CN114268241B - 一种非接触式双向直线位移作动装置及其作动方法 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式双向高步进精度直线位移作动器装置及其作动方法，该作动装置包括固定在底座上的多对弹簧片和与之固结的永磁铁，永磁铁与底座凸台间安装有驱动器，能够双向直线运动的导电直板安装在底座支架上，并在其下方装有锁紧装置，上述结构共同构成实现导电直板的双向直线位移作动的结构；本发明还提供了作动方法，按照一定的规律驱动压电陶瓷，能够实现导电直板的双向直线位移作动，并且具有锁止能力；本发明采用非接触式作动方式，该作动器具有无摩擦，使用寿命长，精度高，控制波形简单，可满足多种使用场景的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种作动装置，具体为一种通过多对作动器驱动对应永磁铁摆动，导体和磁体之间产生相对速度，使导体内的磁通量发生改变，进而形成其局部的感应电动势和感应电流，并利用产生的安培力实现双向直线位移输出的作动器及其作动方法。
背景技术
随着科学技术的发展，无论是在航天领域还是先进医疗器械制造中，高精度作动器都有着较大的需求，但是目前绝大多数的作动器产品都采用接触式的直接作动方法，界面接触使得作动器的驱动部件之间承受着较大的摩擦力，这也使得作动器普遍存在寿命偏低和运行不稳定的问题，因此迫切需要一种非接触式的作动装置来弥补这一缺点，延长作动器的使用寿命，提高其运行的稳定性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种非接触式双向直线位移作动装置及其作动方法，使用多对压电陶瓷和永磁铁相互配合实现稳定、高精度的直线位移输出，使用寿命高，具有可靠的锁止能力。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种非接触式双向直线位移作动装置，包括由底座1-1、驱动单元支座1-2、锁止单元支座1-3和顶部支架1-4组成的基本安装架构1、多组驱动单元和多个锁止单元；每组驱动单位中的两个驱动单元关于底座中轴线对称，多组驱动单元中位于底座中轴线同侧的驱动单元安装方向相同，所有驱动单元的组成及安装方法均相同；安装在底座1-1上的弹簧片2，弹簧片2上安装有永磁铁4，夹具3将永磁铁4和弹簧片2固结在一起，驱动器两侧安装在驱动单元支座1-2和夹具3上的限位槽中，所述弹簧片2、夹具3、永磁铁4、驱动器配合安装后形成一个驱动单元；控制压电陶瓷7和控制菱形环8过盈配合后形成一个锁止单元，锁止单元一端安装在锁止单元支座1-3上的限位槽中，另一端与垫片11配合后紧密安装在顶部支架1-4的下方，每个锁止单元的组成及安装方法均相同；安装完成后，每个锁止单元均处于底座中轴线上；顶部支架1-4中对应的安装槽间隙配合安装有导电直板9，导电直板9位于四个驱动单元的永磁铁上方。
完成安装后，每一个永磁铁4均处于导电直板9下方边缘位置，且永磁铁4摆动方向与中轴线的夹角在30-50°，但需保证四个驱动单元的永磁铁4摆动方向与中轴线夹角相同，通过给四个驱动压电陶瓷6同步施加非对称锯齿波形电压，带动四个永磁铁4来回摆动，在楞次定律影响下，导电直板9会产生局部电涡流，并受到安培力的作用，实现直线位移输出，通过给控制压电陶瓷7间断施加电压，控制其处于伸长或原长状态，从而完成锁止与释放的状态转换。
每个锁止单元与每组驱动单元间隔设置在底座1-1上，且锁止单元的个数与驱动单元的组数相同。
根据不同的工作特点和技术要求，在单步高精度和快速响应的需求下，驱动器采用驱动压电陶瓷6和驱动菱形环5过盈配合的形式；在单步大行程和低驱动电压的需求下，驱动器采用音圈电机。
所述的一种非接触式双向直线位移作动装置的作动方法，初始状态时，作动装置中的驱动器和控制压电陶瓷7都处于断电状态，同步向多个驱动器施加非对称的锯齿波形电压，带动相对应的永磁铁4来回摆动，永磁铁4和导电直板9间存在相对速度，因楞次定律产生的安培力带动导电直板9直线运动，当导电直板9正向直线运动时，其工作步骤如下：
第一步，同时给多个驱动器快速从0V加电压至U1，驱动多个驱动器快速伸长，分别推动与之配合的弹簧片2向外侧弯曲，进而带动固结的永磁铁4向外侧快速摆动，永磁铁的快速摆动使得通过导电直板9的磁通量改变，在楞次定律的影响下，在其边缘形成局部的电涡流，磁场与电流的相对切割运动会对导电直板9产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电直板9产生一定的直线位移输出；
第二步，当多个驱动器的电压达到U1时，给控制压电陶瓷7通电，使控制压电陶瓷7伸长并挤压顶部支架1-4底板，使之发生形变，增加导电直板9的摩擦力，达到锁止的目的；
第三步，同步使多个驱动器从U1缓慢降压至0V，驱动多个驱动器缓慢缩短至原长，由于弹性作用，各弹簧片2和永磁铁4也缓慢恢复至初始位置，在楞次定律的影响下，此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，但锁止装置处于工作状态，使得导电直板9不会产生反向的位移；
第四步，当多个驱动器处于0V时，控制压电陶瓷7断电，锁止装置暂停工作；
此时，多个驱动器和控制压电陶瓷7回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电直板9一定的正向直线位移输出，重复上述作动过程，实现导电直板9正向直线运动的连续作动控制；
当导电直板9反向线位移作动时，其工作步骤如下：
第一步，给控制压电陶瓷7通电，使控制压电陶瓷7伸长并挤压顶部支架1-4底板，使之发生形变，增加导电直板9的摩擦力，达到锁止的目的；
第二步，同时给多个驱动器缓慢加从0V加电压至U2，多个驱动器缓慢伸长，分别推动与之配合的弹簧片2向外侧弯曲，进而带动固结的永磁铁4向外侧缓慢摆动，永磁铁的摆动使得通过导电直板9的磁通量改变，在楞次定律的影响下，在其边缘形成局部的电涡流，磁场与电流的相对切割运动会对导电直板9产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，但是由于锁止装置处于工作状态，导电直板9并不会产生正向线位移；
第三步，当多个驱动器的电压达到U2时，让控制压电陶瓷7断电，撤去锁止；
第四步，同步使多个驱动器从U2快速降压至0V，多个驱动器迅速缩短至原长，由于弹性作用，各弹簧片2和永磁铁4也迅速恢复至初始位置，在楞次定律的影响下，此过程中也会产生与第二步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使导电直板9产生反向的线位移输出；
此时，多个驱动器和控制压电陶瓷7回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电直板9一定的反向线位移输出，重复上述作动过程，实现导电直板9反向直线运动的连续作动控制。
与现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、通过步进叠加的方式实现大行程线位移输出，采用压电陶瓷作为驱动元件，并结合快速锁止装置，使得作动精度高。
2、作动器采用非接触式的作动方式，关键构件间无摩擦，使用寿命长。
3、与传统的压电作动器相比，该作动器仅通过改变锯齿波形的电压即可实现单步作动线位移大小和作动方向的调整，控制简单。
4、针对不同的应用场景和需求，可以调整和改装驱动装置以满足其技术要求。
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的俯视图(剖去顶部)。
图4a和图4b分别为本发明正反向作动时的受力示意图。
图5为本发明作动器正向线位移输出的控制电压波形图。
图6为本发明作动器反向线位移输出的控制电压波形图。
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、图2和图3所示，本实施例一种非接触式双向直线位移作动装置，包括由底座1-1、驱动单元支座1-2、锁止单元支座1-3和顶部支架1-4组成的基本安装架构1，当需要大的位移输出时，锁止单元的个数与驱动单元的组数可以越多。本实施例为了简化作动装置结构，包括两组驱动单元和两个锁止单元；每组驱动单位中的两个驱动单元关于底座中轴线对称，两组驱动单元中位于底座中轴线同侧的驱动单元安装方向相同；本实施例中驱动单元的驱动器采用驱动压电陶瓷6和驱动菱形环5过盈配合的形式；安装在底座1-1上的弹簧片2，弹簧片2上安装有永磁铁4，夹具4将永磁铁4和弹簧片2固结在一起，本实施例由驱动压电陶瓷6与驱动菱形环5过盈配合后形成驱动器，驱动器两侧分别安装在驱动单元支座1-2和夹具3上的限位槽中，其余三个驱动单元均按照上述方法配合和安装，安装完成后，四个驱动单元分成沿底座中轴线对称的左右两组；控制压电陶瓷7和控制菱形环8过盈配合后形成锁止单元，锁止单元一端安装在锁止单元支座1-3上的限位槽中，另一端与垫片11配合后紧密安装在顶部支架1-4的下方，另外一个锁止单元也安装上述方法配合并安装，安装完成后，两组锁止单元均处于中轴线上且每个锁止单元与每组驱动单元间隔设置在底座1-1上；顶部支架1-4中对应的安装槽间隙配合安装有导电直板9。
完成安装后，每一个永磁铁4均处于导电直板9下方边缘位置，且永磁铁4摆动方向与中轴线的夹角在40-50°，但需保证四个永磁铁4的摆动方向与中轴线夹角相同，通过给四个驱动压电陶瓷6同步施加非对称锯齿波形电压，带动四个永磁铁4来回摆动，在楞次定律影响下，导电直板9会产生局部电涡流，并受到安培力的作用，实现直线位移输出；通过给控制压电陶瓷7间断施加电压，可以控制其处于伸长或原长状态，从而完成锁止与释放的状态转换。
本实施例所述的一种非接触式双向直线位移作动器装置的作动方法，初始状态时，作动装置中的驱动压电陶瓷6和控制压电陶瓷7都处于断电状态，同步向四个驱动压电陶瓷施加非对称的锯齿波形电压，带动相对应的永磁铁来回摆动，永磁铁和导体间存在相对速度，因楞次定律产生的安培力带动导电直板9直线运动，当导电直板9正向直线运动时，其工作步骤如下：
第一步，同时给四个驱动压电陶瓷6快速从0V加电压至U1，驱动压电陶瓷6快速伸长，分别推动与之配合的弹簧片2向外侧弯曲，进而带动固结的永磁铁4向外侧快速摆动，永磁铁的快速摆动使得通过导电直板9的磁通量改变，在楞次定律的影响下，在其边缘形成局部的电涡流，磁场与电流的相对切割运动会对导电直板9产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电直板9产生一定的直线位移输出；
第二步，当驱动压电陶瓷6的电压达到U1时，给控制压电陶瓷7通电，使控制压电陶瓷7伸长并挤压顶部支架1-4底板，使之发生形变，增加导电直板9的摩擦力，达到锁止的目的；
第三步，同步使驱动压电陶瓷6从U1缓慢降压至0V，驱动压电陶瓷6缓慢缩短至原长，由于弹性作用，各弹簧片2和永磁铁4也缓慢恢复至初始位置，在楞次定律的影响下，此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，但锁止装置处于工作状态，使得导电直板9不会产生反向的位移；
第四步，当驱动压电陶瓷6处于0V时，控制压电陶瓷断电，锁止装置暂停工作；
此时，驱动压电陶瓷6和控制压电陶瓷7回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电直板9一定的正向直线位移输出，重复上述作动过程，可以实现导电直板9正向直线运动的连续作动控制；
当导电直板9反向线位移作动时，其工作步骤如下：
第一步，给控制压电陶瓷7通电，使控制压电陶瓷7伸长并挤压顶部支架1-4底板，使之发生形变，增加导电直板9的摩擦力，达到锁止的目的；
第二步，同时给四个驱动压电陶瓷6缓慢加从0V加电压至U2，驱动压电陶瓷缓慢伸长，分别推动与之配合的弹簧片2向外侧弯曲，进而带动固结的永磁铁4向外侧缓慢摆动，永磁铁的摆动使得通过导电直板9的磁通量改变，在楞次定律的影响下，在其边缘形成局部的电涡流，磁场与电流的相对切割运动会对导电直板9产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，但是由于锁止装置处于工作状态，导电直板9并不会产生正向线位移；
第三步，当驱动压电陶瓷6的电压达到U2时，让控制压电陶瓷7断电，使之暂停工作，撤去锁止；
第四步，同步使驱动压电陶瓷6从U2快速降压至0V，驱动压电陶瓷迅速缩短至原长，由于弹性作用，各弹簧片2和永磁铁4也迅速恢复至初始位置，在楞次定律的影响下，此过程中也会产生与第二步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使导电直板9产生反向的线位移输出；
此时，驱动压电陶瓷6和控制压电陶瓷7回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电直板9一定的反向线位移输出，重复上述作动过程，可以实现导电直板9反向直线运动的连续作动控制。
另外，为了适应不同的工作特点和技术要求，该非接触式双向直线位移作动器的驱动单元可做如下的改变：在单步高精度和快速响应的需求下，驱动单元可采用压电陶瓷和菱形环配合的形式；在单步大行程和低驱动电压的需求下，驱动单元可以采用音圈电机；在大负载能力的需求下，可以成对增加驱动单元数量。
Claims (5)
1.一种非接触式双向直线位移作动装置，其特征在于，包括由底座(1-1)、驱动单元支座(1-2)、锁止单元支座(1-3)和顶部支架(1-4)组成的基本安装架构(1)、多组驱动单元和多个锁止单元；每组驱动单位中的两个驱动单元关于底座中轴线对称，多组驱动单元中位于底座中轴线同侧的驱动单元安装方向相同，所有驱动单元的组成及安装方法均相同；安装在底座(1-1)上的弹簧片(2)，弹簧片(2)上安装有永磁铁(4)，夹具(3)将永磁铁(4)和弹簧片(2)固结在一起，驱动器两侧安装在驱动单元支座(1-2)和夹具(3)上的限位槽中，所述弹簧片(2)、夹具(3)、永磁铁(4)、驱动器配合安装后形成一个驱动单元；控制压电陶瓷(7)和控制菱形环(8)过盈配合后形成一个锁止单元，锁止单元一端安装在锁止单元支座(1-3)上的限位槽中，另一端与垫片11配合后紧密安装在顶部支架(1-4)的下方，每个锁止单元的组成及安装方法均相同；安装完成后，每个锁止单元均处于底座中轴线上；顶部支架(1-4)中对应的安装槽间隙配合安装有导电直板(9)，导电直板(9)位于四个驱动单元的永磁铁上方。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式双向直线位移作动装置，其特征在于：完成安装后，每一个永磁铁(4)均处于导电直板(9)下方边缘位置，且永磁铁(4)摆动方向与中轴线的夹角在30-50°，但需保证四个驱动单元的永磁铁(4)摆动方向与中轴线夹角相同，通过给四个驱动压电陶瓷(6)同步施加非对称锯齿波形电压，带动四个永磁铁(4)来回摆动，在楞次定律影响下，导电直板(9)会产生局部电涡流，并受到安培力的作用，实现直线位移输出，通过给控制压电陶瓷(7)间断施加电压，控制其处于伸长或原长状态，从而完成锁止与释放的状态转换。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式双向直线位移作动装置，其特征在于：每个锁止单元与每组驱动单元间隔设置在底座(1-1)上，且锁止单元的个数与驱动单元的组数相同。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式双向直线位移作动装置，其特征在于：根据不同的工作特点和技术要求，在单步高精度和快速响应的需求下，驱动器采用驱动压电陶瓷(6)和驱动菱形环(5)过盈配合的形式；在单步大行程和低驱动电压的需求下，驱动器采用音圈电机。
5.权利要求1至4任一项所述的一种非接触式双向直线位移作动装置的作动方法，其特征在于：初始状态时，作动装置中的驱动器和控制压电陶瓷(7)都处于断电状态，同步向多个驱动器施加非对称的锯齿波形电压，带动相对应的永磁铁(4)来回摆动，永磁铁(4)和导电直板(9)间存在相对速度，因楞次定律产生的安培力带动导电直板(9)直线运动，当导电直板(9)正向直线运动时，其工作步骤如下：
第一步，同时给多个驱动器快速从0V加电压至U1，驱动多个驱动器快速伸长，分别推动与之配合的弹簧片(2)向外侧弯曲，进而带动固结的永磁铁(4)向外侧快速摆动，永磁铁的快速摆动使得通过导电直板(9)的磁通量改变，在楞次定律的影响下，在其边缘形成局部的电涡流，磁场与电流的相对切割运动会对导电直板(9)产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，使得导电直板(9)产生一定的直线位移输出；
第二步，当多个驱动器的电压达到U1时，给控制压电陶瓷(7)通电，使控制压电陶瓷(7)伸长并挤压顶部支架(1-4)底板，使之发生形变，增加导电直板(9)的摩擦力，达到锁止的目的；
第三步，同步使多个驱动器从U1缓慢降压至0V，驱动多个驱动器缓慢缩短至原长，由于弹性作用，各弹簧片(2)和永磁铁(4)也缓慢恢复至初始位置，在楞次定律的影响下，此过程中也会产生与第一步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，但锁止装置处于工作状态，使得导电直板(9)不会产生反向的位移；
第四步，当多个驱动器处于0V时，控制压电陶瓷(7)断电，锁止装置暂停工作；
此时，多个驱动器和控制压电陶瓷(7)回到了初始位置，作动电压也回到了0V，整个作动装置完成了一个周期的作动输出，实现了导电直板(9)一定的正向直线位移输出，重复上述作动过程，实现导电直板(9)正向直线运动的连续作动控制；
当导电直板(9)反向线位移作动时，其工作步骤如下：
第一步，给控制压电陶瓷(7)通电，使控制压电陶瓷(7)伸长并挤压顶部支架(1-4)底板，使之发生形变，增加导电直板(9)的摩擦力，达到锁止的目的；
第二步，同时给多个驱动器缓慢加从0V加电压至U2，多个驱动器缓慢伸长，分别推动与之配合的弹簧片(2)向外侧弯曲，进而带动固结的永磁铁(4)向外侧缓慢摆动，永磁铁的摆动使得通过导电直板(9)的磁通量改变，在楞次定律的影响下，在其边缘形成局部的电涡流，磁场与电流的相对切割运动会对导电直板(9)产生一个沿永磁铁运动方向的安培力，但是由于锁止装置处于工作状态，导电直板(9)并不会产生正向线位移；
第三步，当多个驱动器的电压达到U2时，让控制压电陶瓷(7)断电，撤去锁止；
第四步，同步使多个驱动器从U2快速降压至0V，多个驱动器迅速缩短至原长，由于弹性作用，各弹簧片(2)和永磁铁(4)也迅速恢复至初始位置，在楞次定律的影响下，此过程中也会产生与第二步反向的局部电涡流和沿永磁铁运动方向的安培力，使导电直板(9)产生反向的线位移输出；
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