含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器及方法技术

含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器及作动方法，该作动器由外壳、端盖楔环一体化部件、楔壳弹性元件一体化部件、压电环、菱形驱动机构、驱动压电堆、输出杆及磁栅尺组成；作动器外壳内对称设有左、右钳位机构，左钳位机构中有与外壳用螺栓连接的端盖楔环一体化部件，外壳内部的凸台一侧粘结有楔壳弹性元件一体化部件，另外在端盖和楔壳之间有两端受压的压电环；右钳位机构结构同左钳位机构，但在其端盖内装贴有读磁组件；驱动机构设置于左、右钳位机构间，驱动机构左、右两端分别连接有输出杆，右输出杆表面内嵌有磁条以与右钳位机构内的读磁组件构成磁栅尺；本发明专利技术具有实时测量输出位移的功能，易于读数，空间利用充分合理，结构紧凑。

【技术实现步骤摘要】
含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器及方法
本专利技术属于步进式压电作动器
，具体涉及一种含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器及作动方法。
技术介绍
压电驱动的工作原理是基于压电具有的逆压电效应,其具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、无噪声、无电磁干扰、低电压驱动及易于微型化的优点。压电作动器在航空航天技术、光学、自适应智能结构、主动振动抑制、超精密微细加工等诸多关键科技领域具有广泛的应用背景。其中步进式作动器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通过对压电叠堆微小步距位移的积累，可实现小步距、理论行程无限大、高分辨率的精密双向步进运动。以往步进式作动器虽能完成位移的输出，但是无法准确实时测量输出位移的大小。另外，以往的步进式压电作动器多采用通电钳位的方式，而在要求系统在断电情况下仍能保持输出位移应用场合中，以往的作动器无法完成此类任务。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器及作动方法，在高频驱动条件下，只有一个压电元件随输出位移一同移动，其它两个压电元件保持不动并提供断电钳位和通电解锁的功能；此作动器具有实时测量输出位移的功能，易于读数，且空间利用充分，结构小巧，能够断电锁止并实现双向大位移作动。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器，包括外壳2、分别固定在外壳2内部左端和右端的左钳位机构14和右钳位机构15；所述左钳位机构14由左端盖楔环一体化部件3、左楔壳弹性元件一体化部件5和左压电环4组成，其中左端盖楔环一体化部件3由左端盖3-1和从小端面处沿对称轴分开一定距离的左楔环3-2组成，两者通过圆柱环连接形成一体，左楔壳弹性元件一体化部件5由左楔壳5-1和左鼓形弹性元件5-2组成，两者光滑连接形成一体；所述左楔壳5-1包覆在左楔环3-2外周；左端盖楔环一体化部件3中的左端盖3-1与外壳2用多个沿周向均匀分布的螺栓连接，外壳2内部的凸台左侧与左楔壳弹性元件一体化部件5中的左鼓形弹性元件5-2粘结，当结构装配好后，一侧装贴在左端盖3-1的左压电环4恰好在左端盖3-1和左楔壳5-1之间受压，左楔环3-2受左楔壳5-1挤压，使得其内径抱紧左输出杆1；所述右钳位机构15的结构同左钳位机构14，所述右钳位机构15由右端盖楔环一体化部件10、右楔壳弹性元件一体化部件8和右压电环9组成，其中右端盖楔环一体化部件10由右端盖10-1和从小端面处沿对称轴分开一定距离的右楔环10-2组成，两者通过圆柱环连接形成一体，右楔壳弹性元件一体化部件8由右楔壳8-1和右鼓形弹性元件8-2组成，两者光滑连接形成一体；所述右楔壳8-1包覆在右楔环10-2外周；右端盖楔环一体化部件10中的右端盖10-1与外壳2用多个沿周向均匀分布的螺栓连接，右端盖10-1内侧装贴有读磁组件11，读磁组件11头部能够伸入右端盖楔环一体化部件10圆柱环上的凹槽中从而与右输出杆13上嵌入的磁条12保持接触，来实现实时位移的测量功能，外壳2内部的凸台右侧与右楔壳弹性元件一体化部件8中的右鼓形弹性元件8-2粘结，当结构装配好后，一侧装贴在右端盖10-1的右压电环9恰好在右端盖10-1和右楔壳8-1之间受压，右楔环10-2受右楔壳8-1挤压，使得其内径抱紧右输出杆13；该作动器还包括设置在外壳2内的菱形驱动机构6，所述菱形驱动机构6内采用过盈配合设置有驱动压电堆7，以给驱动压电堆7提供预紧力，菱形驱动机构6的左右两端分别连接有左输出杆1和右输出杆13，所述左输出杆1和右输出杆13分别穿过左钳位机构14和右钳位机构15的内部。所述左、右两端的左楔环3-2和右楔环10-2在装配后分别受左楔壳5-1和右楔壳8-1的挤压，两者内径能够分别将左输出杆1和右输出杆13抱紧，在断电情况下达到可靠的钳位。所述磁条12和读磁组件11构成磁栅尺，其中磁条12嵌入右输出杆13表面，读磁组件11由磁头阵列组成，其紧密装贴在右端盖10-1内侧，并且磁头与磁条12始终保持接触。所述磁条12的输出端与微型PC机连接，作动器的位移转化为磁条12的位移，磁条12的位移转化为模拟量输出至微型PC机，这样能够实时测得作动器输出的位移。所述菱形驱动机构6的刚度能够通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。所述菱形驱动机构6尺寸设计合理时，其在作动过程中能够分别穿过左鼓形弹性元件5-2和右鼓形弹性元件8-2，有效缩减作动器的轴向尺寸，使作动器结构紧凑。含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器驱动负载的方法，所述左钳位机构14在结构装配好后，左楔环3-2受左楔壳5-1挤压，使得其内径抱紧左输出杆1，一侧装贴在左端盖3-1的左压电环4恰好在左端盖3-1和左楔壳5-1之间受压，左输出杆1处于断电锁止的钳位状态；当左压电环4加电伸长时，左压电环4施加给左楔壳5-1的推力传递到左弹性元件5-2，左弹性元件5-2受挤压并带动左楔壳5-1脱离左楔环3-2，导致左楔环3-2脱离左输出杆1，此时处于解锁状态；驱动压电堆7加电伸长时，推动左输出杆1或右输出杆13驱动负载，此时输出推力，同时菱形驱动机构6产生弹性变形；当驱动压电堆7掉电回缩时，菱形机构6回弹拉动左输出杆1或右输出杆13以驱动负载，此时输出拉力；所述右钳位机构15的驱动方法同左钳位机构14。上述所述的驱动负载的方法，具体为：初始状态为左压电环4、右压电环9及驱动压电堆7均处于掉电状态，此时处于钳位状态；为使右输出杆13输出向左的拉力，第一步，左压电环4通电伸长使得左钳位机构14解锁；第二步，驱动压电堆7通电伸长，菱形驱动机构6产生弹性变形；第三步，左压电环4掉电回缩使得左钳位机构14钳位；第四步，右压电环9通电伸长使得右钳位机构15解锁；第五步，驱动压电堆7掉电回缩，菱形驱动机构6弹性变形恢复，其恢复力拉动右输出杆13向左运动一步长，同时磁栅尺输出位移；第六步，右压电环9掉电回缩使得右钳位机构15钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，右输出杆13以步进方式向左运动驱动负载；为使右输出杆13向右运动输出推力，第一步，右压电环9通电伸长使得右钳位机构15解锁；第二步，驱动压电堆7通电伸长向右推动右输出杆13驱动负载向右运动一步长，磁栅尺输出位移，同时菱形驱动机构6产生弹性变形；第三步，右压电环9掉电回缩使得右钳位机构15钳位；第四步，左压电环4通电伸长使得左钳位机构14解锁；第五步，驱动压电堆7掉电回缩，菱形驱动机构6弹性变形恢复，其恢复力使左输出杆1向右跟进一步长；第六步，左压电环4掉电回缩使得左钳位机构14钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，右输出杆13以步进方式向右运动驱动负载。和现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1)本专利技术作动器输出位移可以被磁栅尺实时测量，精度较高，无需人员的高难度操作；自动化程度高，能够准确获得位置信息，符合经济原则，成本低，物美价廉。2)本专利技术在输出位移时，仅有一个驱动压电堆7随输出位移一同移动，在步进过程中不必带动左钳位机构14和右钳位机构15一同移动，因此能以更高的步进频率驱动作动器以提高输出速率。3)本专利技术具有断电钳位功能。左钳位机构14、右钳位机构15在左压电环4、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器，其特征在于：包括外壳(2)、分别固定在外壳(2)内部左端和右端的左钳位机构(14)和右钳位机构(15)；所述左钳位机构(14)由左端盖楔环一体化部件(3)、左楔壳弹性元件一体化部件(5)和左压电环(4)组成，其中左端盖楔环一体化部件(3)由左端盖(3‑1)和从小端面处沿对称轴分开一定距离的左楔环(3‑2)组成，两者通过圆柱环连接形成一体，左楔壳弹性元件一体化部件(5)由左楔壳(5‑1)和左鼓形弹性元件(5‑2)组成，两者光滑连接形成一体；所述左楔壳(5‑1)包覆在左楔环(3‑2)外周；左端盖楔环一体化部件(3)中的左端盖(3‑1)与外壳(2)用多个沿周向均匀分布的螺栓连接，外壳(2)内部的凸台左侧与左楔壳弹性元件一体化部件(5)中的左鼓形弹性元件(5‑2)粘结，当结构装配好后，左楔环(3‑2)受左楔壳(5‑1)挤压，使得其内径抱紧左输出杆(1)，此时一侧装贴在左端盖(3‑1)上、另一侧装贴在左楔壳(5‑1)上的左压电环(4)恰好在左端盖(3‑1)和左楔壳(5‑1)之间受压；所述右钳位机构(15)的结构同左钳位机构(14)，所述右钳位机构(15)由右端盖楔环一体化部件(10)、右楔壳弹性元件一体化部件(8)和右压电环(9)组成，其中右端盖楔环一体化部件(10)由右端盖(10‑1)和从小端面处沿对称轴分开一定距离的右楔环(10‑2)组成，两者通过圆柱环连接形成一体，右楔壳弹性元件一体化部件(8)由右楔壳(8‑1)和右鼓形弹性元件(8‑2)组成，两者光滑连接形成一体；所述右楔壳(8‑1)包覆在右楔环(10‑2)外周；右端盖楔环一体化部件(10)中的右端盖(10‑1)与外壳(2)用多个沿周向均匀分布的螺栓连接，右端盖(10‑1)内侧装贴有读磁组件(11)，读磁组件(11)头部能够伸入右端盖楔环一体化部件(10)圆柱环上的凹槽中从而与右输出杆(13)上嵌入的磁条(12)接触，来实现实时位移的测量功能，外壳(2)内部的凸台右侧与右楔壳弹性元件一体化部件(8)中的右鼓形弹性元件(8‑2)粘结，当结构装配好后，右楔环(10‑2)受右楔壳(8‑1)挤压，使得其内径抱紧右输出杆(13)，此时一侧装贴在右端盖(10‑1)上、另一侧装贴在右楔壳(8‑1)上的右压电环(9)恰好在右端盖(10‑1)和右楔壳(8‑1)之间受压；该作动器还包括设置在外壳(2)内的菱形驱动机构(6)，所述菱形驱动机构(6)内采用过盈配合设置有驱动压电堆(7)，以给驱动压电堆(7)提供预紧力，菱形驱动机构(6)的左右两端分别连接有左输出杆(1)和右输出杆(13)，所述左输出杆(1)和右输出杆(13)分别穿过左钳位机构(14)和右钳位机构(15)的内部。...

【技术特征摘要】
1.一种含有磁栅尺输出位移测量功能的步进压电作动器，其特征在于：包括外壳(2)、分别固定在外壳(2)内部左端和右端的左钳位机构(14)和右钳位机构(15)；所述左钳位机构(14)由左端盖楔环一体化部件(3)、左楔壳弹性元件一体化部件(5)和左压电环(4)组成，其中左端盖楔环一体化部件(3)由左端盖(3-1)和从小端面处沿对称轴分开一定距离的左楔环(3-2)组成，两者通过圆柱环连接形成一体，左楔壳弹性元件一体化部件(5)由左楔壳(5-1)和左鼓形弹性元件(5-2)组成，两者光滑连接形成一体；所述左楔壳(5-1)包覆在左楔环(3-2)外周；左端盖楔环一体化部件(3)中的左端盖(3-1)与外壳(2)用多个沿周向均匀分布的螺栓连接，外壳(2)内部的凸台左侧与左楔壳弹性元件一体化部件(5)中的左鼓形弹性元件(5-2)粘结，当结构装配好后，左楔环(3-2)受左楔壳(5-1)挤压，使得其内径抱紧左输出杆(1)，此时一侧装贴在左端盖(3-1)上、另一侧装贴在左楔壳(5-1)上的左压电环(4)恰好在左端盖(3-1)和左楔壳(5-1)之间受压；所述右钳位机构(15)的结构同左钳位机构(14)，所述右钳位机构(15)由右端盖楔环一体化部件(10)、右楔壳弹性元件一体化部件(8)和右压电环(9)组成，其中右端盖楔环一体化部件(10)由右端盖(10-1)和从小端面处沿对称轴分开一定距离的右楔环(10-2)组成，两者通过圆柱环连接形成一体，右楔壳弹性元件一体化部件(8)由右楔壳(8-1)和右鼓形弹性元件(8-2)组成，两者光滑连接形成一体；所述右楔壳(8-1)包覆在右楔环(10-2)外周；右端盖楔环一体化部件(10)中的右端盖(10-1)与外壳(2)用多个沿周向均匀分布的螺栓连接，右端盖(10-1)内侧装贴有读磁组件(11)，读磁组件(11)头部能够伸入右端盖楔环一体化部件(10)圆柱环上的凹槽中从而与右输出杆(13)上嵌入的磁条(12)接触，来实现实时位移的测量功能，外壳(2)内部的凸台右侧与右楔壳弹性元件一体化部件(8)中的右鼓形弹性元件(8-2)粘结，当结构装配好后，右楔环(10-2)受右楔壳(8-1)挤压，使得其内径抱紧右输出杆(13)，此时一侧装贴在右端盖(10-1)上、另一侧装贴在右楔壳(8-1)上的右压电环(9)恰好在右端盖(10-1)和右楔壳(8-1)之间受压；该作动器还包括设置在外壳(2)内的菱形驱动机构(6)，所述菱形驱动机构(6)内采用过盈配合设置有驱动压电堆(7)，以给驱动压电堆(7)提供预紧力...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵妍，徐明龙，邵恕宝，马国亮，张舒文，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61