的安装段组成。
所述丁字型连接板的支干边的中轴线，驱动压电陶瓷叠堆222的中轴线、输出轴3的中轴线位于一个与通过壳体1下底的上表面长度方向的中线并垂直于壳体1下底的上表面的平面平行的平面上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明通过箝位机构中的弹性体驱动杠杆式放大机构与壳体内侧接触实现箝位功能，通过驱动机构中的桥式放大机构驱动压电陶瓷推动凸台实现驱动功能，避免了现有技术实现箝位功能采用的对称式杠杆放大机构和实现驱动功能采用的复合桥式机构体积大的缺陷，有效实现了小型化，并减轻作动器的质量。
2.本发明通过导轨滑块与壳体下底的上表面沿X轴方向的中线上设置的燕尾形直线导轨槽的配合实现导向功能，避免了现有技术采用交叉滚子导轨实现导向功能所带来的体积大的缺陷，进一步实现了小型化。
3.本发明通过箝位机构中的弹性体驱动杠杆式放大机构与壳体内侧接触实现箝位功能，避免了现有技术通过压电陶瓷驱动杠杆臂与导轨接触实现箝位功能所带来的功耗过大的缺陷，有效降低了功耗。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明壳体的结构示意图；
图3为本发明本体的结构示意图；
图4为本发明箝位机构的结构示意图；
图5为本发明驱动机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明包括壳体1、本体2和输出轴3。
参照图2，壳体1包括1块下挡板11、2块上挡板12和4块侧挡板13。下挡板11为长度沿X轴，宽度沿Z轴，高度沿Y轴方向的长方体，沿着长度方向设置有燕尾形导轨槽，其开口位于下挡板11与Y轴垂直的上表面，深度方向沿Y轴负方向；导轨槽的中心面与下挡板11垂直于Z轴方向的两个侧面的中心面重合，本实施例采用燕尾槽形导轨抑制本体2在壳体1的腔体内运动时产生的抖动，本实施例中的下挡板11的长度为130mm，宽度为29mm，高度为8.5mm。
上挡板12的主体为长度沿X轴，宽度沿Z轴，高度沿Y轴的长方体，在沿Y轴负方向设置有两个卡位板，该卡位板为长度沿X轴，宽度沿Z轴，高度沿Y轴的长方体，其长度与上挡板12的主体长度一致，其与Y轴垂直的上表面和上挡板12主体与Y轴垂直的下表面重合，上挡板12主体结构与Z轴垂直的两个侧面的中间面为中心面，两个卡位板对称分布于中心面两侧；上挡板12的长度为下挡板11的一半，其宽度等于下挡板11的宽度加上两个侧挡板13的厚度，本实施例中的上挡板12的长度为65mm。
侧挡板13的主体结构为长度沿X轴，宽度沿Z轴，高度沿Y轴的长方体，侧挡板13的长度为下挡板11的一半，本实例中侧挡板13的长度为65mm，宽度为8.5mm，高度为26mm。
四块侧挡板13分别安装在下挡板11与XOY面平行的两个侧面上；上挡板12与下挡板11平行，上挡板12中的卡位板与侧挡板11贴合。
本实施例中下挡板11、上挡板12和侧挡板13的材料可使用Q235、2Cr13和TC4等屈服强度大于235MPa的金属材料，为降低温度产生的热变形的影响，本实施例选择热膨胀系数低且屈服强度符合要求的TC4作为壳体材料。
参照图3，本体2包括，两个箝位机构21和位于该两个箝位机构之间的驱动机构22组成的连接体。
参照图4，箝位机构21包括由丁字型连接板和与其主干边两端通过柔性铰链连接的两个杠杆臂组成的杠杆式放大机构211，杠杆式放大机构211的结构简单，整体尺寸小，可以在小空间内完成动作。丁字型连接板的主干边与两个杠杆臂相互垂直，且通过柔性铰链与两个杠杆臂连接，其支干边的自由端与驱动机构22的凸台连接；丁字型连接板支干边一侧的一个杠杆臂上设置有定位槽，另一侧的两个杠杆臂上设置有安装槽，所述定位槽与另一个杠杆臂之间安装有箝位压电陶瓷叠堆212，且定位槽与箝位压电陶瓷叠堆212的结合面之间设置有绝缘垫片213，所述两个杠杆臂上的安装槽之间安装有用于为两个杠杆臂提供张力的弹性体214；所述弹性体214，由两个对称分布的弧形段和与两个弧形段连接的安装段组成，安装段凸出部分安装于杠杆臂的安装槽内，同时预紧螺钉216安装在弹性体214的安装段内。
本实施例中本体2的长度为98mm，宽度为30mm，高度为8mm材料选用TC4，弹性体的材料选择弹簧钢60Si2Mn，弹性体可以在压电叠堆断电时提供张力，实现作动器的断电箝位，进而降低功耗。
参照图4，丁字型连接板主干边与支干边的交汇点固定有导轨滑块215；导轨滑块215为类V形结构，本实例中，导轨滑块215的两个斜边的夹角与燕尾形导轨槽两个斜边的夹角一致，且其底边的宽度与燕尾形导轨槽的宽度一致，该设计可提高本体运动过程的平稳性。
参照图5，驱动机构22，包括由两个凸台和与该两个凸台通过柔性铰链连接且对称排布的两条柔性运动链组成的桥式放大机构221，所述两个凸台的内侧设置的定位槽之间安装有驱动压电陶瓷叠堆222，其中位于X轴负方向一侧的定位槽与驱动压电陶瓷叠堆222的结合面之间设置有绝缘垫片223，位于X轴负方向的凸台外侧设置有预紧螺钉224。
在工作状态下，完成一次步进运动需要六步：
准备工作：顺时针旋转安装于2个弹性体214内的4个预紧螺钉216，压缩弹性体214，其弹性力作用与杠杆臂上，使得两个箝位机构21均与壳体1的腔体两侧的表面处于接触状态。
第一步，其中一个箝位机构21中的箝位压电陶瓷叠堆212通电产生输出力，杠杆臂在该输出力的作用下，与腔体两侧的内表面脱离。
第二步，驱动压电陶瓷叠堆222通电产生输出力，驱动机构22在该输出力的作用下沿长度方向伸长，通过镶嵌在燕尾形直线导轨槽中的导轨滑块215的引导，沿X轴方向移动。
第三步，第一步中通电的箝位压电陶瓷叠堆212断电，输出力消失，杠杆臂在弹性体214提供的张力的作用下，与腔体表面接触。
第四步，另一个箝位机构21中的箝位压电陶瓷叠堆212通电产生输出力，杠杆臂在该输出力的作用下，与腔体两侧的内表面脱离。
第五步，驱动压电陶瓷叠堆222断电，输出力消失，驱动机构22在自身回弹力的作用下沿长度方向缩短，通过镶嵌在燕尾形直线导轨槽中的导轨滑块215的引导，沿X轴方向移动。
第六步，第四步中通电的箝位压电陶瓷叠堆212断电，输出力消失，杠杆臂在弹性体214提供的张力的作用下，与腔体表面接触。
Claims (6)
1.一种尺蠖式压电作动器，包括壳体(1)、本体(2)和输出轴(3)，其特征在于：
所述壳体(1)，采用带有腔体的长方体结构，该壳体(1)下底的上表面沿长度方向的中线上设置有燕尾形直线导轨槽；
所述本体(2)，包括两个箝位机构(21)和位于该两个箝位机构(21)之间的驱动机构(22)组成的连接体，其中：
所述箝位机构(21)，包括由丁字型连接板和与其主干边两端通过柔性铰链连接的两个杠杆臂组成的杠杆式放大机构(211)，所述丁字型连接板朝向沿垂直于壳体(1)的下底并指向下底的下表面方向一侧固定有导轨滑块(215)；所述杠杆式放大机构(211)中丁字型连接板支干边一侧的一个杠杆臂上设置有定位槽，另一侧的两个杠杆臂上设置有安装槽，所述定位槽与另一个杠杆臂之间安装有箝位压电陶瓷叠堆(212)，且定位槽与箝位压电陶瓷叠堆(212)的结合面之间设置有第一绝缘垫片(213)，所述两个杠杆臂上的安装槽之间安装有用于为两个杠杆臂提供张力的弹性体(214)；
所述驱动机构(22)，包括由两个凸台和与该两个凸台通过柔性铰链连接且对称排布的两条柔性运动链组成的桥式放大机构(221)，所述两个凸台的内侧设置的定位槽之间安装有驱动压电陶瓷叠堆(222)，其中位于沿壳体(1)的长度并指向壳体(1)腔体左侧出口的方向一侧的定位槽与驱动压电陶瓷叠堆(222)的结合面之间设置有第二绝缘垫片(223)，位于沿壳体(1)的长度并指向壳体(1)腔体左侧出口的方向的凸台外侧设置有预紧螺钉(224)；
所述两个杠杆式放大机构(211)丁字型连接板支干边的自由端分别与桥式放大机构(221)的两个凸台连接；
所述输出轴(3)与驱动机构(22)没有安装预紧螺钉(224)的一侧的箝位机构(21)连接；
所述本体(2)位于壳体(1)的腔体内，本体(2)一侧的箝位机构(21)中的杠杆臂在弹性体(214)产生的张力作用下，与腔体两侧的内表面接触，另一侧的箝位机构(21)中的杠杆臂在箝位压电陶瓷叠堆(212)的输出力作用下，与腔体两侧的内表面脱离，并在驱动机构(22)中的驱动压电陶瓷叠堆(222)的作用下，通过镶嵌在燕尾形直线导轨槽中的导轨滑块(215)的引导，沿壳体(1)长度方向移动。
2.根据权利要求1所述的一种尺蠖式压电作动器，其特征在于，所述壳体(1)，包括下挡板(11)和与下挡板(11)平行的两块上挡板(12)，以及与下挡板(11)和两块上挡板(12)沿壳体(1)长度方向两边侧棱分别固定的两块侧挡板(13)，所述燕尾形直线导轨设置在下挡板(11)上。
3.根据权利要求1所述的一种尺蠖式压电作动器，其特征在于，所述驱动机构(22)，其中的柔性运动链包括通过柔性铰链连接的至少三个运动臂。
4.根据权利要求1所述的一种尺蠖式压电作动器，其特征在于，所述杠杆式放大机构(211)，其中的两个杠杆臂与丁字型连接板的主干边垂直，且导轨滑块(215)的固定点位于丁字型连接板的主干边与支干边的交汇处。
5.根据权利要求1所述的一种尺蠖式压电作动器，其特征在于，所述弹性体(214)，由两个对称分布的弧形段和与两个弧形段连接的安装段组成。
6.根据权利要求1所述的一种尺蠖式压电作动器，其特征在于，所述丁字型连接板的支干边的中轴线，驱动压电陶瓷叠堆(222)的中轴线、输出轴(3)的中轴线位于一个与通过壳体(1)下底的上表面长度方向的中线并垂直于壳体(1)下底的上表面的平面平行的平面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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