CN106100437B - 钳位力可调节的直线式惯性压电作动器及作动方法 - Google Patents
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Abstract
钳位力可调节的直线式惯性压电作动器及作动方法，该作动器由上、下框架、导轨、输出杆、双菱形串联驱动机构、压电堆及调节所需的螺帽和螺杆组成；双菱形串联驱动机构包含串联双菱形环，两者串联衔接处下部有摩擦块，上部有对称圆弧状弹性元件，弹性元件顶端粘结有调节块；作动器下框架底部固接有导轨，输出杆通过下部的滑块与导轨接触，输出杆上表面与装有压电堆的双菱形串联驱动机构的摩擦块紧密接触，两者间的正压力可由穿过上框架且端面作用于调节块的螺杆调节，其间通过弹性元件表面布置的电阻式应变计测得变形，换算出正压力的准确数值，从而得到作动器的钳位力；本发明具有测量并调节钳位力的功能，装配简单，响应迅速，作动精准。
Description
技术领域
本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种钳位力可调节的直线式惯性压电作动器及作动方法。
背景技术
压电驱动的工作原理是基于压电具有的逆压电效应，压电驱动具有体积小、刚度大、位移分辨率及定位精度高、线性好、频率响应高、不发热、无噪声、易于控制等优点。
压电作动器在生命科学、医学和生物工程,半导体及微电子、数据存储、光学、光子学、光纤、度量和测量技术、精密机械和机械工程等领域具有广泛的应用背景。其中惯性式作动器基于惯性——摩擦的压电驱动原理，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、高分辨率的快速双向步进运动。以往惯性式作动器虽能驱动一定负载，但是无法实时测量并调节钳位力的大小。另外，以往的压电作动器多采用通电钳位的方式，而在要求***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
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钳位力可调节的直线式惯性压电作动器及作动方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并双向驱动负载，提供了断电钳位的功能；此作动器具有测量并调节钳位力的功能，装配简单，响应迅速，作动精准，能够断电锁止并实现双向大位移作动。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钳位力可调节的直线式惯性压电作动器，包括下框架5，固连在下框架5底部的导轨4，设置在导轨4上并通过底部滑块与导轨4接触的输出杆3，设置在输出杆3上的双菱形串联驱动机构2，两端套接在下框架5内并两端底部压接在双菱形串联驱动机构2两端的上框架1；所述双菱形串联驱动机构2包含串联双菱形环13，其内部分别沿输出杆3的轴向过盈配合有左压电堆12和右压电堆7，串联双菱形环13的串联衔接处设置有摩擦块6，摩擦块6底部突出于串联双菱形环13，使输出杆3上表面仅与双菱形串联驱动机构2中的摩擦块6接触，摩擦块6顶部设置有对称圆弧状弹性元件11，对称圆弧状弹性元件11顶端粘结有调节块8，调节块8顶部与上框架1底部相接触，上框架1与调节块8接触位置处开孔并设置有调节正压力所需的螺帽10和螺杆9；当上框架1分别与双菱形串联驱动机构2两端和下框架5固定安装后，旋转螺帽10，输出杆3上表面和摩擦块6间的正压力便由穿过上框架1且端面作用于调节块8的螺杆9调节。
所述左压电堆12和右压电堆7均处于断电时，输出杆3与摩擦块6之间紧密接触并存在静摩擦力，此时输出杆3能够承受一定外载，在断电情况下达到可靠的钳位。
所述弹性元件11外壁贴有电阻式应变计构成惠斯通全桥，输出杆3与摩擦块6间的正压力通过螺帽10螺杆9调节过程中，能够通过电阻式应变计测得弹性元件11变形，换算出正压力的准确数值，从而得到作动器的钳位力，这样能够根据需要实时测量并调节钳位力。
所述的钳位力可调节的直线式惯性压电作动器的作动方法，未通电时，输出杆3处于钳位状态；开始作动时，第一步，同时对左压电堆12和右压电堆7施加初始平衡电压，此时两者相对，作用力相互抵消，摩擦块6处于原位并与输出杆3保持相对静止；第二步，缓慢地对左压电堆12从初始平衡电压降电压直至断电，同时缓慢地对右压电堆7从初始平衡电压升电压直至满行程电压，此时摩擦块6被缓慢地带动向左压电堆12方向移动，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力大于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，输出杆3能够驱动负载向左移动一步；第三步，迅速地对左压电堆12从断电状态升电压直至初始平衡电压，同时迅速地对右压电堆7从满行程电压降电压直至初始平衡电压，此时摩擦块6被迅速地带动回归原位，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力远小于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，且该过程时间足够短暂，输出杆3会基本保持不动，这样就实现了输出杆3向左的一次完整移动；重复第二、三步，能够使输出杆3连续向左驱动负载，当驱动完成后，同时对左压电堆12和右压电堆7断电，输出杆3恢复钳位状态；同样地，交换左压电堆12和右压电堆7的通电方式，输出杆3能够连续向右驱动负载，以此实现电控方式下的双向惯性作动。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明具有断电钳位功能。左压电堆12和右压电堆7均处于断电时，输出杆3与摩擦块6之间紧密接触并存在静摩擦力，此时输出杆3能够承受一定外载，在断电情况下达到可靠的钳位。改变了一般压电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。
2)本发明具有调节正压力的功能，当作动器上框架1分别与双菱形串联驱动机构2两端和下框架5固定安装后，旋转螺帽10，输出杆3上表面和摩擦块6间的正压力便可由穿过上框架1且端面作用于调节块8的螺杆9调节；能够包容加工误差，对作动器初始调整钳位状态时的装配过程要求不高，极大降低了加工和装配的难度；结构内部空间利用合理，体积小，质量轻，结构紧凑。
3)本发明作动器所能提供的钳位力可通过外壁贴有电阻式应变计的弹性元件11变形换算得到，无需人员的高难度操作；能够实时准确获得钳位力，实现测量并提供调整依据。
4)本发明在作动过程中，采用双菱形串联驱动机构2，通过同时控制两个压电堆实现位移输出，弥补了菱形机构响应缓慢的不足，能够使惯性作动器双向运动中的步距及响应速度保持一致，实现迅速、稳定和准确地驱动负载。
附图说明
图1为本发明结构立体图。
图2为本发明双菱形串联驱动机构立体图。
具体实施方式
以下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和图2所示，本发明钳位力可调节的直线式惯性压电作动器，包括上框架1、下框架5、导轨4、输出杆3、双菱形串联驱动机构2、左压电堆12、右压电堆7和调节正压力所需的螺帽10和螺杆9；所述双菱形串联驱动机构2包含串联双菱形环13，其内部分别沿输出杆3的轴向过盈配合有左压电堆12和右压电堆7，串联双菱形环13的串联衔接处设置有摩擦块6，摩擦块6底部突出于串联双菱形环13，摩擦块6顶部设置有对称圆弧状弹性元件11，对称圆弧状弹性元件11顶端粘结有调节块8；调节块8顶部与上框架1底部相接触，上框架1与调节块8接触位置处开孔并设置有调节正压力所需的螺帽10和螺杆9；所述下框架5底部固接有导轨4，输出杆3通过下部的滑块与导轨4接触，输出杆3上表面与双菱形串联驱动机构2中的摩擦块6接触，当上框架1分别与双菱形串联驱动机构2两端和下框架5固定安装后，旋转螺帽10，输出杆3上表面和摩擦块6间的正压力便可由穿过上框架1且端面作用于调节块8的螺杆9调节。
所述左压电堆12和右压电堆7均处于断电时，输出杆3与摩擦块6之间紧密接触并存在静摩擦力，此时输出杆3能够承受一定外载，在断电情况下达到可靠的钳位。
所述弹性元件11外壁贴有电阻式应变计构成惠斯通全桥，输出杆3与摩擦块6间的正压力通过螺帽10螺杆9调节过程中，能够通过电阻式应变计测得弹性元件11变形，换算出正压力的准确数值，从而得到作动器的钳位力，这样可以根据需要实时测量并调节钳位力。
下面对本发明的作动方法进行详细说明：
未通电时，输出杆3处于钳位状态；为使输出杆3向左驱动负载，第一步，同时对左压电堆12和右压电堆7施加初始平衡电压，此时两者相对，作用力相互抵消，摩擦块6处于原位并与输出杆3保持相对静止；第二步，缓慢地对左压电堆12从初始平衡电压降电压直至断电，同时缓慢地对右压电堆7从初始平衡电压升电压直至满行程电压，此时摩擦块6被缓慢地带动向左压电堆12方向移动，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力大于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，输出杆3能够驱动负载向左移动一步；第三步，迅速地对左压电堆12从断电状态升电压直至初始平衡电压，同时迅速地对右压电堆7从满行程电压降电压直至初始平衡电压，此时摩擦块6被迅速地带动回归原位，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力远小于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，且该过程时间足够短暂，输出杆3会基本保持不动，这样就实现了输出杆3向左的一次完整移动；重复第二、三步，能够使输出杆3连续向左驱动负载，当驱动完成后，同时对左压电堆12和右压电堆7断电，输出杆3恢复钳位状态；同样地，为使输出杆3向右驱动负载，第一步，同时对左压电堆12和右压电堆7施加初始平衡电压，此时两者相对，作用力相互抵消，摩擦块6处于原位并与输出杆3保持相对静止；第二步，缓慢地对左压电堆12从初始平衡电压升电压直至满行程电压，同时缓慢地对右压电堆7从初始平衡电压降电压直至断电，此时摩擦块6被缓慢地带动向右压电堆7方向移动，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力大于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，输出杆3能够驱动负载向右移动一步；第三步，迅速地对左压电堆12从满行程电压降电压直至初始平衡电压，同时迅速地对右压电堆7从断电状态升电压直至初始平衡电压，此时摩擦块6被迅速地带动回归原位，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力远小于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，且该过程时间足够短暂，输出杆3会基本保持不动，这样就实现了输出杆3向右的一次完整移动；重复第二、三步，能够使输出杆3连续向右驱动负载，当驱动完成后，同时对左压电堆12和右压电堆7断电，输出杆3恢复钳位状态；以此实现电控方式下的双向惯性作动。
Claims (4)
1.一种钳位力可调节的直线式惯性压电作动器，其特征在于：包括下框架(5)，固连在下框架(5)底部的导轨(4)，设置在导轨(4)上并通过底部滑块与导轨(4)接触的输出杆(3)，设置在输出杆(3)上的双菱形串联驱动机构(2)，两端套接在下框架(5)内并两端底部压接在双菱形串联驱动机构(2)两端的上框架(1)；所述双菱形串联驱动机构(2)包含串联双菱形环(13)，其内部分别沿输出杆(3)的轴向过盈配合有左压电堆(12)和右压电堆(7)，串联双菱形环(13)的串联衔接处设置有摩擦块(6)，摩擦块(6)底部突出于串联双菱形环(13)，使输出杆(3)上表面仅与双菱形串联驱动机构(2)中的摩擦块(6)接触，摩擦块(6)顶部设置有对称圆弧状弹性元件(11)，对称圆弧状弹性元件(11)顶端粘结有调节块(8)，调节块(8)顶部与上框架(1)底部相接触，上框架(1)与调节块(8)接触位置处开孔并设置有调节正压力所需的螺帽(10)和螺杆(9)；当上框架(1)分别与双菱形串联驱动机构(2)两端和下框架(5)固定安装后，旋转螺帽(10)，输出杆(3)上表面和摩擦块(6)间的正压力便由穿过上框架(1)且端面作用于调节块(8)的螺杆(9)调节。
2.根据权利要求1所述的钳位力可调节的直线式惯性压电作动器，其特征在于：所述左压电堆(12)和右压电堆(7)均处于断电时，输出杆(3)与摩擦块(6)之间紧密接触并存在静摩擦力，此时输出杆(3)能够承受一定外载，在断电情况下达到可靠的钳位。
3.根据权利要求1所述的钳位力可调节的直线式惯性压电作动器，其特征在于：所述弹性元件(11)外壁贴有电阻式应变计构成惠斯通全桥，输出杆(3)与摩擦块(6)间的正压力通过螺帽(10)螺杆(9)调节过程中，能够通过电阻式应变计测得弹性元件(11)变形，换算出正压力的准确数值，从而得到作动器的钳位力，这样能够根据需要实时测量并调节钳位力。
4.权利要求1所述的钳位力可调节的直线式惯性压电作动器的作动方法，其特征在于：未通电时，输出杆(3)处于钳位状态；开始作动时，第一步，同时对左压电堆(12)和右压电堆(7)施加初始平衡电压，此时两者相对，作用力相互抵消，摩擦块(6)处于原位并与输出杆(3)保持相对静止；第二步，缓慢地对左压电堆(12)从初始平衡电压降电压直至断电，同时缓慢地对右压电堆(7)从初始平衡电压升电压直至满行程电压，此时摩擦块(6)被缓慢地带动向左压电堆(12)方向移动，由于摩擦块(6)与输出杆(3)间的静摩擦力大于输出杆(3)随摩擦块(6)一起移动所需的惯性力，输出杆(3)能够随摩擦块(6)移动并驱动负载向左一步；第三步，迅速地对左压电堆(12)从断电状态升电压直至初始平衡电压，同时迅速地对右压电堆(7)从满行程电压降电压直至初始平衡电压，此时摩擦块(6)被迅速地带动回归原位，由于摩擦块(6)与输出杆(3)间的静摩擦力远小于输出杆(3)随摩擦块(6)一起移动所需的惯性力，且该过程时间足够短暂，输出杆(3)会基本保持不动，这样就实现了输出杆(3)向左的一次完整移动；重复第二、三步，能够使输出杆(3)连续向左驱动负载，当驱动完成后，同时对左压电堆(12)和右压电堆(7)断电，输出杆(3)恢复钳位状态；同样地，交换左压电堆(12)和右压电堆(7)的通电方式，输出杆(3)能够连续向右驱动负载，以此实现电控方式下的双向惯性作动。
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