大推力壓電作動(dòng)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種大推力壓電作動(dòng)器，屬于壓電作動(dòng)器領(lǐng)域。由驅(qū)動(dòng)元件，箝位組件和輸出元件組成。驅(qū)動(dòng)元件為壓電疊堆；箝位組件由驅(qū)動(dòng)螺母，承載螺母，上柔性聯(lián)軸器、下柔性聯(lián)軸器和力矩電機(jī)組成；輸出元件為絲杠。該大推力壓電作動(dòng)器采用驅(qū)動(dòng)螺母和承載螺母在絲杠上的交替旋轉(zhuǎn)來達(dá)到累積壓電疊堆振幅實(shí)現(xiàn)大位移和大推力輸出的目的；另外，該大推力壓電作動(dòng)器采用螺旋箝位機(jī)構(gòu)，只需偏轉(zhuǎn)扭矩，不需偏轉(zhuǎn)力，可很方便的通過傳統(tǒng)的電磁電機(jī)或者超聲電機(jī)提供偏轉(zhuǎn)扭矩，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低；同時(shí)，該大推力壓電作動(dòng)器可應(yīng)用于無人戰(zhàn)機(jī)中，通過該作動(dòng)器來控制機(jī)翼的收縮，從而控制無人戰(zhàn)機(jī)的速度，將顯著提高無人戰(zhàn)機(jī)完成作戰(zhàn)任務(wù)的效率。
【專利說明】大推力壓電作動(dòng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本實(shí)用新型涉及大推力壓電作動(dòng)器，其屬于壓電作動(dòng)器領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
:
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天、無人變形機(jī)、精密光學(xué)工程、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域?qū)ψ鲃?dòng)器提出了很多新的要求。比如體積小、質(zhì)量輕、功率密度大等。傳統(tǒng)的電磁電機(jī)由于工作原理和結(jié)構(gòu)形式等方面的限制，已經(jīng)無法滿足新的要求。所以研制新型作動(dòng)器已經(jīng)成為世界各國研宄的重點(diǎn)。新型作動(dòng)器是指利用新型功能材料自身的物性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)單位精確驅(qū)動(dòng)和控制的裝置。根據(jù)物性效應(yīng)的不同，可分為:電致伸縮作動(dòng)器、磁致伸縮作動(dòng)器、形狀記憶合金作動(dòng)器、靜電作動(dòng)器、電流變作動(dòng)器、壓電作動(dòng)器等。
[0003]壓電作動(dòng)器是指利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，即壓電材料在電場的作用下產(chǎn)生變形的特性來實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)的。和普通的電磁電機(jī)相比，壓電作動(dòng)器有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，壓電作動(dòng)器不需要繞組和磁路，不依靠電磁耦合來獲得動(dòng)力，定位精度高、輸出力大，響應(yīng)速度快等。另外，由于它本身不產(chǎn)生磁場并且也不受磁場的干擾，而且，在合理的設(shè)計(jì)下，能夠耐高溫、低溫，在惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的意義。
[0004]壓電作動(dòng)器可以分為:壓電超聲電機(jī)、壓電微位移作動(dòng)器、壓電慣性作動(dòng)器和壓電尺蠖作動(dòng)器。目前壓電超聲電機(jī)發(fā)展最為成熟，已成功的運(yùn)用到光學(xué)機(jī)器、汽車、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域中。壓電超聲電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如低速大轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快，噪聲極低、斷電自鎖、不受磁場干擾，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，另外還具有耐低溫、真空等適應(yīng)太空環(huán)境的特點(diǎn)。但是壓電超聲電機(jī)由于其原理的限制導(dǎo)致其輸出力較小。壓電微位移作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)較為簡單緊湊，輸出力大，定位精度高，動(dòng)態(tài)特性好，但是其工作行程較小。而壓電慣性作動(dòng)器具有高分辨率、大行程的特點(diǎn)，但其因沒有箝位機(jī)構(gòu)導(dǎo)致輸出力和輸出剛度較小，并且定位不穩(wěn)定。
[0005]壓電尺蠖作動(dòng)器可以克服上述三種電機(jī)的缺點(diǎn)，其可以兼顧高分辨率、大行程的同時(shí)，穩(wěn)定輸出大推力、大功率密度。另外，由于其原理簡單，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的壓電作動(dòng)器。
實(shí)用新型內(nèi)容:
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種大推力壓電作動(dòng)器。
[0007]本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:一種大推力壓電作動(dòng)器，其包括壓電疊堆、驅(qū)動(dòng)螺母、下柔性聯(lián)軸器、包含有轉(zhuǎn)子的力矩電機(jī)、上柔性聯(lián)軸器、承載螺母、絲杠及外殼，所述驅(qū)動(dòng)螺母和下柔性聯(lián)軸器下端連接在一起，所述下柔性聯(lián)軸器上端和上柔性聯(lián)軸器下端分別與力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接在一起，上柔性聯(lián)軸器上端和承載螺母連接在一起，所述驅(qū)動(dòng)螺母、下柔性聯(lián)軸器、力矩電機(jī)、上柔性聯(lián)軸器及承載螺母共同組成箝位機(jī)構(gòu)；所述壓電疊堆、為驅(qū)動(dòng)元件，其上端面與驅(qū)動(dòng)螺母頂在一起；所述絲杠作為輸出元件從箝位機(jī)構(gòu)的中間穿過，且絲杠與驅(qū)動(dòng)螺母和承載螺母的內(nèi)螺紋相配合，在所述絲杠上位于壓電疊堆中的末端安裝有用于防止絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而確保其只能軸向運(yùn)動(dòng)的滾珠花鍵。
[0008]本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0009](I)本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器采用承載螺母和驅(qū)動(dòng)螺母在絲杠上的交替旋轉(zhuǎn)來達(dá)到累積壓電疊堆振幅從而實(shí)現(xiàn)大位移和大推力輸出的目的；
[0010](2)本實(shí)用新型作動(dòng)器大推力壓電作動(dòng)器采用螺旋箝位機(jī)構(gòu)，只需偏轉(zhuǎn)扭矩，不需偏轉(zhuǎn)力，可以很方便的通過傳統(tǒng)的電磁電機(jī)或者超聲電機(jī)提供偏轉(zhuǎn)扭矩，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低；
[0011](3)本實(shí)用新型作動(dòng)器大推力壓電作動(dòng)器可應(yīng)用于無人戰(zhàn)機(jī)中，通過該大推力壓電作動(dòng)器來控制機(jī)翼的收縮，從而控制無人戰(zhàn)機(jī)的速度，將顯著提高無人戰(zhàn)機(jī)完成作戰(zhàn)任務(wù)的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0012]圖1為本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器正向運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖。
[0014]圖3為正向運(yùn)動(dòng)承載螺母及驅(qū)動(dòng)螺母隨壓電疊堆變化狀態(tài)圖(螺母運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖中，I代表螺母處于正向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，O代表處于不轉(zhuǎn)狀態(tài))。
[0015]圖4為本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器回程運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖。
[0016]圖5為回程運(yùn)動(dòng)承載螺母及驅(qū)動(dòng)螺母隨壓電疊堆變化狀態(tài)圖(螺母運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖中，-1代表螺母處于反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，O代表處于不轉(zhuǎn)狀態(tài))。
[0017]其中:
[0018]1-承載螺母；2_力矩電機(jī)；3-1_上柔性聯(lián)軸器；3-2_下柔性聯(lián)軸器；4_驅(qū)動(dòng)螺母；5-絲杠；6_壓電疊堆；7_滾珠花鍵；8-外殼；9_承載面；10_壓電疊堆處于伸長狀態(tài)；11_壓電疊堆處于收縮狀態(tài)；p-負(fù)載。

【具體實(shí)施方式】
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[0019]請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器包括壓電疊堆6、驅(qū)動(dòng)螺母4、下柔性聯(lián)軸器3-2、力矩電機(jī)2、上柔性聯(lián)軸器3-1、承載螺母1、絲杠5及外殼8。其中，驅(qū)動(dòng)螺母4和下柔性聯(lián)軸器3-2的下端連接在一起，下柔性聯(lián)軸器3-2上端和上柔性聯(lián)軸器3-1下端分別與力矩電機(jī)2的轉(zhuǎn)子連接在一起，上柔性聯(lián)軸器3-1的上端和承載螺母I連接在一起，其中驅(qū)動(dòng)螺母4、下柔性聯(lián)軸器3-2、力矩電機(jī)2、上柔性聯(lián)軸器3-1及承載螺母I共同組成箝位機(jī)構(gòu)；壓電疊堆6為驅(qū)動(dòng)元件，其上端面和驅(qū)動(dòng)螺母4頂在一起；絲杠5作為輸出元件從箝位機(jī)構(gòu)的中間穿過，且絲杠5與驅(qū)動(dòng)螺母4和承載螺母I的內(nèi)螺紋相配合。在絲杠5上位于壓電疊堆6中的末端安裝有用于防止絲杠5轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而確保其只能軸向運(yùn)動(dòng)的滾珠花鍵7。本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器通過采用驅(qū)動(dòng)螺母4和承載螺母I在絲杠5上的交替旋轉(zhuǎn)來達(dá)到累積壓電疊堆6振幅的目的，改變力矩電機(jī)2的轉(zhuǎn)向及各部件運(yùn)動(dòng)的時(shí)序可以使作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動(dòng)。
[0020]請(qǐng)參照?qǐng)D1并結(jié)合圖2和圖3所示，本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器的正向運(yùn)動(dòng)過程如下:正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在初始狀態(tài)，承載螺母I壓在承載面9上支撐負(fù)載P，壓電疊堆6頂住驅(qū)動(dòng)螺母4，之后同時(shí)施加壓電疊堆6激勵(lì)信號(hào)和力矩電機(jī)2正向啟動(dòng)信號(hào)，首先壓電疊堆6將驅(qū)動(dòng)螺母4向上頂，驅(qū)動(dòng)螺母4帶動(dòng)絲杠5向上運(yùn)動(dòng)。此過程中，絲杠5帶動(dòng)承載螺母I向上運(yùn)動(dòng)，因此承載螺母I不再承受負(fù)載P，開始在力矩電機(jī)2的帶動(dòng)下正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著承載面9方向的軸向位移。這個(gè)過程中驅(qū)動(dòng)螺母4受負(fù)載P作用，被壓緊在壓電疊堆6上端面上不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)壓電疊堆6收縮時(shí)，承載螺母I已經(jīng)在力矩電機(jī)2的帶動(dòng)下旋回承載面9，重新支撐負(fù)載P。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺母4與壓電疊堆6上端面分離，開始向下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著壓電疊堆6上端面的軸向位移。當(dāng)壓電疊堆6收縮回原始非伸長狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺母4也已旋回壓電疊堆6上端面上，大推力壓電作動(dòng)器便回到初始狀態(tài)，完成一個(gè)工作周期，大推力壓電作動(dòng)器正向運(yùn)動(dòng)了一步。如此往復(fù)，便實(shí)現(xiàn)了正向的持續(xù)動(dòng)力輸出。具體的過程如下:
[0021]在O?T/4(狀態(tài)a_狀態(tài)b)，同時(shí)施加壓電疊堆6激勵(lì)信號(hào)和力矩電機(jī)2正向啟動(dòng)信號(hào)后，壓電疊堆6開始伸長，將驅(qū)動(dòng)螺母4向上頂，驅(qū)動(dòng)螺母4帶動(dòng)絲杠5向上運(yùn)動(dòng)。此過程中，絲杠5帶動(dòng)承載螺母I向上運(yùn)動(dòng)，因此承載螺母I不再承受負(fù)載壓力，開始在力矩電機(jī)2的帶動(dòng)下正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著承載面9方向的軸向位移。因驅(qū)動(dòng)螺母4和壓電疊堆6之間的壓力很大，所產(chǎn)生的摩擦力阻止了驅(qū)動(dòng)螺母4跟隨力矩電機(jī)2旋轉(zhuǎn)；
[0022]在T/4?T/2 (狀態(tài)b-狀態(tài)c)，壓電疊堆6繼續(xù)伸長到最大伸長位置處，繼續(xù)帶動(dòng)絲杠5向上運(yùn)動(dòng)。此過程中，承載螺母I在力矩電機(jī)2的帶動(dòng)下繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，直到旋回承載面9，驅(qū)動(dòng)螺母4同樣因其和壓電疊堆6之間的摩擦力而不跟隨力矩電機(jī)2旋轉(zhuǎn)；
[0023]在T/2?3T/4 (狀態(tài)c_狀態(tài)d)，壓電疊堆6開始收縮，此時(shí)承載螺母I也已旋回到承載面9上，由于絲杠5承受的負(fù)載，使得承載螺母I壓緊在承載面9上，不再跟隨力矩電機(jī)2旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也鎖緊絲杠5使其不跟隨壓電疊堆6向下運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)螺母4因壓電疊堆6的快速收縮而與其分離，由于上柔性聯(lián)軸器3-1和下柔性聯(lián)軸器3-2的作用，驅(qū)動(dòng)螺母4在力矩電機(jī)2的帶動(dòng)下快速正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著壓電疊堆6上端面方向的軸向位移；
[0024]在3T/4?T (狀態(tài)d-狀態(tài)e)，壓電疊堆6繼續(xù)收縮，回到初始位置。此過程中，驅(qū)動(dòng)螺母4在力矩電機(jī)2的帶動(dòng)下繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，旋回到壓電疊堆6上端面上，承載螺母I仍因負(fù)載作用，壓緊在承載面9上，繼續(xù)鎖緊絲杠5使其不產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)。由此，從狀態(tài)a到狀態(tài)e，大推力壓電作動(dòng)器正向運(yùn)動(dòng)了一步。如此往復(fù)，便實(shí)現(xiàn)了正向的持續(xù)動(dòng)力輸出。
[0025]請(qǐng)參照?qǐng)D1并結(jié)合圖4和圖5所示，本實(shí)用新型大推力壓電作動(dòng)器的回程運(yùn)動(dòng)過程如下:回程運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)施加壓電疊堆6激勵(lì)信號(hào)和力矩電機(jī)2反向啟動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)螺母4跟隨力矩電機(jī)2反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上的軸向位移。而承載螺母I受負(fù)載作用，被壓緊在承載面9上不轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)螺母4由于受到下柔性聯(lián)軸器3-2作用，轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸降低，直至為O。由于驅(qū)動(dòng)螺母4的反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了沿絲杠5向上的軸向位移，使得這一階段內(nèi)壓電疊堆伸長的位移沒有傳遞到絲杠上。之后壓電疊堆6開始推動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母4向上運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)螺母4又帶動(dòng)絲杠5向上運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程中，絲杠5帶動(dòng)承載螺母I離開承載面9，承載螺母I不再承受負(fù)載，開始跟隨力矩電機(jī)2反向旋轉(zhuǎn)，直至上柔性聯(lián)軸器3-1達(dá)到最大扭矩。當(dāng)壓電疊堆6到達(dá)最長狀態(tài)后，開始收縮。絲杠5受負(fù)載作用，將帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母4、承載螺母I向下運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)螺母4在下降的過程中一直承受負(fù)載，和壓電疊堆6上端面緊壓在一起，無法轉(zhuǎn)動(dòng)，直至承載螺母I落回承載面9。當(dāng)承載螺母I落回承載面9后，整個(gè)大推力壓電作動(dòng)器便完成一個(gè)周期，由于絲杠5向上的行程小于向下的行程，絲杠5往下運(yùn)動(dòng)一步。如此往復(fù)，大推力壓電作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了回程運(yùn)動(dòng)。具體的過程如下:
[0026]在O?& (狀態(tài)a-狀態(tài)b)，在初始狀態(tài)a，壓電疊堆6處于自然狀態(tài)，承載螺母I鎖緊在承載面9上，限制絲杠5向下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)施加壓電疊堆6激勵(lì)信號(hào)和力矩電機(jī)2反向啟動(dòng)信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)螺母4跟隨力矩電機(jī)2反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上的軸向運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度后，同驅(qū)動(dòng)螺母4相連的下柔性聯(lián)軸器3-1達(dá)到最大扭矩，驅(qū)動(dòng)螺母4停止旋轉(zhuǎn)。承載螺母I由于負(fù)載的作用，壓緊在承載面9上，不隨力矩電機(jī)2旋轉(zhuǎn)。而壓電疊堆6在O?T/2時(shí)間內(nèi)伸長，在h時(shí)刻，壓電疊堆6上端面頂住驅(qū)動(dòng)螺母4下端面。此過程中，由于驅(qū)動(dòng)螺母4的反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了沿著絲桿5向上的軸向位移，使得壓電疊堆6在O?h階段內(nèi)伸長的位移沒有傳遞到絲杠5上；
[0027]在t卜T/2 (狀態(tài)b-狀態(tài)c)，在h時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)螺母4下端面和壓電疊堆6上端面壓緊在一起。此后，壓電疊堆6帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母4向上運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)螺母4又帶動(dòng)絲杠5向上運(yùn)動(dòng)。此過程中，絲杠5帶動(dòng)承載螺母I脫離承載面，承載螺母I開始在力矩電機(jī)2的帶動(dòng)下反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生遠(yuǎn)離承載面9的軸向位移；
[0028]在T/2?t2 (狀態(tài)C-狀態(tài)d)，壓電疊堆6開始收縮，在負(fù)載作用下，絲杠5隨壓電疊堆6的收縮向下運(yùn)動(dòng)，承載螺母I繼續(xù)反向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)跟隨絲杠5向下運(yùn)動(dòng)，直至和承載螺母I相連的上柔性聯(lián)軸器3-1達(dá)到最大扭矩。驅(qū)動(dòng)螺母4由于負(fù)載的作用，和壓電疊堆6壓緊在一起，不隨力矩電機(jī)2旋轉(zhuǎn)。
[0029]在t2?T(狀態(tài)d-狀態(tài)e)，承載螺母I停止旋轉(zhuǎn)后跟隨絲杠5向下運(yùn)動(dòng)，回落到承載面9上。此過程中，驅(qū)動(dòng)螺母4因負(fù)載的作用，和壓電疊堆6上端面壓緊在一起，仍不隨力矩電機(jī)2旋轉(zhuǎn)，直至承載螺母I落回到承載面9鎖緊絲杠5承受負(fù)載。由此，由于絲杠5正向的位移小于反向的位移，推力壓電作動(dòng)器反向運(yùn)動(dòng)一步。如此往復(fù)，推力壓電作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了回程運(yùn)動(dòng)。
[0030]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種大推力壓電作動(dòng)器，其特征在于:包括壓電疊堆￠)、驅(qū)動(dòng)螺母(4)、下柔性聯(lián)軸器(3-2)、包含有轉(zhuǎn)子的力矩電機(jī)(2)、上柔性聯(lián)軸器(3-1)、承載螺母(1)、絲杠(5)及外殼(8)，所述驅(qū)動(dòng)螺母(4)和下柔性聯(lián)軸器(3-2)下端連接在一起，所述下柔性聯(lián)軸器(3-2)上端和上柔性聯(lián)軸器(3-1)下端分別與力矩電機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子連接在一起，上柔性聯(lián)軸器(3-1)上端和承載螺母(I)連接在一起，所述驅(qū)動(dòng)螺母(4)、下柔性聯(lián)軸器(3-2)、力矩電機(jī)(2)、上柔性聯(lián)軸器(3-1)及承載螺母(I)共同組成箝位機(jī)構(gòu)；所述壓電疊堆(6)為驅(qū)動(dòng)元件，其上端面與驅(qū)動(dòng)螺母(4)頂在一起；所述絲杠(5)作為輸出元件從箝位機(jī)構(gòu)的中間穿過，且絲杠(5)與驅(qū)動(dòng)螺母⑷和承載螺母⑴的內(nèi)螺紋相配合，在所述絲杠(5)上位于壓電疊堆(6)中的末端安裝有用于防止絲杠(5)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而確保其只能軸向運(yùn)動(dòng)的滾珠花鍵⑵。
【文檔編號(hào)】H02N2/10GK204258661SQ201420708768
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】時(shí)運(yùn)來, 朱鵬舉, 張軍, 趙淳生, 李波 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)