具有位移測量功能和大推拉力的步進式壓電作動器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于步進式壓電作動器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有位移測量功能和大推拉力的步進式壓電作動器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電作動器在航天、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域已有很廣泛的應用。其中步進式作動器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通過對壓電疊堆微小步距位移的積累，可實現(xiàn)小步距、理論行程無限大、高分辨率的精密雙向步進運動。以往步進式作動器雖能完成大位移的輸出，但無法測量輸出位移的大小。在大多數(shù)工程應用中作動器輸出位移需要被實時監(jiān)測，通常做法是外置位移傳感器。外置位移傳感器的方式一方面增加了成本，另一方面由于一般位移傳感器的量程與分辨率成反比，即分辨率高則位移量程小，反之位移量程大則分辨率降低，因此如何在大位移量程情況下還能保證高位移分辨率一般是個難點。
[0003]另外，以往步進式作動器的最大輸出力取決于鉗位機構(gòu)的摩擦力，由于提高摩擦力的方法一般是增加摩擦系數(shù)和正壓力，但物體間摩擦系數(shù)是小于I的常數(shù)且難以進一步增大，而單純提高正壓力會使作動器結(jié)構(gòu)厚實笨重，難以滿足精密測控領(lǐng)域小體積，輕量化的要求。因此以往步進式作動器的輸出力也就難以有顯著的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有位移測量功能和大推拉力的步進式壓電作動器及方法，作動器在壓電單元的驅(qū)動下以步進方式輸出大位移，同時能夠輸出大的推拉力，并且其輸出位移能被實時測量。此作動器結(jié)構(gòu)緊湊、關(guān)鍵零件均采用慢走絲線切割工藝加工，精度較高，裝配簡單。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]具有位移測量功能和大推拉力的步進式壓電作動器，包括左鉗位機構(gòu)2、右鉗位機構(gòu)9、連接在左鉗位機構(gòu)2和右鉗位機構(gòu)9上端間的上支撐框架1、連接在左鉗位機構(gòu)2和右鉗位機構(gòu)9下端間的下支撐框架4 ;所述左鉗位機構(gòu)2的外圈為“回”形框架，“回”形框架中間部分有一個左菱形結(jié)構(gòu)10，并通過四個對稱的左薄臂型柔性鉸鏈11與“回”形框架連接，“回”形框架內(nèi)側(cè)壁的水平中間高度部分加工有兩個用于導向的左對稱凸形滑塊12，兩個左對稱凸形滑塊12距離左菱形結(jié)構(gòu)10的短軸側(cè)兩端留有指定寬度的間隙，左鉗位壓電堆3安裝在左菱形結(jié)構(gòu)10的空腔內(nèi)，左鉗位壓電堆3采用過盈配合方式與左鉗位機構(gòu)2中的左菱形結(jié)構(gòu)10連接，以給左鉗位壓電堆3提供預緊力；所述右鉗位機構(gòu)9的外圈為“回”形框架，“回”形框架中間部分有一個右菱形結(jié)構(gòu)14，并分別通過四個對稱的右薄臂型柔性鉸鏈15與“回”形框架連接，“回”形框架內(nèi)側(cè)壁的水平中間高度部分加工有兩個對稱的用于導向的右對稱凸形滑塊16，兩個右對稱凸形滑塊16距離右菱形結(jié)構(gòu)14的短軸側(cè)兩端留有指定寬度的間隙，右鉗位壓電堆7安裝在在右菱形結(jié)構(gòu)14的空腔內(nèi)，所述右鉗位壓電堆7采用過盈配合方式與右鉗位機構(gòu)9中的右菱形結(jié)構(gòu)14連接，以給右鉗位壓電堆7提供預緊力；驅(qū)動機構(gòu)5設(shè)置在左鉗位機構(gòu)2和右鉗位機構(gòu)9間，所述驅(qū)動機構(gòu)5中間為菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)，采用過盈配合在其內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動壓電堆6以給驅(qū)動壓電堆6提供預緊力，所述菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)的左右兩端為相同的左“回”形結(jié)構(gòu)和右“回”形結(jié)構(gòu)；所述左“回”形結(jié)構(gòu)和右“回”形結(jié)構(gòu)的兩外側(cè)壁均開有凹形導向槽18，左“回”形結(jié)構(gòu)采用過盈配合方式穿過左鉗位機構(gòu)2中兩個左對稱凸形滑塊12距離左菱形結(jié)構(gòu)10的短軸側(cè)兩端留有的間隙，同時使左鉗位機構(gòu)2中兩個左對稱凸形滑塊12與左“回”形結(jié)構(gòu)兩外側(cè)壁的凹形導向槽18配合；所述右“回”形結(jié)構(gòu)采用過盈配合方式穿過右鉗位機構(gòu)9中兩個右對稱凸形滑塊16距離右菱形結(jié)構(gòu)14的短軸側(cè)兩端留有的間隙，同時使右鉗位機構(gòu)9中兩個右對稱凸形滑塊16與左“回”形結(jié)構(gòu)兩側(cè)壁的凹形導向槽18配合，所述右“回”形結(jié)構(gòu)右側(cè)連接有輸出桿8。
[0007]所述驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其剛度能通過作動器的幾何參數(shù)設(shè)計來調(diào)整，以保證足夠的回彈拉力。
[0008]所述驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)四個側(cè)壁上分別貼有第一電阻式應變計A、第二電阻式應變計B、第三電阻式應變計C和第四電阻式應變計D，構(gòu)成惠斯通全橋用以測量菱形傳感結(jié)構(gòu)的應變，通過所測應變值換算得到作動器驅(qū)動負載時的輸出位移值。
[0009]所述驅(qū)動機構(gòu)5中左“回”形結(jié)構(gòu)和右“回”形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁表面采用電化學腐蝕工藝加工有一段等間隔ΔΧ的微凹槽19 ;所述左鉗位機構(gòu)2中左菱形結(jié)構(gòu)10短軸側(cè)兩端面采用電化學腐蝕工藝加工有一段等間隔Λ X的左微凸條13 ;所述右鉗位機構(gòu)9中右菱形結(jié)構(gòu)14短軸側(cè)兩端面采用電化學腐蝕工藝加工有一段等間隔Λ X的右微凸條17 ;由于采用過盈配合方式，所述左微凸條13和右微凸條17分別與微凹槽19相互咬合。
[0010]上述所述具有位移測量功能和大推拉力的步進式壓電作動器驅(qū)動負載時輸出大推拉力及位移測量的方法，驅(qū)動負載時輸出大推拉力的方法:所述右鉗位機構(gòu)9中設(shè)計有四個對稱的右薄臂型柔性鉸鏈15，當右鉗位壓電堆7加電伸長時，各右薄臂型柔性鉸鏈15產(chǎn)生彈性變形，同時右鉗位機構(gòu)9中右菱形結(jié)構(gòu)14的兩短軸側(cè)端面沿短軸且向靠近右鉗位壓電堆7的方向移動，使得右鉗位機構(gòu)9中兩個右對稱凸形滑塊16距離右菱形結(jié)構(gòu)14的短軸側(cè)兩端的間隙擴大，此時相互咬合的右微凸條17和微凹槽19松開，處于解鎖狀態(tài)；當右鉗位壓電堆7掉電回縮時，右鉗位機構(gòu)9中兩個右對稱凸形滑塊16距離右菱形結(jié)構(gòu)14的短軸側(cè)兩端面的間隙縮小恢復到初始狀態(tài)，此時由于過盈配合，右微凸條17和微凹槽19相互咬合，處于鉗位狀態(tài)；驅(qū)動壓電堆6加電伸長Δ X位移時，推動驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)進而推動輸出桿8驅(qū)動負載，此時由于驅(qū)動機構(gòu)5中左“回”形結(jié)構(gòu)上的微凹槽19與左鉗位機構(gòu)2中左菱形結(jié)構(gòu)10端面上的右微凸條17相互咬合，作動器能輸出很大推力，同時菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形；當驅(qū)動壓電堆6掉電回縮Ax位移時，菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)回彈拉動驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)，進而拉動輸出桿8驅(qū)動負載，此時由于驅(qū)動機構(gòu)5中左“回”形結(jié)構(gòu)上的微凹槽19與左鉗位機構(gòu)2中左菱形結(jié)構(gòu)10端面上的左微凸條13相互咬合，作動器能輸出很大拉力；所述左鉗位機構(gòu)2的驅(qū)動方法同右鉗位機構(gòu)9 ;輸出位移測量方法為:所述驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)側(cè)壁貼有電阻式應變計，當所述右鉗位機構(gòu)9處于解鎖狀態(tài)，左鉗位機構(gòu)2處于鉗位狀態(tài)且驅(qū)動壓電堆6正由通電伸長轉(zhuǎn)為掉電回縮狀態(tài)，即作動器處于拉動負載狀態(tài)時，驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)彈性變形恢復，拉動輸出桿8以驅(qū)動負載；彈性變形及其恢復過程所引起的應變量被貼在側(cè)壁的電阻式應變計測量得到；由材料力學知識可得到位移與應變有線性關(guān)系:ΛΧ = C.ε，其中ΛΧ* ε分別表示位移和應變，C為靈敏度，因此作動器單步步進位移能夠通過以上數(shù)學關(guān)系換算得到；當所述左鉗位機構(gòu)2處于鉗位狀態(tài)，右鉗位機構(gòu)9處于解鎖狀態(tài)且驅(qū)動壓電堆6正由掉電回縮轉(zhuǎn)為通電伸長狀態(tài)，即作動器處于推動負載狀態(tài)時，其位移測量方法同拉動負載狀態(tài)。
[0011]上述所述的驅(qū)動負載時輸出大推拉力及位移測量的方法，具體為:初始狀態(tài)為右鉗位壓電堆7、左鉗位壓電堆3及驅(qū)動壓電堆6均處于掉電狀態(tài)，此時驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)連同輸出桿8處于鉗位狀態(tài)；當驅(qū)動壓電堆6通電伸長或掉電回縮時，為獲得精確的伸長量△ X，需將菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)上應變值反饋給控制器，控制器采用閉環(huán)控制的方式保證伸長量Ax的精度；為使作動器能向左拉動大負載同時還能測量向左的位移值，第一步，左鉗位壓電堆3通電伸長使得左鉗位機構(gòu)2解鎖，此時原相互咬合的左微凸條13和微凹槽19松開，同時驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)上應力被釋放，應變值歸零；第二步，控制器采用閉環(huán)方式控制驅(qū)動壓電堆6通電伸長Δχ，推動驅(qū)動機構(gòu)5中左“回”形結(jié)構(gòu)向左運動Δχ，此時驅(qū)動機構(gòu)5中菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)的應變值從零達到一個穩(wěn)定值a ;第三步，左鉗位壓電堆3掉電回縮使得左鉗位機構(gòu)2鉗位，由于前步所述左“回”形結(jié)構(gòu)向左運動了 ΛΧ而左微凸條13和微凹槽19也是等間隔Λ X，因此所述左微凸條13和微凹槽19再次相互咬合；第四步，右鉗位壓電堆7通電伸長使得右鉗位機構(gòu)9解鎖，此時原相互咬合的右微凸條17和微凹槽19松開；第五步，控制器以閉環(huán)控制方式控制驅(qū)