压电堆及马达混合驱动的大扭矩大行程旋转作动器及方法

摘要

压电堆及马达混合驱动的大扭矩大行程旋转作动器及方法，该作动包括作动压电堆，安装在压电堆外侧的菱形环，连接于菱形环一端的螺纹连杆，通过螺纹与螺纹连杆连接的锁止螺母，同时锁止螺母作为旋转机构转子，外侧嵌套有驱动定子；带有大导程丝杠螺纹的连杆连接于菱形环另一端，通过螺纹与连杆连接的锁止螺母，以锁止螺母作为转子，外侧嵌套有驱动定子，与另一端螺纹连杆通过大导程螺纹连接的丝杠螺母，以及安装于丝杠螺母两侧的推力球轴承，上述结构封装与外壳内；本发明还提供了作动方法，按照一定次序驱动压电堆与电机，能够实现大扭矩大行程旋转运动的步进输出；本发明所涉及的作动器具有旋转驱动行程大，双向输出大扭矩，断电锁止，锁紧可靠、稳定的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转作动器及方法，具体涉及一种压电堆及马达 混合驱动的大扭矩大行程旋转作动器及方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，在国防、航天，机械制造等重要工业 领域对驱动装置也提出了更高的要求，传统的电磁电机由于其工作原 理和结构形式等方面的限制，已经无法满足新的要求。近些年所出现 的压电堆驱动装置比较有效的填补了这一空白。然而受制于压电材料 作动行程小的缺点，难以实现大行程的输出，特别是对于大转角的旋 转运动输出无能为力。并且单纯使用压电材料设计的步进式作动器也 难以保证作动器的输出锁止能力，无法适应对作动器更高的要求，迫 切需要一种驱动行程大，输出扭矩大，分辨率高，自锁能力可靠的步 进式旋转作动器。

发明内容

为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种压电堆及马达联 合驱动的大扭矩大行程旋转作动器及方法，使用压电堆与马达驱动的 锁止机构互相配合，采用螺母旋转的方式进行锁紧，并且利用无自锁 的大导程丝杠装置完成直线至旋转运动转化，具有旋转驱动行程大， 双向输出大扭矩，断电锁止，锁紧可靠、稳定的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

压电堆及马达混合驱动的大扭矩大行程旋转作动器，包括菱形 环2，安装在菱形环2长轴内的压电堆1，连接于菱形环2长轴一端 的第一螺纹连杆3-1，通过螺纹与螺纹连杆3-1连接的第一锁止螺母 4-1，同时第一锁止螺母4-1作为旋转机构转子，外侧嵌套有第一驱 动定子5-1；连接于菱形环2长轴另一端的带有大导程丝杠螺纹的第 二螺纹连杆3-2，通过螺纹与第二螺纹连杆3-2连接的第二锁止螺母 4-2，以第二锁止螺母4-2作为转子，外侧嵌套有第二驱动定子5-2， 与第二螺纹连杆3-2通过大导程螺纹连接的丝杠螺母8，安装于丝杠 螺母8两侧的第一推力球轴承7-1和第二推力球轴承7-2，以及封装 上述部件的外壳6；所述外壳6设置有与菱形环2、第一螺纹连杆 3-1和第二螺纹连杆3-2形状相配合的限位槽，以限制压电堆1、菱 形环2、以及第一螺纹连杆3-1和第二螺纹连杆3-2的圆周方向旋转； 所述外壳6与第一锁止螺母4-1和第二锁止螺母4-2之间存在间隙， 以实现第一锁止螺母4-1和第二锁止螺母4-2对不同方向的位移锁止 功能。

通过压电堆1与第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2混合驱动 实现大行程直线位移。

所述第二螺纹连杆3-2为非自锁丝杠，使用非自锁丝杠进行直 线运动向旋转运动转化。

所述非自锁丝杠使用大导程梯形丝杠或使用滚珠丝杠无自锁效 应的丝杠实现大行程、大扭矩的输出。

所述的压电堆及马达混合驱动大扭矩大行程旋转作动器实现旋 转作动的方法，能实现双向旋转步进驱动；结构初始状态压电堆1 与第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2都处于断电状态，依靠第一 锁止螺母4-1和第二锁止螺母4-2通过旋紧锁止丝杠螺母8的位置；

压电堆1推动丝杠螺母8正向旋转时采用如下步骤：第一步， 同时启动第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2，第一驱动定子5-1 带动第一锁止螺母4-1转动，在外壳6内的间隙中向远离压电堆1 的方向运动，第二驱动定子5-2带动第二锁止螺母4-2在外壳6的间 隙中向靠近压电堆1的方向运动；第二步，压电堆1通电，菱形环 2受推动膨胀变形，同时将推动第二螺纹连杆3-2和第二锁止螺母 4-2向丝杠螺母8的方向产生微小位移，丝杠螺母8受第二螺纹连杆 3-2推动，在大导程螺纹作用下将正向旋转一微小角度；第三步，压 电堆1保持通电，启动第二驱动定子5-2，驱动第二锁止螺母4-2在 外壳6的间隙内旋转至靠近压电堆1的一侧；第四步，压电堆1断 电，菱形环2弹性恢复，拉动第一螺纹连杆3-1和第一锁止螺母4-1 向丝杠螺母8方向运动；至此，作动器恢复至步骤一之前的状态， 并且与之相比，丝杠螺母8输出了一微小正向转角，重复上述过程 即实现正向大扭矩旋转运动的步进输出；

压电堆1推动丝杠螺母8反向旋转时采用如下步骤：第一步， 同时启动第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2，第一驱动定子5-1 带动第一锁止螺母4-1转动，在外壳6内的间隙中向靠近压电堆1 的方向运动，第二驱动定子5-2带动第二锁止螺母4-2在外壳6的间 隙中向远离压电堆1的方向运动；第二步，压电堆1通电，菱形环 2受推动膨胀变形，将推动第一螺纹连杆3-1和第一锁止螺母4-1同 时向作动器远离压电堆1的方向产生微小位移；第三步，压电堆1 保持通电，启动第一驱动定子5-1，驱动第一锁止螺母4-1在外壳6 的间隙内旋转至靠近压电堆1的一侧；第四步，压电堆1断电，菱 形环2弹性恢复，拉动第二螺纹连杆3-2和第二锁止螺母4-2向远离 丝杠螺母8的方向运动，丝杠螺母8受螺第二螺纹连杆3-2拉动， 在大导程螺纹作用下逆向旋转一微小角度；至此，作动器恢复至步 骤一之前的状态，并且与之相比，丝杠螺母8输出了一微小逆向转 角，重复上述过程即实现逆向大扭矩旋转运动的步进输出。

与现有技术相比，本发明具有下述优势：

1、相比于传统的旋转电机，本发明所描述的作动器能够达到极 高的旋转运动作动精度，并且通过步进的方式，能够实现大转角运动 输出。

2、使用压电堆推动输出扭矩能够实现现有技术无法实现的大扭 矩驱动输出。

3、不同于依靠摩擦力进行锁止的传统压电堆作动器，本发明利 用旋紧螺母锁止，具有极高的稳定性。

4、结构能够实现断电自锁，可以再完成作动后断开电源，节能 环保。

5、作动器结构简单，便于加工安装。

附图说明

图1为本发明作动装置的剖视图

图2为本发明作动器的结构示意图。

具体实施方式

下面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，本发明压电堆及马达混合驱动的大扭矩大 行程旋转作动器，包括菱形环2，安装在菱形环2长轴内的压电堆1， 连接于菱形环2长轴一端的第一螺纹连杆3-1，通过螺纹与螺纹连杆 3-1连接的第一锁止螺母4-1，同时第一锁止螺母4-1作为旋转机构 转子，外侧嵌套有第一驱动定子5-1；连接于菱形环2长轴另一端的 带有大导程丝杠螺纹的第二螺纹连杆3-2，通过螺纹与第二螺纹连杆 3-2连接的第二锁止螺母4-2，以第二锁止螺母4-2作为转子，外侧 嵌套有第二驱动定子5-2，与第二螺纹连杆3-2通过大导程螺纹连接 的丝杠螺母8，安装于丝杠螺母8两侧的第一推力球轴承7-1和第二 推力球轴承7-2，以及封装上述部件的外壳6；所述外壳6设置有与 菱形环2、第一螺纹连杆3-1和第二螺纹连杆3-2形状相配合的限位 槽，以限制压电堆1、菱形环2、以及第一螺纹连杆3-1和第二螺纹 连杆3-2的圆周方向旋转；所述外壳6与第一锁止螺母4-1和第二锁 止螺母4-2之间存在间隙，以实现第一锁止螺母4-1和第二锁止螺母 4-2对不同方向的位移锁止功能。

本发明通过压电堆1与第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2 混合驱动实现大行程直线位移。

作为本发明的优选实施方式所述第二螺纹连杆3-2为非自锁丝 杠，使用非自锁丝杠进行直线运动向旋转运动转化。

进一步地，所述非自锁丝杠使用大导程梯形丝杠或使用滚珠丝 杠无自锁效应的丝杠实现大行程、大扭矩的输出。

所述的压电堆及马达混合驱动的大扭矩大行程旋转作动器实现 旋转作动的方法，其特征在于：能实现双向旋转步进驱动；结构初 始状态压电堆1与第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2都处于断电 状态，依靠第一锁止螺母4-1和第二锁止螺母4-2通过旋紧锁止丝杠 螺母8的位置；

压电堆1推动丝杠螺母8正向旋转时采用如下步骤：第一步， 同时启动第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2，第一驱动定子5-1 带动第一锁止螺母4-1转动，在外壳6内的间隙中向远离压电堆1 的方向运动，第二驱动定子5-2带动第二锁止螺母4-2在外壳6的间 隙中向靠近压电堆1的方向运动；第二步，压电堆1通电，菱形环 2受推动膨胀变形，同时将推动第二螺纹连杆3-2和第二锁止螺母 4-2向丝杠螺母8的方向产生微小位移，丝杠螺母8受第二螺纹连杆 3-2推动，在大导程螺纹作用下将正向旋转一微小角度；第三步，压 电堆1保持通电，启动第二驱动定子5-2，驱动第二锁止螺母4-2在 外壳6的间隙内旋转至靠近压电堆1的一侧；第四步，压电堆1断 电，菱形环2弹性恢复，拉动第一螺纹连杆3-1和第一锁止螺母4-1 向丝杠螺母8方向运动；至此，作动器恢复至步骤一之前的状态， 并且与之相比，丝杠螺母8输出了一微小正向转角，重复上述过程 即实现正向大扭矩旋转运动的步进输出；

压电堆1推动丝杠螺母8反向旋转时采用如下步骤：第一步， 同时启动第一驱动定子5-1和第二驱动定子5-2，第一驱动定子5-1 带动第一锁止螺母4-1转动，在外壳6内的间隙中向靠近压电堆1 的方向运动，第二驱动定子5-2带动第二锁止螺母4-2在外壳6的间 隙中向远离压电堆1的方向运动；第二步，压电堆1通电，菱形环 2受推动膨胀变形，将推动第一螺纹连杆3-1和第一锁止螺母4-1同 时向远离压电堆1的方向产生微小位移；第三步，压电堆1保持通 电，启动第一驱动定子5-1，驱动第一锁止螺母4-1在外壳6的间隙 内旋转至靠近压电堆1的一侧；第四步，压电堆1断电，菱形环2 弹性恢复，拉动第二螺纹连杆3-2和第二锁止螺母4-2向远离丝杠螺 母8的方向运动，丝杠螺母8受螺第二螺纹连杆3-2拉动，在大导 程螺纹作用下逆向旋转一微小角度；至此，作动器恢复至步骤一之 前的状态，并且与之相比，丝杠螺母8输出了一微小逆向转角，重 复上述过程即实现逆向大扭矩旋转运动的步进输出。