CN114337360B - 基于压电材料保持特性的大钳位力作动器及其作动方法 - Google Patents

Abstract

基于压电材料保持特性的大钳位力作动器及其作动方法，该作动器通过两对钳位压电堆和一个作动压电堆间的相互配合，并结合其他辅助部件，可实现作动器的在钳位状态和位移输出状态间的转换；本发明还提供了作动方法，按照一定的控制方式对各压电堆施加相应的电压，可使作动器通过位移输出杆产生双向大行程的高精度直线位移输出，并且该作动器利用了压电陶瓷材料的形状记忆保持特性，使其在工作和断电状态下均具有较大的钳位力，断电锁止能力和负载能力获得很大提升，同时也在一定程度上降低了作动器在断电保持阶段输出位移的漂移现象，提高了作动器的位移保持能力；且仅通过调整作动电压就可以解决作动器因界面磨损导致的断电锁止能力下降的问题。

Description

基于压电材料保持特性的大钳位力作动器及其作动方法

技术领域

本发明涉及一种作动装置及其作动方法，具体是一种利用压电陶瓷的形状记忆效应提高尺蠖式作动器的钳位力、驱动力和断电锁止能力的作动装置，并给出其作动方法，可实现双向高精度大行程的直线位移作动。

背景技术

以压电陶瓷作为驱动单元的作动器因为具有高精度、响应快等优点，被广泛应用于科学仪器、航天工程、高精度机械加工等领域，对科技发展和社会进步具有重要作用。由于压电陶瓷需要持续施加高电压以保持其形变，这使得压电陶瓷作动器一方面功耗较大，另外一方面其在航天等特殊环境中的应用也受到限制。为了解决这一问题，研究者们提出了不同的解决方案，其核心都在于实现作动器的断电锁止功能。例如发明专利：CN201610161199.5-含有楔形半环断电锁止机构的步进压电作动器及作动方法，CN201310202370-由双压电堆驱动的步进式作动器等，都通过结构设计实现了作动器的断电锁止。上述专利采用的钳位结构都是基于预紧力和摩擦力实现断电锁止。长时间工作后，界面磨损会导致锁止能力下降甚至失效，并且作动器工作时钳位力较小，使得作动器负载能力较低。因此，迫切需要一种具有更大钳位力、更高负载能力、稳定可靠的作动器装置。

发明内容

为了满足上述要求，本发明的目的在于提供一种利用压电陶瓷的形状记忆保持特性提高尺蠖式作动器钳位力、驱动力以及断电锁止能力的作动装置，并给出其作动方法，实现双向高精度大行程的直线位移作动。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于压电材料保持特性的大钳位力作动器，该作动器由下外壳1-1和上外壳1-2共同组成其外部轮廓，外壳内部开有安装槽，大压电堆作为作动压电堆2，与作动菱形环3过盈配合后放置在下外壳1-1中轴线上的安装槽中，左输出杆6-1和右输出杆6-2分别安装在下外壳1-1内左右两侧的凹槽中，并通过其内端部部留有的定位槽与作动菱形环3紧密配合，由弹簧和底座组成的左弹簧装置7-1和右弹簧装置7-2也分别安装在两侧的凹槽中并分别位于左输出杆6-1和右输出杆6-2的外部，使弹簧自由端与输出杆的底座接触，此时弹簧处于压缩状态，四个小压电堆两两分别为左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2，分别与对应的左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2过盈配合后安装在下外壳1-1上下两侧的安装槽中，使得左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2的两端平面与下外壳1-1的安装槽内表面以及作动菱形环3两端的表面紧密接触，并具有一定的预紧力，左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2两侧面与安装槽之间留有间隙，以上部件安装完成后，合上上外壳1-2，并用螺钉8将下外壳1-1和上外壳1-2拧紧；所述作动压电堆2、左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2均为压电陶瓷堆。

左钳位压电堆4-1、右钳位压电堆4-2和对应的左钳位菱形环5-1、右钳位菱形环5-2构成了作动器的钳位机构，作动压电堆2、作动菱形环3、左输出杆6-1、右输出杆6-2和左弹簧装置7-1、右弹簧装置7-2构成了作动器的作动和输出机构，钳位机构与作动和输出机构相互配合，能够实现大行程的高精度直线位移输出。

作动器的钳位结构设计原理为：压电堆的压电材料在周期性加载时，压电堆在每个电压状态均具有两个位移状态，而当激励电压跨0V时，在0V时同样有两个位移状态，此位移状态与加载历史相关；基于压电堆的这一形状记忆保持特性，并结合菱形环的位移放大和改向作用，钳位结构在作动器工作和锁止状态下均能提供大的钳位力，进而提高作动器的负载和断电锁止能力。

所述的基于压电材料保持特性的大钳位力作动器的作动方法，初始状态时，作动器中的作动压电堆2和左钳位压电堆4-1、右钳位压电堆4-2均处于断电状态，通过给作动压电堆2、左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2施加不同的周期性电压，实现该作动器双向大行程高精度直线位移输出，当作动器向左运动时，其作动方法如下：

第一步，给左钳位压电堆4-1施加正电压至U1，右钳位压电堆4-2施加负电压至U2，此时，钳位机构中，左钳位菱形环5-1自由端缩短，钳位状态解除，右钳位菱形环5-2自由端伸长，钳位力增加；

第二步，使左钳位压电堆4-1保持电压U1，右钳位压电堆4-2保持电压U2，给作动压电堆2施加电压至U0，作动压电堆2向左伸长；

第三步，使作动压电堆2保持电压U0，右钳位压电堆4-2保持电压U2，左钳位压电堆4-1的电压从U1下降至U2，此时，左钳位菱形环5-1自由端伸长，提供钳位力；

第四步，使左钳位压电堆4-1保持电压U2，作动压电堆2保持电压U0，右钳位压电堆4-2从U2加压至U1，此时，右钳位菱形环5-2自由端缩短，钳位状态解除；

第五步，使左钳位压电堆4-1保持电压U2，右钳位压电堆4-2保持电压U1，作动压电堆2从U0降压至0V，作动压电堆缩短至原长；

第六步，使左钳位压电堆4-1保持电压U2，作动压电堆2电压为0V，并使右钳位压电堆4-2从U1降压至U2，此时，左右两端的钳位机构均处于钳位状态，整个机构完成一个周期的作动，作动结构向左运动一个步长Δx；

重复上述第一步至第六步即实现作动结构的连续向左运动，当完成目标位移作动时，在最后一个作动周期进行到第六步后，同时将左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2从电压U2加压至0V，然后机构断电，因为压电材料的形状记忆效应，此时左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2的变形量均处于d2，即左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2均伸长x2，两侧的钳位机构均处于工作状态，实现了断电锁止；

向上述作动方法中的左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2的电压施加规律互换，即能够实现作动器向右运动和断电锁止。

所述的作动方法，当需要撤去某一个方向的位移输出时，按照反方向的作动方法使作动压电堆2回到初始位置，在此过程中，因对应弹簧装置的作用，对应输出杆也会随之回到初始位置，以便进行下一次的位移作动。

所述的作动方法，作动器经过长时间的工作后，左钳位菱形环5-1、右钳位菱形环5-2和作动菱形环3接触的表面均发生界面磨损，钳位能力下降，此时，通过施加更大的负电压U2，增强压电陶瓷的形状记忆效应，使左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2的伸长量更大，以至于保持钳位力的稳定和作动器的正常工作，需要注意的是负电压U2不能使压电堆发生反向极化。

与现有技术相比，本发明具有下述优点：

1.本发明采用压电陶瓷作为驱动单元，采用步进叠加的输出方式，具有大行程、高精度、双向运动的特点；

2.相对于传统的尺蠖式作动器，本发明利用了压电陶瓷的形状记忆保持特性，具有更大的钳位力，更可靠的断电锁止能力；

3.相比于直接采用预紧力和摩擦力达到断电锁止能力的作动器，本发明通过作动电压的调整解决了界面磨损导致钳位力和断电锁止能力下降的问题，使作动器具有更加稳定的工作状态和更长的使用寿命；

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剖视图。

图4为本发明作动器装置俯视图。

图5a和图5b分别为本发明的位移保持原理图和钳位结构工作原理图。

图6为本发明作动器向左作动时的驱动电压时序图。

图7为本发明作动器向左作动时的作动示意简图。

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、图3和图4所示，本发明基于压电材料保持特性的大钳位力作动器，该作动器由下外壳1-1和上外壳1-2共同组成其外部轮廓，外壳内部开有安装槽，大压电堆作为作动压电堆2，与作动菱形环3过盈配合后放置在下外壳1-1中轴线上的安装槽中，左输出杆6-1和右输出杆6-2分别安装在下外壳1-1内左右两侧的凹槽中，并通过其内端部部留有的定位槽与作动菱形环3紧密配合，由弹簧和底座组成的左弹簧装置7-1和右弹簧装置7-2也分别安装在两侧的凹槽中并分别位于左输出杆6-1和右输出杆6-2的外部，使弹簧自由端与输出杆的底座接触，此时弹簧处于压缩状态，四个小压电堆两两分别为左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2，分别与对应的左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2过盈配合后安装在下外壳1-1上下两侧的安装槽中，使得左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2的两端平面与下外壳1-1的安装槽内表面以及作动菱形环3两端的表面紧密接触，并具有一定的预紧力，左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2两侧面与安装槽之间留有间隙，以上部件安装完成后，合上上外壳1-2，并用螺钉8将下外壳1-1和上外壳1-2拧紧；所述作动压电堆2、左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2均为压电陶瓷堆。

左钳位压电堆4-1、右钳位压电堆4-2和对应的左钳位菱形环5-1、右钳位菱形环5-2构成了作动器的钳位机构，作动压电堆2、作动菱形环3、左输出杆6-1、右输出杆6-2和左弹簧装置7-1、右弹簧装置7-2构成了作动器的作动和输出机构，钳位机构与作动和输出机构相互配合，能够实现大行程的高精度直线位移输出。

作动器的钳位结构设计原理为：压电堆的压电材料在周期性加载时，压电堆在每个电压状态均具有两个位移状态，而当激励电压跨0V时，在0V时同样有两个位移状态，此位移状态与加载历史相关；基于压电堆的这一形状记忆保持特性，并结合菱形环的位移放大和改向作用，钳位结构在作动器工作和锁止状态下均能提供大的钳位力，进而提高作动器的负载和断电锁止能力。以下结合图5a和图5b做详细说明原理：如图5a所示，在U2-U1的周期电压加载下，压电堆0V时会对应两个不同的变形量d2和d1，从负电压U2升压至0V时，压电堆的缩短量为d2，从正电压U1降压至0V时，压电堆伸长量为d1，那么调整电压的施加方式，就可以在0V时使压电堆具有不同的变形量，如图5b所示，将压电堆与菱形环作动方向垂直放置，并使菱形环具有一定的预紧力，此时菱形环的伸长与缩短状态恰好与压电堆伸缩状态相反，从负电压U2升压到0V时，压电堆缩短量为d2，菱形环伸长量为x2，从正电压U1降压到0V时，压电堆伸长量为d1，菱形环缩短量为x1。

所述的基于压电材料保持特性的大钳位力作动器的作动方法，初始状态时，作动器中的作动压电堆2和左钳位压电堆4-1、右钳位压电堆4-2均处于断电状态，通过给作动压电堆2、左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2施加不同的周期性电压，实现该作动器双向大行程高精度直线位移输出，如图6和图7所示，当作动器向左运动时，其作动方法如下：

第一步，给左钳位压电堆4-1施加正电压至U1，右钳位压电堆4-2施加负电压至U2，此时，钳位机构中，左钳位菱形环5-1自由端缩短，钳位状态解除，右钳位菱形环5-2自由端伸长，钳位力增加；

第二步，使左钳位压电堆4-1保持电压U1，右钳位压电堆4-2保持电压U2，给作动压电堆2施加电压至U0，作动压电堆2向左伸长；

第三步，使作动压电堆2保持电压U0，右钳位压电堆4-2保持电压U2，左钳位压电堆4-1的电压从U1下降至U2，此时，左钳位菱形环5-1自由端伸长，提供钳位力；

第四步，使左钳位压电堆4-1保持电压U2，作动压电堆2保持电压U0，右钳位压电堆4-2从U2加压至U1，此时，右钳位菱形环5-2自由端缩短，钳位状态解除；

第五步，使左钳位压电堆4-1保持电压U2，右钳位压电堆4-2保持电压U1，作动压电堆2从U0降压至0V，作动压电堆缩短至原长；

第六步，使左钳位压电堆4-1保持电压U2，作动压电堆2电压为0V，并使右钳位压电堆4-2从U1降压至U2，此时，左右两端的钳位机构均处于钳位状态，整个机构完成一个周期的作动，作动结构向左运动一个步长Δx；

重复上述第一步至第六步即实现作动结构的连续向左运动，当完成目标位移作动时，在最后一个作动周期进行到第六步后，同时将左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2从电压U2加压至0V，然后机构断电，因为压电材料的形状记忆效应，此时左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2的变形量均处于d2，即左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2均伸长x2，两侧的钳位机构均处于工作状态，实现了断电锁止；

向上述作动方法中的左钳位压电堆4-1和右钳位压电堆4-2的电压施加规律互换，即能够实现作动器向右运动和断电锁止。

所述的作动方法，当需要撤去某一个方向的位移输出时，按照反方向的作动方法使作动压电堆2回到初始位置，在此过程中，因对应弹簧装置的作用，对应输出杆也会随之回到初始位置，以便进行下一次的位移作动。

所述的作动方法，作动器经过长时间的工作后，左钳位菱形环5-1、右钳位菱形环5-2和作动菱形环3接触的表面均发生界面磨损，钳位能力下降，此时，通过施加更大的负电压U2，增强压电陶瓷的形状记忆效应，使左钳位菱形环5-1和右钳位菱形环5-2的伸长量更大，以至于保持钳位力的稳定和作动器的正常工作，需要注意的是负电压U2不能使压电堆发生反向极化。

Claims (6)

1.基于压电材料保持特性的大钳位力作动器，其特征在于：该作动器由下外壳(1-1)和上外壳(1-2)共同组成其外部轮廓，外壳内部开有安装槽，大压电堆作为作动压电堆(2)，与作动菱形环(3)过盈配合后放置在下外壳(1-1)中轴线上的安装槽中，左输出杆(6-1)和右输出杆(6-2)分别安装在下外壳(1-1)内左右两侧的凹槽中，并通过其内端部部留有的定位槽与作动菱形环(3)紧密配合，由弹簧和底座组成的左弹簧装置(7-1)和右弹簧装置(7-2)也分别安装在两侧的凹槽中并分别位于左输出杆(6-1)和右输出杆(6-2)的外部，使弹簧自由端与输出杆的底座接触，此时弹簧处于压缩状态，四个小压电堆两两分别为左钳位压电堆(4-1)和右钳位压电堆(4-2)，分别与对应的左钳位菱形环(5-1)和右钳位菱形环(5-2)过盈配合后安装在下外壳(1-1)上下两侧的安装槽中，使得左钳位菱形环(5-1)和右钳位菱形环(5-2)的两端平面与下外壳(1-1)的安装槽内表面以及作动菱形环(3)两端的表面紧密接触，并具有一定的预紧力，左钳位菱形环(5-1)和右钳位菱形环(5-2)两侧面与安装槽之间留有间隙，以上部件安装完成后，合上上外壳(1-2)，并用螺钉(8)将下外壳(1-1)和上外壳(1-2)拧紧；所述作动压电堆(2)、左钳位压电堆(4-1)和右钳位压电堆(4-2)均为压电陶瓷堆。

2.根据权利要求1所述的基于压电材料保持特性的大钳位力作动器，其特征在于：左钳位压电堆(4-1)、右钳位压电堆(4-2)和对应的左钳位菱形环(5-1)、右钳位菱形环(5-2)构成了作动器的钳位机构，作动压电堆(2)、作动菱形环(3)、左输出杆(6-1)、右输出杆(6-2)和左弹簧装置(7-1)、右弹簧装置(7-2)构成了作动器的作动和输出机构，钳位机构与作动和输出机构相互配合，能够实现大行程的高精度直线位移输出。

3.根据权利要求1所述的基于压电材料保持特性的大钳位力作动器，其特征在于：作动器的钳位结构设计原理为：压电堆的压电材料在周期性加载时，压电堆在每个电压状态均具有两个位移状态，而当激励电压跨0V时，在0V时同样有两个位移状态，此位移状态与加载历史相关；基于压电堆的这一形状记忆保持特性，并结合菱形环的位移放大和改向作用，钳位结构在作动器工作和锁止状态下均能提供大的钳位力，进而提高作动器的负载和断电锁止能力。

4.权利要求1至3任一项所述的基于压电材料保持特性的大钳位力作动器的作动方法，其特征在于：初始状态时，作动器中的作动压电堆(2)和左钳位压电堆(4-1)、右钳位压电堆(4-2)均处于断电状态，通过给作动压电堆(2)、左钳位压电堆(4-1)和右钳位压电堆(4-2)施加不同的周期性电压，实现该作动器双向大行程高精度直线位移输出，当作动器向左运动时，其作动方法如下：

第一步，给左钳位压电堆(4-1)施加正电压至U1，右钳位压电堆(4-2)施加负电压至U2，此时，钳位机构中，左钳位菱形环(5-1)自由端缩短，钳位状态解除，右钳位菱形环(5-2)自由端伸长，钳位力增加；

第二步，使左钳位压电堆(4-1)保持电压U1，右钳位压电堆(4-2)保持电压U2，给作动压电堆(2)施加电压至U0，作动压电堆(2)向左伸长；

第三步，使作动压电堆(2)保持电压U0，右钳位压电堆(4-2)保持电压U2，左钳位压电堆(4-1)的电压从U1下降至U2，此时，左钳位菱形环(5-1)自由端伸长，提供钳位力；

第四步，使左钳位压电堆(4-1)保持电压U2，作动压电堆(2)保持电压U0，右钳位压电堆(4-2)从U2加压至U1，此时，右钳位菱形环(5-2)自由端缩短，钳位状态解除；

第五步，使左钳位压电堆(4-1)保持电压U2，右钳位压电堆(4-2)保持电压U1，作动压电堆(2)从U0降压至0V，作动压电堆缩短至原长；

第六步，使左钳位压电堆(4-1)保持电压U2，作动压电堆(2)电压为0V，并使右钳位压电堆(4-2)从U1降压至U2，此时，左右两端的钳位机构均处于钳位状态，整个机构完成一个周期的作动，作动结构向左运动一个步长Δx；

重复上述第一步至第六步即实现作动结构的连续向左运动，当完成目标位移作动时，在最后一个作动周期进行到第六步后，同时将左钳位压电堆(4-1)和右钳位压电堆(4-2)从电压U2加压至0V，然后机构断电，因为压电材料的形状记忆效应，此时左钳位压电堆(4-1)和右钳位压电堆(4-2)的变形量均处于d2，即左钳位菱形环(5-1)和右钳位菱形环(5-2)均伸长x2，两侧的钳位机构均处于工作状态，实现了断电锁止；

向上述作动方法中的左钳位压电堆(4-1)和右钳位压电堆(4-2)的电压施加规律互换，即能够实现作动器向右运动和断电锁止。

5.根据权利要求4所述的作动方法，其特征在于：当需要撤去某一个方向的位移输出时，按照反方向的作动方法使作动压电堆(2)回到初始位置，在此过程中，因对应弹簧装置的作用，对应输出杆也会随之回到初始位置，以便进行下一次的位移作动。

6.根据权利要求4所述的作动方法，其特征在于：作动器经过长时间的工作后，左钳位菱形环(5-1)、右钳位菱形环(5-2)和作动菱形环(3)接触的表面均发生界面磨损，钳位能力下降，此时，通过施加更大的负电压U2，增强压电陶瓷的形状记忆效应，使左钳位菱形环(5-1)和右钳位菱形环(5-2)的伸长量更大，以至于保持钳位力的稳定和作动器的正常工作，需要注意的是负电压U2不能使压电堆发生反向极化。