基于絲桿自鎖的拉壓對(duì)稱(chēng)雙向大位移壓電作動(dòng)器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于步進(jìn)式壓電作動(dòng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于絲杠自鎖的拉壓對(duì)稱(chēng)雙向大位移壓電作動(dòng)器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電作動(dòng)器在航天、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。其中步進(jìn)式作動(dòng)器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通過(guò)對(duì)壓電疊堆微小步距位移的積累，可實(shí)現(xiàn)小步距、理論行程無(wú)限大、高分辨率的精密步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。但以往步進(jìn)式壓電作動(dòng)器存在以下三項(xiàng)缺點(diǎn):第一，步進(jìn)式壓電動(dòng)作動(dòng)器的輸出力大小主要取決于鉗位機(jī)構(gòu)的鉗位力大小，而傳統(tǒng)步進(jìn)式壓電作動(dòng)器的鉗位功能均基于材料間摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)，并大多以提高正壓力的途徑提高相應(yīng)摩擦力，這種方式使得傳統(tǒng)步進(jìn)式壓電作動(dòng)器的輸出力難以有量級(jí)上的提升且不可靠；第二，壓電堆能具有很高的承壓能力但無(wú)法承受拉載荷，這使得傳統(tǒng)步進(jìn)式壓電作動(dòng)器能輸出很大壓力但僅能依靠壓電堆約束機(jī)構(gòu)的回彈力輸出拉力，最終導(dǎo)致作動(dòng)器的拉壓力輸出不對(duì)稱(chēng)；第三，壓電堆作動(dòng)行程一般在微米量級(jí)，因此以往步進(jìn)式作動(dòng)器各零件的加工精度也大多要求在微米量級(jí)以消除裝配間隙從而盡可能提高作動(dòng)器的力輸出能力，但這給加工制造帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決以上技術(shù)難題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于絲杠自鎖的拉壓對(duì)稱(chēng)雙向大位移壓電作動(dòng)器及方法，作動(dòng)器的鉗位機(jī)構(gòu)依靠梯型絲桿的自鎖使輸出力大幅度提升且鉗位更加可靠，同時(shí)采用兩只相對(duì)設(shè)置的壓電堆實(shí)現(xiàn)了拉壓力對(duì)稱(chēng)雙向輸出，并且此作動(dòng)器各零件加工精度要求不高，裝配過(guò)程簡(jiǎn)單。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種基于絲杠自鎖的拉壓對(duì)稱(chēng)雙向大位移壓電作動(dòng)器，包括下菱形約束環(huán)7和安裝于下菱形約束環(huán)7內(nèi)的下壓電堆6，下菱形約束環(huán)7的下端與下套筒5的下端內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓連接為一體，下菱形約束環(huán)7的上端凸出一小臺(tái)作為承載肩，下套筒5的上端貼緊于下無(wú)刷電機(jī)定子4的下端面，下無(wú)刷電機(jī)定子4的上端面貼緊于上套筒3的下端，上套筒3、下無(wú)刷電機(jī)定子4和下套筒5通過(guò)螺栓連接為一體，上套筒3的上端內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓連接與上菱形約束環(huán)8的上端連接，上菱形約束環(huán)8內(nèi)安裝有上壓電堆9，上菱形約束環(huán)8的下端凸出一小臺(tái)作為承載肩，上套筒3的上端外側(cè)面中心位置凸出一小臺(tái)作為承載肩，上套筒3的圓周方向分布有多個(gè)螺紋孔用于連接多個(gè)支撐柱10，多個(gè)支撐柱10穿過(guò)并采用過(guò)盈配合連接上無(wú)刷電機(jī)定子2，多個(gè)支撐柱10上端連接有上承載板1，承載板1中心凸出一小臺(tái)作為承載肩；上承載板1、上無(wú)刷電機(jī)定子2、上套筒3、上菱形約束環(huán)8、上壓電堆9、下無(wú)刷電機(jī)定子4、下菱形約束環(huán)7、下壓電堆6和下套筒5的中心均開(kāi)有圓通孔，絲杠11帶有細(xì)牙螺紋，其從上述所有零件的圓通孔中從上到下依次穿過(guò)，上承載螺母12和下承載螺母13設(shè)置有若干磁性體使其成為無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子并套在細(xì)牙螺紋絲杠11上，上承載螺母12置于上承載板1的承載肩與上套筒3的承載肩中間并與兩承載肩面間留有遠(yuǎn)大于上壓電堆9和下壓電堆6最大位移的間隙，下承載螺母13置于上菱形約束環(huán)8的承載肩與下菱形約束環(huán)7的承載肩中間并與兩承載肩面間留有遠(yuǎn)大于上壓電堆9和下壓電堆6最大位移間隙。
[0006]上述所述基于絲杠自鎖的拉壓對(duì)稱(chēng)雙向大位移壓電作動(dòng)器的作動(dòng)方法，當(dāng)絲桿11向上輸出推力時(shí)，由于上承載螺母12和下承載螺母13均與各承載肩面存在間隙，因此在反作用力下絲桿11會(huì)帶動(dòng)上承載螺母12和下承載螺母13 —同沿其軸向向下運(yùn)動(dòng)并使上承載螺母12或下承載螺母13先貼緊于上套筒3的承載肩或下菱形約束環(huán)7的承載肩以提供向上的推力，當(dāng)上承載螺母12先貼緊上套筒3的承載肩時(shí)，此時(shí)下承載螺母13與下菱形約束環(huán)7的承載肩及上菱形約束環(huán)8的承載肩依然存在間隙而處于松弛狀態(tài)，因此給其施加很小扭矩便可轉(zhuǎn)動(dòng)下承載螺母13使其沿絲桿11的軸向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)為使絲杠11繼續(xù)向上輸出推力，第一步，給下無(wú)刷電機(jī)定子4施加正向啟動(dòng)信號(hào)使下承載螺母13沿絲杠11的軸向向下運(yùn)動(dòng)最終貼緊下菱形約束環(huán)7的承載肩；第二步，下壓電堆6通電伸長(zhǎng)使下菱形約束環(huán)7變形伸長(zhǎng)向上推動(dòng)下承載螺母13并帶動(dòng)絲杠11向上運(yùn)動(dòng)一小步，而上承載螺母12也被絲桿11向上帶動(dòng)一小步使其不再貼緊上套筒2的承載肩而處于松弛狀態(tài)；第三步，給上無(wú)刷電機(jī)定子2施加正向啟動(dòng)信號(hào)使上承載螺母12沿絲杠11的軸向向下運(yùn)動(dòng)最終貼緊上套筒3的承載肩；第四步，下壓電堆6斷電收縮使下菱形約束環(huán)7恢復(fù)變形，此時(shí)上承載螺帽12被壓緊與上套筒3的承載肩上以提供向上的推力，因此下承載螺帽13不再貼緊下菱形約束環(huán)7的承載肩而處處于松弛狀態(tài)；重復(fù)步驟一到四，由于作動(dòng)器的鉗位機(jī)構(gòu)采用了絲桿自鎖原理，因此作動(dòng)器可以持續(xù)向上運(yùn)動(dòng)并輸出很大的推力。下承載螺母13先貼緊下菱形約束環(huán)7的承載肩的情況類(lèi)似；絲桿11在持續(xù)受向下力作用情況下的回程運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法:回程運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一步:下壓電堆6通電伸長(zhǎng)推動(dòng)下承載螺帽13、絲杠11向上運(yùn)動(dòng)一小步并帶動(dòng)上承載螺帽12向上運(yùn)動(dòng)一小步使其不再壓緊上套筒3的承載肩而處于松弛狀態(tài)；第二步，給上無(wú)刷電機(jī)定子2施加反向啟動(dòng)信號(hào)使上承載螺母12反轉(zhuǎn)沿著絲杠11軸向向上運(yùn)動(dòng)到上承載板1的承載肩與上套筒3承載肩中間位置，在此中間位置，上承載螺母12與上承載板1承載肩以及上套筒3承載肩的距離均大于下壓電堆6的最大作動(dòng)位移；第三步，給下無(wú)刷電機(jī)定子施加反向啟動(dòng)信號(hào)并給下壓電堆6施加脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿，下菱形約束環(huán)7的承載肩會(huì)急速向上推動(dòng)下承載螺母13、絲杠11和上承載螺母12，而在脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)下降沿下菱形約束環(huán)7的承載肩會(huì)急速回縮，但下承載螺母13、絲杠11和上承載螺母12由于慣性作用會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)有短暫時(shí)段使得下承載螺母13不再貼緊下菱形約束環(huán)7的承載肩而處于松弛狀態(tài)，因此在電機(jī)的轉(zhuǎn)矩下下承載螺母13反轉(zhuǎn)沿絲桿11軸向向上運(yùn)動(dòng)一小步，隨后下承載螺母13在向下力的作用下被重新壓緊在下菱形約束環(huán)7的承載肩上而不再轉(zhuǎn)動(dòng)。由于上承載螺母12和下承載螺母13均沿絲桿11軸向向上運(yùn)動(dòng)了一小步，因此絲桿11相當(dāng)于向下(回程)運(yùn)動(dòng)了一下步；重復(fù)步驟一到三，絲桿11會(huì)在向下的力作用下持續(xù)向下(回程)運(yùn)動(dòng)。
[0007]同理:當(dāng)絲杠11向下輸出拉力時(shí)及當(dāng)絲桿11在受持續(xù)向上拉力作用情況下做回程運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)上述相應(yīng)操作步驟，作動(dòng)器能夠持續(xù)向下運(yùn)動(dòng)并輸出對(duì)稱(chēng)大小的拉力且絲杠11在受持續(xù)向上拉力作用時(shí)可做相應(yīng)的回程運(yùn)動(dòng)。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì):
[0009]1、本發(fā)明不同于基于材料間摩擦力進(jìn)行鎖止的傳統(tǒng)步進(jìn)式壓電作動(dòng)器，本發(fā)明利用絲桿自鎖來(lái)完成鎖止功能，具有極高的可靠性并因此能夠輸出極大的輸出力和斷電自鎖能力。
[0010]2、本發(fā)明中對(duì)稱(chēng)設(shè)置了兩個(gè)壓電堆，因此本發(fā)明具有對(duì)稱(chēng)的大拉壓力雙向輸出能力。
[0011]3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且各零件的加工精度要求不高，使其加工和裝配極為簡(jiǎn)單。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明作動(dòng)器結(jié)構(gòu)外觀圖。
[0013]圖2為本發(fā)明作動(dòng)器結(jié)構(gòu)剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種基于絲杠自鎖的拉壓對(duì)稱(chēng)雙向大位移壓電作動(dòng)器，包括下菱形約束環(huán)7和安裝于下菱形約束環(huán)7內(nèi)的下壓電堆6，下菱形約束環(huán)7的下端與下套筒5的下端內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓連接為一體，下菱形約束環(huán)7的上端凸出一小臺(tái)作為承載肩，下套筒5的上端貼緊于下無(wú)刷電機(jī)定子4的下端面，下無(wú)刷電機(jī)定子4的上端面貼緊于上套筒3的下端，上套筒3、下無(wú)刷電機(jī)定子4和下套筒5通過(guò)螺栓連接為一體，上套筒3的上端內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓連接與上菱形約束環(huán)8的上端連接，上菱形約束環(huán)8內(nèi)安裝有上壓電堆9，上菱形約束環(huán)8的下端凸出一小臺(tái)作為承載肩，上套筒3的上端外側(cè)面中心位置凸出一小臺(tái)作為承載肩，上套筒3的圓周方向分布有多個(gè)螺紋孔用于連接多個(gè)支撐柱10，多個(gè)支撐柱10穿過(guò)并采用過(guò)盈配合連接上無(wú)刷電機(jī)定子2，多個(gè)支撐柱10上端連接有上承載板1，承載板1中心凸出一小臺(tái)作為承載肩；上承載板1、上無(wú)刷電機(jī)定子2、上套筒3、上菱形約束環(huán)8、上壓電堆9、下無(wú)刷電機(jī)定子4、下菱形約束環(huán)7、下壓電堆6和下套筒5的中心均開(kāi)有圓通孔，絲杠11帶有細(xì)牙螺紋，其從上述所有零件的圓通孔中從上到下依次穿過(guò)，上承載螺母12和下承載螺母13設(shè)置有若干磁性體使其成為無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子并套在細(xì)牙螺紋絲杠11上，上承載螺母12置于上承載板1的承載肩與上套筒3的承載肩中間并與兩承載肩面間留有遠(yuǎn)大于上壓電堆9和下壓電堆6最大位移的間隙，下承載螺母13置于上菱形約束環(huán)8的承載肩與下菱形約束環(huán)7的承載肩中間并與兩承載肩面間留有遠(yuǎn)大于上壓電堆9和下壓電堆6最大位移間隙。
[0015]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述多個(gè)支撐柱10的數(shù)量為三個(gè)，則上套筒3的圓周方向分布有螺紋孔也對(duì)應(yīng)為三個(gè)。
[0016]上述所述基于絲杠自鎖的拉壓對(duì)稱(chēng)雙向大位移壓電作動(dòng)器的作動(dòng)方法，當(dāng)絲桿11向上輸出推力時(shí)，由于上承載螺母12和下承載螺母13均與各承載肩面存在間隙，因此在反作用力下絲桿11會(huì)帶動(dòng)上承載螺母12和下承載螺母13 —同沿其軸向向下運(yùn)動(dòng)并使上承載螺母12或下承載螺母13先貼緊于上套筒3的承載肩或下菱形約束環(huán)7的承載肩以提供向上的推力，當(dāng)上承載螺母12先貼緊上