壓電直線電機及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及壓電精密致動應(yīng)儀器領(lǐng)域，具體是一種壓電直線電機及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電直線電機是近幾年發(fā)展起來的一種新型的直線驅(qū)動機構(gòu)，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，采用特定的結(jié)構(gòu)形式制成。這種電機具有微型化時效率高、能直接產(chǎn)生直線輸出、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、位置和速度控制精度高、無電磁干擾等優(yōu)點，可以滿足高新技術(shù)對精密定位技術(shù)的要求。當(dāng)前，研究者們已經(jīng)研發(fā)出種類繁多的壓電直線電機，其中一些實現(xiàn)了商品化。
[0003]根據(jù)壓電器件對驅(qū)動足激振方式的不同，壓電直線電機可分為共振式和非共振式兩種:共振式壓電直線電機利用壓電元件激發(fā)定子彈性體的共振，從而得到放大的變形，再由這種變形來驅(qū)動，主要有駐波型、行波型、聲表面波型及模態(tài)復(fù)合型等；非共振式壓電直線電機大都采用自身變形較大(可達微米級)的疊層式壓電元件作為驅(qū)動元件，主要有直接驅(qū)動式、尺蠖原理式、位移放大式及慣性沖擊式。
[0004]在非共振式壓電直線電機中，直接驅(qū)動式電機直接利用壓電元件的變形驅(qū)動，位置分辨率高，輸出推力較大，但是行程較??；尺蠖原理式電機利用多個壓電元件間的特定關(guān)系的交替驅(qū)動和箝位實現(xiàn)高精度步進，具有大行程，但是該種電機對加工精度要求很高，輸出推力通常較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)由于壓電疊堆抗拉能力較弱，導(dǎo)致輸出推力與拉力相差大的問題，提供了一種壓電直線電機及其工作方法，能夠在輸出方向同時提供較大的推力和拉力，二者大小相當(dāng)，并且能產(chǎn)生較大的行程。
[0006]—種壓電直線電機，包括底板，底板上固定連接有雙向力輸出機構(gòu)、箝位機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)，雙向力輸出機構(gòu)包括十字交叉的活動預(yù)緊桿和固定預(yù)緊桿，固定預(yù)緊桿兩端分別連接有固定預(yù)緊塊，活動預(yù)緊桿兩端分別連接有活動預(yù)緊塊，每個固定預(yù)緊塊與相鄰的活動預(yù)緊塊之間均連接有壓電作動單元；活動預(yù)緊桿通過輸出軸與箝位機構(gòu)連接，箝位機構(gòu)通過齒輪副與驅(qū)動機構(gòu)連接。
[0007]所述的壓電作動單元包括一個壓電疊堆，壓電疊堆兩端通過弧形端面固定塊分別與固定預(yù)緊塊、活動預(yù)緊塊連接。
[0008]所述的雙向力輸出機構(gòu)通過定位塊與底板相連，雙向力輸出機構(gòu)與定位塊之間設(shè)有可調(diào)預(yù)緊螺釘。
[0009]所述的箝位機構(gòu)包括螺桿，螺桿上依次穿有軸承卡環(huán)、軸承組、運動變向套筒、箝位套筒和箝位套筒端蓋，雙向力輸出機構(gòu)的輸出軸穿過軸承卡環(huán)與軸承組連接。箝位套筒與底板固定連接，箝位套筒內(nèi)設(shè)有套在螺桿上的空心齒輪，空心齒輪兩端分別連接有扭簧和啞鈴狀箝位塊，所述的啞鈴狀箝位塊穿過箝位套筒的中心通孔，箝位套筒兩凸起端分別卡在箝位套筒內(nèi)外，當(dāng)空心齒輪被帶動時，通過扭簧傳遞扭力使啞鈴狀箝位塊在螺桿上運動。
[0010]所述的啞鈴狀箝位塊包括通過螺紋固連的箝位螺母與箝位環(huán)。
[0011]所述的驅(qū)動機構(gòu)通過電機座固連于底板上，包括依次相連的驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、齒輪、齒輪軸，齒輪軸與箝位機構(gòu)中的空心齒輪連接。
[0012]所述的驅(qū)動電機為超聲電機。
[0013]本發(fā)明還提供了一種壓電直線電機的工作方法，包括以下步驟:
1)初始時負載通過螺桿作用于左側(cè)的啞鈴狀箝位機構(gòu)，左側(cè)的啞鈴狀箝位機構(gòu)與運動變向套筒固連，又與雙向力輸出機構(gòu)的輸出軸相連，負載進而作用于輸出軸上，各部件處于靜止狀態(tài)；
2)驅(qū)動機構(gòu)啟動，齒輪轉(zhuǎn)動帶動空心齒輪，空心齒輪通過扭簧將扭轉(zhuǎn)力加在啞鈴狀箝位機構(gòu)上，啞鈴狀箝位機構(gòu)此時具有沿螺桿向左運動的趨勢，但左側(cè)的啞鈴狀箝位機構(gòu)b承受負載，扭簧的扭轉(zhuǎn)力不足以使其沿螺桿轉(zhuǎn)動，右側(cè)的啞鈴狀箝位機構(gòu)的右箝位端面被箝位套筒端面卡死，也無法沿螺桿轉(zhuǎn)動；
3)靠近箝位機構(gòu)的壓電作動單元伸長，使輸出軸、運動變向套筒、左側(cè)的啞鈴狀箝位機構(gòu)以及螺桿產(chǎn)生向右的一個微小位移S，此時右側(cè)啞鈴狀箝位機構(gòu)的右箝位端面與箝位套筒脫離，此時由于沒有受到限位，右側(cè)啞鈴狀箝位機構(gòu)將在扭簧扭轉(zhuǎn)力作用下沿螺桿轉(zhuǎn)動，并向左運動；
4)右側(cè)的啞鈴狀箝位機構(gòu)沿螺桿向左運動時受到箝位套筒的限位，停止運動，此時右側(cè)的啞鈴狀箝位機構(gòu)開始承受螺桿上傳來的負載；
5)靠近箝位機構(gòu)的壓電作動單元收縮直至恢復(fù)原長，此時由于螺桿上的負載已經(jīng)全部轉(zhuǎn)移到右側(cè)啞鈴狀箝位機構(gòu)上，左側(cè)啞鈴狀箝位機構(gòu)與螺桿之間松開，同時扭簧的扭轉(zhuǎn)力能夠帶動左側(cè)啞鈴狀箝位機構(gòu)，在運動變向套筒的作用下，左側(cè)啞鈴狀箝位機構(gòu)轉(zhuǎn)動，并沿螺桿向左運動；
6)回到步驟2)進行循環(huán)，每一個循環(huán)都使螺桿向右推動負載產(chǎn)生微小位移δ。
[0014]本發(fā)明有益效果在于:
1、該壓電直線電機通過應(yīng)用雙向力輸出機構(gòu)，能夠在輸出方向同時提供較大的推力和拉力，二者大小相當(dāng)。
[0015]2、應(yīng)用螺紋箝位自鎖，對輸出位移進行累積，能產(chǎn)生較大的行程，同時使該電機得到較高的位置精度，并具有斷電自鎖功能。
[0016]3、在箝位機構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)采用的是超聲電機時，該壓電直線電機具有無電磁干擾，輸出效率高，質(zhì)量輕等優(yōu)點，可以應(yīng)用于航天領(lǐng)域及電磁干擾強烈的工作環(huán)境中。
[0017]4、該壓電直線電機可用于精密定位平臺系統(tǒng)中，相比電磁電機有更高的精度，響應(yīng)快，可自鎖，結(jié)構(gòu)簡單。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明俯視圖。
[0019]圖2為本發(fā)明立體圖。
[0020]圖3為雙向力輸出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4為雙向力輸出機構(gòu)的構(gòu)成組件結(jié)構(gòu)分解圖。
[0022]圖5為壓電作動單元的構(gòu)成組件結(jié)構(gòu)分解圖。
[0023]圖6為箝位機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖7為箝位機構(gòu)的構(gòu)成組件結(jié)構(gòu)分解圖。
[0025]圖8為啞鈴狀箝位機構(gòu)的構(gòu)成組件結(jié)構(gòu)分解圖。
[0026]圖9為驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖10為驅(qū)動機構(gòu)的構(gòu)成組件結(jié)構(gòu)分解圖。
[0028]圖11為電機的運動機理示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0030]如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的壓電直線電機，由雙向力輸出機構(gòu)a、箝位機構(gòu)b、驅(qū)動機構(gòu)c以及底板I組成，其中雙向力輸出機構(gòu)的力輸出端與箝位機構(gòu)通過一輸出軸a8連接，箝位機構(gòu)與箝位機構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)通過齒輪副相連，所述的雙向力輸出機構(gòu)、箝位機構(gòu)、箝位機構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)都固連在底板上。
[0031]雙向力輸出機構(gòu)a的一種具體的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示，包括四個壓電作動單元all、al2、al3、al4，兩個活動預(yù)緊塊a21、a22，活動預(yù)緊桿a3，兩個固定預(yù)緊塊a41、a42，固定預(yù)緊桿a5，可調(diào)預(yù)緊螺釘a6，定位塊a7，輸出軸a8，兩個活動預(yù)緊塊a21、a22固連于活動預(yù)緊桿a3的兩端，兩個固定預(yù)緊塊a41、a42固連于固定預(yù)緊桿a5的兩端，所述固定預(yù)緊桿穿過活動預(yù)緊桿上的圓孔，圓孔直徑大于固定預(yù)緊桿的直徑，可使活動預(yù)緊桿發(fā)生運動時，不與固定預(yù)緊桿接觸，四個壓電作動單元all、al2、al3、al4中，每個壓電作動單元的兩端面均為圓弧面，四個壓電作動單元分別被壓緊于固定預(yù)緊塊與活動預(yù)緊塊的圓弧凹面內(nèi)，呈菱形布置，固定預(yù)緊塊a41與底板固連，a42通過可調(diào)預(yù)緊螺釘a6與定位塊a7固連，定位塊a7與底板I固連，輸出軸a8與箝位機構(gòu)的軸承組連接。
[0032]壓電作動單元all (al2、al3、al4結(jié)構(gòu)相同)的一種具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括一個壓電疊堆aa、兩個弧形面端塊ab、ac，壓電疊堆與弧形面端塊通過預(yù)緊機構(gòu)壓緊。
[0033]箝位機構(gòu)一種具體結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示，包括兩個啞鈴狀箝位結(jié)構(gòu)b31、b32，箝位套筒bl，箝位套筒端蓋b2，兩個扭簧b41、b42，空心齒輪b5，運動變向套筒b6、兩個軸承b71、b72，軸承卡環(huán)b8，螺桿b9，其中螺桿b9與啞鈴狀箝位結(jié)構(gòu)b31、b32為螺紋接觸，啞鈴狀箝位結(jié)構(gòu)b31穿過箝位套筒bl的底孔，其箝位面之間的距離略寬于箝位套筒bl底板的厚度，該結(jié)構(gòu)位于箝位套筒外的一端與運動變向套筒b6固連，啞鈴狀箝位結(jié)構(gòu)b32穿過箝位套筒端蓋b2上的中心孔，箝位套筒端蓋b2與箝位套筒bl固連，空心齒輪b5位于套筒內(nèi)，一端通過扭簧b41與啞鈴狀箝位結(jié)構(gòu)b31固連，另