一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器及其工作方法

摘要

本发明公开了一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器及其工作方法，螺纹式压电直线作动器包含压电驱动模块、壳体和输出轴；所述输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱；压电驱动模块设置在壳体内，包含固定板、两个承载板、两个螺母、两个环形压电叠堆、M个第一柱状柱形压电叠堆组和M个第二柱状柱形压电叠堆组。本发明通过柱形压电叠堆组驱动两个螺母，在螺母‑丝杠间静摩擦力的作用下使丝杠产生正反向旋转运动，从而实现装置的正、反向运动工作。本发明可靠性高，输出扭矩大，通用性较高，易于推广，具有良好的经济效益。

权利要求

1.一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器，其特征在于，包含压电驱动模块、壳体和输出轴；

所述输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱，所述第一光柱、第二光柱远离螺柱的一端均设有用于和外部相连的连接部；

所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，其两个端面中心分别设有供所述第一光柱、第二光柱穿出的通孔；

所述压电驱动模块设置在壳体内，包含固定板、第一至第二承载板、第一至第二螺母、第一至第二环形压电叠堆、M个第一柱状柱形压电叠堆组和M个第二柱状柱形压电叠堆组，M为大于等于1的自然数；

所述固定板为设置在壳体中心的圆板，和壳体内壁同轴固连，且固定板中心均设有供螺柱穿过的通孔；所述第一承载板、第二承载板结构相同，均为外径小于壳体内径、内径大于螺柱外径的圆环；

所述第一光柱通过第一直线轴承和所述壳体一个端面中心的通孔相连，第二光柱通过第二直线轴承和壳体另一个端面中心的通孔相连，使得输出轴能够相对壳体自由滑动；所述螺柱位于壳体内，依次穿过第一螺母、第一承载板、固定板、第二承载板、第二螺母中心的通孔，且螺柱和第一承载板、固定板、第二承载板不接触，螺柱和第一螺母、第二螺母螺纹连接；

所述第一环形压电叠堆、第二环形压电叠堆均呈两端开口的空心圆柱状，其中，所述第一环形压电叠堆套在第一承载板和固定板之间的螺柱上，一端和第一承载板固连，另一端和固定板固连；所述第二环形压电叠堆套在固定板和第二承载板之间的螺柱上，一端和固定板固连，另一端和第二承载板固连；

所述M个第一柱形压电叠堆组周向均匀的设置在第一承载板面向第一螺母的端面上，所述第一柱形压电叠堆组均包含第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆，其中，第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆均一端和所述第一承载板面向第一螺母的端面固连，另一端和第一螺母相抵；第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆均用于向第一螺母施加推力和旋转力，且第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；

所述M个第二柱形压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第二螺母的端面上，所述第二柱形压电叠堆组均包含第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆，其中，第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第二螺母的端面固连，另一端和第二螺母相抵；第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆均用于向第二螺母施加推力和旋转力，且第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；

所述螺柱、第一螺母、第二螺母的螺纹导程d的长度相同。

2.基于权利要求1所述的具有大推力的螺纹式压电直线作动器的单次驱动方法，其特征在于，包含如下步骤：

令第二螺母指向第一螺母的方向为A侧，第一螺母指向第二螺母的方向的B侧；

步骤a），控制第一环形压电叠堆组伸长，推动第一承载板进而推动第一螺母、螺柱朝A侧平动，直至螺柱上螺纹的B侧端面和第一螺母上螺纹的A侧端面紧贴合，此时，螺柱朝A侧的平动距离为预设的距离阈值l；

步骤b），控制M个第一柱形压电叠堆组的第一柱形压电叠堆伸长，驱动第一螺母转动预设的角度阈值θ1，使得第一螺母朝A侧平动距离（θ1/2π）d，此时，由于螺柱上螺纹的B侧端面和第一螺母上螺纹的A侧端面紧贴合，螺柱跟随第一螺母转动角度阈值θ1，朝A侧平动距离（θ1/2π）d；

步骤c），控制M个第二柱形压电叠堆组的第四柱形压电叠堆伸长，驱动第二螺母转动，直至第二螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹的B侧端面紧贴合，该过程中螺柱不发生转动；

步骤d），控制第一环形压电叠堆组收缩至原状，此时，第一螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹的B侧端面不再紧贴合，同时，由于第二螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹的B侧端面紧贴合，螺柱不会朝B侧平动；

步骤e），控制M个第二柱形压电叠堆组的第四柱形压电叠堆收缩至原状，同时控制M个第二柱形压电叠堆组的第三柱形压电叠堆伸长，驱动第二螺母转动预设的角度阈值θ2，使得第二螺母朝A侧平动距离（θ2/2π）d，此时，由于螺柱上螺纹的B侧端面和第二螺母上螺纹的A侧端面紧贴合，螺柱跟随第二螺母转动角度阈值θ2，朝A侧平动距离（θ2/2π）d；

步骤f），控制M个第二柱形压电叠堆组的第三柱形压电叠堆收缩至原状，同时控制M个第一柱形压电叠堆组的第一柱形压电叠堆收缩至原状。

说明书

一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及压电驱动领域，尤其涉及一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器及其工作方法。

背景技术

[0002] 超声电机是一种基于压电效应和超声振动的作动器，具有惯性小、断电自锁、响应速度快、功率密度大等优点。超声电机既可以作为直接的驱动源提供动力，也可以用来驱动
和控制高精度定位装置。但是，超声电机仍具有许多尚未解决的难题，例如输出功率不足、
推力或扭矩较小、负载力较小等，导致其在航空航天、工业机器人等领域的应用仍然有限。
因此，如何增大超声电机的功率、如何进一步提高输出推力及负载力成了压电作动器进一
步拓宽应用范围、提高装置性能所面临的主要问题。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器及其工作方法。

[0004] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0005] 一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器，包含压电驱动模块、壳体和输出轴；

[0006] 所述输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱，所述第一光柱、第二光柱远离螺柱的一端均设有用于和外部相连的连接部；

[0007] 所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，其两个端面中心分别设有供所述第一光柱、第二光柱穿出的通孔；

[0008] 所述压电驱动模块设置在壳体内，包含固定板、第一至第二承载板、第一至第二螺母、第一至第二环形压电叠堆、M个第一柱状柱形压电叠堆组和M个第二柱状柱形压电叠堆
组，M为大于等于1的自然数；

[0009] 所述固定板为设置在壳体中心的圆板，和壳体内壁同轴固连，且固定板中心均设有供螺柱穿过的通孔；所述第一承载板、第二承载板结构相同，均为外径小于壳体内径、内
径大于螺柱外径的圆环；

[0010] 所述第一光柱通过第一直线轴承和所述壳体一个端面中心的通孔相连，第二光柱通过第二直线轴承和壳体另一个端面中心的通孔相连，使得输出轴能够相对壳体自由滑
动；所述螺柱位于壳体内，依次穿过第一螺母、第一承载板、固定板、第二承载板、第二螺母
中心的通孔，且螺柱和第一承载板、固定板、第二承载板不接触，螺柱和第一螺母、第二螺母
螺纹连接；

[0011] 所述第一环形压电叠堆、第二环形压电叠堆均呈两端开口的空心圆柱状，其中，所述第一环形压电叠堆套在第一承载板和固定板之间的螺柱上，一端和第一承载板固连，另
一端和固定板固连；所述第二环形压电叠堆套在固定板和第二承载板之间的螺柱上，一端
和固定板固连，另一端和第二承载板固连；

[0012] 所述M个第一柱形压电叠堆组周向均匀的设置在第一承载板面向第一螺母的端面上，所述第一柱形压电叠堆组均包含第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆，其中，第一柱
形压电叠堆、第二柱形压电叠堆均一端和所述第一承载板面向第一螺母的端面固连，另一
端和第一螺母相抵；第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆均用于向第一螺母施加推力和
旋转力，且第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；

[0013] 所述M个第二柱形压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第二螺母的端面上，所述第二柱形压电叠堆组均包含第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆，其中，第三柱
形压电叠堆、第四柱形压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第二螺母的端面固连，另一
端和第二螺母相抵；第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆均用于向第二螺母施加推力和
旋转力，且第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；

[0014] 所述螺柱、第一螺母、第二螺母的螺纹导程d的长度相同。

[0015] 本发明还公开了一种该具有大推力的螺纹式压电直线作动器的单次驱动方法，包含如下步骤：

[0016] 令第二螺母指向第一螺母的方向为A侧，第一螺母指向第二螺母的方向的B侧；

[0017] 步骤a），控制第一环形压电叠堆组伸长，推动第一承载板进而推动第一螺母、螺柱朝A侧平动，直至螺柱上螺纹的B侧端面和第一螺母上螺纹的A侧端面紧贴合，此时，螺柱朝A
侧的平动距离为预设的距离阈值l；

[0018] 步骤b），控制M个第一柱形压电叠堆组的第一柱形压电叠堆伸长，驱动第一螺母转动预设的角度阈值θ1，使得第一螺母朝A侧平动距离（θ1/2π）d，此时，由于螺柱上螺纹的B侧
端面和第一螺母上螺纹的A侧端面紧贴合，螺柱跟随第一螺母转动角度阈值θ1，朝A侧平动
距离（θ1/2π）d；

[0019] 步骤c），控制M个第二柱形压电叠堆组的第四柱形压电叠堆伸长，驱动第二螺母转动，直至第二螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹的B侧端面紧贴合，该过程中螺柱不发生
转动；

[0020] 步骤d），控制第一环形压电叠堆组收缩至原状，此时，第一螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹的B侧端面不再紧贴合，同时，由于第二螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹
的B侧端面紧贴合，螺柱不会朝B侧平动；

[0021] 步骤e），控制M个第二柱形压电叠堆组的第四柱形压电叠堆收缩至原状，同时控制M个第二柱形压电叠堆组的第三柱形压电叠堆伸长，驱动第二螺母转动预设的角度阈值θ2，
使得第二螺母朝A侧平动距离（θ2/2π）d，此时，由于螺柱上螺纹的B侧端面和第二螺母上螺
纹的A侧端面紧贴合，螺柱跟随第二螺母转动角度阈值θ2，朝A侧平动距离（θ2/2π）d；

[0022] 步骤f），控制M个第二柱形压电叠堆组的第三柱形压电叠堆收缩至原状，同时控制M个第一柱形压电叠堆组的第一柱形压电叠堆收缩至原状。

[0023] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0024] 1. 本发明通过设置多组柱形压电叠堆，激励驱动平台的承载螺母和驱动螺母进行旋转与直线运动，在柱形压电叠堆巨大输出力作用下，依靠摩擦力带动螺柱正向或反向
输出，结合周期性的特殊运动时序，从而实现装置大推力的目的；

[0025] 2. 本发明可通过改变承载螺母和驱动螺母大小或装置整体长度，进行增加或减少驱动平台的数量或柱形压电叠堆组、环形压电叠堆数量，即可适用于不同驱动力、负载力
的应用场合。

[0026] 3. 发明为保证所述装置的通用性，其驱动源主要是采用柱形压电叠堆驱动源，连接部位采用标准化螺栓位设计，在特殊工作场景或工作条件的要求下，其可由液压缸、气
缸、磁致伸缩材料、形状记忆合金等其他类型的驱动源所替代，易于推广实施，具有良好的
经济效益。

附图说明

[0027] 图1是本发明的结构示意图；

[0028] 图2是本发明的剖视结构示意图；

[0029] 图3是本发明中输出轴的结构示意图；

[0030] 图4是本发明中壳体的结构示意图；

[0031] 图5是本发明中壳体的剖视结构示意图；

[0032] 图6是本发明的驱动工作原理图。

[0033] 图中，1‑第一直线轴承，2‑第二直线轴承，3‑外壳，4‑输出轴，5‑第一光柱上的连接部，6‑第一螺母，7‑第二螺母，8‑第一柱形压电叠堆组的第一柱形压电叠堆，9‑第一柱形压
电叠堆组的第二柱形压电叠堆，10‑第一环形压电叠堆，11‑第二环形压电叠堆，12‑第一承
载板，13‑第二承载板，14‑第二柱形压电叠堆组的第三柱形压电叠堆，15‑第二柱形压电叠
堆组的第四柱形压电叠堆，16‑固定板。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

[0035] 本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范
围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

[0036] 如图1、图2所示，本发明公开了一种具有大推力的螺纹式压电直线作动器，包含压电驱动模块、壳体和输出轴。

[0037] 如图3所示，所述输出轴包含依次同轴固连的第一光柱、螺柱、第二光柱，所述第一光柱、第二光柱远离螺柱的一端均设有用于和外部相连的连接部。

[0038] 如图4所示，所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，其两个端面中心分别设有供所述第一光柱、第二光柱穿出的通孔。

[0039] 如图2所示，所述压电驱动模块设置在壳体内，包含固定板、第一至第二承载板、第一至第二螺母、第一至第二环形压电叠堆、M个第一柱状柱形压电叠堆组和M个第二柱状柱
形压电叠堆组，M为大于等于1的自然数。

[0040] 所述固定板为设置在壳体中心的圆板，和壳体内壁同轴固连，且固定板中心均设有供螺柱穿过的通孔，如图5所示。

[0041] 所述第一承载板、第二承载板结构相同，均为外径小于壳体内径、内径大于螺柱外径的圆环。

[0042] 所述第一光柱通过第一直线轴承和所述壳体一个端面中心的通孔相连，第二光柱通过第二直线轴承和壳体另一个端面中心的通孔相连，使得输出轴能够相对壳体自由滑
动；所述螺柱位于壳体内，依次穿过第一螺母、第一承载板、固定板、第二承载板、第二螺母
中心的通孔，且螺柱和第一承载板、固定板、第二承载板不接触，螺柱和第一螺母、第二螺母
螺纹连接。

[0043] 所述第一环形压电叠堆、第二环形压电叠堆均呈两端开口的空心圆柱状，其中，所述第一环形压电叠堆套在第一承载板和固定板之间的螺柱上，一端和第一承载板固连，另
一端和固定板固连；所述第二环形压电叠堆套在固定板和第二承载板之间的螺柱上，一端
和固定板固连，另一端和第二承载板固连。

[0044] 所述M个第一柱形压电叠堆组周向均匀的设置在第一承载板面向第一螺母的端面上，所述第一柱形压电叠堆组均包含第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆，其中，第一柱
形压电叠堆、第二柱形压电叠堆均一端和所述第一承载板面向第一螺母的端面固连，另一
端和第一螺母相抵；第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆均用于向第一螺母施加推力和
旋转力，且第一柱形压电叠堆、第二柱形压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反；

[0045] 所述M个第二柱形压电叠堆组周向均匀的设置在第二承载板面向第二螺母的端面上，所述第二柱形压电叠堆组均包含第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆，其中，第三柱
形压电叠堆、第四柱形压电叠堆均一端和所述第二承载板面向第二螺母的端面固连，另一
端和第二螺母相抵；第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆均用于向第二螺母施加推力和
旋转力，且第三柱形压电叠堆、第四柱形压电叠堆施加的旋转力大小相同、方向相反。

[0046] 所述螺柱、第一螺母、第二螺母的螺纹导程d的长度相同。

[0047] 如图6所示，本发明还公开了一种该具有大推力的螺纹式压电直线作动器的单次驱动方法，包含如下步骤：

[0048] 令第二螺母指向第一螺母的方向为A侧，第一螺母指向第二螺母的方向的B侧；

[0049] 步骤a），控制第一环形压电叠堆组伸长，推动第一承载板进而推动第一螺母、螺柱朝A侧平动，直至螺柱上螺纹的B侧端面和第一螺母上螺纹的A侧端面紧贴合，此时，螺柱朝A
侧的平动距离为预设的距离阈值l；

[0050] 步骤b），控制M个第一柱形压电叠堆组的第一柱形压电叠堆伸长，驱动第一螺母转动预设的角度阈值θ1，使得第一螺母朝A侧平动距离（θ1/2π）d，此时，由于螺柱上螺纹的B侧
端面和第一螺母上螺纹的A侧端面紧贴合，螺柱跟随第一螺母转动角度阈值θ1，朝A侧平动
距离（θ1/2π）d；

[0051] 步骤c），控制M个第二柱形压电叠堆组的第四柱形压电叠堆伸长，驱动第二螺母转动，直至第二螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹的B侧端面紧贴合，该过程中螺柱不发生
转动；

[0052] 步骤d），控制第一环形压电叠堆组收缩至原状，此时，第一螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹的B侧端面不再紧贴合，同时，由于第二螺母上螺纹的A侧端面和螺柱上螺纹
的B侧端面紧贴合，螺柱不会朝B侧平动；

[0053] 步骤e），控制M个第二柱形压电叠堆组的第四柱形压电叠堆收缩至原状，同时控制M个第二柱形压电叠堆组的第三柱形压电叠堆伸长，驱动第二螺母转动预设的角度阈值θ2，
使得第二螺母朝A侧平动距离（θ2/2π）d，此时，由于螺柱上螺纹的B侧端面和第二螺母上螺
纹的A侧端面紧贴合，螺柱跟随第二螺母转动角度阈值θ2，朝A侧平动距离（θ2/2π）d；

[0054] 步骤f），控制M个第二柱形压电叠堆组的第三柱形压电叠堆收缩至原状，同时控制M个第一柱形压电叠堆组的第一柱形压电叠堆收缩至原状。

[0055] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还
应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0056] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发
明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。