CN106026763B - 一种压电陶瓷驱动的三自由度角度调节装置及调节方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置，由位于底部的Z方向偏转机构、以及安装在底部的X方向偏转机构、安装X方向偏转机构上的Y方向偏转机构和安装在偏转机构角度输出的偏转块上的载物台组成；Z方向偏转机构位于底部，由安装基板和两个带预紧的压电堆组成；Z方向偏转机构内的压电堆在大小和方向相同的电压下输出Z方向偏转；X方向偏转机构和Y方向偏转机构原理类似，包含偏转机构框架和一对压电堆，X方向偏转机构和Y方向偏转机构垂直安装，整体垂直于Z方向偏转机构平面；当某一偏转机构内的一对压电堆在差分电压作用下产生差分位移，并在柔性铰链的导向作用下使偏转块产生角位移输出；本发明由于三个轴独立驱动，无摩擦，可实现三自由度大范围、高精度调节。

Description

一种压电陶瓷驱动的三自由度角度调节装置及调节方法
技术领域
本发明属于精密仪器技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置及调节方法。
背景技术
随着航天工程等学科的迅速发展，高精度姿态调节机构在目标扫描探测、跟踪、瞄准以及天文望远镜、图像稳定控制、航天器通讯精确指向等方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。
以音圈电机为核心器件的电磁类作动装置，往往具有体积大，工作时有电磁泄漏，且位置保持时功耗大、发热严重等不足。
基于传统摩擦铰链的连接方式，存在传动精度低、器件磨损，以及为了减少磨损而采用润滑导致的器件污染。
压电作动器具有尺寸小、重量轻、功耗低、响应快、作动精度高、输出力大、发热小等特点，广泛应用于高精度调节和作动机构中。
基于柔性铰链的传动基于结构的弹性变形，传动精度高，无摩擦，无需润滑等优点。
发明内容
为了避免上述音圈电机及摩擦铰链的不足，本发明的目的在于提供基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置及调节方法，本发明装置能够使所驱动的对象独立沿X、Y、Z方向偏转；该装置具有尺寸小、重量轻、无机械摩擦、能快速响应、角度保持功耗低、三自由度独立调整的特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置，包括依次连接的Z方向偏转机构1、X方向偏转机构2、Y方向偏转机构3和载物台4；所述Z方向偏转机构1位于XOY平面内，为装置的安装底座，X方向偏转机构2位于YOZ平面内，Y方向偏转机构3位于XOZ平面内；
所述Z方向偏转机构1由安装基板1-1、第一带预压力的压电堆作动器1-2、第一Z方向偏转梁1-3、第二带预压力的压电堆作动器1-4、Z方向偏转块1-5和第二Z方向偏转梁1-6组成；所述安装基板1-1分别与第一Z方向偏转梁1-3和第二Z方向偏转梁1-6通过柔性铰链连接；第一Z方向偏转梁1-3和第二Z方向偏转梁1-6与Z方向偏转块1-5通过柔性铰链连接；Z方向偏转块1-5无铰链的两侧为安装凹槽；第一带预压力的压电堆作动器1-2和第二带预压力的压电堆作动器1-4安装在安装基板1-1内，一端嵌入安装基板1-1内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第二Z方向偏转梁1-6和第一Z方向偏转梁1-3连接的槽内；
所述X方向偏转机构2由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括形状为向上“凹”形的具有较大刚度的轴对称的金属框形成的基座2-1，基座2-1内部的凹槽用于与Y方向偏转机构3安装配合用，基座2-1内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5相连；第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5的内侧通过内侧柔性铰链与X方向偏转块2-4相连；X方向偏转块2-4为向下“凹”形的金属块，用于和Y方向偏转机构3中的Y方向偏转块安装配合用；基座2-1的底部有两个突出的金属块，形成下凹安装槽2-8，用于与Z方向偏转机构1上的Z方向偏转块1-5的安装凹槽实现安装用；第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5靠近基座2-1处的下端分别设置有用底部柔性铰链连接的金属帽，用于安装压电堆并起导向做用；第一X方向压电堆2-2和第二X方向压电堆2-6下端安装在基座2-1上，上端通过金属帽与第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5相连；
所述Y方向偏转机构3由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括刚性基座3-1，刚性基座3-1底部有一个凹槽用于和X方向偏转机构2的底部凹槽，通过加工尺寸的约束实现定位配合；刚性基座3-1内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5相连接；第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5靠近刚性基座3-1处的底端通过底部柔性铰链与压电堆安装帽相连接；第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5的内侧通过内侧柔性铰链与Y方向偏转块3-4连接；Y方向偏转块3-4为上表面带有凹槽的金属块，凹槽用于和X方向偏转块2-4安装配合；第一Y方向压电堆3-2和第二Y方向压电堆3-6下端安装在刚性基座3-1上，上端分别安装在第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5压电堆安装帽上；
所述载物台4上表面为物体安装平面，形状根据对象设定；底部为X、Y双向的凹槽分别用于与X方向偏转块2-4和Y方向偏转块3-4相连，安装后的X方向偏转块2-4与Y方向偏转块3-4成为一个整体。
Z方向偏转机构1和X方向偏转机构2之间相配合部分通过螺钉连接；X偏转的偏转机构2和Y方向偏转机构3之间配合部分通过螺钉连接；载物台4与X方向偏转机构2与Y方向偏转机构3安装后的偏转块通过螺钉连接；载物台4上留有安装孔，以便搭载物体安装。
上述基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置的调节方法：
对于所述Z方向偏转机构1，当安装在Z方向偏转机构1内的第一带预压力的压电堆作动器1-2和第二带预压力的压电堆作动器1-4在一对大小相等方向相同的电压作用下，基于压电材料的逆压电效应，压电堆产生大小相等方向相反的一对位移，第一带预压力的压电堆作动器1-2和第二带预压力的压电堆作动器1-4分别通过柔性铰链推动相连的第二Z方向偏转梁1-6和第一Z方向偏转梁1-3沿伸长方向产生偏转，进而通过柔性铰链驱动位于中间的Z方向偏转块1-5产生偏转；Z方向偏转块1-5带动整个调节装置产生Z方向的偏转；
对于所述X方向偏转机构2，当安装在X方向偏转机构2内的第一X方向压电堆2-2和第二X方向压电堆2-6基于逆压电效应，在一对差分电压作用下产生一对差分形式位移输出，第一X方向压电堆2-2和第二X方向压电堆2-6分别通过底部柔性铰链推动相连的第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5绕着外侧柔性铰链偏转，进而通过内侧柔性铰链驱动位于中间的X方向偏转块2-4绕着X轴偏转，从而带动载物台4实现X轴方向上的偏转；
对于所述Y方向偏转机构3，当安装在Y方向偏转机构3内的第一Y方向压电堆3-2和第二Y方向压电堆3-6基于逆压电效应，在一对差分电压作用下，产生一对差分形式位移输出，第一Y方向压电堆3-2和第二Y方向压电堆3-6通过底部柔性铰链推动相连的第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5绕着外侧柔性铰链偏转，进而通过内侧柔性铰链驱动位于中间的Y方向偏转块3-4绕着Y轴偏转，从而带动载物台4实现Y方向上的偏转；
所述X、Y、Z方向上的偏转均为独立驱动，X、Y输出相互影响小，与Z向输出独立；整个装置无机械摩擦，实现三轴高精度角度独立调节。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)、结构紧凑，尺寸小，重量轻。
2)、三轴独立驱动，无机械摩擦，精度高。
3)、在满行程时可输出较大角位移，若角度输出小时，可实现较
低的驱动电压和较低的功耗，增加了装置实用性。
附图说明
图1为本发明装置装配图。
图2为Z方向偏转机构。
图3为X方向偏转机构。
图4为Y方向偏转机构。
图5为各轴偏转示意图。
具体实施方式
本发明一种基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置，包括Z方向偏转机构1、X方向偏转机构2、Y方向偏转机构3和载物台4。装配图如图1所示，X方向偏转机构3和Y方向偏转机构3垂直安装，整体垂直于Z方向偏转机构1平面。
如图2所示，Z方向偏转机构1由安装基板1-1、第一带预压力的压电堆作动器1-2、第一Z方向偏转梁1-3、第二带预压力的压电堆作动器1-4、Z方向偏转块1-5和第二Z方向偏转梁1-6组成；所述安装基板1-1分别与第一Z方向偏转梁1-3和第二Z方向偏转梁1-6通过柔性铰链连接；第一Z方向偏转梁1-3和第二Z方向偏转梁1-6与Z方向偏转块1-5通过柔性铰链连接；Z方向偏转块1-5无铰链的两侧为安装凹槽；第一带预压力的压电堆作动器1-2和第二带预压力的压电堆作动器1-4安装在安装基板1-1内，一端嵌入安装基板1-1内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第二Z方向偏转梁1-6和第一Z方向偏转梁1-3连接的槽内。
如图3所示，X方向偏转机构2由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括形状为向上“凹”形的具有较大刚度的轴对称的金属框形成的基座2-1，基座2-1内部的凹槽用于与Y方向偏转机构3安装配合用，基座2-1内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5相连；第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5的内侧通过内侧柔性铰链与X方向偏转块2-4相连；X方向偏转块2-4为向下“凹”形的金属块，用于和Y方向偏转机构3中的Y方向偏转块安装配合用；基座2-1的底部有两个突出的金属块，形成下凹安装槽2-8，用于与Z方向偏转机构1上的Z方向偏转块1-5的安装凹槽实现安装用；第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5靠近基座2-1处的下端分别设置有用底部柔性铰链连接的金属帽，用于安装压电堆并起导向做用；第一X方向压电堆2-2和第二X方向压电堆2-6下端安装在基座2-1上，上端通过金属帽与第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5相连。
如图4所示，Y方向偏转机构3位于XOZ面内，由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括刚性基座3-1，刚性基座3-1底部有一个凹槽用于和X方向偏转机构2的底部凹槽，通过加工尺寸的约束实现定位配合；刚性基座3-1内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5相连接；第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5靠近刚性基座3-1处的底端通过底部柔性铰链与压电堆安装帽相连接；第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5的内侧通过内侧柔性铰链与Y方向偏转块3-4连接；Y方向偏转块3-4为上表面带有凹槽的金属块，凹槽用于和X方向偏转块2-4安装配合，安装后的X方向偏转块2-4与Y方向偏转块3-4成为一个整体；第一Y方向压电堆3-2和第二Y方向压电堆3-6下端安装在刚性基座3-1上，上端分别安装在第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5压电堆安装帽上。
载物台4上表面为物体安装平面，形状可以根据对象设定；底部为X、Y双向的凹槽分别用于与X方向偏转块2-4和Y方向偏转块3-4相连。
为了详细说明各个机构的位置及其安装关系，引入三维坐标系。Z方向偏转机构1位于底部XOY平面内，为装置的安装底座；X方向偏转机构2位于YOZ平面内。底部通过下凹安装槽2-8与Z方向偏转机构1上的Z方向偏转块1-5的安装槽实现安装定位。Y方向偏转机构3位于XOZ平面内，Y方向偏转机构3底部通过凹槽与X方向偏转机构2的底部凹槽实现定位配合，X方向偏转机构2和Y方向偏转机构3二者垂直安装，定位可通过加工尺寸保证。同时，Y方向偏转机构3的Y方向偏转块3-4向上的凹槽与X方向偏转机构2顶部X方向偏转块2-4向下凹槽配合。安装后的X方向偏转块2-4的Y方向偏转块3-4成为一个整体。
载物台底部通过双向凹槽与安装后的整体偏转块定位配合。
Z方向偏转机构1和X方向偏转机构2之间相配合部分通过螺钉连接；X方向偏转机构2和Y方向偏转机构3之间配合部分通过螺钉连接；载物台4和X方向偏转机构2与Y方向偏转机构3配合后的二维偏转台通过螺钉连接。载物台4上留有安装孔，以便搭载物体安装。
上述基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置的调节方法：
对于所述Z方向偏转机构1，当安装在Z方向偏转机构1内的第一带预压力的压电堆作动器1-2和第二带预压力的压电堆作动器1-4在一对大小相等方向相同的电压作用下，基于压电材料的逆压电效应，压电堆产生大小相等方向相反的一对位移，第一带预压力的压电堆作动器1-2和第二带预压力的压电堆作动器1-4分别通过柔性铰链推动相连的第二Z方向偏转梁1-6和第一Z方向偏转梁1-3沿伸长方向产生偏转，进而通过柔性铰链驱动位于中间的Z方向偏转块1-5产生偏转；Z方向偏转块1-5带动整个调节装置产生Z方向的偏转。
对于所述X方向偏转机构2，当安装在X方向偏转机构2内的第一X方向压电堆2-2和第二X方向压电堆2-6基于逆压电效应，在一对差分电压作用下产生一对差分形式位移输出，第一X方向压电堆2-2和第二X方向压电堆2-6分别通过底部柔性铰链推动相连的第一X方向偏转梁2-3和第二X方向偏转梁2-5绕着外侧柔性铰链偏转，进而通过内侧柔性铰链驱动位于中间的X方向偏转块2-4绕着X轴偏转，从而带动载物台4实现X轴方向上的偏转。
对于所述Y方向偏转机构3，当安装在Y方向偏转机构3内的第一Y方向压电堆3-2和第二Y方向压电堆3-6基于逆压电效应，在一对差分电压作用下，产生一对差分形式位移输出，第一Y方向压电堆3-2和第二Y方向压电堆3-6通过底部柔性铰链推动相连的第一Y方向偏转梁3-3和第二Y方向偏转梁3-5绕着外侧柔性铰链偏转，进而通过内侧柔性铰链驱动位于中间的Y方向偏转块3-4绕着Y轴偏转，从而带动载物台4实现Y方向上的偏转。
所述Z方向偏转机构1、X方向偏转机构2、Y方向偏转机构3结构设计所用偏转原理一致，如图5所示，L1为偏转梁压电堆驱动铰链中心至外侧柔性铰链中心的距离，L2为偏转梁压电堆驱动铰链中心距内侧与偏转块连接铰链中心的距离，L3为偏转块在相应偏转机构所在面内的截面宽度，若压电堆驱动下产生δ1的沿压电堆轴向的位移，则偏转梁端部近似产生δ2的位移。则中间偏转块带动载物台偏转角度α可以近似为：
所述X、Y、Z方向上的偏转均为独立驱动，X、Y输出相互影响小，与Z向输出独立。整个装置无机械摩擦，可以实现三轴高精度角度独立调节。

Claims (3)

1.一种基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置，其特征在于：包括依次连接的Z方向偏转机构(1)、X方向偏转机构(2)、Y方向偏转机构(3)和载物台(4)；所述Z方向偏转机构(1)位于XOY平面内，为装置的安装底座，X方向偏转机构(2)位于YOZ平面内，Y方向偏转机构(3)位于XOZ平面内；
所述Z方向偏转机构(1)由安装基板(1-1)、第一带预压力的压电堆作动器(1-2)、第一Z方向偏转梁(1-3)、第二带预压力的压电堆作动器(1-4)、Z方向偏转块(1-5)和第二Z方向偏转梁(1-6)组成；所述安装基板(1-1)分别与第一Z方向偏转梁(1-3)和第二Z方向偏转梁(1-6)通过柔性铰链连接；第一Z方向偏转梁(1-3)和第二Z方向偏转梁(1-6)与Z方向偏转块(1-5)通过柔性铰链连接；Z方向偏转块(1-5)无铰链的两侧为安装凹槽；第一带预压力的压电堆作动器(1-2)和第二带预压力的压电堆作动器(1-4)安装在安装基板(1-1)内，一端嵌入安装基板(1-1)内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第二Z方向偏转梁(1-6)和第一Z方向偏转梁(1-3)连接的槽内；
所述X方向偏转机构(2)由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括形状为向上“凹”形的轴对称的金属框形成的基座(2-1)，基座(2-1)内部的凹槽用于与Y方向偏转机构(3)安装配合用，基座(2-1)内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一X方向偏转梁(2-3)和第二X方向偏转梁(2-5)相连；第一X方向偏转梁(2-3)和第二X方向偏转梁(2-5)的内侧通过内侧柔性铰链与X方向偏转块(2-4)相连；X方向偏转块(2-4)为向下“凹”形的金属块，用于和Y方向偏转机构(3)中的Y方向偏转块安装配合用；基座(2-1)的底部有两个突出的金属块，形成下凹安装槽(2-8)，用于与Z方向偏转机构(1)上的Z方向偏转块(1-5)的安装凹槽实现安装用；第一X方向偏转梁(2-3)和第二X方向偏转梁(2-5)靠近基座(2-1)处的下端分别设置有用底部柔性铰链连接的金属帽，用于安装压电堆并起导向作用；第一X方向压电堆(2-2)和第二X方向压电堆(2-6)下端安装在基座(2-1)上，上端通过金属帽与第一X方向偏转梁(2-3)和第二X方向偏转梁(2-5)相连；
所述Y方向偏转机构(3)由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括刚性基座(3-1)，刚性基座(3-1)底部有一个凹槽用于和X方向偏转机构(2)的底部凹槽实现定位配合，所述Y方向偏转机构(3)和X方向偏转机构(2)垂直安装，并通过加工尺寸来保证配合；刚性基座(3-1)内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一Y方向偏转梁(3-3)和第二Y方向偏转梁(3-5)相连接；第一Y方向偏转梁(3-3)和第二Y方向偏转梁(3-5)靠近刚性基座(3-1)处的端通过底部柔性铰链与压电堆安装帽相连接；第一Y方向偏转梁(3-3)和第二Y方向偏转梁(3-5)的内侧通过内侧柔性铰链与Y方向偏转块(3-4)连接；Y方向偏转块(3-4)为上表面带有凹槽的金属块，凹槽用于和X方向偏转块(2-4)安装配合；第一Y方向压电堆(3-2)和第二Y方向压电堆(3-6)下端安装在刚性基座(3-1)上，上端分别安装在第一Y方向偏转梁(3-3)和第二Y方向偏转梁(3-5)压电堆安装帽上；
所述载物台(4)上表面为物体安装平面，形状根据对象设定；底部为X、Y双向的凹槽分别用于与X方向偏转块(2-4)和Y方向偏转块(3-4)相连，安装后的X方向偏转块(2-4)与Y方向偏转块(3-4)成为一个整体。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置，其特征在于：所述Z方向偏转机构(1)和X方向偏转机构(2)之间相配合部分通过螺钉连接，X方向偏转机构(2)和Y方向偏转机构(3)之间配合部分通过螺钉连接，载物台(4)与X方向偏转机构(2)和Y方向偏转机构(3)安装后的偏转块通过螺钉连接。
3.权利要求1所述基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置的调节方法：其特征在于：
对于所述Z方向偏转机构(1)，当安装在Z方向偏转机构(1)内的第一带预压力的压电堆作动器(1-2)和第二带预压力的压电堆作动器(1-4)在一对大小相等方向相同的电压作用下，基于压电材料的逆压电效应，压电堆产生大小相等方向相反的一对位移，第一带预压力的压电堆作动器(1-2)和第二带预压力的压电堆作动器(1-4)分别通过柔性铰链推动相连的第二Z方向偏转梁(1-6)和第一Z方向偏转梁(1-3)沿伸长方向产生偏转，进而通过柔性铰链驱动位于中间的Z方向偏转块(1-5)产生偏转；Z方向偏转块(1-5)带动整个调节装置产生Z方向的偏转；
对于所述X方向偏转机构(2)，当安装在X方向偏转机构(2)内的第一X方向压电堆(2-2)和第二X方向压电堆(2-6)基于逆压电效应，在一对差分电压作用下产生一对差分形式位移输出，第一X方向压电堆(2-2)和第二X方向压电堆(2-6)分别通过底部柔性铰链推动相连的第一X方向偏转梁(2-3)和第二X方向偏转梁(2-5)绕着外侧柔性铰链偏转，进而通过内侧柔性铰链驱动位于中间的X方向偏转块(2-4)绕着X轴偏转，从而带动载物台(4)实现X轴方向上的偏转；
对于所述Y方向偏转机构(3)，当安装在Y方向偏转机构(3)内的第一Y方向压电堆(3-2)和第二Y方向压电堆(3-6)基于逆压电效应，在一对差分电压作用下，产生一对差分形式位移输出，第一Y方向压电堆(3-2)和第二Y方向压电堆(3-6)通过底部柔性铰链推动相连的第一Y方向偏转梁(3-3)和第二Y方向偏转梁(3-5)绕着外侧柔性铰链偏转，进而通过内侧柔性铰链驱动位于中间的Y方向偏转块(3-4)绕着Y轴偏转，从而带动载物台(4)实现Y方向上的偏转；
所述X、Y、Z方向上的偏转均为独立驱动，X、Y输出相互影响小，与Z向输出独立；整个装置无机械摩擦，实现三轴高精度角度独立调节。
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