CN114244182B - 含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法 - Google Patents
含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114244182B CN114244182B CN202111605666.6A CN202111605666A CN114244182B CN 114244182 B CN114244182 B CN 114244182B CN 202111605666 A CN202111605666 A CN 202111605666A CN 114244182 B CN114244182 B CN 114244182B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- displacement
- force
- clamping unit
- elastic clamping
- cylindrical shell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 166
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 title claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 60
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 9
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 8
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 claims description 4
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 2
- BGPVFRJUHWVFKM-UHFFFAOYSA-N N1=C2C=CC=CC2=[N+]([O-])C1(CC1)CCC21N=C1C=CC=CC1=[N+]2[O-] Chemical compound N1=C2C=CC=CC2=[N+]([O-])C1(CC1)CCC21N=C1C=CC=CC1=[N+]2[O-] BGPVFRJUHWVFKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/04—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
本发明公开了含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法，该作动器自上而下由质心位于同一直线的力传感部件，位移传感部件，作动部件组成，力传感部件由限位层、力传感柔性帽、力霍尔元件、永磁体及磁铁支撑架构成，位移传感部件由位移霍尔元件，与力传感部件共用的永磁体与磁铁支撑架构成，作动部件由圆柱外壳、调节螺钉、弹性钳位单元、椭圆环、压电堆、作动块构成；力传感部件螺纹固接于圆柱外壳，位移霍尔元件粘接于作动部件上方；本发明结构紧凑，断电锁止，钳位力可调节，采用比例式线性霍尔传感器感知输出力与位移，基于惯性式作动原理，利用非对称锯齿波驱动电压，可在三种负载工况下产生直线位移输出。
Description
技术领域
本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法。
背景技术
惯性式压电作动器是一类采用非对称的驱动信号、非对称的机械夹持结构或非对称的摩擦力为控制方式，通过惯性冲击运动形成驱动的机构。
与其他类型的压电驱动比较，惯性压电作动器具有结构简单、响应速度快、分辨率高、大行程、运动速度快和成本低等主要优点，可实现较大行程且同时具有纳米级定位精度。因此，惯性压电作动器适用于需要高分辨率、大行程的场合。目前，科技工作者已成功将惯性压电作动器应用于高精度定位机构，多自由度驱动器，微型机器人关节以及微操作手等领域。
一般地，直线式惯性压电作动器在结构内部包含线性导轨，采用直线光栅进行感知位移，这种设计极大增加了作动器的横向尺寸，限制了作动器在更小应用环境下的使用；另外，现有的直线式惯性作动器一般用于一端固支一端驱动负载的工况，在双端驱动柔性负载等工况下很难有好的发挥。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并稳定驱动刚性或柔性端负载上下运动，此作动器结构紧凑，断电锁止，钳位力可调节，采用比例式线性霍尔传感器感知输出力与位移，基于惯性式作动原理，利用非对称锯齿波驱动电压，可在三种负载工况下产生直线位移输出。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于，包括自上而下依次布置的力传感部件，位移传感部件和作动部件，这些部件的中心位于同一条竖直线；力传感部件由限位层2、力传感柔性帽3、力霍尔元件4、永磁体5及磁铁支撑架6构成，其中力传感柔性帽3一体加工，由上端面螺柱3-1，弹性薄片3-2以及圆台3-3组成；限位层2中心圆孔穿过上端面螺柱3-1，其圆周通过螺纹连接于力传感柔性帽3上方，圆台3-3下表面粘接有力霍尔元件4，力霍尔元件4同心位置下方布置有永磁体5，永磁体5过盈嵌入磁铁支撑架6的中央，磁铁支撑架6周边夹紧于力传感柔性帽3底端和作动部件的圆柱外壳1上端之间，其中力传感柔性帽3与圆柱外壳1之间通过螺纹相互连接；位移传感部件由位移霍尔元件7，以及与力传感部件共用的永磁体5和磁铁支撑架6构成，其中位移霍尔元件7布置于永磁体5下方同心位置，并粘接于作动部件的调节螺钉8的上表面；作动部件包含圆柱外壳1，以及自上而下安装于圆柱外壳1内腔的调节螺钉8、弹性钳位单元9、椭圆环10、压电堆11和作动块12，其中调节螺钉8的螺帽按压在弹性钳位单元9上端面，调节螺钉8的螺杆穿过弹性钳位单元9的短轴，并旋入与弹性钳位单元9一体化加工的椭圆环10上端面，弹性钳位单元9受调节螺钉8的挤压，其左右两端端面与圆柱外壳1内部的方槽轨道紧密贴合，椭圆环10空腔内过盈竖直安装有压电堆11，椭圆环10下端面螺纹连接有圆柱形作动块12，该作动块12由惯性质量块12-1通过螺纹拧紧配合以及惯性质量块12-1中心下方的下端面螺柱12-2组成。
所述力传感部件中，弹性薄片3-2所在平面内沿周向均匀布置了三个曲梁，三个曲梁通过变截面柔铰汇聚于弹性薄片中央并分别向上伸出上端面螺柱3-1，向下加工有圆台3-3，当上端面螺柱3-1承受竖直方向的作用力时，弹性薄片3-2将产生竖直方向的弹性形变，并带动粘接于圆台3-3下表面的力霍尔元件4相对于永磁体5运动，此时力霍尔元件4检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号可通过标定实时解算为弹性薄片3-2的形变量，该形变量与弹性薄片3-2沿竖直方向的刚度之积就是上端面螺柱3-1所受的竖直方向作用力；限位层2用于限制弹性薄片3-2沿竖直方向的形变量以确保力传感部件在量程范围内工作。
所述位移传感部件中，当弹性钳位单元9相对于圆柱外壳1产生位移时，位移霍尔元件7随弹性钳位单元9运动，并与通过磁铁支撑架6与圆柱外壳相连的永磁体5产生相对位移，此时位移霍尔元件7检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号可通过标定实时解算为弹性钳位单元9相对于圆柱外壳1产生的位移，在每个作动周期结束后，该位移也即作动块12与圆柱外壳1之间的相对位移：作动器的最终输出位移是作动块12与上端面螺杆3-1之间的相对位移，通过作动块与圆柱外壳之间的相对位移(位移霍尔元件传感信号)以及圆柱外壳与弹性薄片之间相对位移(力霍尔元件传感信号)之和得到。
所述作动部件的弹性钳位单元9整体呈菱形结构，四条边为波纹状以减小刚度，弹性钳位单元9沿竖直方向的轴线短于沿水平方向的轴线，根据三角形位移传递原理，弹性钳位单元9沿竖直方向的短轴压缩形变能够转化为沿水平方向的长轴膨胀形变，且转化比绝对值小于1；具体调整钳位力时，调整螺钉8的螺帽按压在弹性钳位单元9上端面，调整螺钉8的螺杆穿过弹性钳位单元9的短轴，当调整螺钉8旋入椭圆环10上端面一定角度时，弹性钳位单元9竖直方向受调整螺钉8螺帽的按压而产生压缩形变，该短轴压缩形变继而转化为弹性钳位单元9沿水平方向的长轴膨胀形变，该长轴膨胀形变与弹性钳位单元9沿水平方向刚度的乘积就是弹性钳位单元9左右两端面与圆柱外壳1内部方槽轨道之间的正压力，该正压力与摩擦系数的乘积就是作动部件的钳位力；以上，在较大的调整螺钉8旋入角度范围内，可以获得高分辨率的作动器钳位力调整能力。
所述的圆柱外壳1，限位层2以及力传感柔性帽3均采用磁导率高的铁镍合金，形成磁屏蔽空间，使力霍尔元件4与位移霍尔元件7免受外部磁场的干扰。
所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器的作动方法其一，在上下端驱动柔性负载的工况下：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使双端负载产生相互靠近的位移，第一步，对压电堆11从零电压迅速加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向迅速伸长，带动作动块12迅速远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向上的惯性冲击力大于与圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向上位移，圆柱外壳1受到弹性钳位单元9向上的滑动摩擦力，产生向上的位移，但由于圆柱外壳1惯性较弹性钳位单元9大，因此产生的向上位移小于弹性钳位单元9的向上位移，二者带动两端柔性负载相互靠近一个步距；第二步，对压电堆11从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆11沿其轴向缓慢收缩，带动作动块12缓慢朝向弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块12作用的向下的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止并保留了第一步中的一个步距，重复第一、二步，能使作动器双端负载产生相互靠近的位移；为使作动器双端负载产生相互远离的位移，第一步，对压电堆11从零电压缓慢加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向缓慢伸长，带动作动块12缓慢远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块12作用的向上的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止，第二步，对压电堆11从满行程电压迅速降电至零电压，压电堆沿其轴线迅速收缩，带动作动块12迅速靠近弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向下的惯性冲击力大于与圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向下位移，圆柱外壳1受到弹性钳位单元9向下的滑动摩擦力，产生向下的位移，但由于圆柱外壳1惯性较弹性钳位单元9大，因此产生的向下位移小于弹性钳位单元9的向下位移，二者产生相对滑动，该相对滑动即为一个步距，重复第一、二步，能使作动器双端负载产生相互远离的位移。
所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器的作动方法其二，在上端固支下端驱动柔性负载工况下：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使下端负载产生垂直向上的位移，第一步，对压电堆11从零电压迅速加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向迅速伸长，带动作动块12迅速远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向上的惯性冲击力大于与静止圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向上位移，该位移即为一个步距；第二步，对压电堆11从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆11沿其轴向缓慢收缩，带动作动块12缓慢朝向弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块12作用的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止并保留了第一步中的一个步距，重复第一、二步，能使下端负载产生垂直向上的位移；为使下端负载产生垂直向下的位移，第一步，对压电堆11从零电压缓慢加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向缓慢伸长，带动作动块12缓慢远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块13作用的向下的惯性力，作动块12与轨道方槽相对静止，第二步，对压电堆11从满行程电压迅速降电至零电压，压电堆11沿其轴线迅速收缩，带动作动块12迅速靠近弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向下的惯性冲击力大于与圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向下位移，该位移即为一个步距，重复第一、二步，能使作动器下端负载产生垂直向下的位移。
所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器的作动方法其三，在下端固支上端驱动柔性负载的工况下：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使上端负载产生垂直向下的位移，第一步，对压电堆11从零电压迅速加电至满行程电压，弹性钳位单元9被压电堆驱动迅速向上运动，此时弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力无法克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1出现相对滑动，在加电极短的时间内，圆柱外壳1基本保持原位；第二步，对压电堆11从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆11沿其轴向缓慢收缩，带动弹性钳位单元9缓慢朝向静止的作动块12运动，此时弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力能够克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1相对静止，带动圆柱外壳1克服上端负载产生向下的一个步距；重复第一、二步，能使上端负载连续产生垂直向下的位移；为使上端负载产生垂直向上的位移，第一步，对压电堆11从零电压缓慢加电至满行程电压，弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力能够克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1相对静止，带动圆柱外壳1克服上端负载产生向上的一个步距；第二步，对压电堆11从满行程电压迅速降电至零电压，此时弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力无法克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1出现相对滑动，在加电极短的时间内，圆柱外壳1基本保持原位，保留第一步产生的步距，重复第一、二步，能使上端负载产生垂直向上的位移。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明的力霍尔元件4与位移霍尔元件7能够实时反馈磁场变化进而反馈弹性变形与相对位移，最终可解算得调整力与负载位移，使用的力霍尔元件4与位移霍尔元件7体积十分小巧，输入与输出的线性度良好，使用较少元件便能够实现实时高精度调节。
2)本发明的作动部件集成了输出位移功能以及调整钳位力的功能，其中弹性钳位单元9本身就具有弹性，无需外加弹性元件，极大简化了钳位力调节机构，缩减了结构尺寸。
3)本发明的调节螺钉8的纵向旋入量能够改变弹性钳位单元9的长短轴之比，进而改变位移测量分辨率，配合需求改变测量范围，避免出现因调节范围过小而导致反复调试的现象，这使得调节过程更为高效精准。
4)本发明结构紧凑，体积小，质量轻，通过惯性驱动原理仅需单个压电叠堆便可驱动负载进行往返直线运动。
附图说明
图1为本发明含力与位移双传感的直线式压电作动器爆炸图。
图2a和图2b分别为本发明力传感柔性帽主视图和俯视图。
图3a和图3b分别为本发明圆柱外壳剖视图和俯视图。
图4为本发明输出两端相对靠近位移的驱动电压时序图。
图5a、图5b和图5c分别为在图4驱动电压下双端驱动柔性负载、上端固支下端驱动柔性负载和下端固支上端驱动柔性负载的安装与输出位移示意图。
图6为本发明输出两端相对远离位移的驱动电压时序图。
图7a、图7b和图7c分别为在图6驱动电压下双端驱动柔性负载、上端固支下端驱动柔性负载和下端固支上端驱动柔性负载的安装与输出位移示意图。
具体实施方式
以下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、图3、图3a和图3b所示，本发明含力与位移双传感的直线式压电作动器，包括自上而下依次布置的力传感部件，位移传感部件和作动部件，这些部件的中心位于同一条竖直线；力传感部件由限位层2、力传感柔性帽3、力霍尔元件4、永磁体5及磁铁支撑架6构成，其中力传感柔性帽3一体加工，由上端面螺柱3-1，弹性薄片3-2以及圆台3-3组成；限位层2中心圆孔穿过上端面螺柱3-1，其圆周通过螺纹连接于力传感柔性帽3上方，圆台3-3下表面粘接有力霍尔元件4，力霍尔元件4同心位置下方布置有永磁体5，永磁体5过盈嵌入磁铁支撑架6的中央，磁铁支撑架6周边夹紧于力传感柔性帽3底端和作动部件的圆柱外壳1上端之间，其中力传感柔性帽3与圆柱外壳1之间通过螺纹相互连接；位移传感部件由位移霍尔元件7，以及与力传感部件共用的永磁体5和磁铁支撑架6构成，其中位移霍尔元件7布置于永磁体5下方同心位置，并粘接于作动部件的调节螺钉8的上表面；作动部件包含圆柱外壳1，以及自上而下安装于圆柱外壳1内腔的调节螺钉8、弹性钳位单元9、椭圆环10、压电堆11和作动块12，其中调节螺钉8的螺帽按压在弹性钳位单元9上端面，调节螺钉8的螺杆穿过弹性钳位单元9的短轴，并旋入与弹性钳位单元9一体化加工的椭圆环10上端面，弹性钳位单元9受调节螺钉8的挤压，其左右两端端面与圆柱外壳1内部的方槽轨道紧密贴合，椭圆环10空腔内过盈竖直安装有压电堆11，椭圆环10下端面螺纹连接有圆柱形作动块12，该作动块12由惯性质量块12-1通过螺纹拧紧配合以及惯性质量块12-1中心下方的下端面螺柱12-2组成。
作为本发明的优选实施方式，所述力传感部件中，弹性薄片3-2所在平面内沿周向均匀布置了三个曲梁，三个曲梁通过变截面柔铰汇聚于弹性薄片中央并分别向上伸出上端面螺柱3-1，向下加工有圆台3-3，当上端面螺柱3-1承受竖直方向的作用力时，弹性薄片3-2将产生竖直方向的弹性形变，并带动粘接于圆台3-3下表面的力霍尔元件4相对于永磁体5运动，此时力霍尔元件4检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号可通过标定实时解算为弹性薄片3-2的形变量，该形变量与弹性薄片3-2沿竖直方向的刚度之积就是上端面螺柱3-1所受的竖直方向作用力；限位层2用于限制弹性薄片3-2沿竖直方向的形变量以确保力传感部件在量程范围内工作。
作为本发明的优选实施方式，所述位移传感部件中，当弹性钳位单元9相对于圆柱外壳1产生位移时，位移霍尔元件7随弹性钳位单元9运动，并与通过磁铁支撑架6与圆柱外壳相连的永磁体5产生相对位移，此时位移霍尔元件7检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号可通过标定实时解算为弹性钳位单元9相对于圆柱外壳1产生的位移，在每个作动周期结束后，该位移也即作动块12与圆柱外壳1之间的相对位移：作动器的最终输出位移是作动块12与上端面螺杆3-1之间的相对位移，通过作动块与圆柱外壳之间的相对位移(位移霍尔元件传感信号)以及圆柱外壳与弹性薄片之间相对位移(力霍尔元件传感信号)之和得到。
作为本发明的优选实施方式，所述作动部件的弹性钳位单元9整体呈菱形结构，四条边为波纹状以减小刚度，弹性钳位单元9沿竖直方向的轴线短于沿水平方向的轴线，根据三角形位移传递原理，弹性钳位单元9沿竖直方向的短轴压缩形变能够转化为沿水平方向的长轴膨胀形变，且转化比绝对值小于1；具体调整钳位力时，调整螺钉8的螺帽按压在弹性钳位单元9上端面，调整螺钉8的螺杆穿过弹性钳位单元9的短轴，当调整螺钉8旋入椭圆环10上端面一定角度时，弹性钳位单元9竖直方向受调整螺钉8螺帽的按压而产生压缩形变，该短轴压缩形变继而转化为弹性钳位单元9沿水平方向的长轴呸膨胀形变，该长轴膨胀形变与弹性钳位单元9沿水平方向刚度的乘积就是弹性钳位单元9左右两端面与圆柱外壳1内部方槽轨道之间的正压力，该正压力与摩擦系数的乘积就是作动部件的钳位力；以上，在较大的调整螺钉8旋入角度范围内，可以获得高分辨率的作动器钳位力调整能力。
作为本发明的优选实施方式，所述的圆柱外壳1，限位层2以及力传感柔性帽3均采用磁导率高的铁镍合金，形成磁屏蔽空间，使力霍尔元件4与位移霍尔元件7免受外部磁场的干扰。
如图4、图5a、图5b、图5c、图6、图7a、图7b和图7c所示，本发明具有含力与位移双传感的直线式压电作动器的三种作动方法，包括在双端驱动柔性负载工况下、上端固支下端驱动柔性负载工况、下端固支上端驱动柔性负载工况三种工况下，均能输出位移并检测。
其一，如图4所示和图5a所示，在上下端驱动柔性负载的工况下：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使双端负载产生相互靠近的位移，第一步，对压电堆11从零电压迅速加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向迅速伸长，带动作动块12迅速远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向上的惯性冲击力远大于与圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向上位移，圆柱外壳1受到弹性钳位单元9向上的滑动摩擦力，产生向上的位移，但由于圆柱外壳1惯性较弹性钳位单元9大，因此产生的向上位移小于弹性钳位单元9的向上位移，二者带动两端柔性负载相互靠近一个步距；第二步，对压电堆11从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆11沿其轴向缓慢收缩，带动作动块12缓慢朝向弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块12作用的向下的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止并保留了第一步中的一个步距，重复第一、二步，能使作动器双端负载产生相互靠近的位移；类似地，如图6所示和图7a所示，为使作动器双端负载产生相互远离的位移，第一步，对压电堆11从零电压缓慢加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向缓慢伸长，带动作动块12缓慢远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块12作用的向上的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止，第二步，对压电堆11从满行程电压迅速降电至零电压，压电堆沿其轴线迅速收缩，带动作动块12迅速靠近弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向下的惯性冲击力远大于与圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向下位移，圆柱外壳1受到弹性钳位单元9向下的滑动摩擦力，产生向下的位移，但由于圆柱外壳1惯性较弹性钳位单元9大，因此产生的向下位移小于弹性钳位单元9的向下位移，二者产生相对滑动，该相对滑动即为一个步距，重复第一、二步，能使作动器双端负载产生相互远离的位移。
含力与位移双传感的直线式压电作动器的作动方法其二，如图4所示和图5b所示，在上端固支下端驱动柔性负载工况下：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使下端负载产生垂直向上的位移，第一步，对压电堆11从零电压迅速加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向迅速伸长，带动作动块12迅速远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向上的惯性冲击力远大于与静止圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向上位移，该位移即为一个步距；第二步，对压电堆11从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆11沿其轴向缓慢收缩，带动作动块12缓慢朝向弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块12作用的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止并保留了第一步中的一个步距，重复第一、二步，能使下端负载产生垂直向上的位移；类似地，如图5所示和图7b所示，为使下端负载产生垂直向下的位移，第一步，对压电堆11从零电压缓慢加电至满行程电压，压电堆11沿其轴向缓慢伸长，带动作动块12缓慢远离弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9所受的静摩擦力能够克服作动块13作用的向下的惯性力，作动块12与轨道方槽相对静止，第二步，对压电堆11从满行程电压迅速降电至零电压，压电堆11沿其轴线迅速收缩，带动作动块12迅速靠近弹性钳位单元9运动，此时弹性钳位单元9受到作动块12向下的惯性冲击力远大于与圆柱外壳1之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向下位移，该位移即为一个步距，重复第一、二步，能使作动器下端负载产生垂直向下的位移。
含力与位移双传感的直线式压电作动器的作动方法其三，如图4所示和图5c所示，在下端固支上端驱动柔性负载的工况下：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使上端负载产生垂直向下的位移，第一步，对压电堆11从零电压迅速加电至满行程电压，弹性钳位单元9被压电堆驱动迅速向上运动，此时弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力无法克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1出现相对滑动，在加电极短的时间内，圆柱外壳1基本保持原位；第二步，对压电堆11从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆11沿其轴向缓慢收缩，带动弹性钳位单元9缓慢朝向静止的作动块12运动，此时弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力能够克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1相对静止，带动圆柱外壳1克服上端负载产生向下的一个步距；重复第一、二步，能使上端负载连续产生垂直向下的位移；类似地，如图6所示和图7c所示，为使上端负载产生垂直向上的位移，第一步，对压电堆11从零电压缓慢加电至满行程电压，弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力能够克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1相对静止，带动圆柱外壳1克服上端负载产生向上的一个步距；第二步，对压电堆11从满行程电压迅速降电至零电压，此时弹性钳位单元9与圆柱外壳1之间的静摩擦力无法克服圆柱外壳1的惯性力，弹性钳位单元9与圆柱外壳1出现相对滑动，在加电极短的时间内，圆柱外壳1基本保持原位，保留第一步产生的步距，重复第一、二步，能使上端负载产生垂直向上的位移。
Claims (6)
1.含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：包括自上而下依次布置的力传感部件，位移传感部件和作动部件，这些部件的中心位于同一条竖直线；力传感部件由限位层(2)、力传感柔性帽(3)、力霍尔元件(4)、永磁体(5)及磁铁支撑架(6)构成，其中力传感柔性帽(3)一体加工，由上端面螺柱(3-1)，弹性薄片(3-2)以及圆台(3-3)组成；限位层(2)中心圆孔穿过上端面螺柱(3-1)，其圆周通过螺纹连接于力传感柔性帽(3)上方，圆台(3-3)下表面粘接有力霍尔元件(4)，力霍尔元件(4)同心位置下方布置有永磁体(5)，永磁体(5)过盈嵌入磁铁支撑架(6)的中央，磁铁支撑架(6)周边夹紧于力传感柔性帽(3)底端和作动部件的圆柱外壳(1)上端之间，其中力传感柔性帽(3)与圆柱外壳(1)之间通过螺纹相互连接；位移传感部件由位移霍尔元件(7)，以及与力传感部件共用的永磁体(5)和磁铁支撑架(6)构成，其中位移霍尔元件(7)布置于永磁体(5)下方同心位置，并粘接于作动部件的调节螺钉(8)的上表面；作动部件包含圆柱外壳(1)，以及自上而下安装于圆柱外壳(1)内腔的调节螺钉(8)、弹性钳位单元(9)、椭圆环(10)、压电堆(11)和作动块(12)，其中调节螺钉(8)的螺帽按压在弹性钳位单元(9)上端面，调节螺钉(8)的螺杆穿过弹性钳位单元(9)的短轴，并旋入与弹性钳位单元(9)一体化加工的椭圆环(10)上端面，弹性钳位单元(9)受调节螺钉(8)的挤压，其左右两端端面与圆柱外壳(1)内部的方槽轨道紧密贴合，椭圆环(10)空腔内过盈竖直安装有压电堆(11)，椭圆环(10)下端面螺纹连接有圆柱形的作动块(12)，该作动块(12)由惯性质量块(12-1)通过螺纹拧紧配合以及惯性质量块(12-1)中心下方的下端面螺柱(12-2)组成。
2.根据权利要求1所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：所述力传感部件中，弹性薄片(3-2)所在平面内沿周向均匀布置了三个曲梁，三个曲梁通过变截面柔铰汇聚于弹性薄片中央并分别向上伸出上端面螺柱(3-1)，向下加工有圆台(3-3)，当上端面螺柱(3-1)承受竖直方向的作用力时，弹性薄片(3-2)将产生竖直方向的弹性形变，并带动粘接于圆台(3-3)下表面的力霍尔元件(4)相对于永磁体(5)运动，此时力霍尔元件(4)检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号通过标定实时解算为弹性薄片(3-2)的形变量，该形变量与弹性薄片(3-2)沿竖直方向的刚度之积就是上端面螺柱(3-1)所受的竖直方向作用力；限位层(2)用于限制弹性薄片(3-2)沿竖直方向的形变量以确保力传感部件在量程范围内工作。
3.根据权利要求1所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：所述位移传感部件中，当弹性钳位单元(9)相对于圆柱外壳(1)产生位移时，位移霍尔元件(7)随弹性钳位单元(9)运动，并与通过磁铁支撑架(6)与圆柱外壳相连的永磁体(5)产生相对位移，此时位移霍尔元件(7)检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号通过标定实时解算为弹性钳位单元(9)相对于圆柱外壳(1)产生的位移，在每个作动周期结束后，该位移也即作动块(12)与圆柱外壳(1)之间的相对位移：作动器的最终输出位移是作动块(12)与上端面螺杆(3-1)之间的相对位移，通过作动块(12)与圆柱外壳(1)之间的相对位移即位移霍尔元件传感信号以及圆柱外壳(1)与弹性薄片(3-2)之间相对位移即力霍尔元件传感信号之和得到。
4.根据权利要求1所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：作动部件的弹性钳位单元(9)整体呈菱形结构，四条边为波纹状以减小刚度，弹性钳位单元(9)沿竖直方向的轴线短于沿水平方向的轴线，根据三角形位移传递原理，弹性钳位单元(9)沿竖直方向的短轴压缩形变能够转化为沿水平方向的长轴膨胀形变，且转化比绝对值小于1；具体调整钳位力时，调整螺钉(8)的螺帽按压在弹性钳位单元(9)上端面，调整螺钉(8)的螺杆穿过弹性钳位单元(9)的短轴，当调整螺钉(8)旋入椭圆环(10)上端面一定角度时，弹性钳位单元(9)竖直方向受调整螺钉(8)螺帽的按压而产生压缩形变，该短轴压缩形变继而转化为弹性钳位单元(9)沿水平方向的长轴膨胀形变，该长轴膨胀形变与弹性钳位单元(9)沿水平方向刚度的乘积就是弹性钳位单元(9)左右两端面与圆柱外壳(1)内部方槽轨道之间的正压力，该正压力与摩擦系数的乘积就是作动部件的钳位力。
5.根据权利要求1所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：圆柱外壳(1)，限位层(2)以及力传感柔性帽(3)均采用铁镍合金，形成磁屏蔽空间，使力霍尔元件(4)与位移霍尔元件(7)免受外部磁场的干扰。
6.权利要求1至5任一项所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器的作动方法，其特征在于：包括在双端驱动柔性负载工况下、上端固支下端驱动柔性负载工况、下端固支上端驱动柔性负载工况三种工况下，均能输出位移并检测；在双端驱动柔性负载工况下，双端柔性连接的作动方法为：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使双端负载产生相互靠近的位移，第一步，对压电堆(11)从零电压迅速加电至满行程电压，压电堆(11)沿其轴向迅速伸长，带动作动块(12)迅速远离弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)受到作动块(12)向上的惯性冲击力大于与圆柱外壳(1)之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向上位移，圆柱外壳(1)受到弹性钳位单元(9)向上的滑动摩擦力，产生向上的位移，但由于圆柱外壳(1)惯性较弹性钳位单元(9)大，因此产生的向上位移小于弹性钳位单元(9)的向上位移，二者带动两端柔性负载相互靠近一个步距；第二步，对压电堆(11)从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆(11)沿其轴向缓慢收缩，带动作动块(12)缓慢朝向弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)所受的静摩擦力能够克服作动块(12)作用的向下的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止并保留了第一步中的一个步距，重复第一、二步，能使作动器双端负载产生相互靠近的位移；为使作动器双端负载产生相互远离的位移，第一步，对压电堆(11)从零电压缓慢加电至满行程电压，压电堆(11)沿其轴向缓慢伸长，带动作动块(12)缓慢远离弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)所受的静摩擦力能够克服作动块(12)作用的向上的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止，第二步，对压电堆(11)从满行程电压迅速降电至零电压，压电堆沿其轴线迅速收缩，带动作动块(12)迅速靠近弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)受到作动块(12)向下的惯性冲击力大于与圆柱外壳(1)之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向下位移，圆柱外壳(1)受到弹性钳位单元(9)向下的滑动摩擦力，产生向下的位移，但由于圆柱外壳(1)惯性较弹性钳位单元(9)大，因此产生的向下位移小于弹性钳位单元(9)的向下位移，二者产生相对滑动，该相对滑动即为一个步距，重复第一、二步，能使作动器双端负载产生相互远离的位移；
在上端固支下端驱动柔性负载工况下，上端面螺杆(3-1)固支，圆柱外壳(1)固定，无法产生位移，此时的作动方法为：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使下端负载产生垂直向上的位移，第一步，对压电堆(11)从零电压迅速加电至满行程电压，压电堆(11)沿其轴向迅速伸长，带动作动块(12)迅速远离弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)受到作动块(12)向上的惯性冲击力大于与静止圆柱外壳(1)之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向上位移，该位移即为一个步距；第二步，对压电堆(11)从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆(11)沿其轴向缓慢收缩，带动作动块(12)缓慢朝向弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)所受的静摩擦力能够克服作动块(12)作用的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止并保留了第一步中的一个步距，重复第一、二步，能使下端负载产生垂直向上的位移；为使下端负载产生垂直向下的位移，第一步，对压电堆(11)从零电压缓慢加电至满行程电压，压电堆(11)沿其轴向缓慢伸长，带动作动块(12)缓慢远离弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)所受的静摩擦力能够克服作动块(12)作用的向下的惯性力，作动部件与轨道方槽相对静止，第二步，对压电堆(11)从满行程电压迅速降电至零电压，压电堆(11)沿其轴线迅速收缩，带动作动块(12)迅速靠近弹性钳位单元(9)运动，此时弹性钳位单元(9)受到作动块(12)向下的惯性冲击力大于与圆柱外壳(1)之间的静摩擦力及柔性端阻力，产生向下位移，该位移即为一个步距，重复第一、二步，能使作动器下端负载产生垂直向下的位移；
在下端固支上端驱动柔性负载的工况下，下端面螺杆(12-2)固支时，作动块(12)固定，无法产生位移，此时的作动方法为：未通电时，作动部件与轨道方槽之间的钳位力至期望值，处于钳位状态，为使上端负载产生垂直向下的位移，第一步，对压电堆(11)从零电压迅速加电至满行程电压，弹性钳位单元(9)被压电堆驱动迅速向上运动，此时弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)之间的静摩擦力无法克服圆柱外壳(1)的惯性力，弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)出现相对滑动，在加电极短的时间内，圆柱外壳(1)基本保持原位；第二步，对压电堆(11)从满行程电压缓慢降电至零电压，压电堆(11)沿其轴向缓慢收缩，带动弹性钳位单元(9)缓慢朝向静止的作动块(12)运动，此时弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)之间的静摩擦力能够克服圆柱外壳(1)的惯性力，弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)相对静止，带动圆柱外壳(1)克服上端负载产生向下的一个步距；重复第一、二步，能使上端负载连续产生垂直向下的位移；为使上端负载产生垂直向上的位移，第一步，对压电堆(11)从零电压缓慢加电至满行程电压，弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)之间的静摩擦力能够克服圆柱外壳(1)的惯性力，弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)相对静止，带动圆柱外壳(1)克服上端负载产生向上的一个步距；第二步，对压电堆(11)从满行程电压迅速降电至零电压，此时弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)之间的静摩擦力无法克服圆柱外壳(1)的惯性力，弹性钳位单元(9)与圆柱外壳(1)出现相对滑动，在加电极短的时间内，圆柱外壳(1)基本保持原位，保留第一步产生的步距，重复第一、二步，能使上端负载产生垂直向上的位移。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111605666.6A CN114244182B (zh) | 2021-12-25 | 2021-12-25 | 含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111605666.6A CN114244182B (zh) | 2021-12-25 | 2021-12-25 | 含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114244182A CN114244182A (zh) | 2022-03-25 |
| CN114244182B true CN114244182B (zh) | 2023-10-24 |
Family
ID=80763106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111605666.6A Active CN114244182B (zh) | 2021-12-25 | 2021-12-25 | 含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114244182B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080035063A (ko) * | 2006-10-18 | 2008-04-23 | 현대자동차주식회사 | 압전소자를 이용한 리니어 액츄에이터 |
| EP2339657A1 (en) * | 2009-12-24 | 2011-06-29 | CE.S.I. Centro Studi Industriali di Taddei Ing. Franco & C. S.a.s. | Self-guided piezoelectric motor with radial load capability |
| CN209545463U (zh) * | 2019-03-27 | 2019-10-25 | 吉林大学 | 压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置 |
| CN112821800A (zh) * | 2021-02-18 | 2021-05-18 | 华侨大学 | 基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机及电激励方法 |
| CN112904551A (zh) * | 2021-01-14 | 2021-06-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构 |
| CN113794325A (zh) * | 2021-10-20 | 2021-12-14 | 安徽理工大学 | 一种具有力感知功能的超精密磨削驱动平台及其控制方法 |
-
2021
- 2021-12-25 CN CN202111605666.6A patent/CN114244182B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080035063A (ko) * | 2006-10-18 | 2008-04-23 | 현대자동차주식회사 | 압전소자를 이용한 리니어 액츄에이터 |
| EP2339657A1 (en) * | 2009-12-24 | 2011-06-29 | CE.S.I. Centro Studi Industriali di Taddei Ing. Franco & C. S.a.s. | Self-guided piezoelectric motor with radial load capability |
| CN209545463U (zh) * | 2019-03-27 | 2019-10-25 | 吉林大学 | 压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置 |
| CN112904551A (zh) * | 2021-01-14 | 2021-06-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构 |
| CN112821800A (zh) * | 2021-02-18 | 2021-05-18 | 华侨大学 | 基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机及电激励方法 |
| CN113794325A (zh) * | 2021-10-20 | 2021-12-14 | 安徽理工大学 | 一种具有力感知功能的超精密磨削驱动平台及其控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114244182A (zh) | 2022-03-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108512457B (zh) | 具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器及作动方法 | |
| CN202903617U (zh) | 原位三点弯曲试验装置 | |
| WO2016197554A1 (zh) | 动态特性可调宏微一体化复合平台 | |
| CN107393599B (zh) | 集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台及方法 | |
| CN104467526B (zh) | 一种实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台 | |
| CN103501129B (zh) | 一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器 | |
| CN107834896B (zh) | 预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置与方法 | |
| CN205584047U (zh) | 一种摩擦力可调式非对称旋转惯性压电驱动器 | |
| CN109951100B (zh) | 一种大行程位移驱动装置及其控制方法 | |
| CN104362890B (zh) | 一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台 | |
| CN107786120B (zh) | 具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台与控制方法 | |
| CN114244182B (zh) | 含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法 | |
| CN2411464Y (zh) | 微量位移测量装置 | |
| CN100413202C (zh) | 一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器 | |
| CN209389958U (zh) | 主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置 | |
| CN207410248U (zh) | 具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台 | |
| CN203491928U (zh) | 一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器 | |
| CN116388609B (zh) | 一种基于惯性步进原理驱动的平-转两自由度压电执行器 | |
| CN103199732B (zh) | 基于压电螺纹驱动技术的微动台 | |
| CN113114067B (zh) | 一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置的测距方法 | |
| CN104852627A (zh) | 可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法 | |
| CN209878957U (zh) | 针对粘滑型直线压电驱动器的测试装置 | |
| CN203632576U (zh) | 一种上下预紧式粘滑驱动跨尺度精密运动平台 | |
| CN110829882A (zh) | 一种t型压电驱动装置 | |
| CN108981535B (zh) | 触头位移测量方法及其测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |