CN112290823B - 基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器及其工作方法，直线压电作动器包含压电驱动模块、壳体、输出轴；输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱；压电驱动模块设置在壳体内，包含三个承载板、两个螺母、柔性联轴器、M个第一压电叠堆组和M个第二压电叠堆组；三个承载板均为圆板，依次平行等距设置在壳体内、和壳体同轴固连。通过控制M个第一压电叠堆组和M个第二压电叠堆组中压电叠堆的时序，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。本发明有精度高、输出扭矩大，且通用性较高，易于推广，具有良好的经济效益。

Description

基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动领域，尤其涉及一种基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器及其工作方法。

背景技术

压电作动器是一种基于螺旋嵌位结构的直线压电作动装置，具有惯性小、无级变速、直驱、响应速度快等优点。压电作动器既可以作为直接的驱动源提供动力，也可以用来驱动和控制高精度定位装置。但是，压电作动器仍具有许多尚未解决的难题，例如输出功率不足、推力较小等，导致其在航空航天、工业机器人、机械传动等领域的应用仍然有限。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，提供一种基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器，包含压电驱动模块、壳体、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，包含第一至第三承载板、第一至第二螺母、柔性联轴器、M个第一压电叠堆组和M个第二压电叠堆组，M为大于等于1的自然数；

所述第一至第三承载板均为圆板，依次平行设置在壳体内、和壳体同轴固连，第一承载板、第二承载板之间的距离等于第二承载板、第三承载板之间的距离，且第一至第三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、第三承载板中心的通孔，和第一承载板、第二承载板、第三承载板不接触；

所述第一螺母设置在第一承载板、第二承载板之间，第二螺母设置在第二承载板、第三承载板之间，第一螺母、第二螺母均和所述螺柱螺纹相连；所述柔性联轴器套在螺柱上，一端和第一螺母固连，另一端穿过第二承载板中心的通孔后和第二螺母固连；

所述M个第一压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第一承载板的端面上，所述第一压电叠堆组均包含第一压电叠堆、第二压电叠堆，其中，第一压电叠堆、第二压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第一承载板的端面固连，另一端和第一螺母相抵；第一压电叠堆、第二压电叠堆均用于向第一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M个第二压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第三承载板的端面上，所述第二压电叠堆组均包含第三压电叠堆、第四压电叠堆，其中，第三压电叠堆、第四压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第三承载板的端面固连，另一端和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l ₁；第三压电叠堆、第四压电叠堆均用于向第二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。

所述压电驱动模块和第一至第三承载板是配套设置的，壳体内可以在螺柱上设置多套。

本发明还公开了一种该基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器的单次驱动方法，包含以下步骤：

步骤1），同时驱动M个第一压电叠堆组的第一、第二压电叠堆伸长，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，，M个第二压电叠堆组中的第三压电叠堆、第四压电叠堆均和第二螺母相抵；

步骤2），驱动M个第二压电叠堆组的第三压电叠堆工作，使得第二螺母朝第二承载板方向转动距离l ₁后，驱动M个第二压电叠堆组的第四压电叠堆抵住第二螺母、消除M个第二压电叠堆组中的第三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M个第一压电叠堆组的第一、第二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M个第一压电叠堆组的第一、第二压电叠堆相抵。

步骤4），同时驱动M个第二压电叠堆组的第三、第四压电叠堆收缩，使其和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l ₁。

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，激励压电驱动模块的第一螺母和第二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的目的；

2. 本发明压电驱动模块和第一至第三承载板是配套设置的，壳体内可以在螺柱上设置多套，能够适用于不同驱动力、负载力的应用场合；

3. 发明为保证所述装置的通用性，其驱动源主要是采用压电叠堆驱动源，连接部位采用标准化螺栓位设计，在特殊工作场景或工作条件的要求下，其可由液压缸、气缸、磁致伸缩材料、形状记忆合金等其他类型的驱动源所替代，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明中的结构示意图；

图2是本发明中剖视结构示意图；

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是本发明中壳体和第一至第三承载板相配合的剖视结构示意图；

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-第一直线轴承，2-第二直线轴承，3-壳体，4-输出轴，5-第一螺母，6-第二螺母，7-第一压电叠堆组中的第一压电叠堆，8-第一压电叠堆组中的第二压电叠堆，9-第二压电叠堆组中的第三压电叠堆，10-第二压电叠堆组中的第四压电叠堆，11-柔性联轴器，12-第一承载板，13-第二承载板，14-第三承载板，15-连接键。

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，本发明公开了一种基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器，包含压电驱动模块、壳体、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，包含第一至第三承载板、第一至第二螺母、柔性联轴器、M个第一压电叠堆组和M个第二压电叠堆组，M为大于等于1的自然数；

如图5所示，所述第一至第三承载板均为圆板，依次平行设置在壳体内、和壳体同轴固连，第一承载板、第二承载板之间的距离等于第二承载板、第三承载板之间的距离，且第一至第三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、第三承载板中心的通孔，和第一承载板、第二承载板、第三承载板不接触；

所述第一螺母设置在第一承载板、第二承载板之间，第二螺母设置在第二承载板、第三承载板之间，第一螺母、第二螺母均和所述螺柱螺纹相连；所述柔性联轴器套在螺柱上，一端和第一螺母固连，另一端穿过第二承载板中心的通孔后和第二螺母固连，柔性联轴器的结构如图6所示；

所述M个第一压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第一承载板的端面上，所述第一压电叠堆组均包含第一压电叠堆、第二压电叠堆，其中，第一压电叠堆、第二压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第一承载板的端面固连，另一端和第一螺母相抵；第一压电叠堆、第二压电叠堆均用于向第一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M个第二压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第三承载板的端面上，所述第二压电叠堆组均包含第三压电叠堆、第四压电叠堆，其中，第三压电叠堆、第四压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第三承载板的端面固连，另一端和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l ₁；第三压电叠堆、第四压电叠堆均用于向第二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。

所述压电驱动模块和第一至第三承载板是配套设置的，壳体内可以在螺柱上设置多套。

如图7所示，本发明还公开了一种该基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器的单次驱动方法，包含以下步骤：

步骤1），同时驱动M个第一压电叠堆组的第一、第二压电叠堆伸长，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，，M个第二压电叠堆组中的第三压电叠堆、第四压电叠堆均和第二螺母相抵；

步骤2），驱动M个第二压电叠堆组的第三压电叠堆工作，使得第二螺母朝第二承载板方向转动距离l ₁后，驱动M个第二压电叠堆组的第四压电叠堆抵住第二螺母、消除M个第二压电叠堆组中的第三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M个第一压电叠堆组的第一、第二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M个第一压电叠堆组的第一、第二压电叠堆相抵。

步骤4），同时驱动M个第二压电叠堆组的第三、第四压电叠堆收缩，使其和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l ₁。

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.基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器，其特征在于，包含压电驱动模块、壳体、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，包含第一至第三承载板、第一至第二螺母、柔性联轴器、M个第一压电叠堆组和M个第二压电叠堆组，M为大于等于1的自然数；

所述第一至第三承载板均为圆板，依次平行设置在壳体内、和壳体同轴固连，第一承载板、第二承载板之间的距离等于第二承载板、第三承载板之间的距离，且第一至第三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、第三承载板中心的通孔，和第一承载板、第二承载板、第三承载板不接触；

所述第一螺母设置在第一承载板、第二承载板之间，第二螺母设置在第二承载板、第三承载板之间，第一螺母、第二螺母均和所述螺柱螺纹相连；所述柔性联轴器套在螺柱上，一端和第一螺母固连，另一端穿过第二承载板中心的通孔后和第二螺母固连；

所述M个第一压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第一承载板的端面上，所述第一压电叠堆组均包含第一压电叠堆、第二压电叠堆，其中，第一压电叠堆、第二压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第一承载板的端面固连，另一端和第一螺母相抵；第一压电叠堆、第二压电叠堆均用于向第一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M个第二压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第三承载板的端面上，所述第二压电叠堆组均包含第三压电叠堆、第四压电叠堆，其中，第三压电叠堆、第四压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第三承载板的端面固连，另一端和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l ₁；第三压电叠堆、第四压电叠堆均用于向第二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所述的基于螺旋嵌位结构的直线压电作动器的单次驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），同时驱动M个第一压电叠堆组的第一、第二压电叠堆伸长，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，M个第二压电叠堆组中的第三压电叠堆、第四压电叠堆均和第二螺母相抵；

步骤2），驱动M个第二压电叠堆组的第三压电叠堆工作，使得第二螺母朝第二承载板方向平动距离l ₁后，驱动M个第二压电叠堆组的第四压电叠堆抵住第二螺母、消除M个第二压电叠堆组中的第三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M个第一压电叠堆组的第一、第二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M个第一压电叠堆组的第一、第二压电叠堆相抵；

步骤4），同时驱动M个第二压电叠堆组的第三、第四压电叠堆收缩，使其和第二螺母之间的间隙为预设的距离阈值l ₁。

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