本發(fā)明屬于步進(jìn)式壓電作動(dòng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含有楔形半環(huán)斷電鎖止機(jī)構(gòu)的步進(jìn)壓電作動(dòng)器及作動(dòng)方法。

背景技術(shù)：
壓電驅(qū)動(dòng)的工作原理是基于壓電具有的逆壓電效應(yīng),其具有線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率響應(yīng)好、無噪聲、無電磁干擾、低電壓驅(qū)動(dòng)及易于微型化的優(yōu)點(diǎn)。壓電作動(dòng)器在航空航天技術(shù)、光學(xué)、自適應(yīng)智能結(jié)構(gòu)、主動(dòng)振動(dòng)抑制、超精密微細(xì)加工等諸多關(guān)鍵科技領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。步進(jìn)式壓電作動(dòng)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(shí)現(xiàn)小步距、理論行程無限大、高分辨率的精密雙向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。但以往步進(jìn)式作動(dòng)器所采用的爬行方式要求三個(gè)相互配合的壓電元件一同移動(dòng)，因此在高頻驅(qū)動(dòng)條件下其結(jié)構(gòu)較為笨重，無法以更高的頻率驅(qū)動(dòng)，從而限制了作動(dòng)器位移輸出的速率。此外對于傳統(tǒng)的利用靜摩擦力驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)箝位型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，摩擦力由法向力和摩擦系數(shù)決定,而摩擦表面之間非常小的間隙要求,受環(huán)境,如熱膨脹、污染、腐蝕和磨損的影響嚴(yán)重，往往不能長時(shí)間工作。最后，以往的步進(jìn)式壓電作動(dòng)器多采用通電鉗位的方式，而在要求系統(tǒng)在斷電情況下仍能保持輸出位移應(yīng)用場合中，以往的作動(dòng)器無法完成此類任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種含有楔形半環(huán)斷電鎖止機(jī)構(gòu)的步進(jìn)壓電作動(dòng)器及作動(dòng)方法，在高頻驅(qū)動(dòng)條件下，只有一個(gè)壓電元件隨輸出位移一同移動(dòng)，其它兩個(gè)壓電元件保持不動(dòng)并提供斷電鉗位和通電解鎖的功能；此作動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單、裝配便捷，磨損容限大，可雙向大位移作動(dòng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種含有楔形半環(huán)斷電鎖止機(jī)構(gòu)的步進(jìn)壓電作動(dòng)器，包括外殼1，分別固定在外殼1內(nèi)部左端和右端的左鉗位機(jī)構(gòu)2和右鉗位機(jī)構(gòu)3；所述左鉗位機(jī)構(gòu)2中有左壓簧7，左壓簧7呈壓縮狀態(tài)，一端緊壓于左端蓋13內(nèi)側(cè)，另一端與兩個(gè)相對布置的左楔形半環(huán)8大端面緊密接觸，兩個(gè)左楔形半環(huán)8視為由一個(gè)內(nèi)徑與輸出桿6相同的整體楔形環(huán)從中間沿平行于直徑的兩條對稱直線切開得到，兩個(gè)左楔形半環(huán)8傾斜外表面與外殼1傾斜內(nèi)表面緊密接觸，外殼1傾斜內(nèi)表面長度比兩個(gè)左楔形半環(huán)8傾斜外表面軸向長度長，左壓電環(huán)9一側(cè)與兩個(gè)左楔形半環(huán)8小端面接觸，另一側(cè)固接于外殼1內(nèi)的凸臺(tái)表面，左壓電環(huán)9內(nèi)環(huán)直徑略大于輸出桿6直徑；所述右鉗位機(jī)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)同左鉗位機(jī)構(gòu)2，其中有右壓簧12，右壓簧12呈壓縮狀態(tài)，一端緊壓于右端蓋14內(nèi)側(cè)，另一端與兩個(gè)相對布置的右楔形半環(huán)11大端面緊密接觸，兩個(gè)右楔形半環(huán)11視為由一個(gè)內(nèi)徑與輸出桿6相同的整體楔形環(huán)從中間沿平行于直徑的兩條對稱直線切開得到，兩個(gè)右楔形半環(huán)11傾斜外表面與外殼1傾斜內(nèi)表面緊密接觸，外殼1傾斜內(nèi)表面長度比兩個(gè)右楔形半環(huán)11傾斜外表面軸向長度長，右壓電環(huán)10一側(cè)與兩個(gè)右楔形半環(huán)11小端面接觸，另一側(cè)固接于外殼1內(nèi)的凸臺(tái)表面，右壓電環(huán)10內(nèi)環(huán)直徑略大于輸出桿6直徑；還包括設(shè)置在外殼1內(nèi)的菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4，所述菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4內(nèi)采用過盈配合設(shè)置有驅(qū)動(dòng)壓電堆5，以給驅(qū)動(dòng)壓電堆5提供預(yù)緊力，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的左右兩端分別連接有輸出桿6，所述輸出桿6的另一端分別穿過左鉗位機(jī)構(gòu)2和右鉗位機(jī)構(gòu)3的內(nèi)部。所述左鉗位機(jī)構(gòu)2和右鉗位機(jī)構(gòu)3中的兩個(gè)左楔形半環(huán)8和兩個(gè)右楔形半環(huán)11分別受左壓簧7和右壓簧12壓力時(shí)，其內(nèi)表面與輸出桿6貼合且接觸面粗糙，在鉗位狀態(tài)，靜摩擦力大。所述左壓簧7和左楔形半環(huán)8間接觸表面及左楔形半環(huán)8和左壓電環(huán)9間的接觸表面需進(jìn)行光滑處理，所述右壓簧12和右楔形半環(huán)11間接觸表面及右楔形半環(huán)11和右壓電環(huán)10間的接觸表面需進(jìn)行光滑處理，用以減小上述接觸面間的磨損。所述菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的剛度能夠通過作動(dòng)器的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)來調(diào)整，以保證足夠的回彈拉力。含有楔形半環(huán)斷電鎖止機(jī)構(gòu)的步進(jìn)壓電作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方法，所述左鉗位機(jī)構(gòu)2中有呈壓縮狀態(tài)的左壓簧7，當(dāng)左壓電環(huán)9掉電時(shí)，左壓簧7向兩個(gè)左楔形半環(huán)8施加壓力，，兩個(gè)左楔形半環(huán)8受壓后，其傾斜外表面與外殼1的傾斜內(nèi)表面貼合并受到擠壓，進(jìn)而使兩者內(nèi)表面與輸出桿6緊密接觸，產(chǎn)生足夠大的靜摩擦力，輸出桿6處于斷電鎖止的鉗位狀態(tài)；當(dāng)左壓電環(huán)9加電伸長時(shí)，左壓電環(huán)9施加給兩個(gè)左楔形半環(huán)8的推力抵消左壓簧7對兩者的壓力，并且使兩個(gè)左楔形半環(huán)8被推離外殼1的傾斜內(nèi)表面，兩個(gè)左楔形半環(huán)8內(nèi)表面與輸出桿6接觸不再緊密，輸出桿6處于解鎖狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)壓電堆5加電伸長時(shí)，推動(dòng)輸出桿6驅(qū)動(dòng)負(fù)載，此時(shí)輸出推力，同時(shí)菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電堆5掉電回縮時(shí)，菱形機(jī)構(gòu)4回彈拉動(dòng)輸出桿6驅(qū)動(dòng)負(fù)載，此時(shí)輸出拉力；所述右鉗位機(jī)構(gòu)3的驅(qū)動(dòng)方法同左鉗位機(jī)構(gòu)2。上述所述的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方法，具體為：初始狀態(tài)為左壓電環(huán)9、右壓電環(huán)10及驅(qū)動(dòng)壓電堆5均處于掉電狀態(tài)，此時(shí)輸出桿6處于鉗位狀態(tài)；為使輸出桿6輸出向左的拉力，第一步，左壓電環(huán)9通電伸長使得左鉗位機(jī)構(gòu)2解鎖；第二步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5通電伸長，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4產(chǎn)生彈性變形；第三步，左壓電環(huán)9掉電回縮使得左鉗位機(jī)構(gòu)2鉗位；第四步，右壓電環(huán)10通電伸長使得右鉗位機(jī)構(gòu)3解鎖；第五步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5掉電回縮，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力拉動(dòng)輸出桿6向左運(yùn)動(dòng)一步長；第六步，右壓電環(huán)10掉電回縮使得右鉗位機(jī)構(gòu)3鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出桿6以步進(jìn)方式向左運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載；為使輸出桿6向右運(yùn)動(dòng)輸出推力，第一步，右壓電環(huán)10通電伸長使得右鉗位機(jī)構(gòu)3解鎖；第二步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5通電伸長向右推動(dòng)輸出桿6驅(qū)動(dòng)負(fù)載向右運(yùn)動(dòng)一步長，同時(shí)菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4產(chǎn)生彈性變形；第三步，右壓電環(huán)10掉電回縮使得右鉗位機(jī)構(gòu)3鉗位；第四步，左壓電環(huán)9通電伸長使得左鉗位機(jī)構(gòu)2解鎖；第五步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5掉電回縮，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力使輸出桿6向右跟進(jìn)一步長；第六步，左壓電環(huán)9掉電回縮使得左鉗位機(jī)構(gòu)2鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出桿6以步進(jìn)方式向右運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)本發(fā)明在輸出位移時(shí)，僅有一個(gè)驅(qū)動(dòng)壓電堆5隨輸出位移一同移動(dòng)，在步進(jìn)過程中不必帶動(dòng)左鉗位機(jī)構(gòu)2和右鉗位機(jī)構(gòu)3一同移動(dòng)，因此能以更高的步進(jìn)頻率驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器以提高輸出速率。2)本發(fā)明具有斷電鉗位功能。左鉗位機(jī)構(gòu)2、右鉗位機(jī)構(gòu)3在左壓電環(huán)9、右壓電環(huán)10通電伸長時(shí)解鎖，而在左壓電環(huán)9、右壓電環(huán)10斷電回縮時(shí)鉗位。改變了一般尺蠖式作動(dòng)器通電鉗位而斷電解鎖的現(xiàn)狀。斷電鉗位功能是一般工程應(yīng)用中常見的需求。3)本發(fā)明在合理設(shè)計(jì)外殼1內(nèi)部分別與左楔形半環(huán)8和右楔形半環(huán)11接觸的表面時(shí)，即在該表面與相應(yīng)楔形半環(huán)傾斜外表面角度相同，但軸向長度略長，留有余量的情況下。當(dāng)左鉗位機(jī)構(gòu)2、右鉗位機(jī)構(gòu)3在鉗位狀態(tài)時(shí)，左楔形半環(huán)8和右楔形半環(huán)11可以在一定范圍內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償表面磨損，鉗位可靠。4)本發(fā)明左鉗位機(jī)構(gòu)2、右鉗位機(jī)構(gòu)3及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均布置于外殼1、左端蓋13及右端蓋14內(nèi)部，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部機(jī)構(gòu)的保護(hù)作用，并且裝配簡單，便于拆卸。附圖說明圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)立體剖視圖。圖2為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明側(cè)視剖視圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明含有楔形半環(huán)斷電鎖止機(jī)構(gòu)的步進(jìn)壓電作動(dòng)器，包括外殼1，分別固定在外殼1內(nèi)部左端和右端的左鉗位機(jī)構(gòu)2和右鉗位機(jī)構(gòu)3；所述左鉗位機(jī)構(gòu)2中有左壓簧7，左壓簧7呈壓縮狀態(tài)，一端緊壓于左端蓋13內(nèi)側(cè)，另一端與兩個(gè)相對布置的左楔形半環(huán)8大端面緊密接觸，兩個(gè)左楔形半環(huán)8可視為由一個(gè)內(nèi)徑與輸出桿6相同的整體楔形環(huán)從中間沿平行于直徑的兩條對稱直線切開得到，兩個(gè)左楔形半環(huán)8傾斜外表面與外殼1傾斜內(nèi)表面緊密接觸，外殼1傾斜內(nèi)表面長度比兩個(gè)左楔形半環(huán)8傾斜外表面軸向長度長，左壓電環(huán)9一側(cè)與兩個(gè)左楔形半環(huán)8小端面接觸，另一側(cè)固接于外殼1內(nèi)的凸臺(tái)表面，左壓電環(huán)9內(nèi)環(huán)直徑略大于輸出桿6直徑；所述右鉗位機(jī)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)同左鉗位機(jī)構(gòu)2，其中有右壓簧12，右壓簧12呈壓縮狀態(tài)，一端緊壓于右端蓋14內(nèi)側(cè)，另一端與兩個(gè)相對布置的右楔形半環(huán)11大端面緊密接觸，兩個(gè)右楔形半環(huán)11可視為由一個(gè)內(nèi)徑與輸出桿6相同的整體楔形環(huán)從中間沿平行于直徑的兩條對稱直線切開得到，兩個(gè)右楔形半環(huán)11傾斜外表面與外殼1傾斜內(nèi)表面緊密接觸，外殼1傾斜內(nèi)表面長度比兩個(gè)右楔形半環(huán)11傾斜外表面軸向長度長，右壓電環(huán)10一側(cè)與兩個(gè)右楔形半環(huán)11小端面接觸，另一側(cè)固接于外殼1內(nèi)的凸臺(tái)表面，右壓電環(huán)10內(nèi)環(huán)直徑略大于輸出桿6直徑；還包括菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4，所述菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4內(nèi)采用過盈配合設(shè)置有驅(qū)動(dòng)壓電堆5，以給驅(qū)動(dòng)壓電堆5提供預(yù)緊力，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的左右兩端分別連接有輸出桿6，所述輸出桿6的另一端分別穿過左鉗位機(jī)構(gòu)2和右鉗位機(jī)構(gòu)3的內(nèi)部。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述左鉗位機(jī)構(gòu)2和右鉗位機(jī)構(gòu)3中的兩個(gè)左楔形半環(huán)8和兩個(gè)右楔形半環(huán)11分別受左壓簧7和右壓簧12壓力時(shí)，其內(nèi)表面與輸出桿6貼合且接觸面粗糙，在鉗位狀態(tài)，靜摩擦力大。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述左壓簧7和左楔形半環(huán)8間接觸表面及左楔形半環(huán)8和左壓電環(huán)9間的接觸表面需進(jìn)行光滑處理，所述右壓簧12和右楔形半環(huán)11間接觸表面及右楔形半環(huán)11和右壓電環(huán)10間的接觸表面需進(jìn)行光滑處理，用以減小上述接觸面間的磨損。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的剛度能夠通過作動(dòng)器的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)來調(diào)整，以保證足夠的回彈拉力。如圖1所示，含有楔形半環(huán)斷電鎖止機(jī)構(gòu)的步進(jìn)壓電作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方法，所述左鉗位機(jī)構(gòu)2中有呈壓縮狀態(tài)的左壓簧7，當(dāng)左壓電環(huán)9掉電時(shí)，左壓簧7向兩個(gè)左楔形半環(huán)8施加壓力，，兩個(gè)左楔形半環(huán)8受壓后，其傾斜外表面與外殼1的傾斜內(nèi)表面貼合并受到擠壓，進(jìn)而使兩者內(nèi)表面與輸出桿6緊密接觸，產(chǎn)生足夠大的靜摩擦力，輸出桿6處于斷電鎖止的鉗位狀態(tài)；當(dāng)左壓電環(huán)9加電伸長時(shí)，左壓電環(huán)9施加給兩個(gè)左楔形半環(huán)8的推力抵消左壓簧7對兩者的壓力，并且使兩個(gè)左楔形半環(huán)8被推離外殼1的傾斜內(nèi)表面，兩個(gè)左楔形半環(huán)8內(nèi)表面與輸出桿6接觸不再緊密，輸出桿6處于解鎖狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)壓電堆5加電伸長時(shí)，推動(dòng)輸出桿6驅(qū)動(dòng)負(fù)載，此時(shí)輸出推力，同時(shí)菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電堆5掉電回縮時(shí)，菱形機(jī)構(gòu)4回彈拉動(dòng)輸出桿6驅(qū)動(dòng)負(fù)載，此時(shí)輸出拉力；所述右鉗位機(jī)構(gòu)3的驅(qū)動(dòng)方法同左鉗位機(jī)構(gòu)2。下面對本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方法進(jìn)行詳細(xì)說明：初始狀態(tài)為左壓電環(huán)9、右壓電環(huán)10及驅(qū)動(dòng)壓電堆5均處于掉電狀態(tài)，此時(shí)輸出桿6處于鉗位狀態(tài)；為使輸出桿6輸出向左的拉力，第一步，左壓電環(huán)9通電伸長使得左鉗位機(jī)構(gòu)2解鎖；第二步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5通電伸長，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4產(chǎn)生彈性變形；第三步，左壓電環(huán)9掉電回縮使得左鉗位機(jī)構(gòu)2鉗位；第四步，右壓電環(huán)10通電伸長使得右鉗位機(jī)構(gòu)3解鎖；第五步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5掉電回縮，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力拉動(dòng)輸出桿6向左運(yùn)動(dòng)一步長；第六步，右壓電環(huán)10掉電回縮使得右鉗位機(jī)構(gòu)3鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出桿6以步進(jìn)方式向左運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載；為使輸出桿6向右運(yùn)動(dòng)輸出推力，第一步，右壓電環(huán)10通電伸長使得右鉗位機(jī)構(gòu)3解鎖；第二步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5通電伸長向右推動(dòng)輸出桿6驅(qū)動(dòng)負(fù)載向右運(yùn)動(dòng)一步長，同時(shí)菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4產(chǎn)生彈性變形；第三步，右壓電環(huán)10掉電回縮使得右鉗位機(jī)構(gòu)3鉗位；第四步，左壓電環(huán)9通電伸長使得左鉗位機(jī)構(gòu)2解鎖；第五步，驅(qū)動(dòng)壓電堆5掉電回縮，菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力使輸出桿6向右跟進(jìn)一步長；第六步，左壓電環(huán)9掉電回縮使得左鉗位機(jī)構(gòu)2鉗位，恢復(fù)到初始狀態(tài)；重復(fù)步驟一到六，輸出桿6以步進(jìn)方式向右運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。