CN110707963A - 基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器及作动方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器及作动方法，该作动器包括作动器底座，菱形驱动结构、压电陶瓷、上、下限位轴承、丝杠套筒、丝杠输出轴、顶盖和限位盖板；作动器通过控制压电陶瓷的电压与电压变化速率，驱动菱形驱动结构产生速率不同的弹性变形，借助菱形驱动结构与丝杠套筒之间的摩擦力实现惯性式驱动原理，带动丝杠套筒完成旋转运动，经丝杠副传动后转化为丝杠输出轴的轴向直线运动；相比于其他压电材料驱动的惯性式、尺蠖式工作原理，本发明具备丝杠副传动实现直线运动，作动器推力与作动器质量的推重比比值更大，且具备轴承承载作动器轴向受力，断电锁止能力更强。
Description
技术领域
本发明涉及一种作动装置，具体为一种基于惯性式原理驱动具备断电自锁能力的大推力直线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、惯性式的作动输出结构被提出，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。但是当前压电陶瓷驱动的作动器，多以结构界面之间的摩擦配合实现锁止，在不安装传动结构的基础上，作动器输出力及锁止力受到材料摩擦系数、预紧摩擦力的限制，锁止力难以继续提高，作动器推重比(作动器推力与作动器质量的比值)较小。因此迫切需要一种推重比高，自锁力可靠的压电材料作动器。
发明内容
为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器及作动方法，使用一个压电陶瓷采用惯性式原理驱动，经丝杠结构传动后实现双向大推拉力直线位移输出，且具备可靠的断电锁止能力，该作动器具有结构简单，推重比大的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，包括作动器底座1，安装在作动器底座1上的菱形驱动结构2，沿菱形驱动结构2长轴安装的压电陶瓷3，安装在作动器底座1上的下限位轴承4，安装在下位轴承4上的丝杠套筒5，安装在丝杠套筒5上的上限位轴承6，穿过作动器结构的丝杠输出轴7，通过作动器底座1上的第一连接柱1-1、第二连接柱1-2和第三连接柱1-3与作动器底座1连接的顶盖8，安装在顶盖8上能限制丝杠输出轴7转动的限位盖板9；所述菱形驱动结构2沿短轴两侧具备菱形环输出端2-1与菱形环固定端2-2，其中菱形环固定端2-2与作动器底座1连接，菱形环输出端2-1与丝杠套筒5外侧摩擦接触。
所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，下限位轴承4与上限位轴承6可以选用圆锥滚子轴承、角接触轴承、或深沟球轴承，作动器完成安装后，下限位轴承4与上限位轴承6将约束丝杠套筒5的径向与轴向运动，丝杠套筒5只能围绕丝杠输出轴7转动。
所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，丝杠输出轴7受到限位盖板9的约束不能发生转动，仅能沿其轴线方向产生直线运动。
所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，丝杠套筒5与丝杠输出轴7组成丝杠副，丝杠副可以选用滚珠丝杠或梯形丝杠，丝杠套筒5旋转时，丝杠输出轴7将沿其轴线方向产生直线运动。
所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器的作动方法，初始状态作动器中的压电陶瓷3处于断电状态，菱形驱动结构2的菱形环固定端2-2与菱形环输出端2-1之间处于自由的伸长状态，菱形环输出端2-1与丝杠套筒5之间的摩擦接触限制丝杠套筒5的转动，作动器的丝杠输出轴7所承受的外部轴向载荷由下限位轴承4与上限位轴承6承担。当作动器正向驱动时，丝杠套筒5顺时针转动，丝杠输出轴7向上运动，作动器采用如下工作步骤：
第一步，压电陶瓷3快速通电伸长，菱形驱动结构2快速发生弹性变形，随着压电陶瓷3伸长，菱形驱动结构2沿压电陶瓷3的伸长方向拉伸变形，菱形环输出端2-1快速回缩，在这一过程中，由于丝杠套筒5的惯性矩，驱动丝杠套筒5旋转的惯性力大于丝杠套筒5测表面与菱形环输出端2-1之间的摩擦力，丝杠套筒5将几乎停留在初始位置；
第二步，压电陶瓷3电压缓慢回复到零，陶瓷缩短，菱形驱动结构2弹性变形恢复，菱形环输出端2-1慢速伸长，在这一过程中，由于菱形环输出端2-1与丝杠套筒5侧表面之间的速度较慢，两者接触的摩擦力大于驱动丝杠套筒5转动所需的惯性力，丝杠套筒5将随着菱形环输出端2-1的运动顺时针转过一微小角度。
此时，相比于作动器初始状态，压电陶瓷3电压恢复至零，且作动器的丝杠套筒5顺时针转过了微小角度，重复上述过程，可以驱动丝杠套筒5顺时针完成大角度旋转。在丝杠套筒5顺时针旋转中，由于丝杠输出轴7被限位盖板9约束无法旋转，故经过丝杠副传动后，丝杠输出轴7将沿轴向向上运动。
当作动器逆向驱动时，丝杠套筒5逆时针转动，丝杠输出轴7向下运动，采用如下工作步骤：
第一步，压电陶瓷3慢速通电伸长，菱形驱动结构2慢速发生弹性变形，随着压电陶瓷3伸长，菱形驱动结构2沿压电陶瓷3的伸长方向拉伸变形，菱形环输出端2-1慢速回缩，在这一过程中，两者接触的摩擦力大于驱动丝杠套筒5转动所需的惯性力，丝杠套筒5将随着菱形环输出端2-1的运动逆时针转过一微小角度；
第二步，压电陶瓷3电压快速恢复到零，压电陶瓷3缩短，菱形驱动结构2弹性变形快速恢复，菱形环输出端2-1快速伸长，在这一过程中，由于丝杠套筒5的惯性矩，驱动丝杠套筒5旋转的惯性力大于丝杠套筒5侧表面与菱形环输出端2-1之间的摩擦力，丝杠套筒5将几乎停留在初始位置。
此时，相比于作动器初始状态，压电陶瓷3电压恢复至零，且作动器的丝杠套筒5逆时针转过了微小角度，重复上述过程，可以驱动丝杠套筒5逆时针完成大角度旋转。在丝杠套筒5逆时针旋转中，由于丝杠输出轴7被限位盖板9约束无法旋转，故经过丝杠副传动后，丝杠输出轴7将沿轴向向下运动。
与现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、作动器采用惯性式原理驱动旋转运动，经丝杠副传动后实现直线推拉力输出，相较于其它压电作动器，在更轻质量下实现更大推力，具备更大推重比。
2、作动器不直接依靠摩擦力实现断电锁止，输出轴受到的轴向推拉力主要由上下限位轴承承担，具备更可靠的断电锁止能力。
3、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正向驱动示意图。
图4为本发明作动器装置逆向驱动示意图。
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，本发明一种基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，包括作动器底座1，安装在作动器底座1上的菱形驱动结构2，沿菱形驱动结构2长轴安装的压电陶瓷3，安装在作动器底座1上的下限位轴承4，安装在下下位轴承4上的丝杠套筒5，安装在丝杠套筒5上的上限位轴承6，穿过作动器结构的丝杠输出轴7，通过作动器底座1上的第一连接柱1-1、第二连接柱1-2和第三连接柱1-3与作动器底座1连接的顶盖8，安装在顶盖8上能限制丝杠输出轴7转动的限位盖板9。
所述菱形驱动结构2沿短轴两侧具备菱形环输出端2-1与菱形环固定端2-2，其中菱形环固定端2-2与作动器底座1连接，菱形环输出端2-1与丝杠套筒5外侧摩擦接触。
所述下限位轴承4与上限位轴承6可以选用圆锥滚子轴承、角接触轴承、或深沟球轴承，作动器完成安装后，下限位轴承4与上限位轴承6将约束丝杠套筒5的径向与轴向运动，丝杠套筒5只能围绕丝杠输出轴7转动。
所述丝杠输出轴7受到限位盖板9的约束不能发生转动，仅能沿其轴线方向产生直线运动。
所述丝杠套筒5与丝杠输出轴7组成丝杠副，丝杠副可以选用滚珠丝杠或梯形丝杠，丝杠套筒5旋转时，丝杠输出轴7将沿其轴线方向产生直线运动。
所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器的作动方法，如图3和图4所示，初始状态作动器中的压电陶瓷3处于断电状态，菱形驱动结构2的菱形环固定端2-2与菱形环输出端2-1之间处于自由的伸长状态，菱形环输出端2-1与丝杠套筒5之间的摩擦接触限制丝杠套筒5的转动，作动器的丝杠输出轴7所承受的外部轴向载荷由下限位轴承4与上限位轴承6承担。如图3所示，当作动器正向驱动时，丝杠套筒5顺时针转动，丝杠输出轴7向上运动，作动器作动器采用如下工作步骤：
第一步，压电陶瓷3快速通电伸长，菱形驱动结构2快速发生弹性变形，随着压电陶瓷3伸长，菱形驱动结构2沿压电陶瓷3的伸长方向拉伸变形，菱形环输出端2-1快速回缩，在这一过程中，由于丝杠套筒5的惯性矩，驱动丝杠套筒5旋转的惯性力大于丝杠套筒5侧表面与菱形环输出端2-1之间的摩擦力，丝杠套筒5将几乎停留在初始位置；
第二步，压电陶瓷3电压缓慢回复到零，陶瓷缩短，菱形驱动结构2弹性变形恢复，菱形环输出端2-1慢速伸长，在这一过程中，由于菱形环输出端2-1与丝杠套筒5侧表面之间的速度较慢，两者接触的摩擦力大于驱动丝杠套筒5转动所需的惯性力，丝杠套筒5将随着菱形环输出端2-1的运动顺时针转过一微小角度。
此时，相比于作动器初始状态，压电陶瓷3电压恢复至零，且作动器的丝杠套筒5顺时针转过了微小角度，重复上述过程，可以驱动丝杠套筒5顺时针完成大角度旋转。在丝杠套筒5顺时针旋转中，由于丝杠输出轴7被限位盖板9约束无法旋转，故经过丝杠副传动后，丝杠输出轴7将沿轴向向上运动。
如图4所示，当作动器逆向驱动时，丝杠套筒5逆时针转动，丝杠输出轴7向下运动，采用如下工作步骤：
第一步，压电陶瓷3慢速通电伸长，菱形驱动结构2慢速发生弹性变形，随着压电陶瓷3伸长，菱形驱动结构2沿压电陶瓷3的伸长方向拉伸变形，菱形环输出端2-1慢速回缩，在这一过程中，两者接触的摩擦力大于驱动丝杠套筒5转动所需的惯性力，丝杠套筒5将随着菱形环输出端2-1的运动逆时针转过一微小角度；
第二步，压电陶瓷3电压快速恢复到零，压电陶瓷3缩短，菱形驱动结构2弹性变形快速恢复，菱形环输出端2-1快速伸长，在这一过程中，由于丝杠套筒5的惯性矩，驱动丝杠套筒5旋转的惯性力大于丝杠套筒5侧表面与菱形环输出端2-1之间的摩擦力，丝杠套筒5将几乎停留在初始位置。
此时，相比于作动器初始状态，压电陶瓷3电压恢复至零，且作动器的丝杠套筒5逆时针转过了微小角度，重复上述过程，可以驱动丝杠套筒5逆时针完成大角度旋转。在丝杠套筒5逆时针旋转中，由于丝杠输出轴7被限位盖板9约束无法旋转，故经过丝杠副传动后，丝杠输出轴7将沿轴向向下运动。
Claims (4)
1.一种基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，其特征在于：包括作动器底座(1)，安装在作动器底座(1)上的菱形驱动结构(2)，沿菱形驱动结构(2)长轴安装的压电陶瓷(3)，安装在作动器底座(1)上的下限位轴承(4)，安装在下下位轴承(4)上的丝杠套筒(5)，安装在丝杠套筒(5)上的上限位轴承(6)，穿过作动器结构的丝杠输出轴(7)，通过作动器底座(1)上的第一连接柱(1-1)、第二连接柱(1-2)和第三连接柱(1-3)与作动器底座(1)连接的顶盖(8)，安装在顶盖(8)上能限制丝杠输出轴(7)转动的限位盖板(9)；所述菱形驱动结构(2)沿短轴两侧具备菱形环输出端(2-1)与菱形环固定端(2-2)，其中菱形环固定端(2-2)与作动器底座(1)连接，菱形环输出端(2-2)与丝杠套筒(5)外侧摩擦接触。
2.根据权利要求1所述的所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，其特征在于：所述下限位轴承(4)与上限位轴承(6)选用圆锥滚子轴承、角接触轴承或深沟球轴承，作动器完成安装后，下限位轴承(4)与上限位轴承(6)将约束丝杠套筒(5)的径向与轴向运动，丝杠套筒(5)只能围绕丝杠输出轴(7)转动，丝杠输出轴(7)受到限位盖板(9)的约束，只能沿其轴线方向输出直线位移。
3.根据权利要求1所述的所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，其特征在于：所述丝杠套筒(5)与丝杠输出轴(7)组成丝杠副，丝杠副选用滚珠丝杠或梯形丝杠，丝杠套筒(5)旋转时，丝杠输出轴(7)将沿其轴线方向产生直线运动。
4.根据权利要求1所述的所述的基于惯性式原理驱动的可自锁大推力直线作动器，其特征在于：初始状态作动器中的压电陶瓷(3)处于断电状态，菱形驱动结构(2)的菱形环输出端(2-1)与菱形环固定端(2-2)之间处于自由的伸长状态，菱形环输出端(2-1)与丝杠套筒(5)之间的摩擦接触限制丝杠套筒(5)的转动，作动器的丝杠输出轴(7)所承受的外部轴向载荷由下限位轴承(4)与上限位轴承(6)承担：当作动器正向驱动时，丝杠套筒(5)顺时针转动，丝杠输出轴(7)向上运动，作动器采用如下工作步骤：第一步，压电陶瓷(3)快速通电伸长，菱形驱动结构(2)快速发生弹性变形，随着压电陶瓷(3)伸长，菱形驱动结构(2)沿压电陶瓷(3)的伸长方向拉伸变形，菱形环输出端(2-1)快速回缩，在这一过程中，由于丝杠套筒(5)的惯性矩，驱动丝杠套筒(5)旋转的惯性力大于丝杠套筒(5)侧表面与菱形环输出端(2-1)之间的摩擦力，丝杠套筒(5)将停留在初始位置；第二步，压电陶瓷(3)电压缓慢回复到零，陶瓷缩短，菱形驱动结构(2)弹性变形恢复，菱形环输出端(2-1)慢速伸长，在这一过程中，由于菱形环输出端(2-1)与丝杠套筒(5)侧表面之间的速度较慢，两者接触的摩擦力大于驱动丝杠套筒(5)转动所需的惯性力，丝杠套筒(5)将随着菱形环输出端(2-1)的运动顺时针转过一微小角度；此时，相比于作动器初始状态，压电陶瓷(3)电压恢复至零，且作动器的丝杠套筒(5)顺时针转过了微小角度，重复上述过程，能够驱动丝杠套筒(5)顺时针完成大角度旋转；在丝杠套筒(5)顺时针旋转中，由于丝杠输出轴(7)被限位盖板(9)约束无法旋转，故经过丝杠副传动后，丝杠输出轴(7)将沿轴向向上运动；
当作动器逆向驱动时，丝杠套筒(5)逆时针转动，丝杠输出轴(7)向下运动，采用如下工作步骤：第一步，压电陶瓷(3)慢速通电伸长，菱形驱动结构(2)慢速发生弹性变形，随着压电陶瓷(3)伸长，菱形驱动结构(2)沿压电陶瓷(3)的伸长方向拉伸变形，菱形环输出端(2-1)慢速回缩，在这一过程中，两者接触的摩擦力大于驱动丝杠套筒(5)转动所需的惯性力，丝杠套筒(5)将随着菱形环输出端(2-1)的运动逆时针转过一微小角度；第二步，压电陶瓷(3)电压快速恢复到零，压电陶瓷(3)缩短，菱形驱动结构(2)弹性变形快速恢复，菱形环输出端(2-1)快速伸长，在这一过程中，由于丝杠套筒(5)的惯性矩，驱动丝杠套筒(5)旋转的惯性力大于丝杠套筒(5)侧表面与菱形环输出端(2-1)之间的摩擦力，丝杠套筒(5)将停留在初始位置；此时，相比于作动器初始状态，压电陶瓷(3)电压恢复至零，且作动器的丝杠套筒(5)逆时针转过了微小角度，重复上述过程，能够驱动丝杠套筒(5)逆时针完成大角度旋转；在丝杠套筒(5)逆时针旋转中，由于丝杠输出轴(7)被限位盖板(9)约束无法旋转，故经过丝杠副传动后，丝杠输出轴(7)将沿轴向向下运动。
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| GR01 | Patent grant | ||
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