具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法
【专利摘要】具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法，该作动器包括基座，分别固定在基座两端的左、右钳位机构；右钳位机构的中空腔体内设有右钳位压电堆，右钳位压电堆两端通过柔性铰链和右钳位机构连接，右钳位机构中空腔体下部对称的设置有两个柔性铰链，右钳位机构中空腔体上部为分体结构，两边的分体结构均开有半圆孔，两个半圆孔形成一个圆孔；左钳位机构结构同右钳位机构；椭圆驱动机构设置在左、右钳位机构间，其内采用过盈配合设置有驱动压电堆，左右两端分别连接有导向杆和输出杆，导向杆和输出杆另一端分别穿过左钳位机构和右钳位机构的圆孔；本发明还提供驱动负载的方法；具有结构紧凑、关键零件均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配简单。
【专利说明】具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于步进式压电作动器【技术领域】，具体涉及一种具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法。
【背景技术】
[0002]压电作动器在航天、航空、医疗等领域已经有了很广泛的应用。其中步进式作动器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通过对压电叠堆微小步距位移的积累，可实现小步距、理论行程无限大、高分辨率的精密双向步进运动。但以往步进式作动器所采用的爬行方式要求三个相互配合的压电元件一同移动，因此在高频驱动条件下其结构较为笨重，无法以更高的频率驱动，从而限制了作动器位移输出的速率。
[0003]此外，以往的步进式压电作动器多采用通电钳位的方式，而在要求系统在断电情况下仍能保持输出位移应用场合中，以往的作动器无法完成此类任务。
【发明内容】
[0004]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具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法，在高频驱动条件下，只有一个压电元件随输出位移一同移动，其它两个压电元件保持不动并提供断电钳位和通电解锁的功能；此作动器结构紧凑、关键零件均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配简单。
[0005]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0006]具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器，包括基座1，分别固定在基座I左端和右端的左钳位机构8和右钳位机构4 ;所述右钳位机构4的中部为中空腔体，其内设置有右钳位压电堆2，右钳位压电堆2在右钳位机构4的中空腔体内两端通过柔性铰链和右钳位机构4连接，所述右钳位压电堆2采用过盈配合方式与两端的柔性铰链连接，以给右钳位压电堆2提供预紧力，所述右钳位机构4中空腔体下部对称的还设置有两个右柔性铰链4-1，所述右钳位机构4中空腔体上部为分体结构，两边的分体结构的对应位置均开有右半圆孔4-2，两个右半圆孔形成一个圆孔；所述左钳位机构8的结构同右钳位机构4，其中部为中空腔体，其内设置有左钳位压电堆9，左钳位压电堆9在左钳位机构8的中空腔体内两端通过柔性铰链和左钳位机构8连接，所述左钳位压电堆9采用过盈配合方式与两端的柔性铰链连接，以给左钳位压电堆9提供预紧力，所述左钳位机构8中空腔体下部对称的还设置有两个左柔性铰链8-1，所述左钳位机构8中空腔体上部为分体结构，两边的分体结构均开有左半圆孔8-2，两个左半圆孔形成一个圆孔；还包括椭圆驱动机构6，所述椭圆驱动机构6内采用过盈配合设置有驱动压电堆5，以给驱动压电堆5提供预紧力，椭圆驱动机构6的左右两端分别连接有导向杆7和输出杆3，所述导向杆7的另一端采用过盈配合方式穿过左钳位机构8的圆孔，所述输出杆3的另一端采用过盈配合方式穿过右钳位机构4的圆孔。
[0007]所述基座I两端各开有三个螺纹孔，左钳位机构8和右钳位机构4的底端相应位置也开有三个螺纹孔，左钳位机构8和右钳位机构4分别通过三个螺钉10固定在基座I的两端。
[0008]所述椭圆驱动机构6的刚度能够通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。
[0009]具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器驱动负载的方法，所述右钳位机构4的中空腔体内设置有柔性铰链，且右钳位机构4中空腔体下部对称的还设置有两个右柔性铰链4-1，当右钳位压电堆2加电伸长时，各柔性铰链产生弹性变形，使得右钳位机构4的上端圆孔张开一个角度，此时处于解锁状态；当右钳位压电堆2掉电回缩时，右钳位机构4的上端圆孔闭合，由于过盈配合使得圆孔将输出杆3抱紧，此时处于钳位状态；驱动压电堆5加电伸长时，推动输出杆3驱动负载,此时输出推力，同时椭圆驱动机构6产生弹性变形；当驱动压电堆5掉电回缩时,椭圆机构6回弹拉动输出杆3驱动负载,此时输出拉力；所述左钳位机构8的驱动方法同右钳位机构4。
[0010]上述所述的驱动负载的方法，具体为:初始状态为右钳位压电堆2、左钳位压电堆9及驱动压电堆5均处于掉电状态,此时输出杆3处于钳位状态；为使输出杆3输出向左的拉力，第一步，左钳位压电堆9通电伸长使得左钳位机构8解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长，椭圆驱动机构6产生弹性变形；第三步，左钳位压电堆9掉电回缩使得左钳位机构8钳位；第四步，右钳位压电堆2通电伸长使得右钳位机构4解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，椭圆驱动机构6弹性变形恢复，其恢复力拉动输出杆3向左运动一步长；第六步，右钳位压电堆2掉电回缩使得右钳位机构4钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆3以步进方式向左运动驱动负载；为使输出杆3向右运动输出推力，第一步，右钳位压电堆2通电伸长使得右钳位机构4解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长向右推动输出杆3驱动负载向右运动一步长，同时椭圆驱动机构6产生弹性变形；第三步，右钳位压电堆2掉电回缩使得右钳位机构4钳位；第四步，左钳位压电堆9通电伸长使得右钳位机构4解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，椭圆驱动机构6弹性变形恢复，其恢复力拉动导向杆7向右跟进一步长；第六步，左钳位压电堆9掉电回缩使得左钳位机构8钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆3以步进方式向右运动驱动负载。
[0011]和现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0012]I)本发明在输出位移时,仅有一个驱动压电堆5随输出位移一同移动,而两端的右钳位压电堆2、左钳位压电堆9及右钳位机构4、左钳位机构8保持不动，也即在步进过程中不必带动右钳位压电堆2、左钳位压电堆9及右钳位机构4、左钳位机构8 一同移动，因此能以更高的步进频率驱动作动器以提高输出速率。
[0013]2)本发明具有断电钳位功能。右钳位机构4、左钳位机构8在右钳位压电堆2、左钳位压电堆9通电伸长时解锁，而在右钳位压电堆2、左钳位压电堆9断电回缩时钳位。改变了一般尺蠖式作动器通电钳位而断电解锁的现状。断电钳位功能是一般工程应用中常见的需求。
[0014]3)本发明关键零件如右钳位机构4、左钳位机构8与椭圆驱动机构6均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配和加工工序简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构图。
[0016]图2为钳位机构的结构图。
[0017]图3为椭圆驱动机构的结构图。
【具体实施方式】
[0018]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。
[0019]如图1、图2和图3所示，本发明具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器，包括基座I，分别固定在基座I左端和右端的左甜位机构8和右甜位机构4 ;所述右甜位机构4的中部为中空腔体，其内设置有右钳位压电堆2，右钳位压电堆2在右钳位机构4的中空腔体内两端通过柔性铰链和右钳位机构4连接，所述右钳位压电堆2采用过盈配合方式与两端的柔性铰链连接，以给右钳位压电堆2提供预紧力，所述右钳位机构4中空腔体下部对称的还设置有两个右柔性铰链4-1，所述右钳位机构4中空腔体上部为分体结构，两边的分体结构均开有右半圆孔4-2，两个右半圆孔形成一个圆孔；所述左钳位机构8的结构同右钳位机构4，其中部为中空腔体，其内设置有左钳位压电堆9，左钳位压电堆9在左钳位机构8的中空腔体内两端通过柔性铰链和左钳位机构8连接，所述左钳位压电堆9采用过盈配合方式与两端的柔性铰链连接，以给左钳位压电堆9提供预紧力，所述左钳位机构8中空腔体下部对称的还设置有两个左柔性铰链8-1，所述左钳位机构8中空腔体上部为分体结构，两边的分体结构均开有左半圆孔8-2，两个左半圆孔形成一个圆孔；还包括椭圆驱动机构6，所述椭圆驱动机构6内采用过盈配合设置有驱动压电堆5，以给驱动压电堆5提供预紧力，椭圆驱动机构6的左右两端分别通过螺纹连接有导向杆7和输出杆3，所述导向杆7的另一端采用过盈配合方式穿过左钳位机构8的圆孔，所述输出杆3的另一端采用过盈配合方式穿过右钳位机构4的圆孔。
[0020]作为本发明的优选实施方式，所述基座I两端各开有三个螺纹孔，左钳位机构8和右钳位机构4的底端相应位置也开有三个螺纹孔，左钳位机构8和右钳位机构4分别通过三个螺钉10固定在基座I的两端。
[0021]作为本发明的优选实施方式，所述椭圆驱动机构6的刚度能够通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。
[0022]如图1所示，具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器驱动负载的方法，所述右钳位机构4的中空腔体内设置有柔性铰链，且右钳位机构4中空腔体下部对称的还设置有两个右柔性铰链4-1，当右钳位压电堆2加电伸长时，各柔性铰链产生弹性变形，使得右钳位机构4的上端圆孔张开一个角度，此时处于解锁状态；当右钳位压电堆2掉电回缩时，右钳位机构4的上端圆孔闭合，由于过盈配合使得圆孔将输出杆3抱紧，此时处于钳位状态；驱动压电堆5加电伸长时,推动输出杆3驱动负载,此时输出推力，同时椭圆驱动机构6产生弹性变形；当驱动压电堆5掉电回缩时，椭圆机构6回弹拉动输出杆3驱动负载，此时输出拉力；所述左钳位机构8的驱动方法同右钳位机构4。
[0023]下面对本发明的驱动负载的方法进行详细说明:
[0024]初始状态为右钳位压电堆2、左钳位压电堆9及驱动压电堆5均处于掉电状态，此时输出杆3处于钳位状态；为使输出杆3输出向左的拉力，第一步,左钳位压电堆9通电伸长使得左钳位机构8解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长，椭圆驱动机构6产生弹性变形；第三步，左钳位压电堆9掉电回缩使得左钳位机构8钳位；第四步，右钳位压电堆2通电伸长使得右钳位机构4解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，椭圆驱动机构6弹性变形恢复，其恢复力拉动输出杆3向左运动一步长；第六步，右钳位压电堆2掉电回缩使得右钳位机构4钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆3以步进方式向左运动驱动负载；为使输出杆3向右运动输出推力，第一步，右钳位压电堆2通电伸长使得右钳位机构4解锁；第二步，驱动压电堆5通电伸长向右推动输出杆3驱动负载向右运动一步长，同时椭圆驱动机构6产生弹性变形；第三步，右钳位压电堆2掉电回缩使得右钳位机构4钳位；第四步，左钳位压电堆9通电伸长使得右钳位机构4解锁；第五步，驱动压电堆5掉电回缩，椭圆驱动机构6弹性变形恢复，其恢复力拉动导向杆7向右跟进一步长；第六步，左钳位压电堆9掉电回缩使得左钳位机构8钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆3以步进方式向右运动驱动负载。
【权利要求】
1.具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器，其特征在于:包括基座(1)，分别固定在基座(I)左端和右端的左钳位机构(8)和右钳位机构(4);所述右钳位机构(4)的中部为中空腔体，其内设置有右钳位压电堆(2)，右钳位压电堆(2)在右钳位机构(4)的中空腔体内两端通过柔性铰链和右钳位机构(4)连接，所述右钳位压电堆(2)采用过盈配合方式与两端的柔性铰链连接，以给右钳位压电堆(2)提供预紧力，所述右钳位机构(4)中空腔体下部对称的还设置有两个右柔性铰链(4-1)，所述右钳位机构(4)中空腔体上部为分体结构，两边的分体结构的对应位置均开有右半圆孔(4-2)，两个右半圆孔形成一个圆孔；所述左钳位机构(8)的结构同右钳位机构(4)，其中部为中空腔体，其内设置有左钳位压电堆(9)，左钳位压电堆(9)在左钳位机构(8)的中空腔体内两端通过柔性铰链和左钳位机构(8)连接，所述左钳位压电堆(9)采用过盈配合方式与两端的柔性铰链连接，以给左钳位压电堆(9)提供预紧力，所述左钳位机构(8)中空腔体下部对称的还设置有两个左柔性铰链(8-1)，所述左钳位机构(8)中空腔体上部为分体结构，两边的分体结构均开有左半圆孔(8-2)，两个左半圆孔形成一个圆孔；还包括椭圆驱动机构￠)，所述椭圆驱动机构￠)内采用过盈配合设置有驱动压电堆(5)，以给驱动压电堆(5)提供预紧力，椭圆驱动机构(6)的左右两端分别连接有导向杆(7)和输出杆(3)，所述导向杆(7)的另一端采用过盈配合方式穿过左钳位机构(8)的圆孔，所述输出杆(3)的另一端采用过盈配合方式穿过右钳位机构(4)的圆孔。
2.根据权利要求1所述的具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器，其特征在于:所述基座(I)两端各开有三个螺纹孔，左钳位机构(8)和右钳位机构(4)的底端相应位置也开有三个螺纹孔，左钳位机构(8)和右钳位机构(4)分别通过三个螺钉(10)固定在基座(I)的两端。
3.根据权利要求1所述的具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器，其特征在于:所述椭圆驱动机构￠)的刚度能够通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。
4.具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器驱动负载的方法，其特征在于:所述右钳位机构(4)的中空腔体内设置有柔性铰链，且右钳位机构(4)中空腔体下部对称的还设置有两个右柔性铰链(4-1)，当右钳位压电堆(2)加电伸长时，各柔性铰链产生弹性变形，使得右钳位机构(4)的上端圆孔张开一个角度，此时处于解锁状态；当右钳位压电堆(2)掉电回缩时，右钳位机构(4)的上端圆孔闭合，由于过盈配合使得圆孔将输出杆(3)抱紧，此时处于钳位状态；驱动压电堆(5)加电伸长时,推动输出杆(3)驱动负载,此时输出推力，同时椭圆驱动机构(6)产生弹性变形；当驱动压电堆(5)掉电回缩时,椭圆机构(6)回弹拉动输出杆(3)驱动负载，此时输出拉力；所述左钳位机构(8)的驱动方法同右钳位机构(4)。
5.根据权利要求4所述的驱动负载的方法，其特征在于:具体为:初始状态为右钳位压电堆(2)、左钳位压电堆(9)及驱动压电堆(5)均处于掉电状态，此时输出杆(3)处于钳位状态；为使输出杆(3)输出向左的拉力，第一步，左钳位压电堆(9)通电伸长使得左钳位机构(8)解锁；第二步，驱动压电堆(5)通电伸长，椭圆驱动机构(6)产生弹性变形；第三步，左钳位压电堆(9)掉电回缩使得左钳位机构⑶钳位；第四步，右钳位压电堆(2)通电伸长使得右钳位机构(4)解锁；第五步，驱动压电堆(5)掉电回缩，椭圆驱动机构(6)弹性变形恢复，其恢复力拉动输出杆(3)向左运动一步长；第六步，右钳位压电堆(2)掉电回缩使得右钳位机构(4)钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆(3)以步进方式向左运动驱动负载；为使输出杆(3)向右运动输出推力，第一步，右钳位压电堆(2)通电伸长使得右钳位机构⑷解锁；第二步，驱动压电堆(5)通电伸长向右推动输出杆(3)驱动负载向右运动一步长，同时椭圆驱动机构(6)产生弹性变形；第三步，右钳位压电堆(2)掉电回缩使得右钳位机构(4)钳位；第四步，左钳位压电堆(9)通电伸长使得右钳位机构(4)解锁；第五步，驱动压电堆(5)掉电回缩，椭圆驱动机构(6)弹性变形恢复，其恢复力拉动导向杆(7)向右跟进一步长；第六步，左钳位压电堆(9)掉电回缩使得左钳位机构(8)钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，输出杆(3)以步进方式向右运动驱动负载。
【文档编号】H02N2/04GK104410323SQ201410719688
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】邵恕宝, 徐明龙, 宋思扬, 陈楠 申请人:西安交通大学