本發(fā)明屬于步進式壓電作動器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于菱形環(huán)楔塊一體化鉗位的U型步進壓電作動器及作動方法。

背景技術(shù)：

壓電驅(qū)動的工作原理是基于壓電具有的逆壓電效應(yīng),其具有線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率響應(yīng)好、無噪聲、無電磁干擾、低電壓驅(qū)動及易于微型化的優(yōu)點。壓電作動器在航空航天技術(shù)、光學(xué)、自適應(yīng)智能結(jié)構(gòu)、主動振動抑制、超精密微細(xì)加工等諸多關(guān)鍵科技領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。

步進式壓電作動器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通過對壓電疊堆微小步距位移的積累，可實現(xiàn)小步距、理論行程無限大、高分辨率的精密雙向步進運動。但以往的步進式作動器常常采用對稱結(jié)構(gòu)，輸出桿的長度會增加作動器的軸向尺寸導(dǎo)致橫向剛度的大幅降低，限制使用場合。

此外對于傳統(tǒng)的利用靜摩擦力驅(qū)動的主動箝位型步進驅(qū)動器，摩擦力由法向力和摩擦系數(shù)決定,而摩擦表面之間非常小的間隙要求,受環(huán)境,如熱膨脹、污染、腐蝕和磨損的影響嚴(yán)重，往往不能長時間工作。

最后，以往的步進式壓電作動器多采用通電鉗位的方式，而在要求系統(tǒng)在斷電情況下仍能保持輸出位移應(yīng)用場合中，以往的作動器無法完成此類任務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于菱形環(huán)楔塊一體化鉗位的U型步進壓電作動器及作動方法，在高頻驅(qū)動條件下，只有一個驅(qū)壓電元件隨輸出位移一同移動，其它兩個壓電元件保持不動并提供斷電鉗位和通電解鎖的功能；此作動器尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊、裝配便捷，磨損容限大，可雙向大位移作動。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于菱形環(huán)楔塊一體化鉗位的U型步進壓電作動器，包括外殼1，與外殼1通過導(dǎo)軌配合的U型桿件7以及通過矩形截面梁8固定在外殼1內(nèi)部中間處的菱形環(huán)楔塊一體化鉗位機構(gòu)15；所述U型桿件7的左側(cè)長桿2在靠近輸出底平面5的下部嵌有長軸沿左側(cè)長桿2長度方向的菱形驅(qū)動機構(gòu)3，該菱形驅(qū)動機構(gòu)3沿長軸方向過盈配合有驅(qū)動壓電堆4；所述菱形環(huán)楔塊一體化鉗位機構(gòu)15的縱向?qū)ΨQ軸處設(shè)置有矩形截面梁8，該矩形截面梁8兩端分別與外殼1內(nèi)表面固接，矩形截面梁8兩側(cè)分別是左鉗位菱形環(huán)9和右鉗位菱形環(huán)12，所述左鉗位菱形環(huán)9和右鉗位菱形環(huán)12的長軸方向與矩形截面梁8的長度方向一致，其內(nèi)部沿長軸方向分別過盈配合有左鉗位壓電堆10和右鉗位壓電堆13，左鉗位菱形環(huán)9的左側(cè)是一體成型的左楔塊11，其能夠與U型桿件7的左側(cè)長桿2內(nèi)的楔形槽面緊密接觸，右鉗位菱形環(huán)12的右側(cè)是一體成型的右楔塊14，其能夠與U型桿件7的右側(cè)長桿6內(nèi)的楔形槽面緊密接觸。

所述折疊式U型桿件7作為輸出裝置采用非對稱布局，優(yōu)化了傳統(tǒng)步進壓電作動器的結(jié)構(gòu)，有效縮減結(jié)構(gòu)尺寸，提高空間利用率。

所述菱形環(huán)楔塊一體化鉗位機構(gòu)15能夠采用精度較高的慢走絲線切割工藝加工，結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配。

所述作動器在裝配完成時，左楔塊11和U型桿件7的左側(cè)長桿2的接觸楔面將受到外殼1和左菱形環(huán)的擠壓，兩者之間能夠產(chǎn)生較大的靜摩擦力，在斷電情況下實現(xiàn)可靠的鉗位；同理，所述右楔塊14和U型桿件7的右側(cè)長桿6的接觸楔面將受到外殼1和右菱形環(huán)的擠壓，兩者之間能夠產(chǎn)生較大的靜摩擦力，在斷電情況下實現(xiàn)可靠的鉗位。

所述菱形驅(qū)動機構(gòu)3的剛度能夠通過作動器的幾何參數(shù)設(shè)計來調(diào)整，以保證足夠的回彈拉力。

基于菱形環(huán)楔塊一體化鉗位的U型步進壓電作動器的作動方法，具體為：初始狀態(tài)時，左鉗位壓電堆10、右鉗位壓電堆13及驅(qū)動壓電堆4均處于掉電狀態(tài)，此時U型桿件7處于鉗位狀態(tài)；為使U型桿件7的輸出底平面5向上運動輸出拉力，第一步，左鉗位壓電堆10通電，其沿左鉗位菱形環(huán)9的長軸方向伸長，使得左鉗位菱形環(huán)9短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動左楔塊11遠(yuǎn)離左側(cè)長桿2，此時左側(cè)長桿2解鎖；第二步，驅(qū)動壓電堆4通電伸長，菱形驅(qū)動機構(gòu)3產(chǎn)生彈性變形帶動左側(cè)長桿2向上運動一個步距；第三步，左鉗位壓電堆10掉電回縮使得左側(cè)長桿2恢復(fù)鉗位；第四步，右鉗位壓電堆13通電，其沿右鉗位菱形環(huán)12的長軸方向伸長，使得右鉗位菱形環(huán)12短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動右楔塊14遠(yuǎn)離右側(cè)長桿6，此時右側(cè)長桿6解鎖；第五步，驅(qū)動壓電堆4掉電回縮，菱形驅(qū)動機構(gòu)3彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力帶動U型桿件7的輸出底平面5和右側(cè)桿件向上運動一個步距；第六步，右鉗位壓電堆13掉電回縮使得右側(cè)桿件鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出底平面5以步進方式向上運動驅(qū)動負(fù)載；為使U型桿件7的輸出底平面5向下運動輸出壓力，第一步，右鉗位壓電堆13通電，其沿右鉗位菱形環(huán)12的長軸方向伸長，使得右鉗位菱形環(huán)12短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動右楔塊14遠(yuǎn)離右側(cè)長桿6，此時右側(cè)長桿6解鎖；第二步，驅(qū)動壓電堆4通電伸長，菱形驅(qū)動機構(gòu)3產(chǎn)生彈性變形，帶動U型桿件7的輸出底平面5和右側(cè)桿件向下運動一個步距；第三步，右鉗位壓電堆13掉電回縮使得右側(cè)長桿6鉗位；第四步，左鉗位壓電堆10通電，其沿左鉗位菱形環(huán)9的長軸方向伸長，使得左鉗位菱形環(huán)9短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動左楔塊11遠(yuǎn)離左側(cè)長桿2，此時左側(cè)長桿2解鎖；第五步，驅(qū)動壓電堆4掉電回縮，菱形驅(qū)動機構(gòu)3彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力帶動左側(cè)長桿2向下運動一個步距；第六步，左鉗位壓電堆10掉電回縮使得左側(cè)桿件鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出底平面5以步進方式向下運動驅(qū)動負(fù)載。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1)本發(fā)明中輸出裝置為折疊式U型桿件7，采用非對稱布局，優(yōu)化了傳統(tǒng)步進壓電作動器的結(jié)構(gòu)，有效縮減結(jié)構(gòu)尺寸，增大作動器橫向剛度，提高空間利用率。

2)本發(fā)明中菱形環(huán)楔塊一體化鉗位機構(gòu)15能夠采用精度較高的慢走絲線切割工藝加工，結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配。

3)本發(fā)明具有斷電鉗位功能，左側(cè)長桿2和右側(cè)長桿6分別在左鉗位壓電堆10和右鉗位壓電堆13斷電時鉗位，改變了一般尺蠖式作動器通電鉗位而斷電解鎖的現(xiàn)狀，斷電鉗位功能是一般工程應(yīng)用中常見的需求。

4)本發(fā)明在合理設(shè)計楔塊以及U型桿件7內(nèi)側(cè)楔形槽面尺寸的情況下，即在楔塊和U型桿件7相對的方向上留有一定余量，當(dāng)左鉗位壓電堆10、右鉗位壓電堆13斷電時，左接觸楔面、右接觸楔面能夠在一定范圍內(nèi)自動補償表面磨損，鉗位可靠。

5)本發(fā)明U型桿件7與外殼1通過導(dǎo)軌配合，確保了輸出力和輸出位移的直線度，作動平穩(wěn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)立體剖視圖。

圖2為本發(fā)明斷電鉗位情況的剖面圖。

圖3為本發(fā)明U型桿件立體圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明基于菱形環(huán)楔塊一體化鉗位的U型步進壓電作動器，包括外殼1，與外殼1通過導(dǎo)軌配合的U型桿件7以及通過矩形截面梁8固定在外殼1內(nèi)部中間處的菱形環(huán)楔塊一體化鉗位機構(gòu)15；所述U型桿件7的左側(cè)長桿2在靠近輸出底平面5的下部嵌有長軸沿左側(cè)長桿2長度方向的菱形驅(qū)動機構(gòu)3，該菱形驅(qū)動機構(gòu)3沿長軸方向過盈配合有驅(qū)動壓電堆4；所述菱形環(huán)楔塊一體化鉗位機構(gòu)15的縱向?qū)ΨQ軸處設(shè)置有矩形截面梁8，該矩形截面梁8兩端分別與外殼1內(nèi)表面固接，矩形截面梁8兩側(cè)分別是左鉗位菱形環(huán)9和右鉗位菱形環(huán)12，所述左鉗位菱形環(huán)9和右鉗位菱形環(huán)12的長軸方向與矩形截面梁8的長度方向一致，其內(nèi)部沿長軸方向分別過盈配合有左鉗位壓電堆10和右鉗位壓電堆13，左鉗位菱形環(huán)9的左側(cè)是一體成型的左楔塊11，其能夠與U型桿件7的左側(cè)長桿2內(nèi)的楔形槽面緊密接觸，右鉗位菱形環(huán)12的右側(cè)是一體成型的右楔塊14，其能夠與U型桿件7的右側(cè)長桿6內(nèi)的楔形槽面緊密接觸。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述折疊式U型桿件7作為輸出裝置，優(yōu)化了傳統(tǒng)步進壓電作動器的結(jié)構(gòu)，有效縮減結(jié)構(gòu)尺寸，提高空間利用率。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述菱形環(huán)楔塊一體化鉗位機構(gòu)15能夠采用精度較高的慢走絲線切割工藝加工，結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在裝配完成時，所述左楔塊11和U型桿件7的左側(cè)長桿2的接觸楔面將受到外殼1和左菱形環(huán)的擠壓，兩者之間能夠產(chǎn)生較大的靜摩擦力，在斷電情況下實現(xiàn)可靠的鉗位；同理，所述右楔塊14和U型桿件7的右側(cè)長桿6的接觸楔面將受到外殼1和右菱形環(huán)的擠壓，兩者之間能夠產(chǎn)生較大的靜摩擦力，在斷電情況下實現(xiàn)可靠的鉗位。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述菱形驅(qū)動機構(gòu)3的剛度能夠通過作動器的幾何參數(shù)設(shè)計來調(diào)整，以保證足夠的回彈拉力。

如圖1所示，基于菱形環(huán)楔塊一體化鉗位的U型步進壓電作動器的作動方法，具體為：初始狀態(tài)時，左鉗位壓電堆10、右鉗位壓電堆13及驅(qū)動壓電堆4均處于掉電狀態(tài)，此時U型桿件7處于鉗位狀態(tài)；為使U型桿件7的輸出底平面5向上運動輸出拉力，第一步，左鉗位壓電堆10通電，其沿左鉗位菱形環(huán)9的長軸方向伸長，使得左鉗位菱形環(huán)9短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動左楔塊11遠(yuǎn)離左側(cè)長桿2，此時左側(cè)長桿2解鎖；第二步，驅(qū)動壓電堆4通電伸長，菱形驅(qū)動機構(gòu)3產(chǎn)生彈性變形帶動左側(cè)長桿2向上運動一個步距；第三步，左鉗位壓電堆10掉電回縮使得左側(cè)長桿2恢復(fù)鉗位；第四步，右鉗位壓電堆13通電，其沿右鉗位菱形環(huán)12的長軸方向伸長，使得右鉗位菱形環(huán)12短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動右楔塊14遠(yuǎn)離右側(cè)長桿6，此時右側(cè)長桿6解鎖；第五步，驅(qū)動壓電堆4掉電回縮，菱形驅(qū)動機構(gòu)3彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力帶動U型桿件7的輸出底平面5和右側(cè)桿件向上運動一個步距；第六步，右鉗位壓電堆13掉電回縮使得右側(cè)桿件鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出底平面5以步進方式向上運動驅(qū)動負(fù)載；為使U型桿件7的輸出底平面5向下運動輸出壓力，第一步，右鉗位壓電堆13通電，其沿右鉗位菱形環(huán)12的長軸方向伸長，使得右鉗位菱形環(huán)12短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動右楔塊14遠(yuǎn)離右側(cè)長桿6，此時右側(cè)長桿6解鎖；第二步，驅(qū)動壓電堆4通電伸長，菱形驅(qū)動機構(gòu)3產(chǎn)生彈性變形，帶動U型桿件7的輸出底平面5和右側(cè)桿件向下運動一個步距；第三步，右鉗位壓電堆13掉電回縮使得右側(cè)長桿6鉗位；第四步，左鉗位壓電堆10通電，其沿左鉗位菱形環(huán)9的長軸方向伸長，使得左鉗位菱形環(huán)9短軸向矩形截面梁8運動，從而帶動左楔塊11遠(yuǎn)離左側(cè)長桿2，此時左側(cè)長桿2解鎖；第五步，驅(qū)動壓電堆4掉電回縮，菱形驅(qū)動機構(gòu)3彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力帶動左側(cè)長桿2向下運動一個步距；第六步，左鉗位壓電堆10掉電回縮使得左側(cè)桿件鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出底平面5以步進方式向下運動驅(qū)動負(fù)載。