一种精密定位用螺杆式压电执行器

本发明涉及压电驱动与精密定位，特别涉及一种精密定位用螺杆式压电执行器。

背景技术：

1、随着科技不断进步，对于精密加工、精密定位等方面都有着更高的需求，传统的驱动技术像液压传动、电机等方式体积庞大，且难以满足精度需求。而作为精密机械与仪器的关键技术之一微纳驱动技术或精密定位技术，其采用压电致动器进行驱动，此方式是业内最为精确的定位或驱动手段。因为压电致动器响应速度快、精度和分辨率高、驱动力大，在精密定位如微纳操作系统、半导体制造以及精密光学仪器中已得到广泛应用。

2、按工作原理分类，压电位移执行器可分为超声式、尺蠖式、直驱式以及惯性式四种。超声式工作在谐振状态，运动速度快；尺蠖式仿生爬虫蠕动，速度慢，负载能力强；直驱式精度高、刚性好；惯性式结构紧凑简单，分辨率高。单从行程范围和结构上看，惯性式具有独特优势，不但行程范围调整灵活，而且更适合于微型化。

3、惯性粘滑式压电位移执行器通过驱动足与导轨滑块间的重复粘滞和滑动步骤实现步进位移输出，其结构大致由四个部分构成：压电致动器、柔性铰链、滑动导轨以及夹持施力机构。研究者们相继推出三角形，平行四边形，桥式等结构的柔性铰链进行传动，以及多只压电叠堆驱动用于设计压电致动器，但在驱动力和精度性能上都无法满足应用需求。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种精密定位用螺杆式压电执行器，不但行程范围灵活可调，有着一定的轴向负载能力，并且有着较高的定位精度。

2、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，包括螺杆、第一安装件、第二安装件、驱动件、压电叠堆以及预压结构，所述第一安装件用于与外部连接，所述螺杆螺纹连接所述第一安装件，所述第二安装件固定连接所述第一安装件，所述驱动件的一端转动设置于所述第二安装件，所述驱动件的另一端设置有卡合部，所述卡合部套设于所述螺杆，所述预压结构用于调节所述卡合部压抵所述螺杆的预压力，所述压电叠堆嵌设于所述驱动件，所述驱动件在所述压电叠堆的作用下产生形变以驱使所述卡合部转动，以使所述卡合部能够带动所述螺杆转动。

3、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述卡合部包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端和所述第二连接端之间形成一个供所述螺杆穿过的预紧孔，所述预紧孔内设置有驱动结构，所述驱动结构压抵所述螺杆。

4、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述驱动结构包括至少2个驱动足，所述驱动足以所述预紧孔的中心为圆心呈圆周阵列布置，其中，至少一半的所述驱动足设置于所述第一连接端，剩余的所述驱动足设置于所述第二连接端。

5、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述预压结构包括螺柱、弹性件以及调节螺母，所述螺柱依次贯穿所述第一连接端和所述第二连接端，所述螺柱的两端均设置有所述调节螺母，其中，所述第一连接端与一个所述调节螺母之间以及所述第二连接端与另一个所述调节螺母之间均设置有所述弹性件，通过所述调节螺母以驱使所述弹性件以一定的预压力作用于所述第一连接端或所述第二连接端，以使所述驱动结构以一定的预压力压抵所述螺杆。

6、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述弹性件为弹簧，所述弹簧套设于所述螺柱。

7、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述驱动件上设置有释放槽，所述释放槽处于所述压电叠堆与所述预紧孔之间，其中，所述释放槽连通所述预紧孔。

8、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述驱动件上设置有供所述压电叠堆嵌设的安装槽，所述安装槽的形状与所述压电叠堆的形状相似，所述安装槽的尺寸小于所述压电叠堆的尺寸。

9、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述第二安装件的一侧设置有避让台阶，所述避让台阶对准所述卡合部，所述第二安装件的另一侧设置有连接柱，所述连接柱通过螺纹连接所述第一安装件，其中，所述避让台阶上设置有供所述螺杆穿过的避让孔，所述避让孔贯穿所述连接柱。

10、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述第一安装件的外侧设置有外螺纹以及能够与所述外螺纹相结合的锁定螺母。

11、根据本发明实施例的精密定位用螺杆式压电执行器，所述螺杆的端部的中心位置设置有半球体。

12、基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案中，使用时，将第一安装件与外部固定后，对压电叠堆施加单向的非对称三角波或者升锯齿波形电压，因压电叠堆是嵌设于驱动件，驱动件的一端转动连接第二安装件，另一端的卡合部套设于螺杆，在电压的作用下压电叠堆推动驱动件逐渐变形，驱动件逐渐变形过程中驱使卡合部绕螺杆产生转动，而卡合部在预压结构的作用下是以一定的预压力压抵螺杆的，因此卡合部通过卡合部与螺杆之间的静摩擦力带动螺杆转动，实现螺杆的精密位移，随着电压的不断输入，在压电叠堆的作用下驱使卡合部与螺杆摩擦以带动螺杆转动，进而使螺杆沿其轴向方向进行长距离的移动，实现步进位移输出。相较于现有的压电位移执行器，本发明的压电执行器使用螺杆替代传统的线轨，能够供精确的步进位移输出的同时还能够实现有效的自锁，且压电叠堆是通过嵌设的方式固定于驱动件，方便维修和拆装，且设置的预压结构能够有效调节卡合部与螺杆之间的静摩擦力，有效提高卡合部的驱动力，整个装置运行平稳的同时还兼有粘滑式大行程高精度的特点。

技术特征：

1.一种精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：包括螺杆(100)、第一安装件(400)、第二安装件(300)、驱动件(200)、压电叠堆以及预压结构，所述第一安装件(400)用于与外部连接，所述螺杆(100)螺纹连接所述第一安装件(400)，所述第二安装件(300)固定连接所述第一安装件(400)，所述驱动件(200)的一端转动设置于所述第二安装件(300)，所述驱动件(200)的另一端设置有卡合部，所述卡合部套设于所述螺杆(100)，所述预压结构用于调节所述卡合部压抵所述螺杆(100)的预压力，所述压电叠堆嵌设于所述驱动件(200)，所述驱动件(200)在所述压电叠堆的作用下产生形变以驱使所述卡合部转动，以使所述卡合部能够带动所述螺杆(100)转动。

2.根据权利要求1所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述卡合部包括第一连接端(201)和第二连接端(202)，所述第一连接端(201)和所述第二连接端(202)之间形成一个供所述螺杆(100)穿过的预紧孔(220)，所述预紧孔(220)内设置有驱动结构，所述驱动结构压抵所述螺杆(100)。

3.根据权利要求2所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述驱动结构包括至少2个驱动足(221)，所述驱动足(221)以所述预紧孔(220)的中心为圆心呈圆周阵列布置，其中，至少一半的所述驱动足(221)设置于所述第一连接端(201)，其余的所述驱动足(221)设置于所述第二连接端(202)。

4.根据权利要求2所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述预压结构包括螺柱(510)、弹性件(530)以及调节螺母(520)，所述螺柱(510)依次贯穿所述第一连接端(201)和所述第二连接端(202)，所述螺柱(510)的两端均设置有所述调节螺母(520)，其中，所述第一连接端(201)与一个所述调节螺母(520)之间以及所述第二连接端(202)与另一个所述调节螺母(520)之间均设置有所述弹性件(530)，通过所述调节螺母(520)以驱使所述弹性件(530)以一定的预压力作用于所述第一连接端(201)或所述第二连接端(202)，以使所述驱动结构以一定的预压力压抵所述螺杆(100)。

5.根据权利要求4所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述弹性件(530)为弹簧，所述弹簧套设于所述螺柱(510)。

6.根据权利要求2所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述驱动件(200)上设置有释放槽(204)，所述释放槽(204)处于所述压电叠堆与所述预紧孔(220)之间，其中，所述释放槽(204)连通所述预紧孔(220)。

7.根据权利要求1或2所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述驱动件(200)上设置有供所述压电叠堆嵌设的安装槽(210)，所述安装槽(210)的形状与所述压电叠堆的形状相似，所述安装槽(210)的尺寸小于所述压电叠堆的尺寸。

8.根据权利要求1所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述第二安装件(300)的一侧设置有避让台阶(302)，所述避让台阶(302)对准所述卡合部，所述第二安装件(300)的另一侧设置有连接柱(310)，所述连接柱(310)通过螺纹连接所述第一安装件(400)，其中，所述避让台阶(302)上设置有供所述螺杆(100)穿过的避让孔(303)，所述避让孔(303)贯穿所述连接柱(310)。

9.根据权利要求1所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述第一安装件(400)的外侧设置有外螺纹(420)以及能够与所述外螺纹(420)相结合的锁定螺母(430)。

10.根据权利要求1所述的精密定位用螺杆式压电执行器，其特征在于：所述螺杆(100)的端部的中心位置设置有半球体(110)。

技术总结
本发明公开了一种精密定位用螺杆式压电执行器，涉及压电驱动与精密定位技术领域，包括螺杆、第一安装件、第二安装件、驱动件、压电叠堆以及预压结构，螺杆螺纹连接第一安装件，第二安装件固定连接第一安装件，驱动件的一端转动设置于第二安装件，驱动件的另一端设置有卡合部，卡合部套设于螺杆，预压结构用于调节卡合部压抵螺杆的预压力，压电叠堆嵌设于驱动件，驱动件在压电叠堆的作用下产生形变以驱使卡合部转动，以使卡合部能够带动螺杆转动。本发明的压电执行器使用螺杆替代传统的线轨，能够供精确的步进位移输出的同时还能够实现有效的自锁，不但行程范围灵活可调，有着一定的轴向负载能力，并且有着较高的定位精度。

技术研发人员：凌志远,辜俊
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14