[发明专利]具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法

说明书

技术领域

本发明属于步进式压电作动器技术领域，具体涉及一种具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法。

背景技术

压电作动器在航天、航空、医疗等领域已有很广泛的应用。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大位移的输出，但无法测量输出位移的大小。在大多数工程应用中作动器输出位移需要被实时监测，通常做法是外置位移传感器。外置位移传感器的方式一方面增加了成本，另一方面由于一般位移传感器的量程与分辨率成反比，即分辨率高则位移量程小，反之位移量程大则分辨率降低，因此如何在大位移量程情况下还能保证高位移分辨率一般是个难点。

另外，以往步进式作动器的最大输出力取决于钳位机构的摩擦力，由于提高摩擦力的方法一般是增加摩擦系数和正压力，但物体间摩擦系数是小于1的常数且难以进一步增大，而单纯提高正压力会使作动器结构厚实笨重，难以满足精密测控领域小体积，轻量化的要求。因此以往步进式作动器的输出力也就难以有显著的提升。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法，作动器在压电单元的驱动下以步进方式输出大位移，同时能够输出大的推拉力，并且其输出位移能被实时测量。此作动器结构紧凑、关键零件均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配简单。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器，包括左钳位机构2、右钳位机构9、连接在左钳位机构2和右钳位机构9上端间的上支撑框架1、连接在左钳位机构2和右钳位机构9下端间的下支撑框架4；所述左钳位机构2的外圈为“回”形框架，“回”形框架中间部分有一个左菱形结构10，并通过四个对称的左薄臂型柔性铰链11与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个用于导向的左对称凸形滑块12，两个左对称凸形滑块12距离左菱形结构10的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，左钳位压电堆3安装在左菱形结构10的空腔内，左钳位压电堆3采用过盈配合方式与左钳位机构2中的左菱形结构10连接，以给左钳位压电堆3提供预紧力；所述右钳位机构9的外圈为“回”形框架，“回”形框架中间部分有一个右菱形结构14，并分别通过四个对称的右薄臂型柔性铰链15与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个对称的用于导向的右对称凸形滑块16，两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，右钳位压电堆7安装在在右菱形结构14的空腔内，所述右钳位压电堆7采用过盈配合方式与右钳位机构9中的右菱形结构14连接，以给右钳位压电堆7提供预紧力；驱动机构5设置在左钳位机构2和右钳位机构9间，所述驱动机构5中间为菱形驱动结构，采用过盈配合在其内部设置有驱动压电堆6以给驱动压电堆6提供预紧力，所述菱形驱动结构的左右两端为相同的左“回”形结构和右“回”形结构；所述左“回”形结构和右“回”形结构的两外侧壁均开有凹形导向槽18，左“回”形结构采用过盈配合方式穿过左钳位机构2中两个左对称凸形滑块12距离左菱形结构10的短轴侧两端留有的间隙，同时使左钳位机构2中两个左对称凸形滑块12与左“回”形结构两外侧壁的凹形导向槽18配合；所述右“回”形结构采用过盈配合方式穿过右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端留有的间隙，同时使右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16与左“回”形结构两侧壁的凹形导向槽18配合，所述右“回”形结构右侧连接有输出杆8。

所述驱动机构5中的菱形驱动结构，其刚度能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。

所述驱动机构5中的菱形传感结构四个侧壁上分别贴有第一电阻式应变计A、第二电阻式应变计B、第三电阻式应变计C和第四电阻式应变计D，构成惠斯通全桥用以测量菱形传感结构的应变，通过所测应变值换算得到作动器驱动负载时的输出位移值。