CN110707896B - 带有位置锁止功能的双向直线作动器及作动方法 - Google Patents

Abstract

一种带有位置锁止功能的双向直线作动器及作动方法，该作动器由作动器外壳，向上驱动元件，向下驱动元件，输出轴，作动器上顶盖组成，由于作动器输出轴与作动器壳体轨道始终处于过盈配合的摩擦约束状态，因此具备位置锁止能力；作动器完成向上、向下的直线作动输出时分别由向上驱动元件和向下驱动元件控制。作动器不包含额外的钳位锁定驱动元件，且可以依据直线驱动控制精度与行程需求选择电磁、逆压电、逆挠曲电、磁致伸缩、热致伸缩等不同驱动原理的驱动元件。该作动器具有具有位置锁定稳定，结构简单，兼容性强的特点。

Description

带有位置锁止功能的双向直线作动器及作动方法

技术领域

本发明涉及一种作动装置，具体涉及一种带有位置锁止功能的双向直线作动器及作动方法，能够进行双向直线位移输出，断开作动器控制器后能够保持位置锁定，且具有一定锁止力的作动器及其作动方法。

背景技术

高性能智能材料与驱动器，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作动装置，例如以电磁力驱动的直线电机、音圈作动器(CN201510088131直线电机，CN201711258186正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构及作动方法)，以材料逆压电效应驱动的压电作动器(CN201410239747一种半菱形结构的压电位移放大机构)，以材料逆挠曲电效应驱动的挠曲电作动器(CN201511016218基于挠曲电原理的极微小位移作动器)，以材料磁致伸缩、热致伸缩等原理制成的作动器(CN201610464048主动热补偿超磁致伸缩执行器)等。然而上述作动器的作动原理，都不具备断电保持能力，在断开电源与控制器的情况下，作动器位移输出部件或处于不受约束的自由状态，或将在作动器内部弹簧的作用下恢复到初试位置。为此要实现断电后的位置锁定，一些发明专利在作动器中加入了钳位控制结构。例如：CN201210426218一种利用电磁力进行位置控制的大位移磁作动器、CN201410719688具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法、CN201510061523含有不对称门形结构的大行程直线步进作动器及方法。而这些专利额外的钳位控制结构增加了作动器的体积重量，且需要额外的控制单元对作动器钳位进行控制，进一步增加了作动器的复杂程度。

发明内容

为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种能够进行双向直线位移输出，且在断开电源后仍具备位置锁定保持能力的作动器装置及其作动方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种带有位置锁止功能的双向直线作动器，包括作动器壳体1，作动器壳体1内壁为作动器壳体轨道1-2，作动器壳体轨道1-2内为作动器壳体下空腔1-1和作动器壳体上空腔1-3，安装在作动器壳体下空腔(1-1)内的向上驱动元件2，安装在作动器壳体上空腔1-3内的向下驱动元件3，位于向下驱动元件3内穿过作动器壳体上空腔1-3的输出轴4，与作动器壳体轨道1-2过盈配合的输出轴锁定端4-1，安装在作动器壳体1顶部，用于限制作动器向下驱动元件3向上运动的作动器上顶盖5，穿过作动器上顶盖5 的输出轴输出端4-2。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器，通过输出轴4输出所需的直线位移；完成安装后，输出轴锁定端4-1与作动器壳体轨道1-2始终处于过盈配合状态，受到接触摩擦力约束；当作动器电源与控制器完全断开时，由于输出轴锁定端4-1与作动器壳体轨道1-2过盈配合，与输出轴锁定端4-1相连接的输出轴输出端4-2仍然具备位置的锁定保持。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器，完成安装后向上驱动元件2顶部与输出轴锁定端4-1底部之间存在间隙，输出轴锁定端4-1顶部与向下驱动元件3底部之间存在间隙，两个间隙之和等于作动器直线位移行程d。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器，该作动器的向上驱动元件2和向下驱动元件3采用电磁、逆压电、逆挠曲电、磁致伸缩或热致伸缩驱动原理的驱动元件，或者采用音圈作动器、压电作动器或直线电机不具备断电位置锁定的直线驱动装置。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器的作动方法，该作动器能够实现向上的直线位移，最大位移行程为d，输出轴4向上驱动时，向上驱动元件2工作，向下驱动元件3不工作；当作动器锁定端4-1处于x位置时，驱动向上驱动元件2向上驱动y，当y＜x时，输出轴4无位移输出；当y＝x时，向上驱动元件2恰好与输出轴锁定端4-1接触，输出轴4 无位移输出；当y＞x时，向上驱动元件2与输出轴锁定端4-1接触后继续推动输出轴锁定端4-1，在向上驱动元件2的推动下，输出轴锁定端4-1 克服作动器壳体轨道1-2的过盈配合约束，发生相对滑动；从而使输出轴 4，输出轴锁定端4-1，输出轴输出端4-2整体向上输出y-x的位移；若初始时作动器输出轴4处于最低位置，输出轴4最大能输出行程为d的位移，若初始时输出轴4处于最高位置，则不能继续输出向上的位移；

该作动器能够实现向下的直线位移，最大位移行程为d；输出轴4向下驱动时，向下驱动元件3工作，向上驱动元件2不工作；当作动器输出轴4处于x位置时，驱动向下驱动元件3向下驱动y，当y＜d-x时，输出轴4无位移输出；当y＝d-x时，向下驱动元件3恰好与输出轴锁定端4-1 接触，输出轴4无位移输出；当y＞d-x时，向下驱动元件3与输出轴锁定端4-1接触后继续推动输出轴锁定端4-1，在向下驱动元件3的推动下，输出轴锁定端4-1克服作动器壳体轨道1-2的过盈配合约束，发生相对滑动；从而使输出轴4、输出轴锁定端4-1和输出轴输出端4-2整体向下输出y-d-x的位移；若初始时作动器输出轴4处于最高位置，输出轴4最大可输出行程为d的位移，若初始时输出轴4处于最低位置，则不能继续输出向上的位移。

本发明一种具备位置锁止功能的作动器装置，与其他专利不同的是，该作动器实现位置锁止无需增加其他的驱动元件，也不存在位置锁定的控制过程。该作动器可以采用压电陶瓷、直线电机、挠曲电驱动器、磁致伸缩、热致伸缩等不同原理的元件作为驱动元件，在断开控制器与电源的情况下实现具备锁止力的位置锁定。

与现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、作动器输出轴始终被过盈配合的摩擦力约束，断开电源后作动器输出轴具备位置锁止能力。作动器实现位置锁定不需要其他的驱动元件控制。

2、作动器由向上驱动、向下驱动两个驱动元件驱动，通过选择相同的驱动元件能够具备对称的双向直线驱动能力。

3、作动器驱动元件不限于压电材料，也可采用直线电机等大行程的驱动机构，因此作动器的行程与精度具备很强的适应性，可以满足不同行程需求的直线位移锁定要求。

4、相比于具有钳位控制结构的作动器结构，该作动器没有钳位作动过程对输出轴的扰动，输出位移直线度更好。

附图说明

图1为本发明作动器装置的剖视图。

图2为本发明作动器结构示意图。

图3为本发明作动器向上驱动示意图。

图4为本发明作动器向下驱动示意图。

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，本发明为一种带有位置锁止功能的双向直线作动器，包括作动器壳体1，作动器壳体1内壁为作动器壳体轨道1-2，作动器壳体轨道1-2内为作动器壳体下空腔1-1和作动器壳体上空腔1-3，安装在作动器壳体下空腔1-1内的向上驱动元件2，安装在作动器壳体上空腔1-3内的向下驱动元件3，位于向下驱动元件3内穿过作动器壳体上空腔1-3的输出轴4，与作动器壳体轨道1-2过盈配合的输出轴锁定端4-1，安装在作动器壳体1顶部，用于限制作动器向下驱动元件3向上运动的作动器上顶盖5，穿过作动器上顶盖5的输出轴输出端4-2。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器，通过输出轴输出端4-2 输出所需的直线位移。完成安装后，输出轴锁定端4-1与作动器壳体轨道 1-2始终处于过盈配合状态，受到接触摩擦力约束。当作动器电源与控制器完全断开时，由于输出轴锁定端4-1与作动器壳体轨道1-2过盈配合，与输出轴锁定端4-1相连接的输出轴输出端4-2仍然具备位置的锁定保持。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器，其输出直线位移行程为d，完成安装后，输出轴4处于输出直线位移总行程d中的x位置，在向上驱动元件2与输出轴锁定端4-1之间存在x的缝隙，在向下驱动元件 3与输出轴锁定端4-1之间存在d-x的缝隙。向上驱动元件2与向下驱动元件3不工作时都处于其自身长度最短的状态，通电工作时向上驱动元件2与向下驱动元件3将伸长，断电后恢复最短状态，不具备断电锁定能力。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器的作动方法，如图3所示，该作动器可以实现向上的直线位移，最大位移行程为d，输出轴4向上驱动时，向上驱动元件2工作，向下驱动元件3不工作。当作动器锁定端4-1处于x位置时，驱动向上驱动元件2向上驱动y，当y＜x时，输出轴4无位移输出；当y＝x时，向上驱动元件2恰好与输出轴锁定端4-1 接触，输出轴4无位移输出；当y＞x时，向上驱动元件2与输出轴锁定端4-1接触后继续推动输出轴锁定端4-1，在向上驱动元件2的推动下，输出轴锁定端4-1克服作动器壳体轨道1-2的过盈配合约束，发生相对滑动。从而使输出轴4，输出轴锁定端4-1，输出轴输出端4-2整体向上输出y-x的位移。若初始时作动器输出轴4处于最低位置，输出轴4最大可输出行程为d的位移，若初始时输出轴处于最高位置，则输出轴不能继续输出向上的位移。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器的作动方法，如图4所示，该作动器可以实现向下的直线位移，最大位移行程为d。输出轴4向下驱动时，向下驱动元件3工作，向上驱动元件2不工作。当作动器输出轴4 处于x位置时，驱动向下驱动元件3向下驱动y，当y＜d-x时，输出轴4 无位移输出；当y＝d-x时，向下驱动元件3恰好与输出轴锁定端4-1接触，输出轴4无位移输出；当y＞d-x时，向下驱动元件3与输出轴锁定端4-1 接触后继续推动输出轴锁定端4-1，在向下驱动元件3的推动下，输出轴锁定端4-1克服作动器壳体轨道1-2的过盈配合约束，发生相对滑动。从而使输出轴4、输出轴锁定端4-1和输出轴输出端4-2整体向下输出y-(d-x) 的位移。若初始时作动器输出轴4处于最高位置，输出轴4最大可输出行程为d的位移，若初始时输出轴处于最低位置，则输出轴不能继续输出向上的位移。

所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器，其向上输出元件2和向下输出元件3可以采用不同驱动原理的直线驱动材料或机构，包括但不限于压电、挠曲电、铁电，电致伸缩，介电高弹体，磁至伸缩，热致伸缩等智能材料，以及音圈作动器，压电作动器，直线电机等不具备断电位置锁定的直线驱动装置。

Claims (4)

1.一种带有位置锁止功能的双向直线作动器的作动方法，所述带有位置锁止功能的双向直线作动器包括作动器壳体(1)，作动器壳体(1)内壁为作动器壳体轨道(1-2)，作动器壳体轨道(1-2)内为作动器壳体下空腔(1-1)和作动器壳体上空腔(1-3)，安装在作动器壳体下空腔(1-1)内的向上驱动元件(2)，安装在作动器壳体上空腔(1-3)内的向下驱动元件(3)，位于向下驱动元件(3)内穿过作动器壳体上空腔(1-3)的输出轴(4)，与作动器壳体轨道(1-2)过盈配合的输出轴锁定端(4-1)，安装在作动器壳体(1)顶部，用于限制作动器向下驱动元件(3)向上运动的作动器上顶盖(5)，穿过作动器上顶盖(5)的输出轴输出端(4-2)；

其特征在于：所述作动方法为：该作动器能够实现向上的直线位移，最大位移行程为d，输出轴(4)向上驱动时，向上驱动元件(2)工作，向下驱动元件(3)不工作；当作动器锁定端(4-1)处于x位置时，驱动向上驱动元件(2)向上驱动y，当y＜x时，输出轴(4)无位移输出；当y＝x时，向上驱动元件(2)恰好与输出轴锁定端(4-1)接触，输出轴(4)无位移输出；当y＞x时，向上驱动元件(2)与输出轴锁定端(4-1)接触后继续推动输出轴锁定端(4-1)，在向上驱动元件(2)的推动下，输出轴锁定端(4-1)克服作动器壳体轨道(1-2)的过盈配合约束，发生相对滑动；从而使输出轴(4)，输出轴锁定端(4-1)，输出轴输出端(4-2)整体向上输出y-x的位移；若初始时作动器输出轴(4)处于最低位置，输出轴(4)最大能输出行程为d的位移，若初始时输出轴(4)处于最高位置，则不能继续输出向上的位移；

该作动器能够实现向下的直线位移，最大位移行程为d；输出轴(4)向下驱动时，向下驱动元件(3)工作，向上驱动元件(2)不工作；当作动器输出轴(4)处于x位置时，驱动向下驱动元件(3)向下驱动y，当y＜d-x时，输出轴(4)无位移输出；当y＝d-x时，向下驱动元件(3)恰好与输出轴锁定端(4-1)接触，输出轴(4)无位移输出；当y＞d-x时，向下驱动元件(3)与输出轴锁定端(4-1)接触后继续推动输出轴锁定端(4-1)，在向下驱动元件(3)的推动下，输出轴锁定端(4-1)克服作动器壳体轨道(1-2)的过盈配合约束，发生相对滑动；从而使输出轴(4)、输出轴锁定端(4-1)和输出轴输出端(4-2)整体向下输出y-(d-x)的位移；若初始时作动器输出轴(4)处于最高位置，输出轴(4)最大可输出行程为d的位移，若初始时输出轴(4)处于最低位置，则不能继续输出向上的位移。

2.根据权利要求1所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器的作动方法，其特征在于：通过输出轴(4)输出所需的直线位移；完成安装后，输出轴锁定端(4-1)与作动器壳体轨道(1-2)始终处于过盈配合状态，受到接触摩擦力约束；当作动器电源与控制器完全断开时，由于输出轴锁定端(4-1)与作动器壳体轨道(1-2)过盈配合，与输出轴锁定端(4-1)相连接的输出轴输出端(4-2)仍然具备位置的锁定保持。

3.根据权利要求1所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器的作动方法，其特征在于：完成安装后向上驱动元件(2)顶部与输出轴锁定端(4-1)底部之间存在间隙，输出轴锁定端(4-1)顶部与向下驱动元件(3)底部之间存在间隙，两个间隙之和等于作动器直线位移行程d。

4.根据权利要求1所述的带有位置锁止功能的双向直线作动器的作动方法，其特征在于：该作动器的向上驱动元件(2)和向下驱动元件(3)采用电磁、逆压电、逆挠曲电、磁致伸缩或热致伸缩驱动原理的驱动元件。

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