一种基于电磁驱动压电钳位的混合作动器及作动方法
【专利摘要】一种基于电磁驱动压电钳位的混合作动器及作动方法，该作动器主要包括一个四相无刷电机和用于将永磁体的旋转运动转为直线运动的滚珠丝杠，两个滚珠轴承用于限制永磁体的轴向位移；一个受到预压力具有环形抱死功能的钳位机构，在断电的情况下，钳位机构将丝杠抱死限制其转动；一个可以将钳位机构撑开的压电堆，从而可以使电机驱动永磁体并滚珠丝杠输出轴向位移；本发明只采用了一个压电堆和一个无刷电机便可以通过加电输出位移，而断电的时候具有锁止保持的功能。
【专利说明】
一种基于电磁驱动压电钳位的混合作动器及作动方法
技术领域
[0001]本发明属于电磁、压电作动器技术领域，具体涉及一种基于电磁驱动压电钳位的混合作动器及作动方法。
【背景技术】
[0002]电磁、压电作动器在航天、航空、医疗等领域应用广泛。现有的压电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。但现有的结构往往无法提供较大的锁止力，往往会出现滑脱的现象导致精度降低，同时现有的作动器通常需要三个甚至更多压电堆来工作，在工作步骤繁琐的同时带来了作动器体积大，质量大，成本高等问题。
【发明内容】
[0003]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基于电磁驱动压电钳位的混合作动器及作动方法，该作动器结构紧凑，体积小，重量轻，精度高，可输出大位移，通过压电堆，可实现钳位锁止功能，从而可以提供较大的锁止力。
[0004]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0005]—种基于电磁驱动压电钳位的混合作动器，包括底座I，固定在底座I上的外机壳7，底座I中心固定有第一滚珠轴承2;外机壳7内部固定有平台11，平台11位于第一滚珠轴承2的一端固定有第二滚珠轴承6，第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承6间设置有永磁体5，且第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承6限制永磁体5的轴向位移;永磁体5周圈设置有铁芯3和定子绕组4，铁芯3和定子绕组4为永磁体5通过电磁转矩的旋转磁场;平台11的另一端设置有钳位机构9，钳位机构9为一端相连且固定在外机壳7上的两个半圆形结构，整体为圆形结构，两个半圆形结构对应位置处各开有两个凹孔，其中一个凹孔内放置有压电堆8，压电堆8的底部放置在平台11上，另一个凹孔形成环形抱死部位，用于滚珠丝杠10从中穿过;滚珠丝杠10一端穿出钳位机构9的环形抱死部位，另一端依次穿过第二滚珠轴承6、永磁体5和第一滚珠轴承2，并穿出底座I，滚珠丝杠1与永磁体5间通过螺纹螺杆配合输出轴向位移。
[0006]所述外机壳7与底座I间通过螺纹连接。
[0007]上述所述基于电磁驱动压电钳位的混合作动器的作动方法，包括如下步骤:
[0008]第一步:首先给压电堆8施加电压，使受到预紧力的钳位机构9的两个半圆形结构撑开一定的角度，使环形抱死部位松开滚珠丝杠10，然后给无刷电机的定子绕组4施加电压形成一个旋转磁场给永磁体5提供电磁转矩，第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承6限制住永磁体5的轴向位移，因此，将永磁体5的旋转运动转为滚珠丝杠10的直线运动，滚珠丝杠10即输出直线位移；
[0009]第二步:卸掉压电堆8上的电压，使钳位机构9在预压力下闭合恢复，环形抱死部位抱死滚珠丝杠10限制其输出位移，后卸掉定子绕组4上的电压使整个作动器处于断电保持的状态，此时整个作动器的输出力由钳位机构9提供。
[0010]通过上述步骤，作动器能够实现大行程和大输出力作动；如果需要完成反向的位移，则只需要在定子绕组4上施加相反方向的电压，则产生一个反向的电磁转矩，其工作过程相同。
[0011 ]本发明和现有技术相比，具有如下优点:
[0012](I)由于压电堆较为昂贵，本发明只采用了一个压电堆以及一个相对较为廉价的无刷电机便实现了大位移的输出。
[0013](2)由于无刷电机可以持续工作，不像压电堆一样受到单步位移的限制，因此工作方式并不需要采用步进式驱动，较为简单。
[0014](3)本作动器结构低矮，具有较小的体积。
[0015](4)本作动器可以实现断电锁止，在某些工作场合下可以保持负载的工作状态，从而极大地降低了系统的功耗。
【附图说明】
[0016]图1为本发明结构示意图。
[0017]图2为压电堆断电钳位机构抱死示意图。
[0018]图3为压电堆加电钳位机构撑开示意图。
【具体实施方式】
[0019]如图1、图2和图3所示，本发明一种基于电磁驱动压电钳位的混合作动器，包括底座I，固定在底座I上的外机壳7，底座I中心固定有第一滚珠轴承2;外机壳7内部固定有平台U，平台11位于第一滚珠轴承2的一端固定有第二滚珠轴承6，第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承6间设置有永磁体5，且第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承6限制永磁体5的轴向位移;永磁体5周圈设置有铁芯3和定子绕组4，铁芯3和定子绕组4为永磁体5通过电磁转矩的旋转磁场；平台11的另一端设置有钳位机构9，钳位机构9为一端相连且固定在外机壳7上的两个半圆形结构，整体为圆形结构，两个半圆形结构对应位置处各开有两个凹孔，其中一个凹孔内放置有压电堆8，压电堆8的底部放置在平台11上，另一个凹孔形成环形抱死部位用于滚珠丝杠10从中穿过;滚珠丝杠10—端穿出钳位机构9的环形抱死部位，另一端依次穿过第二滚珠轴承6、永磁体5和第一滚珠轴承2，并穿出底座I，滚珠丝杠10与永磁体5间通过螺纹螺杆配合输出轴向位移。
[0020]作为本发明的优选实施方式，所述外机壳7与底座I间通过螺纹连接，便于拆卸。[0021 ]本发明所述基于电磁驱动压电钳位的混合作动器的作动方法，包括如下步骤:
[0022]第一步:首先给压电堆8施加电压，使受到预紧力的钳位机构9的两个半圆形结构撑开一定的角度，使环形抱死部位松开滚珠丝杠10，然后给无刷电机的定子绕组4施加电压形成一个旋转磁场给永磁体5提供电磁转矩，第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承6限制住永磁体5的轴向位移，因此，将永磁体5的旋转运动转为滚珠丝杠10的直线运动，滚珠丝杠10即输出直线位移；
[0023]第二步:卸掉压电堆8上的电压，使钳位机构9在预压力下闭合恢复，环形抱死部位抱死滚珠丝杠10限制其输出位移，后卸掉定子绕组4上的电压使整个作动器处于断电保持的状态，此时整个作动器的输出力由钳位机构9提供。
[0024]通过上述步骤，作动器能够实现大行程和大输出力作动；如果需要完成反向的位移，则只需要在定子绕组4上施加相反方向的电压，则产生一个反向的电磁转矩，其工作过程相同。
【主权项】
1.一种基于电磁驱动压电钳位的混合作动器，其特征在于:包括底座(I)，固定在底座(I)上的外机壳(7)，底座(I)中心固定有第一滚珠轴承(2);外机壳(7)内部固定有平台(II)，平台(11)位于第一滚珠轴承(2)的一端固定有第二滚珠轴承(6)，第一滚珠轴承(2)和第二滚珠轴承(6)间设置有永磁体(5)，且第一滚珠轴承(2)和第二滚珠轴承(6)限制永磁体(5)的轴向位移;永磁体(5)周圈设置有铁芯(3)和定子绕组(4)，铁芯(3)和定子绕组(4)为永磁体(5)通过电磁转矩的旋转磁场;平台(11)的另一端设置有钳位机构(9)，钳位机构(9)为一端相连且固定在外机壳(7)上的两个半圆形结构，整体为圆形结构，两个半圆形结构对应位置处各开有两个凹孔，其中一个凹孔内放置有压电堆(8)，压电堆(8)的底部放置在平台(11)上，另一个凹孔形成环形抱死部位用于滚珠丝杠(10)从中穿过;滚珠丝杠(10)—端穿出钳位机构(9)的环形抱死部位，另一端依次穿过第二滚珠轴承(6)、永磁体(5)和第一滚珠轴承(2)，并穿出底座(I)，滚珠丝杠(1)与永磁体(5)间通过螺纹螺杆配合输出轴向位移。2.根据权利要求1所述的基于电磁驱动压电钳位的混合作动器，其特征在于:所述外机壳(7)与底座(I)间通过螺纹连接。3.权利要求1所述基于电磁驱动压电钳位的混合作动器的作动方法，其特征在于:包括如下步骤: 第一步:首先给压电堆(8)施加电压，使受到预压力的钳位机构(9)的两个半圆形结构撑开一定的角度，使环形抱死部位松开滚珠丝杠(10)，然后给无刷电机的定子绕组(4)施加电压形成一个旋转磁场给永磁体(5)提供电磁转矩，第一滚珠轴承(2)和第二滚珠轴承(6)限制住永磁体(5)的轴向位移，因此，将永磁体(5)的旋转运动转为滚珠丝杠(10)的直线运动，滚珠丝杠(10)即输出直线位移； 第二步:卸掉压电堆(8)上的电压，使钳位机构(9)在预压力下闭合恢复，环形抱死部位抱死滚珠丝杠(10)限制其输出位移，后卸掉定子绕组(4)上的电压使整个作动器处于断电保持的状态，此时整个作动器的输出力由钳位机构(9)提供。 通过上述步骤，作动器能够实现大行程和大输出力作动;如果需要完成反向的位移，则只需要在定子绕组(4)上施加相反方向的电压，则产生一个反向的电磁转矩，其工作过程相同。
【文档编号】H02K7/12GK105871115SQ201610326611
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】陈楠, 徐明龙, 邵妍
【申请人】西安交通大学