一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器

技术领域

本发明属于多物理场能量转换功能材料的新型作动器技术领域，特别是涉及一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器。

背景技术

在科学技术获得长足发展的今天，随着航天航空、光学工程、精密加工、精密仪器、微小机器人、生命科学等领域的深入研究，具有微米、纳米级分辨率的高精密驱动技术是其必不可缺的支撑性技术之一。基于多物理场能量转换功能材料的新型作动器不断发展，成为近年来的研究热点。现阶段对于尺蠖式直线压电作动器的研究表明尺蠖式直线压电作动器具有稳定性高、分辨率高、推力大以及行程大等性能。因此，一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器利用了压电陶瓷材料的逆压电效应来实现电能向机械能的转化，对于多物理场能量转换功能材料的新型作动器的研究具有重要意义。

传统尺蠖式作动器借助位移放大机构对压电陶瓷堆叠输出位移进行大，位移放大机构串联分布导致尺寸较大，压电陶瓷堆叠驱动单元数量少限制了驱动力的进一步提升。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器及控制方法,以解决现有传统尺蠖式作动器借助位移放大机构对压电陶瓷堆叠输出位移进行大、位移放大机构串联分布导致尺寸较大以及压电陶瓷堆叠驱动单元数量少限制了驱动力的进一步提升的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器，它包括直线导轨、两个驱动足和多个支柱，所述两个驱动足相对且交错设置并通过多个支柱相连，所述两个驱动足均套接设置在直线导轨上并沿直线导轨移动，所述驱动足包括端盖、铜套、驱动齿、两个位移放大支架和多个压电陶瓷堆叠，所述端盖的中心与直线导轨滑动连接，所述两个位移放大支架分别设置在端盖内侧的两端，所述压电陶瓷堆叠嵌入固定于位移放大支架内，所述压电陶瓷堆叠的固定方向根据位移放大支架内部的机械结构呈水平方向或者竖直方向,所述两个位移放大支架的两侧分别通过连接支架连接，所述连接支架上设置有驱动齿，两个所述驱动齿相对设置并均与直线导轨接触配合。

更进一步的，所述端盖的中心设置有铜套，所述端盖通过铜套与直线导轨滑动连接。

更进一步的，所述端盖的形状为工字型，所述端盖的中心设置有方孔，所述铜套嵌于方孔内。

更进一步的，所述端盖的两端内侧均设置有凹槽，所述位移放大支架通过凹槽与端盖连接。

更进一步的，所述两个驱动足的端盖之间通过多个支柱连接。

更进一步的，所述支柱的数量为四个，四个所述支柱分别设置在端盖的四角。

更进一步的，所述压电陶瓷堆叠的通电方向为压电陶瓷堆叠的长度方向。更进一步的，所述压电陶瓷堆叠的形变方向为压电陶瓷堆叠的长度方向。

更进一步的，所述位移放大支架的形变方向为位移放大支架的长度方向和宽度方向。

更进一步的，所述位移放大支架为柔性铰链式位移放大支架。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过柔性铰链式位移放大支架实现压电陶瓷堆叠输出位移的放大，压电陶瓷堆叠通过环氧树脂胶粘接在柔性铰链式位移放大支架内部，单个位移放大支架内粘接六个压电陶瓷堆叠，且设计为对称式一体化结构形式，可有效减少连接螺钉的数量，提高结构刚度及可靠性；

2、本发明的两个位移放大支架面对面安装，通过合理布局避免了传统尺蠖式作动器的串联排布，可在保证驱动力矩的前提下有效降低作动器的整机尺寸，减轻作动器整体质量；

3、每个位移放大支架上均固定连接有两个驱动齿，驱动齿分布在导轨两侧，可实现驱动齿对导轨夹持力的对称分布，在提高夹持力的同时避免了非对称夹持力对位移放大支架夹紧效果的影响；

4、端盖安装有铜套，可有效降低作动器移动时的摩擦力；

5、本发明中驱动齿移动是两个位移放大支架的压电陶瓷堆叠同时动作，驱动齿的位移量是单个压电陶瓷堆叠作动的两倍，提高了单个周期内作动器的位移量。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器的整体结构示意图；

图2为本发明所述的一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器的整体结构分解示意图；

图3为本发明所述的一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器的驱动足结构分解示意图；

图4为本发明所述的一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器的结构示意图；

图5为图4所述的一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器的通断电逻辑示意图；

图6为本发明所述的一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器的通断电逻辑时序图；

图7为本发明所述的一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器的压电陶瓷堆叠形变示意图。

驱动足1，铜套1-1，位移放大支架1-2，驱动齿1-3，第一驱动齿1-3-1，第二驱动齿1-3-2，压电陶瓷堆叠1-4，第一压电陶瓷堆叠1-4-1，第二压电陶瓷堆叠1-4-2，第三压电陶瓷堆叠1-4-3，第四压电陶瓷堆叠1-4-4，第五压电陶瓷堆叠1-4-5，第六压电陶瓷堆叠1-4-6，端盖1-5，直线导轨2，支柱3。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-6说明本实施方式，一种基于压电效应的尺蠖式线性作动器，它包括直线导轨2、两个驱动足1和多个支柱3，所述两个驱动足1相对且交错设置并通过多个支柱3相连，所述两个驱动足1均套接设置在直线导轨2上并沿直线导轨2移动，所述驱动足1包括端盖1-5、铜套1-1、驱动齿1-3、两个位移放大支架1-2和多个压电陶瓷堆叠1-4，所述端盖1-5的中心设置有铜套1-1，所述端盖1-5通过铜套1-1与直线导轨2滑动连接，所述两个位移放大支架1-2分别设置在端盖1-5内侧的两端，所述压电陶瓷堆叠1-4嵌入固定于位移放大支架1-2内，所述压电陶瓷堆叠1-4的固定方向根据位移放大支架1-2内部的机械结构呈水平方向或者竖直方向,所述两个位移放大支架1-2的两侧分别通过连接支架连接，所述连接支架上设置有驱动齿1-3，两个所述驱动齿1-3相对设置并均与直线导轨2接触配合，所述位移放大支架为柔性铰链式位移放大支架。本实施例中支柱3用于两个驱动足1之间的连接，压电陶瓷堆叠1-4在通断电时发生形变，从而带动对应的位移放大支架1-2发生形变，形变后的位移放大支架1-2带动对应连接支架上的驱动齿1-3位移，使得驱动齿1-3夹持或远离直线导轨2，从而实现驱动齿1-3对直线导轨2制动状态的改变，通过柔性铰链式的位移放大支架1-2实现压电陶瓷堆叠1-4输出位移的放大，压电陶瓷堆叠1-4通过环氧树脂胶粘接在柔性铰链式的位移放大支架1-2内部，本实施例中单个位移放大支架1-2内粘接六个压电陶瓷堆叠1-4，且设计为对称式一体化结构形式，可有效减少连接螺钉的数量，提高结构刚度及可靠性。

本实施例中每个位移放大支架1-2上均固定连接有一对驱动齿1-3，并分布在直线导轨2的两侧，可实现驱动齿1-3对直线导轨2夹持力的对称分布，在提高夹持力的同时避免了非对称夹持力对位移放大支架1-2夹紧效果的影响。

本实施例中两个位移放大支架1-2面对面安装，通过合理布局避免了传统尺蠖式作动器的串联排布，可在保证驱动力矩的前提下有效降低作动器的整机尺寸，减轻作动器整体质量。

本实施例中所述端盖1-5的形状为工字型，所述端盖1-5的中心设置有方孔，所述铜套1-1嵌于方孔内，铜套1-1的设置可有效降低作动器移动时的摩擦力。

本实施例中所述端盖1-5的两端内侧均设置有凹槽，所述位移放大支架1-2通过凹槽与端盖1-5连接，凹槽用于端盖1-5与位移放大支架1-2之间的连接固定。

本实施例中所述两个驱动足1的端盖1-5之间通过多个支柱3连接，本实施例中所述支柱3的数量为四个，所述四个支柱3分别设置在端盖1-5的四角。

本实施例中所述压电陶瓷堆叠1-4的通电方向为压电陶瓷堆叠1-4的长度方向。

本实施例中所述压电陶瓷堆叠1-4的形变方向为压电陶瓷堆叠1-4的长度方向，所述位移放大支架1-2的形变方向为位移放大支架1-2的长度方向和宽度方向。压电陶瓷堆叠1-4和位移放大支架1-2的具体形变方式如图6所示。

参见图4和图5，本实施例中两个驱动足1中的两对驱动齿1-3分别为第一驱动齿1-3-1和第二驱动齿1-3-2，第一驱动齿1-3-1和第二驱动齿1-3-2每尺蠖式线性运动一次，压电陶瓷堆叠1-4就要经过六个步骤的逻辑通断电场，本实施现以六对所述压电陶瓷堆叠1-4的逻辑通断电场进行说明，将六组压电陶瓷堆叠1-4分别分为第一压电陶瓷堆叠1-4-1、第二压电陶瓷堆叠1-4-2、第三压电陶瓷堆叠1-4-3、第四压电陶瓷堆叠1-4-4、第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6，如步骤1所示，将第一压电陶瓷堆叠1-4-1和第二压电陶瓷堆叠1-4-2通电场，第三压电陶瓷堆叠1-4-3、第四压电陶瓷堆叠1-4-4、第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6断电场，此时第一驱动齿1-3-1非制动，第二驱动齿1-3-2制动，如步骤2所示，将第一压电陶瓷堆叠1-4-1、第二压电陶瓷堆叠1-4-2、第三压电陶瓷堆叠1-4-3和第四压电陶瓷堆叠1-4-4通电场，第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6断电场，此时第一驱动齿1-3-1位移，第二驱动齿1-3-2制动，如步骤3所示，将第一压电陶瓷堆叠1-4-1、第二压电陶瓷堆叠1-4-2、第三压电陶瓷堆叠1-4-3、第四压电陶瓷堆叠1-4-4、第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6，此时第一驱动齿1-3-1和第二驱动齿1-3-2均制动，如步骤4所示，将第三压电陶瓷堆叠1-4-3、第四压电陶瓷堆叠1-4-4、第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6通电场，第一压电陶瓷堆叠1-4-1和第二压电陶瓷堆叠1-4-2断电场，此时此时第一驱动齿1-3-1制动，第二驱动齿1-3-2非制动，如步骤5所示，将第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6通电场，第一压电陶瓷堆叠1-4-1、第二压电陶瓷堆叠1-4-2、第三压电陶瓷堆叠1-4-3和第四压电陶瓷堆叠1-4-4断电场，此时此时第一驱动齿1-3-1制动，第二驱动齿1-3-2位移，如步骤6所示，将第一压电陶瓷堆叠1-4-1、第二压电陶瓷堆叠1-4-2、第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6通电场，第三压电陶瓷堆叠1-4-3和第四压电陶瓷堆叠1-4-4断电场，此时第一驱动齿1-3-1和第二驱动齿1-3-2均非制动。在一定方向上，通过对多组压电陶瓷堆叠1-4进行高频逻辑通断电场，最终可以实现整个作动器的连续直线运动。若要调整作动器的运动方向，只需将上述六个步骤的逻辑通断电场倒置即可实现。

本实施例现以图4中第一压电陶瓷堆叠1-4-1和第二压电陶瓷堆叠1-4-2为A组，第三压电陶瓷堆叠1-4-3和第四压电陶瓷堆叠1-4-4为B组，第五压电陶瓷堆叠1-4-5和第六压电陶瓷堆叠1-4-6为C组进行说明，六个步骤的逻辑通断电场时序图如图6所示，其中高电平电压值为V，低电平电压值为0。

本实施例中驱动齿1-3的移动是两个位移放大支架1-2的压电陶瓷堆叠1-4同时动作，驱动齿的位移量是单个压电陶瓷堆叠1-4作动的两倍，提高了单个周期内作动器的位移量。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。