CN112271952B - 一种尺蠖型压电驱动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尺蠖型压电驱动机构，该压电驱动机构包括箝位本体、运动轴、上螺母、下螺母、上箝位压电叠堆、下箝位压电叠堆以及驱动压电叠堆；箝位本体为圆筒型薄壁结构件，顶部连接有上螺母，底部连接有下螺母，中部设置有环形凸缘，并在环形凸缘与上螺母和下螺母之间的侧壁上开设有分割槽；上箝位压电叠堆夹设于环形凸缘与上螺母之间，下箝位压电叠堆夹设于环形凸缘与下螺母之间；运动轴过盈配合地安装于箝位本体内；所述驱动压电叠堆安装于运动轴的安装槽内；运动轴向驱动压电叠堆施加预紧力。上述压电驱动机构具有结构简单紧凑、零部件数量少、小型化和轻量化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及航天器的精密驱动、调节技术领域，具体涉及一种尺蠖型压电驱动机构。
背景技术
尺蠖型压电驱动机构，利用压电器件的高运动分辨率和尺蠖运动原理将小步长累积成大行程，实现高分辨率大行程的运动，在大输出力、精密定位以及低速直线运动、精密调整补偿等场合具有重要作用和优势。现有的尺蠖型压电驱动机构利用压电叠堆通电伸长时，推动机构发生变形实现对动子的夹紧与放松，并推动动子运动，其工作原理类似于蠕动类爬行动物，因此也通常被称为尺蠖型或者蠕动式压电驱动器。
目前常见的尺蠖式压电驱动器的缺点主要是结构复杂，实现尺蠖驱动的结构零件数一般情况下在20个左右，装调复杂，精度影响环节多，承受力学和热交变载荷能力差，体积大难于小型化、轻量化，使其应用场合受到一定的限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种尺蠖型压电驱动机构，具有结构简单紧凑、零部件数量少、小型化和轻量化的优点。
一种尺蠖型压电驱动机构，包括箝位本体、运动轴、上螺母、下螺母、上箝位压电叠堆、下箝位压电叠堆以及驱动压电叠堆；
所述箝位本体为圆筒型薄壁结构件，顶部外周侧螺纹连接有所述上螺母，底部外周侧螺纹连接有所述下螺母，中部外周侧设置有环形凸缘，并在所述环形凸缘与所述上螺母之间、以及所述环形凸缘与所述下螺母之间的侧壁上开设有多个沿轴向延伸的分割槽；
所述上箝位压电叠堆和所述下箝位压电叠堆均为圆环形结构，并套设于所述箝位本体的外周侧；所述上箝位压电叠堆夹设于所述环形凸缘与所述上螺母之间，所述下箝位压电叠堆夹设于所述环形凸缘与所述下螺母之间；
所述运动轴过盈配合地安装于所述箝位本体内，轴向中间部分设置有贯穿的安装槽，所述安装槽两侧为薄壁板结构；
所述驱动压电叠堆安装于所述安装槽内；
所述运动轴向所述驱动压电叠堆施加预紧力。
优选地，所述箝位本体的顶部设置有上连接部、底部设置有下连接部，所述上连接部和所述下连接部均设置有细牙外螺纹；
所述环形凸缘与所述上连接部之间、以及环形凸缘和所述下连接部之间均通过薄壁件连接，两个所述薄壁件形成腰鼓形结构；
所述分割槽形成于所述薄壁件。
优选地，在所述薄壁件的转角处开设有柔性圆弧形槽。
优选地，在所述上连接部、所述下连接部以及所述环形凸缘与所述薄壁件的相接处均设置有环形槽。
优选地，多个所述分割槽沿周向均匀分布。
优选地，所述分割槽采用线切割工艺加工而成。
优选地，所述环形凸缘设置有沿径向延伸的通孔，所述通孔用于穿设所述驱动压电叠堆的引线。
优选地，所述箝位本体、所述运动轴、所述上螺母、所述下螺母、所述上箝位压电叠堆、所述下箝位压电叠堆以及所述驱动压电叠堆均采用低热膨胀系数材料制成。
优选地，所述低热膨胀系数材料为殷瓦合金。
优选地，所述箝位本体的内侧面和所述运动轴的外周面均进行镀镍处理。
有益效果：
上述尺蠖型压电驱动机构采用了一体化设计思路，使得结构简化且紧凑，仅采用七个零件即可实现，有利于小型化、轻型化以及提高可靠性；箝位本体与运动轴的结构形式能够很方便的调整箝位力设计与实施；通过合理设计箝位本体的厚度、分割槽的数量、分割槽的宽度等参数可以在很大范围内实现箝位力的变化，并且尺蠖型压电驱动机构具有更多样的工作模式，能够大幅拓展其应用场景，如精度补偿、直线运动、形面控制以及震动控制等。
附图说明
图1为本发明尺蠖型压电驱动机构的立体结构示意图；
图2为本发明尺蠖型压电驱动机构的剖面结构示意图；
图3为图1中尺蠖型压电驱动机构的箝位本体的结构示意图；
图4为图3中箝位本体的A-A向剖视结构示意图；
图5为图1中尺蠖型压电驱动机构的运动轴的立体结构示意图；
图6为图5中运动轴的半剖结构示意图。
其中，1-箝位本体，2-运动轴，3-上螺母，4-下螺母，5-上箝位压电叠堆，6-下箝位压电叠堆，7-驱动压电叠堆，8-球铰
11-环形凸缘，12-分割槽，13-上连接部，14-下连接部，15-薄壁件，16-柔性圆弧形槽，17-环形槽，18-通孔，21-安装槽
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
请参考图1和图2，本发明提供了一种尺蠖型压电驱动机构，该雅典驱动机构包括箝位本体1、运动轴2、上螺母3、下螺母4、上箝位压电叠堆5、下箝位压电叠堆6以及驱动压电叠堆7；图1中在尺蠖型压电驱动机构的上、下端部分别连接有一个球铰8；
箝位本体1为圆筒型薄壁结构件，顶部外周侧螺纹连接有上螺母3，底部外周侧螺纹连接有下螺母4，中部外周侧设置有环形凸缘11，并在环形凸缘11与上螺母3之间、以及环形凸缘11与下螺母4之间的侧壁上开设有多个沿轴向延伸的分割槽12；如图3和图4结构所示，箝位本体1的顶部设置有上连接部13、底部设置有下连接部14，上连接部13和下连接部14均设置有细牙外螺纹；上连接部13通过细牙外螺纹与上螺母3螺纹连接；下连接部14通过细牙外螺纹与下螺母4螺纹连接；上连接部13和下连接部14均可以为环形件；环形凸缘11与上连接部13之间、以及环形凸缘11和下连接部14之间均通过薄壁件15连接；上连接部13与环形凸缘11之间连接有薄壁件15，下连接部14与环形凸缘11之间也连接有薄壁件15，两个薄壁件15形成腰鼓形结构；分割槽12形成于薄壁件15，如图3和图4结构所示，在上、下对称设置的两个薄壁件15上均设置有沿竖直方向延伸的多个分割槽12；多个分割槽12沿周向均匀分布，由于分割槽12均匀分布于薄壁件15的周向，从而能够保证薄壁件15的均匀变形；在实际生产过程中，分割槽12可以采用线切割工艺加工而成；
上螺母3和下螺母4用于箝位压电叠堆的预紧以及调节箝位本体1与运动轴2之间的预紧力；同时，还能够对箝位本体1与运动轴2之间的过压量进行调节；上螺母3与下螺母4外形均可以为等边六面体，并与环形凸缘11的上、下两处平面共同提供螺母预紧的操作接口；
上箝位压电叠堆5和下箝位压电叠堆6均为圆环形结构，并套设于箝位本体1的外周侧；上箝位压电叠堆5夹设于环形凸缘11与上螺母3之间，下箝位压电叠堆6夹设于环形凸缘11与下螺母4之间；如图1结构所示，上箝位压电叠堆5与薄壁件15之间具有径向间隙，下箝位压电叠堆6与薄壁件15之间也具有径向间隙；上箝位压电叠堆5和下箝位压电叠堆6对称设置在环形凸缘11的两侧；
运动轴2过盈配合地安装于箝位本体1内，轴向中间部分设置有贯穿的安装槽21，安装槽21两侧为薄壁板结构；如图5和图6结构所示的运动轴2，运动轴2整体成圆柱体结构，沿轴向方向，在运动轴2的中间部分设置有用于安装驱动压电叠堆7的安装槽21，安装槽21与驱动压电叠堆7形状配合，运动轴2向驱动压电叠堆7施加预紧力；在与安装槽21对应的运动轴2上还设置有凹槽，使得安装槽21两侧形成薄壁板结构；薄壁板结构用于匹配压电叠堆的驱动力和驱动刚度，薄壁板结构的厚度可根据需要进行调整；运动轴2的两端部还可以设置有用于安装零部件的盲孔；
驱动压电叠堆7安装于安装槽21内；为了方便装配驱动压电叠堆7的引线，即，方便走线，如图1、图2和图4结构所示，环形凸缘11设置有沿径向延伸的通孔18，通孔18用于穿设驱动压电叠堆7的引线；通孔18可以设置有相对的两个，也可以设置多个，可以根据实际需要进行设置。
上述尺蠖型压电驱动机构仅采用箝位本体1、运动轴2、上螺母3、下螺母4、上箝位压电叠堆5、下箝位压电叠堆6以及驱动压电叠堆7等七个零部件，上箝位压电叠堆5和下箝位压电叠堆6通过上、下螺母4固定安装在箝位本体1的上下两侧，并且上箝位压电叠堆5和下箝位压电叠堆6对称设置，嵌设有驱动压电叠堆7的运动轴2过盈配合地安装于箝位本体1内，因此，本发明的尺蠖型压电驱动机构采用了一体化设计，不仅零部件数量少、结构简单紧凑，并且有利于小型化和轻型化。
如图3和图4结构所示，在薄壁件15的转角处开设有柔性圆弧形槽16，通过柔性圆弧形槽16能够降低薄壁件15的强度和刚度，从而提高薄壁件15的柔性，使得薄壁件15更容易变形，从而实现运动。
箝位本体1采用圆筒型结构，通过加工使两段薄壁件15形成腰鼓形结构，在转角处开设柔性圆弧形槽16，同时采用线切割等加工形成沿轴向的分割槽12，从而形成预定数量的两组径向位移放大机构，使得上述尺蠖型压电驱动机构还具有适应范围广、集成度高、易于质量控制的优点。
上述尺蠖型压电驱动机构具有以下五种工作模式：
1、断电箝位模式：上箝位压电叠堆5、下箝位压电叠堆6以及驱动压电叠堆7均断电，此时箝位本体1通过预紧力夹紧运动轴2，两者相对固定，形成一个稳定结构；
2、伸长模式：通过上箝位压电叠堆5、下箝位压电叠堆6以及驱动压电叠堆7的通断电时序控制实现运动轴2相对于箝位本体1伸长，其运动时序如下表1所示；
3、缩短模式：通过上箝位压电叠堆5、下箝位压电叠堆6以及驱动压电叠堆7的通断电时序控制实现运动轴2相对于箝位本体1缩短，其运动时序如下表1所示；
4、零刚度模式：通过上箝位压电叠堆5和下箝位压电叠堆6同时断电，解除箝位本体1对运动轴2的预紧力，两者之间相互分离，表现为拉压刚度为零，如下表1所示；
5、快速微动模式(或称作振动控制模式)：通过上箝位压电叠堆5通电，解除箝位本体1上半部分对运动轴2的预紧力；下箝位压电叠堆6断电，箝位本体1下半部分对运动轴2夹紧；驱动压电叠堆7施加一定频率的驱动电压，实现运动轴2的快速微动驱动。
表1尺蠖型压电驱动机构的工作模式
如图3结构所示，在上连接部13、下连接部14以及环形凸缘11与薄壁件15的相接处均设置有环形槽17，即，在上连接部13的底面设置有环形槽17，在下连接部14的顶面设置有环形槽17，在环形凸缘11的顶面和底面均设置有环形槽17，所有的环形槽17均与薄壁件15的边缘邻接。
在上述各种实施例的基础上，箝位本体1、运动轴2、上螺母3、下螺母4、上箝位压电叠堆5、下箝位压电叠堆6以及驱动压电叠堆7均采用低热膨胀系数材料制成，低热膨胀系数材料可以为殷瓦合金；采用低热膨胀系数材料有利于提升热匹配性能，实现大温域范围内的正常工作；箝位本体1的内侧面和运动轴2的外周面均进行镀镍处理，箝位本体1的内侧面和转动轴的外周面之间相互配合区域可以采用镀镍等表面处理的方式提高硬度和摩擦系数，具体表面处理方式可以根据两者的材料种类进行确定。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种尺蠖型压电驱动机构，其特征在于，包括箝位本体、运动轴、上螺母、下螺母、上箝位压电叠堆、下箝位压电叠堆以及驱动压电叠堆；
所述箝位本体为圆筒型薄壁结构件，顶部外周侧螺纹连接有所述上螺母，底部外周侧螺纹连接有所述下螺母，中部外周侧设置有环形凸缘，并在所述环形凸缘与所述上螺母之间、以及所述环形凸缘与所述下螺母之间的侧壁上开设有多个沿轴向延伸的分割槽；
所述上箝位压电叠堆和所述下箝位压电叠堆均为圆环形结构，并套设于所述箝位本体的外周侧；所述上箝位压电叠堆夹设于所述环形凸缘与所述上螺母之间，所述下箝位压电叠堆夹设于所述环形凸缘与所述下螺母之间；
所述运动轴过盈配合地安装于所述箝位本体内，轴向中间部分设置有贯穿的安装槽，所述安装槽两侧为薄壁板结构；
所述驱动压电叠堆安装于所述安装槽内；
所述运动轴向所述驱动压电叠堆施加预紧力。
2.如权利要求1所述的压电驱动机构，其特征在于，所述箝位本体的顶部设置有上连接部、底部设置有下连接部，所述上连接部和所述下连接部均设置有细牙外螺纹；
所述环形凸缘与所述上连接部之间、以及环形凸缘和所述下连接部之间均通过薄壁件连接，两个所述薄壁件形成腰鼓形结构；
所述分割槽形成于所述薄壁件。
3.如权利要求2所述的压电驱动机构，其特征在于，在所述薄壁件的转角处开设有柔性圆弧形槽。
4.如权利要求3所述的压电驱动机构，其特征在于，在所述上连接部、所述下连接部以及所述环形凸缘与所述薄壁件的相接处均设置有环形槽。
5.如权利要求1所述的压电驱动机构，其特征在于，多个所述分割槽沿周向均匀分布。
6.如权利要求5所述的压电驱动机构，其特征在于，所述分割槽采用线切割工艺加工而成。
7.如权利要求1-6任一项所述的压电驱动机构，其特征在于，所述环形凸缘设置有沿径向延伸的通孔，所述通孔用于穿设所述驱动压电叠堆的引线。
8.如权利要求7所述的压电驱动机构，其特征在于，所述箝位本体、所述运动轴、所述上螺母、所述下螺母、所述上箝位压电叠堆、所述下箝位压电叠堆以及所述驱动压电叠堆均采用低热膨胀系数材料制成。
9.如权利要求8所述的压电驱动机构，其特征在于，所述低热膨胀系数材料为殷瓦合金。
10.如权利要求8所述的压电驱动机构，其特征在于，所述箝位本体的内侧面和所述运动轴的外周面均进行镀镍处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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