動(dòng)機(jī)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(xué)腐蝕工藝加工有一段等間隔Λ X的微凹槽(19);所述左鉗位機(jī)構(gòu)(2)中左菱形結(jié)構(gòu)(10)短軸側(cè)兩端面采用電化學(xué)腐蝕工藝加工有一段等間隔Ax的左微凸條(13);所述右鉗位機(jī)構(gòu)(9)中右菱形結(jié)構(gòu)(14)短軸側(cè)兩端面采用電化學(xué)腐蝕工藝加工有一段等間隔Ax的右微凸條(17);由于采用過(guò)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。
5.權(quán)利要求4所述具有位移測(cè)量功能和大推拉力的步進(jìn)式壓電作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)輸出大推拉力及位移測(cè)量的方法，其特征在于:驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)輸出大推拉力的方法:所述右鉗位機(jī)構(gòu)(9)中設(shè)計(jì)有四個(gè)對(duì)稱(chēng)的右薄臂型柔性鉸鏈(15)，當(dāng)右鉗位壓電堆(7)加電伸長(zhǎng)時(shí)，各右薄臂型柔性鉸鏈(15)產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)右鉗位機(jī)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(dòng)，使得右鉗位機(jī)構(gòu)(9)中兩個(gè)右對(duì)稱(chēng)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(kuò)大，此時(shí)相互咬合的右微凸條(17)和微凹槽(19)松開(kāi)，處于解鎖狀態(tài)；當(dāng)右鉗位壓電堆(7)掉電回縮時(shí)，右鉗位機(jī)構(gòu)(9)中兩個(gè)右對(duì)稱(chēng)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(fù)到初始狀態(tài)，此時(shí)由于過(guò)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(dòng)壓電堆(6)加電伸長(zhǎng)Δχ位移時(shí)，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)進(jìn)而推動(dòng)輸出桿⑶驅(qū)動(dòng)負(fù)載，此時(shí)由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中左“回”形結(jié)構(gòu)上的微凹槽(19)與左鉗位機(jī)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(dòng)器能輸出很大推力，同時(shí)菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)掉電回縮Δχ位移時(shí)，菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)回彈拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)，進(jìn)而拉動(dòng)輸出桿(8)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，此時(shí)由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中左“回”形結(jié)構(gòu)上的微凹槽(19)與左鉗位機(jī)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(dòng)器能輸出很大拉力；所述左鉗位機(jī)構(gòu)(2)的驅(qū)動(dòng)方法同右鉗位機(jī)構(gòu)(9)； 輸出位移測(cè)量方法為:所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中的菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)側(cè)壁貼有電阻式應(yīng)變計(jì)，當(dāng)所述右鉗位機(jī)構(gòu)(9)處于解鎖狀態(tài)，左鉗位機(jī)構(gòu)(2)處于鉗位狀態(tài)且驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)正由通電伸長(zhǎng)轉(zhuǎn)為掉電回縮狀態(tài)，即作動(dòng)器處于拉動(dòng)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中的菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)彈性變形恢復(fù)，拉動(dòng)輸出桿(8)以驅(qū)動(dòng)負(fù)載；彈性變形及其恢復(fù)過(guò)程所引起的應(yīng)變量被貼在側(cè)壁的電阻式應(yīng)變計(jì)測(cè)量得到；由材料力學(xué)知識(shí)可得到位移與應(yīng)變有線性關(guān)系:Λχ = O ε，其中ΛΧ* ε分別表示位移和應(yīng)變，C為靈敏度，因此作動(dòng)器單步步進(jìn)位移能夠通過(guò)以上數(shù)學(xué)關(guān)系換算得到；當(dāng)所述左鉗位機(jī)構(gòu)(2)處于鉗位狀態(tài)，右鉗位機(jī)構(gòu)(9)處于解鎖狀態(tài)且驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)正由掉電回縮轉(zhuǎn)為通電伸長(zhǎng)狀態(tài)，即作動(dòng)器處于推動(dòng)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，其位移測(cè)量方法同拉動(dòng)負(fù)載狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)輸出大推拉力及位移測(cè)量的方法，其特征在于: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(dòng)壓電堆(6)均處于掉電狀態(tài)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)通電伸長(zhǎng)或掉電回縮時(shí)，為獲得精確的伸長(zhǎng)量Λχ，需將菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上應(yīng)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(zhǎng)量ΛΧ的精度；為使作動(dòng)器能向左拉動(dòng)大負(fù)載同時(shí)還能測(cè)量向左的位移值，第一步，左鉗位壓電堆(3)通電伸長(zhǎng)使得左鉗位機(jī)構(gòu)(2)解鎖，此時(shí)原相互咬合的左微凸條(13)和微凹槽(19)松開(kāi)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中的菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上應(yīng)力被釋放，應(yīng)變值歸零；第二步，控制器采用閉環(huán)方式控制驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)通電伸長(zhǎng)ΔΧ，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中左“回”形結(jié)構(gòu)向左運(yùn)動(dòng)ΔΧ，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值從零達(dá)到一個(gè)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(jī)構(gòu)(2)鉗位，由于前步所述左“回”形結(jié)構(gòu)向左運(yùn)動(dòng)了 Λ X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⑵通電伸長(zhǎng)使得右鉗位機(jī)構(gòu)(9)解鎖，此時(shí)原相互咬合的右微凸條(17)和微凹槽(19)松開(kāi)；第五步，控制器以閉環(huán)控制方式控制驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)掉電回縮Λχ，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中的菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中右“回”形結(jié)構(gòu)進(jìn)而拉動(dòng)輸出桿(8)向左運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載并一同移動(dòng)Δχ，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值從穩(wěn)定值a到一個(gè)穩(wěn)定值b ;第六步，右鉗位壓電堆(7)掉電回縮使得右鉗位機(jī)構(gòu)(9)鉗位，此時(shí)由于前步所述右“回”形結(jié)構(gòu)向左運(yùn)動(dòng)了 ΛΧ而右微凸條(17)和微凹槽(19)也是等間隔Δχ，因此所述右微凸條(17)和微凹槽(19)再次相互咬合，且菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變被保持在穩(wěn)定值b;重復(fù)步驟一到六，輸出桿(8)以步進(jìn)方式向左運(yùn)動(dòng)，由于鉗位過(guò)程中所述左微凸條(13)、右微凸條(17)均與微凹槽(19)相互咬合，因此作動(dòng)器能以大拉力驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而重復(fù)步驟一到六的過(guò)程所測(cè)應(yīng)變值會(huì)經(jīng)歷“零-穩(wěn)定值a-穩(wěn)定值b-零”的循環(huán)，這樣每次循環(huán)均能被識(shí)別記錄并計(jì)數(shù)，于是作動(dòng)器在η次向左步進(jìn)后其位移值為d = η.Δ X ;為使作動(dòng)器在輸出桿(8)能向右拉動(dòng)大負(fù)載同時(shí)能測(cè)量向右的位移值，第一步，右鉗位壓電堆⑵通電伸長(zhǎng)使得右鉗位機(jī)構(gòu)(9)解鎖，此時(shí)原相互咬合的右微凸條(17)和微凹槽(19)松開(kāi)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中的菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上應(yīng)力被釋放，應(yīng)變值歸零；第二步，控制器采用閉環(huán)方式控制驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)通電伸長(zhǎng)Λχ，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中右“回”形結(jié)構(gòu)進(jìn)而推動(dòng)輸出桿(8)驅(qū)動(dòng)負(fù)載向右運(yùn)動(dòng)Δχ，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值從零達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值a;第三步，右鉗位壓電堆(7)掉電回縮使得右鉗位機(jī)構(gòu)(9)鉗位，由于前步所述右“回”形結(jié)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)了 Δχ而右微凸條(17)和微凹槽(19)也是等間隔ΛΧ，因此所述右微凸條(17)和微凹槽(19)再次相互咬合；第四步，左鉗位壓電堆(3)通電伸長(zhǎng)使得左鉗位機(jī)構(gòu)(2)解鎖，此時(shí)原相互咬合的左微凸條(13)和微凹槽(19)松開(kāi)；第五步，控制器以閉環(huán)控制方式控制驅(qū)動(dòng)壓電堆(6)掉電回縮Δχ，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中的菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中左“回”形結(jié)構(gòu)向右移動(dòng)Δχ，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)中菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值從穩(wěn)定值a到一個(gè)穩(wěn)定值b ;第六步，左鉗位壓電堆(3)掉電回縮使得左鉗位機(jī)構(gòu)⑵鉗位，此時(shí)由于前步所述左“回”形結(jié)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)了而右微凸條(17)和微凹槽(19)也是等間隔Λ X，因此所述右微凸條(17)和微凹槽(19)再次相互咬合，且菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變被保持在穩(wěn)定值b;重復(fù)步驟一到六，輸出桿(8)以步進(jìn)方式向右運(yùn)動(dòng)，由于鉗位過(guò)程中所述左微凸條(13)、右微凸條(17)均與微凹槽(19)相互咬合，因此作動(dòng)器能以大推力驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而重復(fù)步驟一到六的過(guò)程所測(cè)應(yīng)變值會(huì)經(jīng)歷“零-穩(wěn)定值a-穩(wěn)定值b-零”的循環(huán)，因此每次循環(huán)均能被計(jì)數(shù)并記錄，于是作動(dòng)器在η次向右步進(jìn)后其位移值為d = η.Δ X0
【專(zhuān)利摘要】具有位移測(cè)量功能和大推拉力的步進(jìn)式壓電作動(dòng)器及方法，該作動(dòng)器包括兩個(gè)支撐框架，分別固定在其兩端的左、右鉗位機(jī)構(gòu)；右鉗位機(jī)構(gòu)外圈的“回”形框架中間有左菱形結(jié)構(gòu)，通過(guò)四個(gè)對(duì)稱(chēng)的薄壁型柔性鉸鏈同右鉗位機(jī)構(gòu)相連，空腔內(nèi)設(shè)有右鉗位壓電堆；左鉗位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)同右鉗位機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在左、右鉗位機(jī)構(gòu)間，其菱形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)過(guò)盈配合設(shè)有驅(qū)動(dòng)壓電堆，其菱形傳感結(jié)構(gòu)側(cè)壁貼有4片電阻式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成惠斯通全橋，其左、右“回”形框架過(guò)盈配合穿過(guò)左、右鉗位機(jī)構(gòu)中兩對(duì)稱(chēng)凸形滑塊相對(duì)部分的空隙，其右端連接有輸出桿；本發(fā)明還提供了驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)輸出大推拉力及位移測(cè)量的方法；具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度較高，裝配簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】H02N2-04, G01B7-02, H02N2-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104734559
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510116738
【發(fā)明人】邵恕寶, 徐明龍, 張舒文, 武彤暉, 宋思揚(yáng)
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月17日