[发明专利]含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法

说明书

本发明公开了含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法，该作动器自上而下由质心位于同一直线的力传感部件，位移传感部件，作动部件组成，力传感部件由限位层、力传感柔性帽、力霍尔元件、永磁体及磁铁支撑架构成，位移传感部件由位移霍尔元件，与力传感部件共用的永磁体与磁铁支撑架构成，作动部件由圆柱外壳、调节螺钉、弹性钳位单元、椭圆环、压电堆、作动块构成；力传感部件螺纹固接于圆柱外壳，位移霍尔元件粘接于作动部件上方；本发明结构紧凑，断电锁止，钳位力可调节，采用比例式线性霍尔传感器感知输出力与位移，基于惯性式作动原理，利用非对称锯齿波驱动电压，可在三种负载工况下产生直线位移输出。

技术领域

本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法。

背景技术

惯性式压电作动器是一类采用非对称的驱动信号、非对称的机械夹持结构或非对称的摩擦力为控制方式，通过惯性冲击运动形成驱动的机构。

与其他类型的压电驱动比较，惯性压电作动器具有结构简单、响应速度快、分辨率高、大行程、运动速度快和成本低等主要优点，可实现较大行程且同时具有纳米级定位精度。因此，惯性压电作动器适用于需要高分辨率、大行程的场合。目前，科技工作者已成功将惯性压电作动器应用于高精度定位机构，多自由度驱动器，微型机器人关节以及微操作手等领域。

一般地，直线式惯性压电作动器在结构内部包含线性导轨，采用直线光栅进行感知位移，这种设计极大增加了作动器的横向尺寸，限制了作动器在更小应用环境下的使用；另外，现有的直线式惯性作动器一般用于一端固支一端驱动负载的工况，在双端驱动柔性负载等工况下很难有好的发挥。

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含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并稳定驱动刚性或柔性端负载上下运动，此作动器结构紧凑，断电锁止，钳位力可调节，采用比例式线性霍尔传感器感知输出力与位移，基于惯性式作动原理，利用非对称锯齿波驱动电压，可在三种负载工况下产生直线位移输出。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于，包括自上而下依次布置的力传感部件，位移传感部件和作动部件，这些部件的中心位于同一条竖直线；力传感部件由限位层2、力传感柔性帽3、力霍尔元件4、永磁体5及磁铁支撑架6构成，其中力传感柔性帽3一体加工，由上端面螺柱3-1，弹性薄片3-2以及圆台3-3组成；限位层2中心圆孔穿过上端面螺柱3-1，其圆周通过螺纹连接于力传感柔性帽3上方，圆台3-3下表面粘接有力霍尔元件4，力霍尔元件4同心位置下方布置有永磁体5，永磁体5过盈嵌入磁铁支撑架6的中央，磁铁支撑架6周边夹紧于力传感柔性帽3底端和作动部件的圆柱外壳1上端之间，其中力传感柔性帽3与圆柱外壳1之间通过螺纹相互连接；位移传感部件由位移霍尔元件7，以及与力传感部件共用的永磁体5和磁铁支撑架6构成，其中位移霍尔元件7布置于永磁体5下方同心位置，并粘接于作动部件的调节螺钉8的上表面；作动部件包含圆柱外壳1，以及自上而下安装于圆柱外壳1内腔的调节螺钉8、弹性钳位单元9、椭圆环10、压电堆11和作动块12，其中调节螺钉8的螺帽按压在弹性钳位单元9上端面，调节螺钉8的螺杆穿过弹性钳位单元9的短轴，并旋入与弹性钳位单元9一体化加工的椭圆环10上端面，弹性钳位单元9受调节螺钉8的挤压，其左右两端端面与圆柱外壳1内部的方槽轨道紧密贴合，椭圆环10空腔内过盈竖直安装有压电堆11，椭圆环10下端面螺纹连接有圆柱形作动块12，该作动块12由惯性质量块12-1通过螺纹拧紧配合以及惯性质量块12-1中心下方的下端面螺柱12-2组成。