一種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器及作動方法
【專利摘要】一種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器及作動方法，該作動器主要包括一個四相無刷電機和用于將永磁體的旋轉運動轉為直線運動的滾珠絲杠，兩個滾珠軸承用于限制永磁體的軸向位移；一個受到預壓力具有環形抱死功能的鉗位機構，在斷電的情況下，鉗位機構將絲杠抱死限制其轉動；一個可以將鉗位機構撐開的壓電堆，從而可以使電機驅動永磁體并滾珠絲杠輸出軸向位移；本發明只采用了一個壓電堆和一個無刷電機便可以通過加電輸出位移，而斷電的時候具有鎖止保持的功能。
【專利說明】
一種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器及作動方法
技術領域
[0001]本發明屬于電磁、壓電作動器技術領域，具體涉及一種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器及作動方法。
【背景技術】
[0002]電磁、壓電作動器在航天、航空、醫療等領域應用廣泛。現有的壓電步進式作動器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通過對壓電疊堆微小步距位移的積累，可實現小步距、理論行程無限大、高分辨率的精密雙向步進運動。但現有的結構往往無法提供較大的鎖止力，往往會出現滑脫的現象導致精度降低，同時現有的作動器通常需要三個甚至更多壓電堆來工作，在工作步驟繁瑣的同時帶來了作動器體積大，質量大，成本高等問題。

【發明內容】

[0003]為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器及作動方法，該作動器結構緊湊，體積小，重量輕，精度高，可輸出大位移，通過壓電堆，可實現鉗位鎖止功能，從而可以提供較大的鎖止力。
[0004]為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0005]—種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器，包括底座I，固定在底座I上的外機殼7，底座I中心固定有第一滾珠軸承2;外機殼7內部固定有平臺11，平臺11位于第一滾珠軸承2的一端固定有第二滾珠軸承6，第一滾珠軸承2和第二滾珠軸承6間設置有永磁體5，且第一滾珠軸承2和第二滾珠軸承6限制永磁體5的軸向位移;永磁體5周圈設置有鐵芯3和定子繞組4，鐵芯3和定子繞組4為永磁體5通過電磁轉矩的旋轉磁場;平臺11的另一端設置有鉗位機構9，鉗位機構9為一端相連且固定在外機殼7上的兩個半圓形結構，整體為圓形結構，兩個半圓形結構對應位置處各開有兩個凹孔，其中一個凹孔內放置有壓電堆8，壓電堆8的底部放置在平臺11上，另一個凹孔形成環形抱死部位，用于滾珠絲杠10從中穿過;滾珠絲杠10一端穿出鉗位機構9的環形抱死部位，另一端依次穿過第二滾珠軸承6、永磁體5和第一滾珠軸承2，并穿出底座I，滾珠絲杠1與永磁體5間通過螺紋螺桿配合輸出軸向位移。
[0006]所述外機殼7與底座I間通過螺紋連接。
[0007]上述所述基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器的作動方法，包括如下步驟:
[0008]第一步:首先給壓電堆8施加電壓，使受到預緊力的鉗位機構9的兩個半圓形結構撐開一定的角度，使環形抱死部位松開滾珠絲杠10，然后給無刷電機的定子繞組4施加電壓形成一個旋轉磁場給永磁體5提供電磁轉矩，第一滾珠軸承2和第二滾珠軸承6限制住永磁體5的軸向位移，因此，將永磁體5的旋轉運動轉為滾珠絲杠10的直線運動，滾珠絲杠10即輸出直線位移；
[0009]第二步:卸掉壓電堆8上的電壓，使鉗位機構9在預壓力下閉合恢復，環形抱死部位抱死滾珠絲杠10限制其輸出位移，后卸掉定子繞組4上的電壓使整個作動器處于斷電保持的狀態，此時整個作動器的輸出力由鉗位機構9提供。
[0010]通過上述步驟，作動器能夠實現大行程和大輸出力作動；如果需要完成反向的位移，則只需要在定子繞組4上施加相反方向的電壓，則產生一個反向的電磁轉矩，其工作過程相同。
[0011 ]本發明和現有技術相比，具有如下優點:
[0012](I)由于壓電堆較為昂貴，本發明只采用了一個壓電堆以及一個相對較為廉價的無刷電機便實現了大位移的輸出。
[0013](2)由于無刷電機可以持續工作，不像壓電堆一樣受到單步位移的限制，因此工作方式并不需要采用步進式驅動，較為簡單。
[0014](3)本作動器結構低矮，具有較小的體積。
[0015](4)本作動器可以實現斷電鎖止，在某些工作場合下可以保持負載的工作狀態，從而極大地降低了系統的功耗。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明結構示意圖。
[0017]圖2為壓電堆斷電鉗位機構抱死示意圖。
[0018]圖3為壓電堆加電鉗位機構撐開示意圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1、圖2和圖3所示，本發明一種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器，包括底座I，固定在底座I上的外機殼7，底座I中心固定有第一滾珠軸承2;外機殼7內部固定有平臺U，平臺11位于第一滾珠軸承2的一端固定有第二滾珠軸承6，第一滾珠軸承2和第二滾珠軸承6間設置有永磁體5，且第一滾珠軸承2和第二滾珠軸承6限制永磁體5的軸向位移;永磁體5周圈設置有鐵芯3和定子繞組4，鐵芯3和定子繞組4為永磁體5通過電磁轉矩的旋轉磁場；平臺11的另一端設置有鉗位機構9，鉗位機構9為一端相連且固定在外機殼7上的兩個半圓形結構，整體為圓形結構，兩個半圓形結構對應位置處各開有兩個凹孔，其中一個凹孔內放置有壓電堆8，壓電堆8的底部放置在平臺11上，另一個凹孔形成環形抱死部位用于滾珠絲杠10從中穿過;滾珠絲杠10—端穿出鉗位機構9的環形抱死部位，另一端依次穿過第二滾珠軸承6、永磁體5和第一滾珠軸承2，并穿出底座I，滾珠絲杠10與永磁體5間通過螺紋螺桿配合輸出軸向位移。
[0020]作為本發明的優選實施方式，所述外機殼7與底座I間通過螺紋連接，便于拆卸。[0021 ]本發明所述基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器的作動方法，包括如下步驟:
[0022]第一步:首先給壓電堆8施加電壓，使受到預緊力的鉗位機構9的兩個半圓形結構撐開一定的角度，使環形抱死部位松開滾珠絲杠10，然后給無刷電機的定子繞組4施加電壓形成一個旋轉磁場給永磁體5提供電磁轉矩，第一滾珠軸承2和第二滾珠軸承6限制住永磁體5的軸向位移，因此，將永磁體5的旋轉運動轉為滾珠絲杠10的直線運動，滾珠絲杠10即輸出直線位移；
[0023]第二步:卸掉壓電堆8上的電壓，使鉗位機構9在預壓力下閉合恢復，環形抱死部位抱死滾珠絲杠10限制其輸出位移，后卸掉定子繞組4上的電壓使整個作動器處于斷電保持的狀態，此時整個作動器的輸出力由鉗位機構9提供。
[0024]通過上述步驟，作動器能夠實現大行程和大輸出力作動；如果需要完成反向的位移，則只需要在定子繞組4上施加相反方向的電壓，則產生一個反向的電磁轉矩，其工作過程相同。
【主權項】
1.一種基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器，其特征在于:包括底座(I)，固定在底座(I)上的外機殼(7)，底座(I)中心固定有第一滾珠軸承(2);外機殼(7)內部固定有平臺(II)，平臺(11)位于第一滾珠軸承(2)的一端固定有第二滾珠軸承(6)，第一滾珠軸承(2)和第二滾珠軸承(6)間設置有永磁體(5)，且第一滾珠軸承(2)和第二滾珠軸承(6)限制永磁體(5)的軸向位移;永磁體(5)周圈設置有鐵芯(3)和定子繞組(4)，鐵芯(3)和定子繞組(4)為永磁體(5)通過電磁轉矩的旋轉磁場;平臺(11)的另一端設置有鉗位機構(9)，鉗位機構(9)為一端相連且固定在外機殼(7)上的兩個半圓形結構，整體為圓形結構，兩個半圓形結構對應位置處各開有兩個凹孔，其中一個凹孔內放置有壓電堆(8)，壓電堆(8)的底部放置在平臺(11)上，另一個凹孔形成環形抱死部位用于滾珠絲杠(10)從中穿過;滾珠絲杠(10)—端穿出鉗位機構(9)的環形抱死部位，另一端依次穿過第二滾珠軸承(6)、永磁體(5)和第一滾珠軸承(2)，并穿出底座(I)，滾珠絲杠(1)與永磁體(5)間通過螺紋螺桿配合輸出軸向位移。2.根據權利要求1所述的基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器，其特征在于:所述外機殼(7)與底座(I)間通過螺紋連接。3.權利要求1所述基于電磁驅動壓電鉗位的混合作動器的作動方法，其特征在于:包括如下步驟: 第一步:首先給壓電堆(8)施加電壓，使受到預壓力的鉗位機構(9)的兩個半圓形結構撐開一定的角度，使環形抱死部位松開滾珠絲杠(10)，然后給無刷電機的定子繞組(4)施加電壓形成一個旋轉磁場給永磁體(5)提供電磁轉矩，第一滾珠軸承(2)和第二滾珠軸承(6)限制住永磁體(5)的軸向位移，因此，將永磁體(5)的旋轉運動轉為滾珠絲杠(10)的直線運動，滾珠絲杠(10)即輸出直線位移； 第二步:卸掉壓電堆(8)上的電壓，使鉗位機構(9)在預壓力下閉合恢復，環形抱死部位抱死滾珠絲杠(10)限制其輸出位移，后卸掉定子繞組(4)上的電壓使整個作動器處于斷電保持的狀態，此時整個作動器的輸出力由鉗位機構(9)提供。 通過上述步驟，作動器能夠實現大行程和大輸出力作動;如果需要完成反向的位移，則只需要在定子繞組(4)上施加相反方向的電壓，則產生一個反向的電磁轉矩，其工作過程相同。
【文檔編號】H02K7/12GK105871115SQ201610326611
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】陳楠, 徐明龍, 邵妍
【申請人】西安交通大學