一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法
阅读说明：本技术 一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法 (Piezoelectric inertia impact type in-pipe moving device and moving method ) 是由 蒋俊香 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法,属于压电驱动技术领域,本发明为了解决现有惯性冲击式压电驱动器在工作过程中存在的位移回退现象的问题,本发明提供的一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法,基于摩擦调控的原理,在原本的管内运动装置中增加了摩擦调节机构,该摩擦调节机构通过张紧压电陶瓷的伸缩变形能够调节压电驱动器与固定管之间的预压力,进而调节二者间摩擦状态,当致动压电陶瓷产生“慢缓”变形时,摩擦调节机构压紧固定管,可有效保证此过程压电驱动器的静止状态,进而实现压电驱动器无位移回退运动输出。此外,本发明能够通过摩擦调节机构钳位在固定管的内壁,特别适合用于设计管内移动装置。(The invention provides a piezoelectric inertia impact type in-pipe moving device and a moving method, belongs to the technical field of piezoelectric driving, and aims to solve the problem of displacement backspacing in the working process of the conventional inertia impact type piezoelectric driver. In addition, the invention can be clamped on the inner wall of the fixed pipe through the friction adjusting mechanism, and is particularly suitable for designing a moving device in the pipe.)
技术领域
本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法。
背景技术
与传统电磁驱动方式相比，压电驱动器具有结构设计灵活多样、不受电磁干扰、断电可自锁、无需减速机构等独特优势，近年来逐渐成为精密驱动与定位领域的研究热点之一，在精密医疗器械、光学工程、超精密加工、航空航天等领域获得了成功应用。
惯性冲击式压电驱动器是压电驱动器中较为具有代表性的一类，通过对压电陶瓷元件施加锯齿波电信号，激励压电陶瓷元件产生“缓慢”与“快速”交替变形，在惯性冲击力与摩擦复合作用下实现机械运动输出。惯性冲击式压电驱动器具有激励信号简单、易于实现大行程等优势。对于该类压电驱动器，为避免在运动过程中产生位移回退现象，压电陶瓷元件产生“缓慢”变形过程中压电驱动器应保持静止状态，而当前惯性冲击式压电驱动器在“缓慢”变形过程中保持“静止”状态所需的摩擦依赖于压电驱动器与地面间的静摩擦，这就需要严格限制压电驱动器中惯性块与主质量块间的质量配比关系，且对所施加的激励电信号也具有极其严格的要求，如信号变化斜率、占空比、激励频率等，因此当前惯性冲击式压电驱动器在工作过程中通常会产生位移回退现象，劣化了输出性能，进一步限制了惯性冲击式压电驱动器的应用范围。
发明内容
本发明为了解决现有惯性冲击式压电驱动器在工作过程中存在的位移回退现象的问题，进而提供一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法；
一种压电惯性冲击式管内移动装置，所述移动装置设置在固定管中，所述移动装置包括摩擦调节机构、致动机构和质量块，致动机构设置在摩擦调节机构与质量块之间，致动机构的一端与摩擦调节机构一侧的中心处一体设置，致动机构的另一端与质量块一侧的中心处一体设置；
所述摩擦调节机构包括张紧压电陶瓷、摩擦外框和张紧安装座，摩擦外框的两端与所在固定管的管体内壁接触，摩擦外框的中部加工有一号空腔，一号空腔顶部的中心处加工有张紧安装座放置孔，张紧安装座嵌装在张紧安装座放置孔中，张紧压电陶瓷沿竖直方向设置在一号空腔内，张紧压电陶瓷的一端安装在张紧安装座上，张紧压电陶瓷的另一端与一号空腔的底部接触；
所述致动机构包括致动压电陶瓷、致动外框和致动安装座，致动外框内部加工有二号空腔，二号空腔靠近摩擦调节机构的一端端壁上加工有致动安装座放置孔，致动安装座嵌装在致动安装座放置孔中，致动压电陶瓷沿水平方向设置在二号空腔内，致动压电陶瓷的一端安装在致动安装座上，致动压电陶瓷的另一端与二号空腔远离摩擦调节机构的一端端壁接触，致动外框的一端与摩擦外框的一侧的中心处一体设置，致动外框的另一端与质量块一侧的中心处一体设置；
进一步地，所述摩擦调节机构中的每端与固定管的管体内壁之间还设有一个摩擦作用体，每个摩擦作用体与摩擦调节机构的一端拆卸连接；
进一步地，所述摩擦作用体包括一个半球形凸起和多个锁紧螺栓，半球形凸起的弧面部朝向固定管的管体内壁设置，半球形凸起的底部设有连接板，半球形凸起固接在连接板的上表面上，连接板的上表面上加工有多个通孔，多个通孔均环绕半球形凸起设置，摩擦外框的每端上加工有多个螺纹连接孔，每个螺纹连接孔与一个通孔同轴对应设置，每个锁紧螺栓的螺纹部穿过一个通孔并设置在一个螺纹连接孔中，且每个锁紧螺栓与所在的螺纹连接孔螺纹连接；
进一步地，所述张紧压电陶瓷的另一端与一号空腔的底部之间设有两个一号楔形块，一个一号楔形块固定在一号空腔的底部，另一个一号楔形块固定在张紧压电陶瓷的另一端上，且两个一号楔形块的斜面配合设置；
进一步地，所述致动压电陶瓷的另一端与二号空腔远离摩擦调节机构的一端端壁之间设有两个二号楔形块，一个二号楔形块固定在二号空腔远离摩擦调节机构一端的端壁上，另一个二号楔形块固定在致动压电陶瓷的另一端上，且两个二号楔形块的斜面配合设置；
进一步地，所述所述固定管的横截面为圆形、长方形或正K边形；所述K的取值为大于等于4的偶数；
进一步地，所述质量块的外部尺寸小于摩擦调节机构的外部尺寸；
一种压电惯性冲击式管内移动装置的移动方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：对张紧压电陶瓷保持施加高电平的激励电信号，张紧压电陶瓷保持伸长状态，摩擦调节机构通过两端的半球形凸起始终与固定管的内壁压紧设置；
步骤二：对致动压电陶瓷施加缓慢上升的电信号，致动压电陶瓷缓慢伸长，质量块缓慢朝向远离摩擦调节机构的方向运动；
步骤三：对致动压电陶瓷和张紧压电陶瓷同时施加电信号；其中致动压电陶瓷施加快速下降的电信号，致动压电陶瓷快速收缩，质量块快速向摩擦调节机构所在方向运动；张紧压电陶瓷的激励电信号保持低电平，张紧压电陶瓷保持收缩状态，摩擦调节机构未压紧固定管；致动压电陶瓷向摩擦调节机构所在方向的快速运动对摩擦调节机构产生惯性冲击力大于最大静摩擦力时，致动压电陶瓷带动摩擦调节机构朝向质量块所在方向收缩，该管内移动装置朝向质量块所在方向移动一次；所述最大静摩擦力是指摩擦调节机构相对固定管内壁的最大静摩擦力；
步骤四：重复步骤一至步骤三，实现固定管内移动装置向质量块所在方向的连续运动。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法，基于摩擦调控的原理，在原本的管内运动装置中增加了摩擦调节机构，该摩擦调节机构通过张紧压电陶瓷的伸缩变形能够调节压电驱动器与固定管之间的预压力，进而调节二者间摩擦状态，当致动压电陶瓷产生“慢缓”变形时，摩擦调节机构压紧固定管，可有效保证此过程压电驱动器的静止状态，进而实现压电驱动器无位移回退运动输出。此外，本发明能够通过摩擦调节机构钳位在固定管的内壁，特别适合用于设计管内移动装置。
2、本发明提供的一种压电惯性冲击式管内移动装置及移动方法，结构简单，安装方便，可以在多种不同截面的复杂管系中进行普遍应用，同时其移动方法稳定牢靠，有效避免了惯性冲击式压电驱动器在工作过程中出现位移回退的现象。
附图说明
图1为本发明的压电惯性冲击式管内移动装置结构示意图；
图2为本发明的移动方法中张紧压电陶瓷施加激励信号示意图；
图3为本发明的移动方法中致动压电陶瓷施加激励信号示意图；
图4为本发明的移动方法中移动装置工作原理图；
其中：1固定管、2摩擦调节机构、201张紧压电陶瓷、202摩擦外框、203张紧安装座、204一号楔形块、205半球形凸起、206锁紧螺栓、3致动机构、301致动压电陶瓷、302致动外框、303致动安装座、304二号楔形块和4质量块。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式提供一种压电惯性冲击式管内移动装置，所述移动装置设置在固定管1中，所述移动装置包括摩擦调节机构2、致动机构3和质量块4，致动机构3设置在摩擦调节机构2与质量块4之间，致动机构3的一端与摩擦调节机构2一侧的中心处一体设置，致动机构3的另一端与质量块4一侧的中心处一体设置；
所述摩擦调节机构2包括张紧压电陶瓷201、摩擦外框202和张紧安装座203，摩擦外框202的两端与所在固定管1的管体内壁接触，摩擦外框202的中部加工有一号空腔，一号空腔顶部的中心处加工有张紧安装座放置孔，张紧安装座203嵌装在张紧安装座放置孔中，张紧压电陶瓷201沿竖直方向设置在一号空腔内，张紧压电陶瓷201的一端安装在张紧安装座203上，张紧压电陶瓷201的另一端与一号空腔的底部接触；
所述致动机构3包括致动压电陶瓷301、致动外框302和致动安装座303，致动外框302内部加工有二号空腔，二号空腔靠近摩擦调节机构2的一端端壁上加工有致动安装座放置孔，致动安装座303嵌装在致动安装座放置孔中，致动压电陶瓷301沿水平方向设置在二号空腔内，致动压电陶瓷301的一端安装在致动安装座303上，致动压电陶瓷301的另一端与二号空腔远离摩擦调节机构2的一端端壁接触，致动外框302的一端与摩擦外框202的一侧的中心处一体设置，致动外框302的另一端与质量块4一侧的中心处一体设置。
本实施方式中，摩擦外框202和致动外框302的材质相同，均采用7075航空铝或65Mn材料制作而成，摩擦调节机构2、致动机构3和质量块4为一体件，可通过线切割工艺一体加工而成，其整体作为动子在固定管1内沿直线左右移动。
具体实施方式二：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的摩擦调节机构2作进一步限定，本实施方式中，所述摩擦调节机构2中的每端与固定管1的管体内壁之间还设有一个摩擦作用体，每个摩擦作用体与摩擦调节机构2的一端拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，摩擦作用体为了保证摩擦调节机构2可以与所在固定管1的内壁更好贴合，达到一个较大的接触面积，便于摩擦调节机构2在对管体内壁进行张紧时可以达到多点施力的效果，避免了产生打滑失效的问题，保证了摩擦调节机构2在张紧后的稳定性。
具体实施方式三：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的摩擦作用体作进一步限定，本实施方式中，所述摩擦作用体包括一个半球形凸起205和多个锁紧螺栓206，半球形凸起205的弧面部朝向固定管1的管体内壁设置，半球形凸起205的底部设有连接板，半球形凸起205固接在连接板的上表面上，连接板的上表面上加工有多个通孔，多个通孔均环绕半球形凸起205设置，摩擦外框202的每端上加工有多个螺纹连接孔，每个螺纹连接孔与一个通孔同轴对应设置，每个锁紧螺栓206的螺纹部穿过一个通孔并设置在一个螺纹连接孔中，且每个锁紧螺栓206与所在的螺纹连接孔螺纹连接。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
本实施方式中，摩擦作用体主要针对于管体为圆管的情况，因此摩擦作用体采用了半球形凸起的设计，为了更加适应于管体内壁结构，对于截面为正多变形或是长方形的管体，摩擦作用体可以再用平凸起设置，同时为了进一步提高摩擦力，保护管体内壁的目的，也可以在摩擦作用体于管壁的接触面上贴附有橡胶膜。
具体实施方式四：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的张紧压电陶瓷201作进一步限定，本实施方式中，所述张紧压电陶瓷201的另一端与一号空腔的底部之间设有两个一号楔形块204，一个一号楔形块204固定在一号空腔的底部，另一个一号楔形块204固定在张紧压电陶瓷201的另一端上，且两个一号楔形块204的斜面配合设置。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
如此设置，通过两个一号楔形块204相互配合实现预紧力的施压，有利于提高张紧压电陶瓷201在对管体施加预紧力时移动装置的稳定性。
具体实施方式五：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的致动压电陶瓷301作进一步限定，本实施方式中，所述致动压电陶瓷301的另一端与二号空腔远离摩擦调节机构2的一端端壁之间设有两个二号楔形块304，一个二号楔形块304固定在二号空腔远离摩擦调节机构2一端的端壁上，另一个二号楔形块304固定在致动压电陶瓷301的另一端上，且两个二号楔形块304的斜面配合设置。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
如此设置，通过两个二号楔形块304相互配合实现预紧力的施压，有利于提高致动压电陶瓷301在对管体施加预紧力时移动装置的稳定性。
具体实施方式六：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的固定管1作进一步限定，本实施方式中，所述固定管1的横截面为圆形、长方形或正K边形；所述K的取值为大于等于4的偶数。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的质量块4作进一步限定，本实施方式中，所述质量块4的外部尺寸小于摩擦调节机构2的外部尺寸。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
本发明中提供的移动装置，其移动动作的实质是动作前后摩擦调节机构2的相对位移量就是移动装置单次行走的位移量，如果质量块4的外部尺寸大于摩擦调节机构2的外部尺寸，容易与管体内壁接触，造成动作时的干涉，容易影响单次动作前后摩擦调节机构2的相对位移量，间距影响了移动装置单次行走的位移距离。
具体实施方式八：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式提供一种压电惯性冲击式管内移动装置的移动方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：对张紧压电陶瓷201保持施加高电平的激励电信号，张紧压电陶瓷201保持伸长状态，摩擦调节机构2通过两端的半球形凸起205始终与固定管1的内壁压紧设置；
步骤二：对致动压电陶瓷301施加缓慢上升的电信号，致动压电陶瓷301缓慢伸长，质量块4缓慢朝向远离摩擦调节机构2的方向运动；
步骤三：对致动压电陶瓷301和张紧压电陶瓷201同时施加电信号；其中致动压电陶瓷301施加快速下降的电信号，致动压电陶瓷301快速收缩，质量块4快速向摩擦调节机构2所在方向运动；张紧压电陶瓷201的激励电信号保持低电平，张紧压电陶瓷201保持收缩状态，摩擦调节机构2未压紧固定管1；致动压电陶瓷301向摩擦调节机构2所在方向的快速运动对摩擦调节机构2产生惯性冲击力大于最大静摩擦力时，致动压电陶瓷301带动摩擦调节机构2朝向质量块4所在方向收缩，该管内移动装置朝向质量块4所在方向移动一次；所述最大静摩擦力是指摩擦调节机构2相对固定管1内壁的最大静摩擦力；
步骤四：重复步骤一至步骤三，实现固定管1内移动装置向质量块4所在方向的连续运动。
本实施方式中，步骤二中致动压电陶瓷301施加缓慢上升的电信号，致动压电陶瓷301缓慢伸长，质量块4缓慢质量块4所在方向运动；此过程固定管11和摩擦调节机构2之间无相对运动；这里的缓慢上升具体指：一个信号周期是T，缓慢上升的时间大于T/2；这里的缓慢伸长是指随着缓慢上升的电信号进行伸长的；
步骤三中参见附图3，t1-t2时刻，致动压电陶瓷301和张紧压电陶瓷201同时施加电信号；其中致动压电陶瓷301施加快速下降的电信号，致动压电陶瓷301快速收缩，质量块4快速向摩擦调节机构2所在方向运动；张紧压电陶瓷201的激励电信号保持低电平，张紧压电陶瓷201保持收缩状态，摩擦调节机构2未压紧固定管1；致动压电陶瓷301向摩擦调节机构2所在方向的快速运动对摩擦调节机构2产生惯性冲击力大于最大静摩擦力时，该管内移动装置向质量块4所在方向移动一次；所述最大静摩擦力是指摩擦调节机构2相对固定管1内壁的最大静摩擦力；所述惯性冲击力的方向为向着质量块4的方向，因此惯性冲击力大于最大摩擦力时，会向质量块4方向移动；这里的快速下降具体指：一个信号周期是T，而快速下降的时间小于T/2；这里的快速收缩是指随着致动压电陶瓷301施加快速下降的电信号而收缩的。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
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