一种纳米定位压电线性促动器及其驱动方法与流程

本发明属于精密仪器设备技术领域，尤其是涉及一种纳米定位压电线性促动器及其驱动方法。

背景技术：

随着微纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密促动器，但是基于电磁感应原理的电磁电机再微型化。高功重比的发展方向上很难突破。传统的驱动装置，例如普通电机、丝杠螺母、蜗轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置已很难满足精度要求。因此，各国致力于研究性能更优越的新型高精度驱动装置。

随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中压电型精密促动器凭借其分辨率高、频率响应好、高负载体积小、无电磁干扰、易于实现一体化闭环控制等优点，在各领域得到了广泛的应用。

压电促动器主要包括：(1)信号控制式惯性压电促动器，其驱动原理是采用非对称的驱动信号作为动力源，并匹配前进和后退方向上对称的摩擦力实现驱动，但是需要简历里复杂和精密的信号控制系统，对促动器整机的微小化和集成化带来一定难度；(2)摩擦控制式惯性压电精密促动器，其驱动原理是采用对称的驱动信号和机械夹持结构共同作用产生的驱动力作为动力源，通过前进与后退方向上非对称的摩擦力实现驱动，但是摩擦力是非线性的，由于与接触面的情况、时效、温度、磨损和加工装配误差会对促动器造成影响，导致促动器的运动稳定性差、分辨率低、负载能力小。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单、操作简单、分辨率高、结构紧凑、促动器负载能力大、生产效率高的纳米定位压电线性促动器。

本发明的技术方案如下：

一种纳米定位压电线性促动器，包括外壳、底盖、驱动臂、压电陶瓷和驱动螺钉，所述外壳与底盖连接且二者之间形成一空腔，所述驱动臂安装在该空腔内，所述压电陶瓷安装在所述驱动臂上，所述驱动臂的两端分别形成一第一钳口和第二钳口，所述驱动螺钉设置在所述第一钳口内，所述第二钳口与所述外壳连接，所述驱动螺钉通过预紧螺母、第一螺钉与底盖连接以用于固定支撑所述驱动螺钉，在所述驱动螺钉的末端安装有锁紧螺母用于锁紧所述驱动螺钉。

在上述技术方案中，所述第一钳口为螺纹钳口，且与所述驱动螺钉过盈配合。

在上述技术方案中，所述第一钳口上设有驱动钢丝，所述驱动钢丝的一端与第一钳口连接，另一端安装在所述驱动臂上，以使弹性夹持力提供正压力。

在上述技术方案中，所述第一钳口与第二钳口的结构完全相同，且以所述驱动臂的中心为对称中心呈中心对称结构。

在上述技术方案中，所述驱动螺钉的前端安装有螺母，上所述螺母通过顶丝与所述驱动螺钉周向固定。

在上述技术方案中，所述驱动臂通过固定螺钉与所述底盖连接。

在上述技术方案中，所述驱动臂的侧面开设有槽，所述压电陶瓷安装在所述槽内。

在上述技术方案中，所述驱动臂为楔形铰链。

一种纳米定位压电线性促动器的驱动方法，该方法包括以下步骤：

(1)对所述压电陶瓷施加缓慢电信号，使得压电陶瓷伸长并推动所述驱动臂的两个钳口沿相反方向滑动，以带动夹持在所述第一钳口内的驱动螺钉转动；

(2)对所述压电陶瓷施加快速电信号，使得压电陶瓷快速恢复原长，且所述第一钳口返回其起始位置，所述驱动螺杆在其所述步骤转动的位置处不动，从而完成一次旋转工作；

(3)反复重复所述步骤(1)、(2)，以实现所述驱动螺杆连续转动，完成所述促动器的连续旋转工作。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.压电陶瓷安装在驱动臂的内部，且与驱动臂的两端连接，在伸长或缩短时能够带动驱动臂的两个钳口产生相反方向运动，减少零件降低装配误差，并且从整体上提高驱动臂的刚度，以增强驱动臂的运行稳定。

2.驱动臂的钳口与驱动螺钉螺纹配合，有效保证钳口与螺钉间的接触面积，降低螺钉的局部摩擦造成驱动臂的损坏，并且提高螺钉运动的直线度更加方便，延长驱动臂的使用寿命。

3.在钳口的旁边设置驱动钢丝，通过驱动钢丝在钳口的侧面保持压紧状态，以保证驱动臂的正压力和螺纹摩擦传递的效率，提高促动器的负载能力。

附图说明

图1是本发明的纳米定位压电线性促动器的结构示意图；

图2是本发明中驱动臂的侧视图；

图3是本发明的纳米定位压电线性促动器的使用状态图1；

图4是本发明的纳米定位压电线性促动器的使用状态图2。

图中：

1、驱动臂2、驱动螺钉3、锁紧螺母

4、预紧螺母5、底盖6、固定螺钉

7、螺母8、外壳9、顶丝

10、第一螺钉11、压电陶瓷12、驱动钢丝

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，决不限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1-图4所示，本发明的纳米定位压电线性促动器，包括外壳8、底盖5、驱动臂1、压电陶瓷11和驱动螺钉2，外壳8与底盖5连接且二者之间形成一空腔，驱动臂1安装在该空腔内，压电陶瓷11安装在驱动臂1上，驱动臂1的两端分别形成一第一钳口和第二钳口，第一钳口与第二钳口的结构完全相同，且以驱动臂1的中心为对称中心呈中心对称结构，第一钳口为螺纹钳口，驱动螺钉2(例如为80的螺距螺钉)设置在第一钳口内，且第一钳口与驱动螺钉2过盈配合，第二钳口与外壳8连接，第一钳口上设有驱动钢丝12，驱动钢丝12的一端与第一钳口连接，另一端安装在驱动臂1上，以使驱动臂1的弹性夹持力提供正压力；驱动螺钉2通过预紧螺母4、第一螺钉10与底盖5连接，用于固定支撑驱动螺钉2，并且在向驱动螺钉2施加轴向负载，在压电陶瓷11的长度变化对驱动螺钉2施加摩擦力以使驱动螺钉旋转，将旋转运动转换为直线运动；在驱动螺钉2的末端安装有锁紧螺母3用于锁紧驱动螺钉2；驱动臂1通过固定螺钉6与底盖1连接，驱动臂1为楔形铰链且该驱动臂1的侧面开设有槽，压电陶瓷11安装在槽内，减少多余的零件装配，降低装配误差且提高驱动臂1的整体刚度。

上述驱动螺钉2的前端安装有螺母7，上螺母7通过顶丝9与驱动螺钉2周向固定。

在使用本发明的纳米定位压电线性促动器时，对压电陶瓷11施加缓慢电信号，压电陶瓷11缓慢伸长并推动驱动臂1的两口钳口沿相反方向滑动，与第一钳口过盈配合的驱动螺钉2在第一钳口的作用下转动(静摩擦)，在驱动臂1结束时，对压电陶瓷11施加一个快速电信号，压电陶瓷11快速恢复原长，并且使其两个钳口返回至起始位置，由于驱动螺钉2的惯性和低动摩擦，驱动螺钉2停留在原位置保持不动，从而完成一次旋转工作；在周期性的信号刺激下，促动器将不断重复上述转动与回转的过程，最终实现驱动螺钉2的连续转动。

驱动臂1的一端连接第一钳口，另一端连接第二钳口，压电陶瓷11的两端分别与驱动臂1连接，以保证压电陶瓷11在伸长的过程中，一端向前，一端向后，以产生相反方向作用，为驱动螺钉2提供旋转运动的驱动摩擦力。驱动臂1的钳口与驱动螺钉2螺纹配合，并且通过预紧螺母4和锁紧螺母3固定支撑，有效保证驱动螺钉2与钳口的接触面积，以使旋转运动转换成直线运动，并且提高运动的直线度，在增强钳口刚性的同时，有效避免局部摩擦对钳口造成的磨损损伤，延长驱动臂1的使用寿命，进而能够提高促动器的运动精度和稳定性。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的等同变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。