一种利用交替自锁的呈等腰梯形布置的爬杆作动器

摘要

一种利用交替自锁的呈等腰梯形布置的爬杆作动器，其特征在于：底座与滑杆固连，上、下动子套在滑杆上，上、下动子内孔的两个弧面都与滑杆接触，上、下动子的铰链与上、下转轴的转轴配合，上、下动子通过两组转轴、左斜驱动腿、右斜驱动腿、压电陶瓷预紧螺栓、压电陶瓷预紧螺母相连接，上下两个压板通过螺钉与上、下动子固定，压轮与压板通过销轴连接，压轮外缘为弹性橡胶，且压轮大小合适从而可以与滑杆有一定的接触压力。只需要将驱动腿布置在动子的自锁区以内，即可实现交替自锁，因此对加工要求较低。可望实现大推力，理论上只要强度足够，驱动腿有多大的力，压电作动器就有多大的力。虽然利用自锁，但是作动器可以实现双向运动。

说明书

技术领域

本发明属于超声电机领域，具体涉及一种利用交替自锁的呈等腰梯形布置的爬杆作动器。

背景技术

近几十年来，由于压电陶瓷制备工艺的发展，近百年前提出的超声压电作动器得到了快速的发展。超声电机突破了传统电机的概念，没有磁钢和绕组，不依靠电磁感应传递能量。它是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过压电陶瓷的伸缩振动模式的转换与耦合以及特殊结构的设计，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。超声压电作动器具有低速大扭矩的特点，可直接驱动负载，无需齿轮箱进行降速以提高输出扭矩，结构设计灵活，可方便地设计成旋转形式和直线形式。几十年来，各种具有超高速、超低速、高精度定位等特点的压电作动器，满足不同的应用场合。其中，尺蠖式超声压电作动器由于具有大推力、高定位精度以及驱动方式简单等特点，得到了国内外很多科学家的重视，许多高性能的尺蠖超声压电作动器在生产实践中得到了很好的应用。但是尺蠖式超声压电作动器对加工要求极高，尤其是具有超大推力的微齿尺蠖超声压电作动器，微齿的加工更是难上加难。有学者利用位移放大机构制作了尺蠖式超声压电作动器，从而降低了对加工精度的要求，但是相应的超声压电作动器推力性能就大打折扣了。另外，超越离合器式超声压电作动器利用其自锁的特点实现了大推力，加工精度的要求相对不高，但是其只能单向运动的缺点大大限制了它的应用范围。

为了解决上述矛盾，急需设计一种全新的利用交替自锁的呈等腰梯形布置的爬杆作动器，可望实现大推力、较低加工精度要求以及可双向运动和双向自锁的目的，具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有的作动器难以实现行程和推力及双向运动存在的问题，设计一种利用交替自锁的呈等腰梯形布置的爬杆作动器，以满足大推力、双向行程的要求。

本发明的技术方案是：

一种利用交替自锁的呈等腰梯形布置的爬杆作动器，其特征是它包括底座1、滑杆2、上动子8、下动子5、左斜驱动腿6、右斜驱动腿7、上压板8，下压板4，上滚轮10及下滚轮4；滑杆2安装在底座1上，上动子8和下动子5均套装在滑杆2上，上动子8和下动子5的两端均枢装在转轴13上，所述左斜驱动腿与右斜驱动腿呈八字形布置，左斜驱动腿与右斜驱动腿的两端分别与对应的转轴13的对应端相连，上压板8和下压板4对应安装在所述的上动子8和下动子5上，所述的上滚轮10及下滚轮4对应在所述的上压板8和下压板4上并与滑杆2滚动接触；所述左斜驱动腿6与右斜驱动腿7驱动上动子8和下动子5交替运动，所述上动子8和下动子5沿着滑杆2运动，所述上压板8、下压板4及上滚轮10、下滚轮3为上动子8、下动子5提供预固定。

所述的滑杆2的截面为方形或者圆形结构，上动子8和下动子5的中间内孔为相配的方形或者圆形结构。

所述的左斜驱动腿6和右斜驱动腿7为能提供较大伸缩位移的压电叠堆式压电陶瓷或者磁致伸缩材料，所述压电陶瓷需要螺栓和螺母预紧。

所述的压电陶瓷制作的左斜驱动腿6、右斜驱动腿7与上动子8、下动子5两端的转轴13采用常规金属铰链或柔性铰链相连。

上动子和下动子呈八字形对称布置，并交替自锁进行运动的。

所述下动子左端有方向向下的负载。

所述上动子左端与滑杆接触位置可以布置一个辅助轮，该辅助轮有望提高作动器的性能。布置了辅助轮之后，只要保证力F3所在直线在力F1与力F2作用线交点处右方即可；同样地，所述上动子右端端与滑杆接触位置也可以布置一个辅助轮，布置了辅助轮之后，只要保证力F3所在直线在力F1与力F2作用线交点处右方即可，但是左右端不能同时布置辅助轮。

所述上压轮或下压轮外缘为弹性橡胶，且上压轮或下压轮的大小应保证其与滑杆有一定的接触压力。

本发明的有益效果是：

只需要将驱动腿布置在动子的自锁区以内，即可实现交替自锁，因此对加工要求较低。可望实现大推力，理论上只要强度足够，驱动腿有多大的力，压电作动器就有多大的力。虽然利用自锁，但是作动器可以实现双向运动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的下动子与左斜驱动腿连接局部结构示意图。

图3为本发明中上动子（下动子左右对称相同）的结构示意图。

图4为本发明的自锁原理示意图。

图5为本发明的向上运行周期原理示意图。

图6为本发明的辅助轮驱动原理图。

图中：1.底座；2.滑杆；3.下压轮；4.下压板；5.下动子；6.左斜驱动腿；7.右斜驱动腿；8.上动子；9.上压板；10.上压轮：11.驱动腿预紧螺母；12.压板固定螺钉；13.转轴；14.驱动腿预紧螺栓。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种利用交替自锁的呈等腰梯形布置的爬杆作动器它包括底座1、滑杆2、上动子8（图3）、下动子5、左斜驱动腿6、右斜驱动腿7、上压板8，下压板4，上滚轮10及下滚轮4；所述的滑杆2的截面为可以为形或者圆形结构，而上动子8和下动子5的中间内孔也应为相配的方形或者圆形结构，必要时底座1上还可安装滚轮以方便移动。所述的左斜驱动腿6和右斜驱动腿7应该采用能提供较大伸缩位移的压电叠堆式压电陶瓷或者磁致伸缩材料，采用压电陶瓷结构示，则需要螺栓和螺母将压电陶瓷预紧。上动子和下动子呈八字形对称布置，并交替自锁进行运动的。如图1所示，滑杆2安装在底座1上，上动子8和下动子5均套装在滑杆2上，上动子8和下动子5的两端均枢装在转轴13上，所述左斜驱动腿与右斜驱动腿呈八字形布置，左斜驱动腿与右斜驱动腿的两端分别与对应的转轴13的对应端相连，左斜驱动腿6、右斜驱动腿7采用压电陶瓷制作时，它们与上动子8、下动子5两端的转轴13采用常规金属铰链或柔性铰链相连，如图2所示。上压板8和下压板4对应安装在所述的上动子8和下动子5上，所述的上滚轮10及下滚轮4对应在所述的上压板8和下压板4上并与滑杆2滚动接触；所述左斜驱动腿6与右斜驱动腿7驱动上动子8和下动子5交替运动，所述上动子8和下动子5沿着滑杆2运动，所述上压板8、下压板4及上滚轮10、下滚轮3为上动子8、下动子5提供预固定。所述下动子左端有方向向下的负载。所述上压轮或下压轮外缘为弹性橡胶，且上压轮或下压轮的大小应保证其与滑杆有一定的接触压力。具体实施时，上动子左端与滑杆接触位置可以布置一个辅助轮，如图5所示，该辅助轮有望提高作动器的性能。布置了辅助轮之后，只要保证力F3所在直线在力F1与力F2作用线交点处右方即可；同样地，所述上动子右端端与滑杆接触位置也可以布置一个辅助轮，布置了辅助轮之后，只要保证力F3所在直线在力F1与力F2作用线交点处右方即可，但是左右端不能同时布置辅助轮。

下面结合图4对本发明的自锁原理进行可行性分析。

如图4，以上动子右斜驱动腿收缩时右斜驱动腿与滑杆相对滑动的临界状态为例，上动子内孔左右表面均与滑杆接触，左接触点A处的上动子受到滑杆对其支持力向左）和接触截面的摩擦力向上），这两个力的合力为F1，同理，右接触点B处的上动子受到滑杆对其支持力向右）和接触截面的摩擦力（向上），这两个力的合力为F2，这两个合力所在直线的交点为点C，由于上动子的重力较小，其重力忽略不计，压电陶瓷收缩时对上动子的作用力为F3,由于F3所在直线位于C点右侧，故根据理论力学的知识可知上动子此时处于自锁状态。

如图6所示，如果所述上动子左端与滑杆接触位置布置一个辅助轮，该辅助轮有望提高作动器的性能。布置了辅助轮之后，只要保证力F3所在直线在力F1与力F2作用线交点处右方即可。同样地，所述上动子右端端与滑杆接触位置也可以布置一个辅助轮，布置了辅助轮之后，只要保证力F3所在直线在力F1与力F2作用线交点处右方即可，但是左右端不能同时布置辅助轮。

下面结合图1、图2对本发明进行部件间位置关系的说明。

底座1与滑杆2固连，上动子8与下动子5套在滑杆上，上动子8、下动子5内孔的两个弧面都与滑杆2接触，上动子8、下动子5的铰链与上、下转动轴13的转轴配合，上动子8、下动子5均通过两组转动轴13、左斜驱动腿6、右斜驱动腿7、驱动腿预紧螺栓14、驱动腿预紧螺母11相连接，上压板10与下压板4通过压板固定螺钉12与上动子8、下动子5固定，上压轮10与上压板9通过销连接，下压轮3与下压板4通过销连接，压轮外缘为弹性橡胶，且两个压轮大小合适从而可以与滑杆2有一定的接触压力。

下面再结合图5对整个装置的一个运动周期进行说明。

压轮外缘为弹性橡胶，且两个压轮大小合适从而可以与滑杆2有一定的接触压力，进而压板给动子提供弯矩，所以由于上动子8和下动子5与滑杆2之间的摩擦力，在驱动腿不工作的情况下，整个装置是静态的，部件没有运动及相对运动。

本发明的上爬的动作过程如图6所示，先对右斜驱动腿通电使其伸长，根据所述的原理可行性分析，此时下动子处于自锁状态，上动子右侧被抬高，保持右斜驱动腿伸长状态。再对左斜驱动腿通电使其伸长，由于下动子受到压板一个逆时针的力矩且下动子左端有向下的负载，故下动子右侧不会被往下压而运动，这样上动子左侧就被抬高，这样整个上动子就整体被抬高，保持左斜驱动腿伸长状态，再撤去右斜驱动腿的电压使其恢复原长，此时上动子处于自锁状态，下动子左侧被抬高，接着撤去左斜驱动腿的电压使其恢复原长，由于下压板对下动子的逆时针力矩作用以及向下的负载也会对下动子右逆时针的力矩，所以下动子的右侧抬高，这样下动子整个抬高，两个动子都往上上升了一步，重复这个运动周期就可以实现动子的持续运动。往下运动只需要按以上运动周期的相反过程进行即可。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。