CN112290822B - 一种大推力螺纹式直线超声电机及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大推力螺纹式直线超声电机及其工作方法，电机包含壳体、压电驱动模块第一直线轴承、第二直线轴承和输出轴。输出轴两端为光柱、中间为螺柱；压电驱动模块设置在壳体内，包含两个承载板、两个螺母、柔性联轴器、和四个压电叠堆。通孔控制四个压电叠堆运动的时序，使两个螺母产生固定步序的周期运动，进而使得输出轴产生正反向直线运动，从而实现装置的正、反向运动工作。本发明可靠性高、输出推力大，通用性较高，易于推广，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动领域，尤其涉及一种大推力螺纹式直线超声电机及其工作方法。
背景技术
超声电机是一种基于压电效应和超声振动的作动器，特别是螺纹式超声电机具有精度高、断电自锁、推力大等特点，在航空航天领域具有极其广泛的应用。但是，螺纹式超声电机仍因其功率较小的原因，导致应用化具有一定困难。因此，如何增大超声电机的功率、如何进一步提高输出推力及负载力成了压电作动器进一步拓宽应用范围、提高装置性能所面临的主要问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种大推力螺纹式直线超声电机及其工作方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种大推力螺纹式直线超声电机，包含壳体、压电驱动模块第一直线轴承、第二直线轴承和输出轴；
所述输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱，所述第一光柱、第二光柱远离螺柱的一端均设有用于和外部相连的连接键；
所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，其两个端面中心分别设有供所述第一光柱、第二光柱穿出的通孔；
所述压电驱动模块设置在壳体内，包含第一至第二承载板、第一至第二螺母、柔性联轴器、以及第一至第四压电叠堆；
所述第一承载板、第二承载板均为圆板，平行设置在壳体内、和壳体同轴固连，且第一承载板、第二承载板中心均设有供螺柱穿过的通孔；
所述第一光柱通过第一直线轴承和所述壳体一个端面中心的通孔相连，第二光柱通过第二直线轴承和壳体另一个端面中心的通孔相连，使得输出轴能够相对壳体自由滑动；所述螺柱位于壳体内，依次穿过第一承载板、第二承载板中心的通孔，和第一承载板、第二承载板不接触；
所述第一螺母、柔性联轴器、第二螺母设置在第一承载板、第二承载板之间，其中，第一螺母、第二螺母均和所述螺柱螺纹相连；柔性联轴器套在螺柱上，一端和第一螺母固连，另一端和第二螺母固连；
所述第一压电叠堆、第二压电叠堆均一端和所述第一承载板固连，另一端和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l 1；所述第一压电叠堆、第二压电叠堆均用于向第二螺母施加推力和旋转力，且第一压电叠堆、第二压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；
所述第三压电叠堆、第四压电叠堆均一端和所述第二承载板固连，另一端和第一螺母相抵；所述第三压电叠堆、第四压电叠堆均用于向第一螺母施加推力和旋转力，且第三压电叠堆、第四压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反。
所述压电驱动模块通过结构设计优化内部空间，使长度空间增大，因此第一至第四压电叠堆长度范围增大，功率范围也因此更加，输出推力较传统小型压电叠堆驱动设计有明显提升。
本发明还公开了一种该大推力螺纹式直线超声电机的单次驱动方法，包含如下步骤：
步骤1），同时驱动第三、第四压电叠堆工作使其轴向伸长，推动第一螺母使其带动输出轴、柔性联轴器、第二螺母朝第一承载板方向平动距离l 1，此时，第一螺母无法转动，第一压电叠堆、第二压电叠堆和第二螺母相抵；
步骤2），驱动第一压电叠堆工作，使得第二螺母朝第二承载板方向转动距离l 1后，驱动第二压电叠堆抵住第二螺母、消除第一压电叠堆施加的旋转力，使得第二螺母静止，此时，柔性联轴器发生扭转、存储势能；
步骤3），同时控制第三、第四压电叠堆收缩至原状，此时，第一螺母在柔性联轴器的带动下朝第二承载板方向转动距离l 1、再次和第三、第四压电叠堆相抵；
步骤4），同时控制第一、第二压电叠堆收缩至原状。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 本发明通过设置多组压电叠堆，激励驱动平台的螺母和驱动螺母进行旋转与直线运动，在压电叠堆巨大输出力作用下，依靠摩擦力带动螺杆正向或反向输出，结合周期性的特殊运动时序，从而实现装置大推力目的；
2. 本发明可通过改变螺母和驱动螺母大小或装置整体长度，进行增加或减少驱动平台的数量或柱形压电叠堆，即可适用于不同驱动力、负载力的应用场合；
3. 本发明通过结构设计优化内部空间，选择两组压电叠堆驱动，由于空间更大，因此压电叠堆长度可选择长度范围增大，功率范围也因此更加，输出推力较传统设计有明显提升。
附图说明
图1是本发明的外管示意图；
图2是本发明的结构剖视示意图；
图3是本发明中输出轴的结构示意图；
图4是本发明中壳体的结构示意图；
图5是本发明中壳体、第一承载板、第二承载板相配合的剖视示意图；
图6是本发明中柔性联轴器的结构示意图；
图7是本发明的驱动工作原理图。
图中，1-压电驱动模块，2-壳体，3-输出轴，4-第一螺母，5-第二螺母，6-第一压电叠堆，7-第二压电叠堆，8-第三压电叠堆，9-第四压电叠堆，10-第一承载板，11-第二承载板，12-连接键，13-柔性联轴器，14-第一直线轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1、图2所示，本发明公开了一种大推力螺纹式直线超声电机，包含壳体、压电驱动模块第一直线轴承、第二直线轴承和输出轴。
如图3所示，所述输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱，所述第一光柱、第二光柱远离螺柱的一端均设有用于和外部相连的连接键。
如图4所示，所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，其两个端面中心分别设有供所述第一光柱、第二光柱穿出的通孔；所述压电驱动模块设置在壳体内，包含第一至第二承载板、第一至第二螺母、柔性联轴器、以及第一至第四压电叠堆。
如图5所示，所述第一承载板、第二承载板均为圆板，平行设置在壳体内、和壳体同轴固连，且第一承载板、第二承载板中心均设有供螺柱穿过的通孔。
所述第一光柱通过第一直线轴承和所述壳体一个端面中心的通孔相连，第二光柱通过第二直线轴承和壳体另一个端面中心的通孔相连，使得输出轴能够相对壳体自由滑动；所述螺柱位于壳体内，依次穿过第一承载板、第二承载板中心的通孔，和第一承载板、第二承载板不接触。
所述第一螺母、柔性联轴器、第二螺母设置在第一承载板、第二承载板之间，其中，第一螺母、第二螺母均和所述螺柱螺纹相连；柔性联轴器套在螺柱上，一端和第一螺母固连，另一端和第二螺母固连，柔性联轴器的结构如图6所示。
所述第一压电叠堆、第二压电叠堆均一端和所述第一承载板固连，另一端和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l 1；所述第一压电叠堆、第二压电叠堆均用于向第二螺母施加推力和旋转力，且第一压电叠堆、第二压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；
所述第三压电叠堆、第四压电叠堆均一端和所述第二承载板固连，另一端和第一螺母相抵；所述第三压电叠堆、第四压电叠堆均用于向第一螺母施加推力和旋转力，且第三压电叠堆、第四压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反。
所述压电驱动模块通过结构设计优化内部空间，使长度空间增大，因此第一至第四压电叠堆长度范围增大，功率范围也因此更加，输出推力较传统小型压电叠堆驱动设计有明显提升。
如图7所示，本发明还公开了一种该大推力螺纹式直线超声电机的单次驱动方法，包含如下步骤：
步骤1），同时驱动第三、第四压电叠堆工作使其轴向伸长，推动第一螺母使其带动输出轴、柔性联轴器、第二螺母朝第一承载板方向平动距离l 1，此时，第一螺母无法转动，第一压电叠堆、第二压电叠堆和第二螺母相抵；
步骤2），驱动第一压电叠堆工作，使得第二螺母朝第二承载板方向转动距离l 1后，驱动第二压电叠堆抵住第二螺母、消除第一压电叠堆施加的旋转力，使得第二螺母静止，此时，柔性联轴器发生扭转、存储势能；
步骤3），同时控制第三、第四压电叠堆收缩至原状，此时，第一螺母在柔性联轴器的带动下朝第二承载板方向转动距离l 1、再次和第三、第四压电叠堆相抵；
步骤4），同时控制第一、第二压电叠堆收缩至原状。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种大推力螺纹式直线超声电机，其特征在于，包含壳体、压电驱动模块、第一直线轴承、第二直线轴承和输出轴；
所述输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱，所述第一光柱、第二光柱远离螺柱的一端均设有用于和外部相连的连接键；
所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，其两个端面中心分别设有供所述第一光柱、第二光柱穿出的通孔；
所述压电驱动模块设置在壳体内，包含第一至第二承载板、第一至第二螺母、柔性联轴器、以及第一至第四压电叠堆；
所述第一承载板、第二承载板均为圆板，平行设置在壳体内、和壳体同轴固连，且第一承载板、第二承载板中心均设有供螺柱穿过的通孔；
所述第一光柱通过第一直线轴承和所述壳体一个端面中心的通孔相连，第二光柱通过第二直线轴承和壳体另一个端面中心的通孔相连，使得输出轴能够相对壳体自由滑动；所述螺柱位于壳体内，依次穿过第一承载板、第二承载板中心的通孔，和第一承载板、第二承载板不接触；
所述第一螺母、柔性联轴器、第二螺母设置在第一承载板、第二承载板之间，其中，第一螺母、第二螺母均和所述螺柱螺纹相连；柔性联轴器套在螺柱上，一端和第一螺母固连，另一端和第二螺母固连；
所述第一压电叠堆、第二压电叠堆均一端和所述第一承载板固连，另一端和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l 1；所述第一压电叠堆、第二压电叠堆均用于向第二螺母施加推力和旋转力，且第一压电叠堆、第二压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；
所述第三压电叠堆、第四压电叠堆均一端和所述第二承载板固连，另一端和第一螺母相抵；所述第三压电叠堆、第四压电叠堆均用于向第一螺母施加推力和旋转力，且第三压电叠堆、第四压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反。
2.基于权利要求1所述的大推力螺纹式直线超声电机的单次驱动方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1），同时驱动第三、第四压电叠堆工作使其轴向伸长，推动第一螺母使其带动输出轴、柔性联轴器、第二螺母朝第一承载板方向平动距离l 1，此时，第一螺母无法转动，第一压电叠堆、第二压电叠堆和第二螺母相抵；
步骤2），驱动第一压电叠堆工作，使得第二螺母朝第二承载板方向平动距离l 1后，驱动第二压电叠堆抵住第二螺母、消除第一压电叠堆施加的旋转力，使得第二螺母静止，此时，柔性联轴器发生扭转、存储势能；
步骤3），同时控制第三、第四压电叠堆收缩至原状，此时，第一螺母在柔性联轴器的带动下朝第二承载板方向平动距离l 1、再次和第三、第四压电叠堆相抵；
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