采用微齿驱动的大行程压电直线作动器及作动方法技术

采用微齿驱动的大行程压电直线作动及作动方法，该作动器主要包括带有微齿结构的作动轨道，以及可以分别与作动轨道啮合，安装后相互存在相位差的三组驱动齿，控制驱动齿上下运动的压电陶瓷及其位移放大结构，以及约束作动轨道与驱动齿相互啮合的弹性预紧装置组成；该作动器通过带有相位差的驱动齿与作动轨道轮流啮合驱动作动轨道完成双向直线位移的输出，每次的啮合都可以将作动轨道推动1/3的齿间距行程；该作动器使用微齿结构实现大行程的位移输出，具有输出行程大，钳位可靠，控制简单，易于闭环控制的特点。

【技术实现步骤摘要】
采用微齿驱动的大行程压电直线作动器及作动方法
本专利技术涉及一种压电作动装置，具体为一种采用微齿驱动，能够能够实现大行程直线位移的作动器及其作动方法。
技术介绍
近年来压电驱动装置不断发展，支持了国防、航天，机械制造等重要工业的发展建设，也衍生出了品种繁多的压电作动装置，然而受制于压电材料作动行程小的缺点，压电陶瓷作动器难以实现大行程的输出，需要借助于不同的工作原理实现大行程的位移输出。
技术实现思路
为了满足上述需求，本专利技术的目的在于提供一种采用微尺结构驱动的大行程压电直线作动器，作动器借助于三组微齿结构，利用两组压电陶瓷实现了双向直线作动输出。这种作动方式，具有控制方法简明，单步位移准确，无需外部闭环控制的优势。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种采用微齿驱动的大行程压电直线作动器，包括底座1，与底座1通过柔性铰链连接的第一右侧杠杆梁2-1和第二右侧杠杆梁2-2，安装在第一右侧杠杆梁2-1与底座1之间的第一右侧驱动压电陶瓷3-1、安装在第二右侧杠杆梁2-2与底座1之间的第二右侧驱动压电陶瓷3-2；与第一右侧杠杆梁2-1和第二右侧杠杆梁2-2通过柔性铰链链接，能够进行上下运动的右侧驱动齿4；与底座1通过柔性铰链连接的第一左侧杠杆梁5-1和第二左侧杠杆梁5-2，安装在第一左侧杠杆梁5-1与底座1之间的第一左侧驱动压电陶瓷6-1、安装在第二左侧杠杆梁5-2与底座1之间的第二左侧驱动压电陶瓷6-2；与第一左侧杠杆梁5-1和第二左侧杠杆梁5-2通过柔性铰链链接，能够进行上下运动的左侧驱动齿7；固定在底座1上位于右侧驱动齿4和左侧驱动齿7间的中间驱动齿8，安装在中间驱动齿8上带有微齿结构的作动轨道9，布置在作动轨道9上方，提供弹性约束，使作动轨道9与中间驱动齿8、或是右侧驱动齿4、左侧驱动齿7啮合的弹性预紧装置10。所述右侧驱动齿4、左侧驱动齿7、中间驱动齿8以及作动轨道9上的微齿结构齿间距均为d，且能够互相啮合；初始安装后，中间驱动齿8和作动轨道9啮合，右侧驱动齿4以及左侧驱动齿7的位置低于中间驱动齿8，且右侧驱动齿4的齿尖相对于作动轨道9的齿根向右偏移1/3d，左侧驱动齿7的齿尖相对于作动轨道9的齿根向左偏移1/3d；通过齿间距为d微齿之间的啮合能够完成正反双向的大行程高精度步进输出。所述右侧驱动齿4能够在第一右侧驱动压电陶瓷3-1和第二右侧驱动压电陶瓷3-2的驱动下，第一右侧杠杆梁2-1和第二右侧杠杆梁2-2的位移放大下，各柔性铰链的约束下实现上下运动；所述左侧驱动齿7能够在第一左侧驱动压电陶瓷6-1和第二左侧驱动压电陶瓷6-2的驱动下，第一左侧杠杆梁5-1和第二左侧杠杆梁5-2的位移放大下，各柔性铰链的约束下实现上下运动。所述的采用微齿驱动的大行程压电直线作动器的作动方法，该作动器通过第一右侧驱动压电陶瓷3-1和第二右侧驱动压电陶瓷3-2，第一左侧驱动压电陶瓷6-1和第二左侧驱动压电陶瓷6-2按照一定时序工作驱动作动轨道9完成向左、向右的双向大行程直线运动，作动开始前，作动轨道9与固定的中间驱动齿8啮合，处于位置锁止状态，所有驱动压电陶瓷都处于断电状态；能够驱动作动轨道9实现双向大行程直线位移，当作动轨道9向右运动时，具体驱动过程如下：第一步，第一右侧驱动压电陶瓷3-1和第二右侧压电陶瓷3-2通电伸长，陶瓷的输出位移经过第一右侧杠杆梁2-1和第二右侧杠杆梁2-2放大后推动右侧驱动齿4位置升高，右侧驱动齿4顶起了受到弹性预紧装置10弹性约束的作动轨道9，且与作动轨道9的微齿逐渐完全啮合，此过程中，作动轨道9升高，与中间驱动齿8脱离啮合，且在与右侧驱动齿4的啮合过程中向右行进了1/3d；第二步，第一左侧驱动压电陶瓷6-1、第二左侧驱动压电陶瓷6-2通电伸长，位移经过第一左侧杠杆梁5-1和第二左侧杠杆梁5-2放大后推动左侧驱动齿7位置升高，同时第一右侧驱动压电陶瓷3-1和第二右侧压电陶瓷3-2逐渐断电，右侧驱动齿4高度降低，与作动轨道9逐渐脱离啮合，左侧驱动齿7顶起了受到弹性预紧装置10弹性约束的作动轨道9，且与作动轨道9的微齿逐渐完全啮合，此过程中，作动轨道9在与左侧驱动齿7的啮合过程中向右行进了1/3d；第三步，第一左侧驱动压电陶瓷6-1和第二左侧驱动压电陶瓷6-2逐渐断电，左侧驱动齿7高度降低，与作动轨道9逐渐脱离啮合，作动轨道9在预紧装置10的作用下回落，与中间驱动齿8逐渐啮合，且在啮合过程中作动轨道9向右行进1/3d；至此，作动轨道9经过与右侧驱动齿4、左侧驱动齿7和中间驱动齿8的三次啮合过程，总共向右侧行进了d的距离，且啮合过程与作动开始前完全一致，重复上述过程，即能够实现作动轨道9的向右连续运动；当作动轨道9向左运动时，具体驱动过程如下：第一步，第一左侧驱动压电陶瓷6-1、第二左侧压电陶瓷6-2通电伸长，陶瓷的输出位移经过第一左侧杠杆梁5-1和第二左侧杠杆梁5-2放大后推动左侧驱动齿7位置升高，左侧驱动齿7顶起了受到弹性预紧装置10弹性约束的作动轨道9，且与作动轨道9的微齿逐渐完全啮合，此过程中，作动轨道9升高，与中间驱动微齿8脱离啮合，且在与左侧驱动齿7的啮合过程中向左行进了1/3d；第二步，第一右侧驱动压电陶瓷3-1和第二右侧压电陶瓷3-2通电伸长，陶瓷的输出位移经过第一右侧杠杆梁2-1和第二右侧杠杆梁2-2放大后推动右侧驱动齿4位置升高，同时第一左侧驱动压电陶瓷6-1、第二左侧驱动压电陶瓷6-2逐渐断电，左侧驱动齿7高度降低，与作动轨道9逐渐脱离啮合，右侧驱动齿4顶起了受到弹性预紧装置10弹性约束的作动轨道9，且与作动轨道9的微齿逐渐完全啮合，此过程中，作动轨道9在与右侧驱动齿4的啮合过程中向左行进了1/3d；第三步，第一右侧驱动压电陶瓷3-1和第二右侧压电陶瓷3-2逐渐断电，右侧驱动齿4高度降低，与作动轨道9逐渐脱离啮合，作动轨道9在弹性预紧装置10的作用下回落，与中间驱动齿8逐渐啮合，且在啮合过程中作动轨道9向左行进1/3d；至此，作动轨道9经过与左侧驱动齿7、右侧驱动齿4和中间驱动齿8的三次啮合过程，总共向左侧行进了d的距离，且啮合过程与作动开始前完全一致，重复上述过程，即能够实现作动轨道9的向左连续运动。所述作动轨道9与右侧驱动齿4、左侧驱动齿7和中间驱动齿8的每一次啮合都能够实现行程为1/3d的位移，依据该规则能够通过对驱动波形的统计直接得到作动轨道9的行程，易于控制无需外部位移反馈，若在作动中若作动轨道9与三组驱动齿共产生了n次啮合，则位移总行程D为：D＝nd/3。与现有技术相比，本专利技术具有下述优点：1、本专利技术提出来一种全新的作动原理，使用两组压电陶瓷即可实现双向的大行程直线运动，控制波形简单。2、断电时作动器输出平台将钳位在轨道上，具有断电钳位能力。3、通过微齿作动的方式，有助于保证每步的位移都为1/3d，位移输出精准可靠。4、可以通过对驱动波形的统计直接得到作动行程，无需闭环的测量控制。附图说明图1为本专利技术作动器结构示意图。图2为作动器侧视图。图3为作动器向左作动的流程示意。图4为作动器的向右作动的流程示意。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供了一种采用微尺结构驱动的大行程压电直线作动器，作动器借助于三组微齿结构，利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用微齿驱动的大行程压电直线作动器，其特征在于：包括底座(1)，与底座(1)通过柔性铰链连接的第一右侧杠杆梁(2‑1)和第二右侧杠杆梁(2‑2)，安装在第一右侧杠杆梁(2‑1)与底座(1)之间的第一右侧驱动压电陶瓷(3‑1)、安装在第二右侧杠杆梁(2‑2)与底座(1)之间的第二右侧驱动压电陶瓷(3‑2)；与第一右侧杠杆梁(2‑1)和第二右侧杠杆梁(2‑2)通过柔性铰链链接，能够进行上下运动的右侧驱动齿(4)；与底座(1)通过柔性铰链连接的第一左侧杠杆梁(5‑1)和第二左侧杠杆梁(5‑2)，安装在第一左侧杠杆梁(5‑1)与底座(1)之间的第一左侧驱动压电陶瓷(6‑1)、安装在第二左侧杠杆梁(5‑2)与底座(1)之间的第二左侧驱动压电陶瓷(6‑2)；与第一左侧杠杆梁(5‑1)和第二左侧杠杆梁(5‑2)通过柔性铰链链接，能够进行上下运动的左侧驱动齿(7)；固定在底座(1)上位于右侧驱动齿(4)和左侧驱动齿(7)间的中间驱动齿(8)，安装在中间驱动齿(8)上带有微齿结构的作动轨道(9)，布置在作动轨道(9)上方，提供弹性约束，使作动轨道(9)与中间驱动齿(8)、或是右侧驱动齿(4)、左侧驱动齿(7)啮合的弹性预紧装置(10)。...

【技术特征摘要】
1.一种采用微齿驱动的大行程压电直线作动器，其特征在于：包括底座(1)，与底座(1)通过柔性铰链连接的第一右侧杠杆梁(2-1)和第二右侧杠杆梁(2-2)，安装在第一右侧杠杆梁(2-1)与底座(1)之间的第一右侧驱动压电陶瓷(3-1)、安装在第二右侧杠杆梁(2-2)与底座(1)之间的第二右侧驱动压电陶瓷(3-2)；与第一右侧杠杆梁(2-1)和第二右侧杠杆梁(2-2)通过柔性铰链链接，能够进行上下运动的右侧驱动齿(4)；与底座(1)通过柔性铰链连接的第一左侧杠杆梁(5-1)和第二左侧杠杆梁(5-2)，安装在第一左侧杠杆梁(5-1)与底座(1)之间的第一左侧驱动压电陶瓷(6-1)、安装在第二左侧杠杆梁(5-2)与底座(1)之间的第二左侧驱动压电陶瓷(6-2)；与第一左侧杠杆梁(5-1)和第二左侧杠杆梁(5-2)通过柔性铰链链接，能够进行上下运动的左侧驱动齿(7)；固定在底座(1)上位于右侧驱动齿(4)和左侧驱动齿(7)间的中间驱动齿(8)，安装在中间驱动齿(8)上带有微齿结构的作动轨道(9)，布置在作动轨道(9)上方，提供弹性约束，使作动轨道(9)与中间驱动齿(8)、或是右侧驱动齿(4)、左侧驱动齿(7)啮合的弹性预紧装置(10)。2.根据权利要求1所述的采用微齿驱动的大行程压电直线作动器，其特征在于：所述右侧驱动齿(4)、左侧驱动齿(7)、中间驱动齿(8)以及作动轨道(9)上的微齿结构齿间距均为d，且能够互相啮合；初始安装后，中间驱动齿(8)和作动轨道(9)啮合，右侧驱动齿(4)以及左侧驱动齿(7)的位置低于中间驱动齿(8)，且右侧驱动齿(4)的齿尖相对于作动轨道(9)的齿根向右偏移1/3d，左侧驱动齿(7)的齿尖相对于作动轨道(9)的齿根向左偏移1/3d；通过齿间距为d微齿之间的啮合能够完成正反双向的大行程高精度步进输出。3.根据权利要求1所述的采用微齿驱动的大行程压电直线作动器，其特征在于：所述右侧驱动齿(4)能够在第一右侧驱动压电陶瓷(3-1)和第二右侧驱动压电陶瓷(3-2)的驱动下，第一右侧杠杆梁(2-1)和第二右侧杠杆梁(2-2)的位移放大下，各柔性铰链的约束下实现上下运动；所述左侧驱动齿(7)能够在第一左侧驱动压电陶瓷(6-1)和第二左侧驱动压电陶瓷(6-2)的驱动下，第一左侧杠杆梁(5-1)和第二左侧杠杆梁(5-2)的位移放大下，各柔性铰链的约束下实现上下运动。4.权利要求1至3任一项所述的采用微齿驱动的大行程压电直线作动器的作动方法，其特征在于：该作动器通过第一右侧驱动压电陶瓷(3-1)和第二右侧驱动压电陶瓷(3-2)，第一左侧驱动压电陶瓷(6-1)和第二左侧驱动压电陶瓷(6-2)按照一定时序工作驱动作动轨道(9)完成向左、向右的双向大行程直线运动，作动开始前，作动轨道(9)与固定的中间驱动齿(8)啮合，处于位置锁止状态，所有驱动压电陶瓷都处于断电状态；能够驱动作动轨道(9)实现双向大行程直线位移，当作动轨道(9)向右运动时，具体驱动过程如下：第一步，第一右侧驱动压电陶瓷(3-1)和第二右侧压电陶瓷(3-2)通电伸长，陶瓷的输出位移经过第一右侧杠杆梁(2-1)和第二右侧杠杆梁(2-2)放大后推动右侧驱动齿(4)位置升高，右侧驱动齿(4)顶起了受到弹性预紧装置(10)弹性约束的作动轨道(9)，且与作动轨道(9)的微齿逐渐完全啮合，此过程中，作...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋思扬，徐明龙，王晓宇，邵恕宝，
申请(专利权)人：西安交通大学，北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：陕西,61