[发明专利]一种双向大推力压电直线作动器及其驱动方法

说明书

本发明公开了一种双向大推力压电直线作动器及其驱动方法，主要包括驱动单元、箝位单元和输出轴。针对压电元件抗压不抗拉的特性，采用对称式结构设计，上下两个压电叠堆作为驱动源，分别承担着压力负载和拉力负载时的驱动，实现了大推力双向作动。箝位元件包括上下箝位螺母、柔性联轴器和力矩电机，柔性联轴器将力矩电机转矩传递到箝位螺母上，实现不同箝位。输出轴为梯形丝杠，其牙根强度高，耐磨性好，对中性好，且工艺性好。本发明结构简单紧凑，利用双向螺旋箝位机构配合对称式分布的压电叠堆，将叠堆的单步输出位移累积叠加，通过梯形丝杠输出大行程、大推力并且可以实现推拉双向作动。

技术领域：

本发明涉及大推力双向压电作动器及其工作方法，其属于压电作动器领域。

背景技术：

近年来，随着压电材料工艺和精密加工技术的快速发展，压电直线作动器的研究有了很大进展。由于直线作动器能直接输出直线运动而不需要中间转换机构，以及压电陶瓷纳米级的分辨率，所以压电直线作动器具有结构简单、噪声低、精度高、易于小型化等优点。因此，压电直线作动器在生物工程，机械微组装，微机电系统（MEMS）及航空航天等众多领域得到了广泛应用。

根据驱动元件的种类，压电直线作动器主要有压电陶瓷和压电叠堆两种形式。压电陶瓷作动器是一种利用压电材料的逆压电效应制作而成的微位移作动器，具有体积小、能量密度高、分辨率高、频响快等特点，已经成为精密定位系统中重要定位及驱动元件。由于基于单片压电陶瓷晶片的压电陶瓷作动器的输出力及输出位移比较小，常常采用一定的工艺将多片压电陶瓷晶片和电极叠合而成压电叠堆作动器以提高输出力和位移。所以与压电陶瓷相比，压电叠堆具有非共振状态下输出力大、变形大、位置可重复性好等优点。压电作动器大致可分为压电超声电机、压电微位移作动器、压电惯性作动器和压电尺蠖作动器。目前而言，现有的压电超声电机由于其原理的限制，输出力较小，一般在100N以内；压电微作动器结构紧凑，输出力大，动态特性好，但其工作行程较小，一般最大在几十微米范围内；压电惯性作动器具有高分辨率、可实现大行程的特点，但其输出力较小。压电尺蠖作动器，既具有分辨率高、稳定性好、承载能力强、输出力大的优点，又可以实现足够大的位移量。发明者曾于2014年发明过一项基于压电尺蠖原理的作动器专利，申请号为CN201410676948.9，名称为“大推力压电作动器及其工作方法”，，该发明实现了作动器在压力负载下的大推力输出。但是，受压电元件抗压不抗拉的特性，该作动器无法实现在拉力负载下的作动，且行程偏小。故现有一些作动器很难在满足大推力、大行程同时实现推拉双向作动。

发明内容：

有鉴于上述问题，基于前期发明，本发明提出了一种基于压电尺蠖驱动原理的新型推拉双向大推力压电直线作动器，具有结构简单、紧凑，装配精度高，工艺性好，效率高等优点。

根据本发明提出的一种双向大推力压电直线作动器，包括丝杆、箝位结构、压电叠堆以及力矩电机；其中，所述力矩电机位于作动器的中部，在力矩电机的两侧沿丝杆方向依次设有箝位结构以及压电叠堆，所述箝位螺母连接于所述丝杆上；所述箝位结构以及压电叠堆在力矩电机上下两侧对称分布，分别承担着压力和拉力时的大推力作动；所述箝位结构包括上下两个梯形螺母及与之相连接的柔性联轴器，箝位结构使得作动器能实现双向作动；所述力矩电机提供箝位力矩。

进一步的，所述箝位结构包括箝位螺母和柔性联轴器，所述箝位螺母与压电叠堆及箝位端面有一定的微小距离，所述柔性联轴器与箝位螺母相连。

进一步的，所述压电叠堆外设有机壳，所述机壳的端部设有叠堆端盖。

进一步的，所述机壳内在箝位螺母靠近电机的一侧设有箝位端面，箝位端面与机壳为一体化结构。

作为一种优选，所述丝杆采用梯形的螺母丝杠，在传动中是内外梯形螺纹进行传动，内外螺纹以锥面贴紧不易松动。

作为一种优选，两个机壳皆在所述箝位螺母与力矩电机主轴连接处及与柔性联轴器连接部位开孔，既实现扳手对二者进行旋紧，又作为可视孔观察连接情况及控制间距。