CN106229012A - 一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台 - Google Patents

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Abstract

一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，包括刚性基底，刚性基底的两侧和菱形位移放大机构的一个第一刚性输出端连接，菱形位移放大机构的另一个第一刚性输出端和桥形位移放大机构的一个第二刚性输入端连接，菱形位移放大机构的两个第一刚性输入端上连接有压电陶瓷，菱形位移放大机构由柔性臂、两个第一刚性输入端和两个第一刚性输出端连接构成基于三角原理的柔性机构，桥形位移放大机构是由两个柔性梁、两个第二刚性输入端和一个第二刚性输出端组成的“拱桥”形柔性机构，其中两个对称的柔性梁构成桥形位移放大机构的斜边，本发明可以实现大行程和高带宽的高精度位移输出，结构简单和紧凑。

Description

一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台
技术领域
本发明属于精密定位平台技术领域，尤其涉及一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台。
背景技术
目前，公知的精密定位平台主要有三种类型，第一类是机械传动式定位平台，例如螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等以及它们的组合机构。机械传动式定位平台最大的优点是行程大和输出刚度大，但是存在机械间隙和摩擦磨损等缺点,机构的运动灵敏度和定位精度难以大幅度提高；第二类是通过直线电机或超声马达等实现精密定位，定位精度得到一定程度的提高而且具有良好的频率响应等优点，但系统相对复杂，尤其是针对多自由度定位平台，需要设计多个体积庞大的电气拖动装置；第三类是采用压电陶瓷、磁致伸缩等智能材料来实现精密驱动与定位。
由于压电陶瓷具有高分辨率、高刚度和出力大等优点，广泛应用于精密驱动与控制，但是压电陶瓷的输出位移极小，即使是堆叠型压电陶瓷，其输出位移一般不超过自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多数压电陶瓷驱动的精密定位平台均是采用压电陶瓷和柔性铰链来组成柔性机构，实现高精度的位移和力输出。目前公知的精密定位平台其自由度多为两自由度，通过复杂的机构设计也能实现大于两个自由度的位移输出，但是输出位移、输出刚度以及平台固有频率之间总是互相约束，要实现大位移输出必然要以损失固有频率为代价。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，可以实现大行程和高带宽的高精度位移输出，结构简单和紧凑。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，包括刚性基底1，刚性基底1的两侧和菱形位移放大机构2的一个第一刚性输出端8连接，菱形位移放大机构2的另一个第一刚性输出端8和桥形位移放大机构3的一个第二刚性输入端9连接，菱形位移放大机构2的两个第一刚性输入端7上连接有压电陶瓷4。
所述的菱形位移放大机构2由柔性臂5、两个第一刚性输入端7和两个第一刚性输出端8连接构成基于三角原理的柔性机构，压电陶瓷4通过预紧力安装于两个第一刚性输入端7之间，第一刚性输出端8上设有第一螺纹孔6。
所述的桥形位移放大机构3是由两个柔性梁10、两个第二刚性输入端9和一个第二刚性输出端11组成的“拱桥”形柔性机构，其中两个对称的柔性梁10构成桥形位移放大机构的斜边，第二刚性输出端11设有第二螺纹孔12。
所述的桥形位移放大机构3的两个对称第二刚性输入端9分别与两个上下并列的菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8通过螺栓刚性连接。
所述的桥形位移放大机构3的每个第二刚性输入端9分别与由两个以上的菱形位移放大机构2串联组成的两组菱形位移放大机构的输出端连接，连接方式为菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8首尾通过螺栓刚性连接。
所述的菱形位移放大机构2和桥形位移放大机构3中采用的柔性铰链是圆形、椭圆或直角型柔性铰链。
设菱形位移放大机构2在第一刚性输出端8的输出位移方向为X方向，桥形位移放大机构3在第二刚性输出端11的输出位移方向为Y方向，具体的三个自由度实现方法如下：
1)桥形位移放大机构3每个第二刚性输入端9的两组菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8同时按相同的方向沿着X轴向左或向右运动时，桥形位移放大机构3的第二刚性输出端11水平向左或向右平动，实现X方向的平动自由度；
2)桥形位移放大机构3一个第二刚性输入端9的两组菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8与桥形位移放大机构3另一个对称第二刚性输入端9的两组菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8沿着X轴，按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的第二刚性输出端11将沿着Y方向垂直上升或垂直下降，实现Y方向的平动自由度；
3)为了实现转动自由度，分别驱动桥形位移放大机构3两个对称第二刚性输入端9的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构2沿着X轴，按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的第二刚性输出端11将发生转动，实现转动自由度。
本发明的有益效果在于：
本发明采用两级位移放大以及不同的驱动组合来实现三个自由度运动，结构简单和紧凑，同时采用多个菱形位移放大机构串联和并联，输出位移大，能达到毫米量级；另一方面，由于桥形位移放大机构的结构特点，整个精密定位平台的固有频率高而且输出刚度大，可以实现大行程和高带宽的高精度位移输出。
附图说明
图1是本发明的三维立体图。
图2是本发明的正视图。
图3是本发明的俯视图。
图4是本发明菱形位移放大机构示意图。
图5是本发明桥形位移放大机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示，一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，包括刚性基底1，刚性基底1的两侧和菱形位移放大机构2的一个第一刚性输出端8经第一螺纹孔6通过螺栓连接，菱形位移放大机构2的另一个第一刚性输出端8和桥形位移放大机构3的一个第二刚性输入端9经第一螺纹孔6通过螺栓连接，菱形位移放大机构2的两个第一刚性输入端7上连接有压电陶瓷4。
如图4所示，所述的菱形位移放大机构2由柔性臂5、两个第一刚性输入端7和两个第一刚性输出端8连接构成基于三角原理的柔性机构，压电陶瓷4通过预紧力安装于两个第一刚性输入端7之间，第一刚性输出端8上设有第一螺纹孔6，压电陶瓷4利用逆压电效应产生横向位移和力，驱动柔性臂5产生弯曲变形进而在刚性输出端8产生放大了的纵向输出位移和输出力。
如图5所示，所述的桥形位移放大机构3是由两个柔性梁10、两个第二刚性输入端9和一个第二刚性输出端11组成的“拱桥”形柔性机构，其中两个对称的柔性梁10构成桥形位移放大机构的斜边，第二刚性输出端11设有第二螺纹孔12，第二螺纹孔12刚性连接被驱动对象,桥形位移放大机构3由电火花切割工艺加工。
本发明的工作原理为：菱形位移放大机构2的输出力驱动桥形位移放大机构3，作为桥形位移放大机构3的输出力，使桥形位移放大机构3的柔性梁10产生弯曲变形，进而在第二刚性输出端11产生输出位移和输出力；压电陶瓷4与菱形位移放大机构2组成第一级微位移放大输出，菱形位移放大机构2的输出位移又作为桥形位移放大机构3的输入，因此整个定位平台的输出位移为二级位移放大；另外，由于桥形位移放大机构3的结构特点，提高了整个精密定位平台的固有频率。
如图2和图3所示，所述的桥形位移放大机构3的两个对称第二刚性输入端9分别与两个上下并列的菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8通过螺栓刚性连接。
为了增大两个平动自由度的输出位移，所述的桥形位移放大机构3的每个刚性输入端9分别与由两个以上的菱形位移放大机构2串联组成的两组菱形位移放大机构的输出端连接，连接方式为菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8首尾通过螺栓刚性连接。
所述菱形位移放大机构2和桥形位移放大机构3中采用的柔性铰链是圆形、椭圆或直角型柔性铰链。
设菱形位移放大机构2在第一刚性输出端8的输出位移方向为X方向，桥形位移放大机构3在第二刚性输出端11的输出位移方向为Y方向，具体的三个自由度实现方法如下：
1)桥形位移放大机构3每个第二刚性输入端9的两组菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8同时按相同的方向沿着X轴向左或向右运动时，桥形位移放大机构3的第二刚性输出端11水平向左或向右平动，实现X方向的平动自由度；
2)桥形位移放大机构3一个第二刚性输入端9的两组菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8与桥形位移放大机构3另一个对称第二刚性输入端9的两组菱形位移放大机构2的第一刚性输出端8沿着X轴，按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的第二刚性输出端11将沿着Y方向垂直上升或垂直下降，实现Y方向的平动自由度；
3)为了实现转动自由度，分别驱动桥形位移放大机构3两个对称第二刚性输入端9的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构2沿着X轴，按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的第二刚性输出端11将发生转动，实现转动自由度。

Claims (7)

1.一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，包括刚性基底(1)，其特征在于：刚性基底(1)的两侧和菱形位移放大机构(2)的一个第一刚性输出端(8)连接，菱形位移放大机构(2)的另一个第一刚性输出端(8)和桥形位移放大机构(3)的一个第二刚性输入端(9)连接，菱形位移放大机构(2)的两个第一刚性输入端(7)上连接有压电陶瓷(4)。
2.根据权利要求1所述的一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，其特征在于：所述的菱形位移放大机构(2)由柔性臂(5)、两个第一刚性输入端(7)和两个第一刚性输出端(8)连接构成基于三角原理的柔性机构，压电陶瓷(4)通过预紧力安装于两个第一刚性输入端(7)之间，第一刚性输出端(8)上设有第一螺纹孔(6)。
3.根据权利要求1所述的一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，其特征在于：所述的桥形位移放大机构(3)是由两个柔性梁(10)、两个第二刚性输入端(9)和一个第二刚性输出端(11)组成的“拱桥”形柔性机构，其中两个对称的柔性梁(10)构成桥形位移放大机构的斜边，第二刚性输出端(11)设有第二螺纹孔(12)。
4.根据权利要求3所述的一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，其特征在于：所述的桥形位移放大机构(3)的两个对称第二刚性输入端(9)分别与两个上下并列的菱形位移放大机构(2)的第一刚性输出端(8)通过螺栓刚性连接。
5.根据权利要求3所述的一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，其特征在于：所述的桥形位移放大机构(3)的每个第二刚性输入端(9)分别与由两个以上的菱形位移放大机构(2)串联组成的两组菱形位移放大机构的输出端连接，连接方式为菱形位移放大机构(2)的第一刚性输出端(8)首尾通过螺栓刚性连接。
6.根据权利要求1所述的一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，其特征在于：所述的菱形位移放大机构(2)和桥形位移放大机构(3)中采用的柔性铰链是圆形、椭圆或直角型柔性铰链。
7.根据权利要求2或3所述的一种大位移高频响三自由度压电驱动精密定位平台，其特征在于：设菱形位移放大机构(2)在第一刚性输出端(8)的输出位移方向为X方向，桥形位移放大机构(3)在第二刚性输出端(11)的输出位移方向为Y方向，具体的三个自由度实现方法如下：
1)桥形位移放大机构(3)每个第二刚性输入端(9)的两组菱形位移放大机构(2)的第一刚性输出端(8)同时按相同的方向沿着X轴向左或向右运动时，桥形位移放大机构(3)的第二刚性输出端(11)水平向左或向右平动，实现X方向的平动自由度；
2)桥形位移放大机构(3)一个第二刚性输入端(9)的两组菱形位移放大机构(2)的第一刚性输出端(8)与桥形位移放大机构(3)另一个对称第二刚性输入端(9)的两组菱形位移放大机构(2)的第一刚性输出端(8)沿着X轴，按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构(3)的第二刚性输出端(11)将沿着Y方向垂直上升或垂直下降，实现Y方向的平动自由度；
3)为了实现转动自由度，分别驱动桥形位移放大机构(3)两个对称第二刚性输入端(9)的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构(2)沿着X轴，按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构(3)的第二刚性输出端(11)将发生转动，实现转动自由度。
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