[发明专利]钳位力可调节的直线式惯性压电作动器及作动方法

说明书

技术领域

本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种钳位力可调节的直线式惯性压电作动器及作动方法。

背景技术

压电驱动的工作原理是基于压电具有的逆压电效应，压电驱动具有体积小、刚度大、位移分辨率及定位精度高、线性好、频率响应高、不发热、无噪声、易于控制等优点。

压电作动器在生命科学、医学和生物工程,半导体及微电子、数据存储、光学、光子学、光纤、度量和测量技术、精密机械和机械工程等领域具有广泛的应用背景。其中惯性式作动器基于惯性——摩擦的压电驱动原理，通过对压电叠堆微小步距位移的积累，可实现小步距、理论行程无限大、高分辨率的快速双向步进运动。以往惯性式作动器虽能驱动一定负载，但是无法实时测量并调节钳位力的大小。另外，以往的压电作动器多采用通电钳位的方式，而在要求系统在断电情况下仍能保持输出位移应用场合中，以往的作动器无法完成此类任务。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种钳位力可调节的直线式惯性压电作动器及作动方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并双向驱动负载，提供了断电钳位的功能；此作动器具有测量并调节钳位力的功能，装配简单，响应迅速，作动精准，能够断电锁止并实现双向大位移作动。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钳位力可调节的直线式惯性压电作动器，包括下框架5，固连在下框架5底部的导轨4，设置在导轨4上并通过底部滑块与导轨4接触的输出杆3，设置在输出杆3上的双菱形串联驱动机构2，两端套接在下框架5内并两端底部压接在双菱形串联驱动机构2两端的上框架1；所述双菱形串联驱动机构2包含串联双菱形环13，其内部分别沿输出杆3的轴向过盈配合有左压电堆12和右压电堆7，串联双菱形环13的串联衔接处设置有摩擦块6，摩擦块6底部突出于串联双菱形环13，使输出杆3上表面仅与双菱形串联驱动机构2中的摩擦块6接触，摩擦块6顶部设置有对称圆弧状弹性元件11，对称圆弧状弹性元件11顶端粘结有调节块8，调节块8顶部与上框架1底部相接触，上框架1与调节块8接触位置处开孔并设置有调节正压力所需的螺帽10和螺杆9；当上框架1分别与双菱形串联驱动机构2两端和下框架5固定安装后，旋转螺帽10，输出杆3上表面和摩擦块6间的正压力便由穿过上框架1且端面作用于调节块8的螺杆9调节。

所述左压电堆12和右压电堆7均处于断电时，输出杆3与摩擦块6之间紧密接触并存在静摩擦力，此时输出杆3能够承受一定外载，在断电情况下达到可靠的钳位。

所述弹性元件11外壁贴有电阻式应变计构成惠斯通全桥，输出杆3与摩擦块6间的正压力通过螺帽10螺杆9调节过程中，能够通过电阻式应变计测得弹性元件11变形，换算出正压力的准确数值，从而得到作动器的钳位力，这样能够根据需要实时测量并调节钳位力。

所述的钳位力可调节的直线式惯性压电作动器的作动方法，未通电时，输出杆3处于钳位状态；开始作动时，第一步，同时对左压电堆12和右压电堆7施加初始平衡电压，此时两者相对，作用力相互抵消，摩擦块6处于原位并与输出杆3保持相对静止；第二步，缓慢地对左压电堆12从初始平衡电压降电压直至断电，同时缓慢地对右压电堆7从初始平衡电压升电压直至满行程电压，此时摩擦块6被缓慢地带动向左压电堆12方向移动，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力大于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，输出杆3能够驱动负载向左移动一步；第三步，迅速地对左压电堆12从断电状态升电压直至初始平衡电压，同时迅速地对右压电堆7从满行程电压降电压直至初始平衡电压，此时摩擦块6被迅速地带动回归原位，由于摩擦块6与输出杆3间的静摩擦力远小于输出杆3随摩擦块6一起移动所需的惯性力，且该过程时间足够短暂，输出杆3会基本保持不动，这样就实现了输出杆3向左的一次完整移动；重复第二、三步，能够使输出杆3连续向左驱动负载，当驱动完成后，同时对左压电堆12和右压电堆7断电，输出杆3恢复钳位状态；同样地，交换左压电堆12和右压电堆7的通电方式，输出杆3能够连续向右驱动负载，以此实现电控方式下的双向惯性作动。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明具有断电钳位功能。左压电堆12和右压电堆7均处于断电时，输出杆3与摩擦块6之间紧密接触并存在静摩擦力，此时输出杆3能够承受一定外载，在断电情况下达到可靠的钳位。改变了一般压电作动器通电钳位而断电解锁的现状。断电钳位功能是一般工程应用中常见的需求。