基于丝杆自锁的拉压对称双向大位移压电作动器及方法

摘要

一种基于丝杠自锁的拉压对称双向大位移压电作动器及方法，该作动器包括两个相对设置的上下菱形约束环及安装其内的上下压电堆，上下菱形约束环的上下端分别与上下套筒固接，下无刷电机定子设置于上下套筒中间并与上下套筒固接，上套筒上端外侧连接有支撑柱，支撑柱穿过并连接上无刷电机定子再连接上承载板，带有上下承载螺母的丝杠从上述所有零件中心穿过，上承载螺母设置于上承载板与上套筒之间并留有间隙，下承载螺母设置于上下菱形约束环相对的两端并留有间隙；本发明还公开了该作动器的作动方法；本发明依靠梯型丝杆自锁使输出力大幅提升且钳位可靠，并且采用两只相对设置的压电堆实现了拉压力对称双向输出，此作动器各零件加工精度要求不高，装配简单。

说明书

技术领域

本发明属于步进式压电作动器技术领域，具体涉及一种基于丝杠 自锁的拉压对称双向大位移压电作动器及方法。

背景技术

压电作动器在航天、航空、医疗等领域有着极为广泛的应用。其 中步进式作动器模仿自然界尺蠖的爬行方式，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、高分辨率的精密步 进运动。但以往步进式压电作动器存在以下三项缺点：第一，步进式 压电动作动器的输出力大小主要取决于钳位机构的钳位力大小，而传 统步进式压电作动器的钳位功能均基于材料间摩擦来实现，并大多以 提高正压力的途径提高相应摩擦力，这种方式使得传统步进式压电作 动器的输出力难以有量级上的提升且不可靠；第二，压电堆能具有很 高的承压能力但无法承受拉载荷，这使得传统步进式压电作动器能输 出很大压力但仅能依靠压电堆约束机构的回弹力输出拉力，最终导致 作动器的拉压力输出不对称；第三，压电堆作动行程一般在微米量级， 因此以往步进式作动器各零件的加工精度也大多要求在微米量级以 消除装配间隙从而尽可能提高作动器的力输出能力，但这给加工制造 带来极大的挑战。

发明内容

为了解决以上技术难题，本发明的目的在于提供一种基于丝杠自 锁的拉压对称双向大位移压电作动器及方法，作动器的钳位机构依靠 梯型丝杆的自锁使输出力大幅度提升且钳位更加可靠，同时采用两只 相对设置的压电堆实现了拉压力对称双向输出，并且此作动器各零件 加工精度要求不高，装配过程简单。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于丝杠自锁的拉压对称双向大位移压电作动器，包括下菱 形约束环7和安装于下菱形约束环7内的下压电堆6，下菱形约束环 7的下端与下套筒5的下端内侧通过螺栓连接为一体，下菱形约束环 7的上端凸出一小台作为承载肩，下套筒5的上端贴紧于下无刷电机 定子4的下端面，下无刷电机定子4的上端面贴紧于上套筒3的下端， 上套筒3、下无刷电机定子4和下套筒5通过螺栓连接为一体，上套 筒3的上端内侧通过螺栓连接与上菱形约束环8的上端连接，上菱形 约束环8内安装有上压电堆9，上菱形约束环8的下端凸出一小台作 为承载肩，上套筒3的上端外侧面中心位置凸出一小台作为承载肩， 上套筒3的圆周方向分布有多个螺纹孔用于连接多个支撑柱10，多 个支撑柱10穿过并采用过盈配合连接上无刷电机定子2，多个支撑 柱10上端连接有上承载板1，承载板1中心凸出一小台作为承载肩； 上承载板1、上无刷电机定子2、上套筒3、上菱形约束环8、上压电 堆9、下无刷电机定子4、下菱形约束环7、下压电堆6和下套筒5 的中心均开有圆通孔，丝杠11带有细牙螺纹，其从上述所有零件的 圆通孔中从上到下依次穿过，上承载螺母12和下承载螺母13设置有 若干磁性体使其成为无刷电机的转子并套在细牙螺纹丝杠11上，上 承载螺母12置于上承载板1的承载肩与上套筒3的承载肩中间并与 两承载肩面间留有远大于上压电堆9和下压电堆6最大位移的间隙， 下承载螺母13置于上菱形约束环8的承载肩与下菱形约束环7的承 载肩中间并与两承载肩面间留有远大于上压电堆9和下压电堆6最大 位移间隙。

上述所述基于丝杠自锁的拉压对称双向大位移压电作动器的作 动方法，当丝杆11向上输出推力时，由于上承载螺母12和下承载螺 母13均与各承载肩面存在间隙，因此在反作用力下丝杆11会带动上 承载螺母12和下承载螺母13一同沿其轴向向下运动并使上承载螺母 12或下承载螺母13先贴紧于上套筒3的承载肩或下菱形约束环7的 承载肩以提供向上的推力，当上承载螺母12先贴紧上套筒3的承载 肩时，此时下承载螺母13与下菱形约束环7的承载肩及上菱形约束 环8的承载肩依然存在间隙而处于松弛状态，因此给其施加很小扭矩 便可转动下承载螺母13使其沿丝杆11的轴向运动。此时为使丝杠 11继续向上输出推力，第一步，给下无刷电机定子4施加正向启动 信号使下承载螺母13沿丝杠11的轴向向下运动最终贴紧下菱形约束 环7的承载肩；第二步，下压电堆6通电伸长使下菱形约束环7变形 伸长向上推动下承载螺母13并带动丝杠11向上运动一小步，而上承 载螺母12也被丝杆11向上带动一小步使其不再贴紧上套筒2的承载 肩而处于松弛状态；第三步，给上无刷电机定子2施加正向启动信号 使上承载螺母12沿丝杠11的轴向向下运动最终贴紧上套筒3的承载 肩；第四步，下压电堆6断电收缩使下菱形约束环7恢复变形，此时 上承载螺帽12被压紧与上套筒3的承载肩上以提供向上的推力，因 此下承载螺帽13不再贴紧下菱形约束环7的承载肩而处处于松弛状 态；重复步骤一到四，由于作动器的钳位机构采用了丝杆自锁原理， 因此作动器可以持续向上运动并输出很大的推力。下承载螺母13先 贴紧下菱形约束环7的承载肩的情况类似；丝杆11在持续受向下力 作用情况下的回程运动驱动方法：回程运动时，第一步：下压电堆6 通电伸长推动下承载螺帽13、丝杠11向上运动一小步并带动上承载 螺帽12向上运动一小步使其不再压紧上套筒3的承载肩而处于松弛 状态；第二步，给上无刷电机定子2施加反向启动信号使上承载螺母 12反转沿着丝杠11轴向向上运动到上承载板1的承载肩与上套筒3 承载肩中间位置，在此中间位置，上承载螺母12与上承载板1承载 肩以及上套筒3承载肩的距离均大于下压电堆6的最大作动位移；第 三步，给下无刷电机定子施加反向启动信号并给下压电堆6施加脉冲 驱动信号，在脉冲驱动信号上升沿，下菱形约束环7的承载肩会急速 向上推动下承载螺母13、丝杠11和上承载螺母12，而在脉冲驱动信 号下降沿下菱形约束环7的承载肩会急速回缩，但下承载螺母13、 丝杠11和上承载螺母12由于惯性作用会继续向上运动，因此会有短 暂时段使得下承载螺母13不再贴紧下菱形约束环7的承载肩而处于 松弛状态，因此在电机的转矩下下承载螺母13反转沿丝杆11轴向向 上运动一小步，随后下承载螺母13在向下力的作用下被重新压紧在 下菱形约束环7的承载肩上而不再转动。由于上承载螺母12和下承 载螺母13均沿丝杆11轴向向上运动了一小步，因此丝杆11相当于 向下(回程)运动了一下步；重复步骤一到三，丝杆11会在向下的 力作用下持续向下(回程)运动。

同理：当丝杠11向下输出拉力时及当丝杆11在受持续向上拉力 作用情况下做回程运动时，通过上述相应操作步骤，作动器能够持续 向下运动并输出对称大小的拉力且丝杠11在受持续向上拉力作用时 可做相应的回程运动。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1、本发明不同于基于材料间摩擦力进行锁止的传统步进式压电 作动器，本发明利用丝杆自锁来完成锁止功能，具有极高的可靠性并 因此能够输出极大的输出力和断电自锁能力。

2、本发明中对称设置了两个压电堆，因此本发明具有对称的大 拉压力双向输出能力。

3、本发明结构简单且各零件的加工精度要求不高，使其加工和装配 极为简单。

附图说明

图1为本发明作动器结构外观图。

图2为本发明作动器结构剖面图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种基于丝杠自锁的拉压对称双向大 位移压电作动器，包括下菱形约束环7和安装于下菱形约束环7内的 下压电堆6，下菱形约束环7的下端与下套筒5的下端内侧通过螺栓 连接为一体，下菱形约束环7的上端凸出一小台作为承载肩，下套筒 5的上端贴紧于下无刷电机定子4的下端面，下无刷电机定子4的上 端面贴紧于上套筒3的下端，上套筒3、下无刷电机定子4和下套筒 5通过螺栓连接为一体，上套筒3的上端内侧通过螺栓连接与上菱形 约束环8的上端连接，上菱形约束环8内安装有上压电堆9，上菱形 约束环8的下端凸出一小台作为承载肩，上套筒3的上端外侧面中心 位置凸出一小台作为承载肩，上套筒3的圆周方向分布有多个螺纹孔 用于连接多个支撑柱10，多个支撑柱10穿过并采用过盈配合连接上 无刷电机定子2，多个支撑柱10上端连接有上承载板1，承载板1中 心凸出一小台作为承载肩；上承载板1、上无刷电机定子2、上套筒 3、上菱形约束环8、上压电堆9、下无刷电机定子4、下菱形约束环 7、下压电堆6和下套筒5的中心均开有圆通孔，丝杠11带有细牙螺 纹，其从上述所有零件的圆通孔中从上到下依次穿过，上承载螺母 12和下承载螺母13设置有若干磁性体使其成为无刷电机的转子并套 在细牙螺纹丝杠11上，上承载螺母12置于上承载板1的承载肩与上 套筒3的承载肩中间并与两承载肩面间留有远大于上压电堆9和下压 电堆6最大位移的间隙，下承载螺母13置于上菱形约束环8的承载 肩与下菱形约束环7的承载肩中间并与两承载肩面间留有远大于上 压电堆9和下压电堆6最大位移间隙。

作为本发明的优选实施方式，所述多个支撑柱10的数量为三个， 则上套筒3的圆周方向分布有螺纹孔也对应为三个。

上述所述基于丝杠自锁的拉压对称双向大位移压电作动器的作动 方法，当丝杆11向上输出推力时，由于上承载螺母12和下承载螺母 13均与各承载肩面存在间隙，因此在反作用力下丝杆11会带动上承 载螺母12和下承载螺母13一同沿其轴向向下运动并使上承载螺母 12或下承载螺母13先贴紧于上套筒3的承载肩或下菱形约束环7的 承载肩以提供向上的推力，当上承载螺母12先贴紧上套筒3的承载 肩时，此时下承载螺母13与下菱形约束环7的承载肩及上菱形约束 环8的承载肩依然存在间隙而处于松弛状态，因此给其施加很小扭矩 便可转动下承载螺母13使其沿丝杆11的轴向运动。此时为使丝杠 11继续向上输出推力，第一步，给下无刷电机定子4施加正向启动 信号使下承载螺母13沿丝杠11的轴向向下运动最终贴紧下菱形约束 环7的承载肩；第二步，下压电堆6通电伸长使下菱形约束环7变形 伸长向上推动下承载螺母13并带动丝杠11向上运动一小步，而上承 载螺母12也被丝杆11向上带动一小步使其不再贴紧上套筒2的承载 肩而处于松弛状态；第三步，给上无刷电机定子2施加正向启动信号 使上承载螺母12沿丝杠11的轴向向下运动最终贴紧上套筒3的承载 肩；第四步，下压电堆6断电收缩使下菱形约束环7恢复变形，此时 上承载螺帽12被压紧与上套筒3的承载肩上以提供向上的推力，因 此下承载螺帽13不再贴紧下菱形约束环7的承载肩而处处于松弛状 态；重复步骤一到四，由于作动器的钳位机构采用了丝杆自锁原理， 因此作动器可以持续向上运动并输出很大的推力。下承载螺母13先 贴紧下菱形约束环7的承载肩的情况类似；丝杆11在持续受向下力 作用情况下的回程运动驱动方法：回程运动时，第一步：下压电堆6 通电伸长推动下承载螺帽13、丝杠11向上运动一小步并带动上承载 螺帽12向上运动一小步使其不再压紧上套筒3的承载肩而处于松弛 状态；第二步，给上无刷电机定子2施加反向启动信号使上承载螺母 12反转沿着丝杠11轴向向上运动到上承载板1的承载肩与上套筒3 承载肩中间位置，在此中间位置，上承载螺母12与上承载板1承载 肩以及上套筒3承载肩的距离均大于下压电堆6的最大作动位移；第 三步，给下无刷电机定子施加反向启动信号并给下压电堆6施加脉冲 驱动信号，在脉冲驱动信号上升沿，下菱形约束环7的承载肩会急速 向上推动下承载螺母13、丝杠11和上承载螺母12，而在脉冲驱动信 号下降沿下菱形约束环7的承载肩会急速回缩，但下承载螺母13、 丝杠11和上承载螺母12由于惯性作用会继续向上运动，因此会有短 暂时段使得下承载螺母13不再贴紧下菱形约束环7的承载肩而处于 松弛状态，因此在电机的转矩下下承载螺母13反转沿丝杆11轴向向 上运动一小步，随后下承载螺母13在向下力的作用下被重新压紧在 下菱形约束环7的承载肩上而不再转动。由于上承载螺母12和下承 载螺母13均沿丝杆11轴向向上运动了一小步，因此丝杆11相当于 向下(回程)运动了一下步；重复步骤一到三，丝杆11会在向下的 力作用下持续向下(回程)运动；

同理：当丝杠11向下输出拉力时及当丝杆11在受持续向上拉力 作用情况下做回程运动时，通过上述相应操作步骤，作动器能够持续 向下运动并输出对称大小的拉力且丝杠11在受持续向上拉力作用时 可做相应的回程运动。