一种步进式精密压电直线驱动器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种步进式精密压电直线驱动器，包括输出轴、箝位机构、驱动机构和伸缩机构，其中输出轴两端分别连接第一箝位机构和第二箝位机构，两个箝位机构之间的输出轴上套设驱动机构，两个箝位机构通过位于输出轴两侧对称位置的伸缩机构连接。本实用新型基于尺镬原理设计，通过控制电压，使伸缩机构和箝位机构形成一种推压关系，并借助于摩擦力的作用使输出轴发生位移，运动平稳，能实现双向驱动、连续输出，所以行程大且易于控制。
【专利说明】一种步进式精密压电直线驱动器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微型机电设备【技术领域】，涉及一种压电直线驱动器，尤其是涉及一种步进式精密压电直线驱动器。
【背景技术】
[0002]精密驱动器应用越来越广泛，如生物工程、医疗器械、航空航天、救灾设备以及油气管道的检测维修等场合。随着科学技术的发展，工业上对机电系统和驱动设备的精度和性能要求更高，要求驱动设备具有小型轻量化、易于控制和结构简单等特性；传统的电磁电机难以胜任当前社会需求，因此大行程、易控制、新结构精密驱动器及其实现方案的研究越来越受国内外的重视。
[0003]压电陶瓷是近年来精密驱动领域广泛运用的一种新型材料，其特点是可实现高分辨率的运动，而且响应快，位移分辨率高，没有空回、粘滑等现象，且不发热，不产生噪声，因此把压电陶瓷应用于驱动装置中，可改善传统精密驱动器的性能，目前在精密驱动方面的开发形成了一些新的机构，取得了一些研究成果和较成熟的应用技术，但目前压电陶瓷驱动器的位移行程均较小。
[0004]目前，在很多系统中，需要驱动器不仅微型化、功重比高、输出平稳、结构简单且易于控制同时运动范围大，对于行程较大的驱动器的设计，主要采用的方法是根据杠杆和液压等原理等位移放大机构，用于克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但位移放大机构在放大位移的同时，也放大了压电陶瓷蠕变和迟滞误差而导致的影响，而且大大增加了系统的体积、减小输出力，所以放大倍数极其有限，由于这些不足，使驱动器的应用受到了限制。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是克服现有技术缺陷，提供一种行程较大，输出精度高、输出力大的一种步进式精密压电直线驱动器。
[0006]本实用新型的技术方案是:包括输出轴、两个在外加电场时能压紧或松开输出轴的箝位机构、驱动机构和始终处于伸长状态的伸缩机构，其中输出轴两端分别连接第一箝位机构和第二箝位机构，两个箝位机构之间的输出轴上套设驱动机构，两个箝位机构通过位于输出轴两侧对称位置的伸缩机构连接；
[0007]其中，所述驱动机构包括套设在输出轴上、在外加电场时能够伸长或缩短的驱动压电陶瓷堆。
[0008]所述箝位机构包括由金属材料制成的壳体，输出轴贯穿壳体中心，在壳体内输出轴的两侧，从里向外对称安装有弧形摩擦片、箝位压头和箝位压电陶瓷堆，弧形摩擦片、箝位压头和箝位压电陶瓷堆为固结于一体式结构，且输出轴与弧形摩擦片之间设置间隙，箝位压电陶瓷堆在外加电场时产生应变和应力，使弧形摩擦片压紧或松开输出轴。
[0009]所述箝位压电陶瓷堆为条形，粘接在壳体内壁，所述箝位压电陶瓷堆、箝位压头和弧形摩擦片焊接在一起。
[0010]所述两个箝位机构的壳体为箱体式，且两个箝位机构壳体内均安装有引导和支撑输出轴的管状导向机构；所述管状导向机构包括两个管状的导向支撑元件，两个导向支撑元件之间设置间隙，且弧形摩擦片设置在间隙中；所述两个箝位机构壳体中的箝位压电陶瓷堆分别对称分布于输出轴两侧。
[0011]所述驱动压电陶瓷堆一端连接在第一箝位机构或第二箝位机构的壳体上。
[0012]所述驱动压电陶瓷堆为环形，其上套设管型筒，两者之间设置空隙，且两者的同一端焊接在第一箝位机构或者第二箝位机构的壳体上。
[0013]所述伸缩机构为柔性铰链，在输出轴两侧对称的位置与两个箝位机构的壳体连接成一体，且柔性铰链始终处于伸长状态，使第二箝位机构的壳体压紧驱动压电陶瓷堆的另一端。
[0014]所述柔性铰链材料为弹簧钢。
[0015]所述输出轴为用多根或多股细钢丝拧成的钢索。
[0016]本实用新型相对现有技术来说，基于尺镬原理设计，通过控制外加电场电压，使驱动机构、伸缩机构和箝位机构形成一种推压关系，伸缩机构通过弹性变形实现运动，结构简单、运动灵活，并始终处于伸长状态，产生一定的预紧力，作用在驱动压电陶瓷堆上，对驱动压电陶瓷堆产生的微位移可实现精确放大，使驱动器的分辨率高，无机械摩擦；并借助于箝位机构的作用使输出轴产生位移，箝位可靠、稳定，使输出轴的输出力大，且运动平稳，能实现双向驱动、连续输出，行程大且易于控制。所以，本实用新型的结构简单，设计合理，实现方便，使用操作便捷，能够实现输出轴的连续运动，输出力大，控制精度高，控制可靠性高，工作稳定性高，使用寿命长，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
[0017]进一步，本实用新型箝位机构的箝位部分由固结于一体的箝位压电陶瓷堆、箝位压头和弧形摩擦片构成，通过外加电场使箝位压电陶瓷堆产生应变，从而带动箝位压头和弧形摩擦片压紧或松开输出轴，在压紧时，采用的弧形摩擦片增大了其与输出轴之间的压紧面积，两侧的弧形摩擦片可将输出轴抱死，增大了弧形摩擦片与输出轴之间的的摩擦力，无滑动摩擦、无间隙、不发热，这样保证了有大的箝位力和输出力，箝位可靠、稳定，增强了驱动器的负载能力，输出精度高，提高了驱动器系统的响应频率，改善了驱动器系统的输出性能。
[0018]进一步，箝位压电陶瓷堆为条形压电陶瓷，可承受的压力较大。
[0019]进一步，驱动器箝位机构的壳体为特有的箱体式设计，驱动压电陶瓷堆直接作用于箱体上，避免了箝位压电陶瓷堆因受侧向压力而导致的损坏，并且箱体式结构的受力均匀，不易出现柔性铰链的弹性变形力导致铰链中心偏离其几何中心的现象，可保证传动精度。安装的导向机构起引导、支撑输出轴的作用，提高了输出的线性度，同时不影响箝位机构中的弧形摩擦片对输出轴的压紧或松开，不影响箝位机构动作和箝位效果。
[0020]进一步，驱动压电陶瓷堆置于管型筒中，使驱动压电陶瓷堆得到很好的保护，使驱动压电陶瓷堆装卸方便。
[0021]进一步，伸缩机构与壳体为一个整体，结构紧凑。
[0022]进一步，驱动器柔性铰链材料为弹簧钢，弹性好，在动载荷下工作有足够的韧性、塑性，不易脆断，对驱动压电陶瓷产生的微位移可实现放大。[0023]进一步，驱动器输出机构为钢索，制造精度高，表面光滑，它的强度高、挠性大、自重轻、工作平稳、不易折断，可产生任意行程的位移和任意方向上的力，且柔韧性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型的结构示意图；
[0025]图2为本实用新型的箝位机构结构示意图；
[0026]图3为本实用新型的三维结构图；
[0027]图4为本实用新型的运行原理图。
[0028]其中，I一第一箝位机构；2—伸缩机构；3—管型筒；4一驱动压电陶瓷堆；5—第二箝位机构；6—导向机构；7—输出轴；8—箝位压电陶瓷堆；9一箝位压头；10—弧形摩擦片；
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
[0030]参见图1至图3，本实用新型整体结构由箝位机构、驱动机构、伸缩机构2、输出机构及导向机构6组成。其中输出机构为输出轴7,其两端分别连接第一箝位机构I和第二箝位机构5，两个箝位机构之间的输出轴7上套设驱动机构，两个箝位机构通过位于输出轴7两侧对称位置的伸缩机构2连接。
[0031]如图1，本实用新型驱动器的箝位机构包括左侧箝位机构和右侧箝位机构，即第一箝位机构I和第二箝位机构5。如图2，二者均由壳体本身及箝位压电陶瓷堆8、箝位压头9和弧形摩擦片10构成，箝位压电陶瓷堆8为条形压电陶瓷，可承受的压力较大，粘结于壳体内，箝位压头9与弧形摩擦片10通过焊接固结于箝位压电陶瓷堆8，弧形摩擦片10设置在箝位压头9的端部并指向输出轴7。采用具有一定包裹范围的弧形摩擦片10，增加了压紧面积，两侧的弧形摩擦片10可将输出轴7抱死，为了增大弧形摩擦片10与输出轴7之间的摩擦力以提高箝位的可靠性、稳定性，增强驱动器的负载能力，在弧形摩擦片10上附有摩擦系数较大的摩擦材料，其特点是无摩擦、无间隙、不发热，保证了有大的箝位力和输出力，输出精度高，提高了系统的响应频率，改善了系统的输出性能。。
[0032]本实用新型伸缩机构2与左右壳体为一个整体，通过线切割机加工而成，特有的柔性铰链作为伸缩机构，结构紧凑，柔性铰链材料为弹簧钢，弹性好、有足够的韧性和塑性，通过弹性变形实现运动，结构简单、运动灵活，并始终处于伸长状态，产生一定的预紧力，通过壳体作用在驱动压电陶瓷堆4上，对驱动压电陶瓷堆4产生的微位移可实现精确放大，使驱动器的分辨率高，无机械摩擦。
[0033]本实用新型驱动器驱动机构主要由焊接在左侧壳体上的管型筒3、环形驱动压电陶瓷堆4组成，驱动压电陶瓷堆4置于管型筒3中，得到了很好的保护，二者之间留有一定空隙，使驱动压电陶瓷堆4装卸方便。
[0034]本实用新型驱动器伸缩机构2为柔性铰链，材料为弹簧钢，弹性好，在动载荷下工作有足够的韧性、塑性，不易脆断，对驱动压电陶瓷堆4产生的微位移可实现放大，给驱动器加电压前，伸缩机构2的柔性铰链处于伸长状态，因此会产生一定的恢复力，即预紧力，通过两个箝位机构的壳体作用在驱动压电陶瓷堆4上，使驱动压电陶瓷堆4处于预紧状态，柔性铰链使驱动器的结构简单、紧凑，分辨率高、无机械摩擦等。
[0035]本实用新型驱动器输出轴7为多根或多股细钢丝拧成的钢索，制造精度要求比较高，表面要求光滑，它的强度高、挠性大、自重轻、工作平稳、不易折断，可产生任意行程的位移和任意方向上的力，且柔韧性好。
[0036]本实用新型驱动器导向机构6包括两个管状、可套在输出轴7上的导向支撑元件，两个导向支撑元件各自有一端安装在壳体内壁上，起引导、支撑输出轴7的作用，提高输出的线性度；两个导向支撑元件的另一端相对且它们之间设置间隙，弧形摩擦片10设置在间隙中，该导向机构6的设置不影响箝位机构中的弧形摩擦片10对输出轴7的压紧或松开，所以不影响箝位机构动作和箝位效果。
[0037]压电驱动器的原理基于压电陶瓷的逆压电效应，在压电陶瓷上加一电场时，压电陶瓷会产生应变和应力，即X = d.E，其中X为压电叠堆产生的应变，d为压电应变常数，E为所加电场。当给放置于驱动机构中的压电陶瓷堆加上正电压时，压电陶瓷堆本身会伸长，从而推动箝位机构的壳体运动；当减小所加的电压时，压电陶瓷堆会回缩，并导致柔性伸缩铰链也一起回弹，从而带动箝位机构动作。
[0038]本实用新型中箝位压电陶瓷堆8和驱动压电陶瓷堆4的应变随电压变化，利于精确控制输出轴连续运动。其中压电陶瓷片的机械变形量较小，如果需要较大的变形量，可以将向驱动压电陶瓷堆4、箝位压电陶瓷堆8中添加压电陶瓷片，从而得到所需要的机械力和机械变形量。
[0039]本实用新型驱动器工作过程:
[0040]连续向右移动:首先给左侧的第一箝位机构I的箝位压电陶瓷堆8加负电压，由于压电陶瓷的逆压电效应，箝位压电陶瓷堆8会缩短，带动弧形摩擦片10 —起回缩，弧形摩擦片10会松开输出轴7，再给右侧的第二箝位机构5加正电压，压电陶瓷堆本身会伸长，此时右侧第二箝位机构5的两箝位压电陶瓷堆8推动箝位压头9及弧形摩擦片10夹紧输出轴7，当给置于管型筒3中的驱动压电陶瓷堆4加正电压时，驱动压电陶瓷堆4本身会伸长，产生驱动力作用在右侧壳体上，当驱动力克服柔性铰链的弹性力后，柔性铰链会继续伸长，由于右侧箝位压电陶瓷堆8已箝住输出轴7，并且弧形摩擦片10与输出轴7之间的摩擦力极大，因此右侧壳体连同输出轴7 —起右移，从而实现步进式尺蠖移动，当输出轴7的位移满足要求时，给第一箝位机构I加正电压，其箝位压电陶瓷堆8伸长，推动箝位压头9、弧形摩擦片10夹紧输出轴7，实现箝位。
[0041]当给右侧的第二箝位机构5加负电压时，箝位压电陶瓷堆8缩短，带动弧形摩擦片10—起往回移动，解除箝位，然后给驱动压电陶瓷堆4加负电压，驱动压电陶瓷堆4回缩，此时柔性铰链处于伸长状态，在弹性恢复力作用下，右侧壳体往左侧移动，驱动压电陶瓷堆4与右侧第二箝位机构5均回到初始位置，从而一次移动过程完成。
[0042]重复以上步骤，如此循环，则输出轴7能够不断向右移动。
[0043]连续向左移动:首先给左侧的第一箝位机构I加负电压，使其放开对输出轴7的箝位，再给驱动压电陶瓷堆4加正电压，使其伸长并推动右侧壳体一起向右移动，然后给右侧第二箝位机构5加正电压，使其对输出轴7实现箝位，此时再给驱动压电陶瓷堆4加负电压，驱动压电陶瓷堆4回缩，在柔性铰链弹性力作用下，右侧壳体会带动输出轴7往左侧移动，给左侧箝位压电陶瓷堆8加正电压可实现对输出轴7的箝位，则一次移动过程完成。[0044]重复以上步骤，如此循环，则输出轴7能够不断向左移动。
[0045]从驱动器上述的运动过程可知，在控制电压时序的作用下，系统通过伸缩机构2和箝位机构形成一种推压关系，并借助于摩擦力的作用使输出轴7发生位移。要实现连续不断的步进式位移输出，必须具备三个条件，一是箝位的动作过程；二是驱动过程；三是箝位与驱动的时序关系，即二者的协调配合过程。该驱动器的工作过程是基于一种改进的步进式尺蠖原理，通过驱动机构与箝位机构中的压电陶瓷堆在一定时序下的运动组合来实现对输出轴7的驱动。
[0046]下面具体分析驱动器的运行过程，如图4:
[0047]a)初始状态，左侧第一箝位机构I对输出轴7箝位；
[0048]b)对左侧第一箝位机构I的箝位压电陶瓷堆8加负电压回缩(图中用表示)作用下对输出轴7松开；
[0049]c)对右侧第二箝位机构5的箝位压电陶瓷堆8加正电压伸长(图中用“ + ”表示)作用下对输出轴7夹紧；
[0050]d)对驱动压电陶瓷堆4加正电压伸长(图中用“+ ?示)作用下推动第二箝位机构5运动，从而带动输出轴7运动；
[0051]e)如果输出位移满足要求，对左侧第一箝位机构I的箝位压电陶瓷堆8加正电压伸长(图中用“ + ”表示)压紧输出轴7，实现对输出轴7的箝位；
[0052]f)对右侧第二箝位 机构5的箝位压电陶瓷堆8加负电压(图中用“」’表示)压电陶瓷回缩，弧形摩擦片10松开输出轴7，第二箝位机构5对输出轴7解除箝位；
[0053]g)对驱动压电陶瓷堆4加负电压(图中用表示)，驱动压电陶瓷堆4回缩，柔性铰链弹性力作用下，第二箝位机构5往左移动，回到初始位置，从而一个运动过程完成。
[0054]如此往复循环，可实现输出轴7连续向右移动。
[0055]同样，进行相应操作，可实现输出轴7连续的向左移动。
【权利要求】
1.一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:包括输出轴(7)、两个在外加电场时能压紧或松开输出轴(7)的箝位机构、驱动机构和始终处于伸长状态的伸缩机构(2)，其中输出轴(7)两端分别连接第一箝位机构(I)和第二箝位机构(5)，两个箝位机构之间的输出轴(7)上套设驱动机构，两个箝位机构通过位于输出轴(7)两侧对称位置的伸缩机构(2)连接； 其中，所述驱动机构包括套设在输出轴(7)上、在外加电场时能够伸长或缩短的驱动压电陶瓷堆(4)。
2.根据权利要求1所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述箝位机构包括由金属材料制成的壳体，输出轴(7)贯穿壳体中心，在壳体内输出轴(7)的两侧，从里向外对称安装有弧形摩擦片(10)、箝位压头(9)和箝位压电陶瓷堆(8)，弧形摩擦片(10)、箝位压头(9)和箝位压电陶瓷堆(8)为固结于一体式结构，且输出轴(7)与弧形摩擦片(10)之间设置间隙，箝位压电陶瓷堆(8)在外加电场时产生应变和应力，使弧形摩擦片(10)压紧或松开输出轴(7)。
3.根据权利要求2所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述箝位压电陶瓷堆(8)为条形，粘接在壳体内壁，所述箝位压电陶瓷堆(8)、箝位压头(9)和弧形摩擦片(10)焊接在一起。
4.根据权利要求2所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述两个箝位机构的壳体为箱体式，且两个箝位机构壳体内均安装有引导和支撑输出轴(7)的管状导向机构出)；所述管状导向机构(6)包括两个管状的导向支撑元件，两个导向支撑元件之间设置间隙，且弧形摩擦片(10)设置在间隙中；所述两个箝位机构壳体中的箝位压电陶瓷堆(8)分别对称分布于输出轴(7)两侧。
5.根据权利要求2所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述驱动压电陶瓷堆(4) 一端连接在第一箝位机构(I)或第二箝位机构(5)的壳体上。
6.根据权利要求5所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述驱动压电陶瓷堆(4)为环形，其上套设管型筒(3)，两者之间设置空隙，且两者的同一端焊接在第一箝位机构(I)或者第二箝位机构(5)的壳体上。
7.根据权利要求1所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述伸缩机构(2)为柔性铰链，在输出轴(7)两侧对称的位置与两个箝位机构的壳体连接成一体，且柔性铰链始终处于伸长状态，使第二箝位机构(5)的壳体压紧驱动压电陶瓷堆(4)的另一端。
8.根据权利要求7所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述柔性铰链材料为弹簧钢。
9.根据权利要求1、2、5或7任意一项所述的一种步进式精密压电直线驱动器，其特征在于:所述输出轴(7)为用多根或多股细钢丝拧成的钢索。
【文档编号】H02N2/02GK203813694SQ201420199091
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】曹蕾蕾, 连安志, 王照鲁, 李柏松, 周乾龙, 屈孝和 申请人:长安大学