[发明专利]基于丝杆自锁的拉压对称双向大位移压电作动器及方法

权利要求书

1.一种基于丝杠自锁的拉压对称双向大位移压电作动器，其特征在于：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。

2.权利要求1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，其特征在于：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能够转动下承载螺母(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(3)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，此时上承载螺母(12)被压紧于上套筒(3)的承载肩上以提供向上的推力，因此下承载螺母(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，因此作动器能够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母(13)、丝杠(11)向上运动一小步并带动上承载螺母(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)相当于向下即回程运动了一下步；重复步骤一到三，丝杆(11)会在向下的力作用下持续向下即回程运动；

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做相应的回程运动。