CN106737646B - 可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置及方法 - Google Patents

可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置及方法，该装置由X方向平动机构、Y方向平动机构、Z方向偏转机构以及载物平台组成；X方向平动机构和Y方向平动机构原理类似，均对称布置菱形位移放大机构、杠杆位移放大机构和导向机构，X方向平动机构和Y方向平动机构通过基座凹槽垂直安装；当X方向平动机构或Y方向平动机构的一对压电堆在大小相等方向相反的电压下，平台沿X方向平动或沿Y方向平动；Z方向偏转机构位于底部，当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；本发明由于导向机构的存在，使得平台沿X方向的平动和沿Y方向的平动解耦；且整个装置无机械摩擦，可实现三自由度高精度独立调节。

Description

可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置及方法
技术领域
本发明属于精密仪器技术领域，具体涉及一种可实现平动和转动的三自由度压电陶瓷驱动调节装置及调节方法。
背景技术
随着航天通讯技术、超精密加工技术等高新技术的迅速发展，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、器件磨损等缺点。
传统的位移放大机构经压电陶瓷驱动后会存在位移耦合现象，这将严重影响了姿态调节机构的精度。
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
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置及调节方法，不仅能够使所驱动的目标独立沿X、Y方向平动，而且也可沿Z方向偏转；该装置具有重量轻、无机械摩擦、能快速响应、位移无相互耦合、三自由度独立调整的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置，包括载物平台5，位于载物平台5四周侧面的X方向第一平动机构1和X方向第二平动机构3、Y方向第一平动机构2和Y方向第二平动机构4以及位于载物平台5底部的Z方向偏转机构6；其中X方向第一平动机构1和X方向第二平动机构3关于平面YOZ对称，Y方向第一平动机构2和Y方向第二平动机构4关于平面XOZ对称，Z方向偏转机构6位于XOY平面内；
所述X方向第一平动机构1和X方向第二平动机构3的结构相同，通过具有较大刚度的金属框形成的X方向基座1-1连接；其中，所述X方向第一平动机构1包括X方向第一菱形位移放大机构、X方向第一杠杆位移放大机构和X方向第一导向机构，所述X方向第一菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第一Y方向压电堆1-5组成；X方向第一杠杆位移放大机构由位于X方向基座1-1端部凹槽内的X方向第一质量块1-4以及位于X方向基座1-1端部外的X方向第一1号杠杆1-3和X方向第一2号杠杆1-6组成；X方向第一导向机构由位于X方向第一菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一2号导向杆1-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与X方向基座1-1和X方向第一质量块1-4的一端相固定；X方向第一1号杠杆1-3的两端分别与X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一质量块1-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第一1号导向杆1-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与X方向第一1号杠杆1-3关于XOZ平面对称的X方向第一2号杠杆1-6的两端分别与X方向第一2号导向杆1-7和X方向第一质量块1-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第一2号导向杆1-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述X方向第一1号导向杆1-2、X方向第一1号杠杆1-3、X方向第一2号杠杆1-6、X方向第一2号导向杆1-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述X方向第一菱形位移放大机构位于矩形框架内；所述X方向第二平动机构3包括X方向第二菱形位移放大机构、X方向第二杠杆位移放大机构和X方向第二导向机构，所述X方向第二菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第二Y方向压电堆3-5组成；X方向第二杠杆位移放大机构由位于X方向基座1-1端部凹槽内的X方向第二质量块3-4以及位于X方向基座1-1端部外的X方向第二1号杠杆3-3和X方向第二2号杠杆3-6组成；X方向第二导向机构由位于X方向第二菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二2号导向杆3-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与X方向基座1-1和X方向第二质量块3-4的一端相固定；X方向第二1号杠杆3-3的两端分别与X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二质量块3-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第二1号导向杆3-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与X方向第二1号杠杆3-3关于XOZ平面对称的X方向第二2号杠杆3-6的两端分别与X方向第二2号导向杆3-7和X方向第二质量块3-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第二2号导向杆3-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述X方向第二1号导向杆3-2、X方向第二1号杠杆3-3、X方向第二2号杠杆3-6、X方向第二2号导向杆3-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述X方向第二菱形位移放大机构位于矩形框架内；
所述Y方向第一平动机构2和Y方向第二平动机构4的结构相同，通过具有较大刚度的金属框形成的Y方向基座2-1连接；其中：所述Y方向第一平动机构2包括Y方向第一菱形位移放大机构、Y方向第一杠杆位移放大机构和Y方向第一导向机构，所述Y方向第一菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第一X方向压电堆2-5组成；Y方向第一杠杆位移放大机构由位于Y方向基座2-1端部凹槽内的Y方向第一质量块2-4、以及位于Y方向基座2-1端部外的Y方向第一1号杠杆2-3和Y方向第一2号杠杆2-6组成；Y方向第一导向机构由位于Y方向第一菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的Y方向第一1号导向杆2-2和Y方向第一2号导向杆2-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与Y方向基座2-1和Y方向第一质量块2-4的一端相固定；Y方向第一1号杠杆2-3的两端分别与Y方向第一1号导向杆2-2和Y方向第一质量块2-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第一1号导向杆2-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与Y方向第一1号杠杆2-3关于YOZ平面对称的Y方向第一2号杠杆2-6的两端分别与Y方向第一2号导向杆2-7和Y方向第一质量块2-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第一2号导向杆2-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述Y方向第一1号导向杆2-2、Y方向第一1号杠杆2-3、Y方向第一2号杠杆2-6、Y方向第一2号导向杆2-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述Y方向第一菱形位移放大机构位于矩形框架内；所述Y方向第二平动机构4包括Y方向第二菱形位移放大机构、Y方向第二杠杆位移放大机构和Y方向第二导向机构，所述Y方向第二菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第二X方向压电堆4-5组成；Y方向第二杠杆位移放大机构由位于Y方向基座2-1端部凹槽内的Y方向第二质量块4-4、以及位于Y方向基座2-1端部外的Y方向第二1号杠杆4-3和Y方向第二2号杠杆4-6组成；Y方向第二导向机构由位于Y方向第二菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的Y方向第二1号导向杆4-2和Y方向第二2号导向杆4-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与Y方向基座2-1和Y方向第二质量块4-4的一端相固定；Y方向第二1号杠杆4-3的两端分别与Y方向第二1号导向杆4-2和Y方向第二质量块4-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第二1号导向杆4-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与Y方向第二1号杠杆4-3关于YOZ平面对称的Y方向第二2号杠杆4-6的两端分别与Y方向第二2号导向杆4-7和Y方向第二质量块4-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第二2号导向杆4-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述Y方向第二1号导向杆4-2、Y方向第二1号杠杆4-3、Y方向第二2号杠杆4-6、Y方向第二2号导向杆4-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述Y方向第二菱形位移放大机构位于矩形框架内；
所述Z方向偏转机构6包括安装基板6-1，与安装基板6-1通过柔性铰链连接的第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5，位于第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5间并通过柔性铰链连接的Z方向偏转块6-4；Z方向偏转块6-4无铰链的两侧为安装凹槽；带预压力的第三X方向压电堆6-3和第四X方向压电堆6-6安装在安装基板6-1内，一端嵌入安装基板6-1内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5连接的凹槽内；
所述X方向基座1-1内部的凹槽用于与Y方向基座2-1安装配合，底部凹槽用于与Z方向偏转机构6上的Z方向偏转块6-4安装配合；
所述载物平台5上表面为物体安装平面，留安装孔与搭载物体进行安装。
所述Z方向偏转机构6和X方向第一平动机构1和X方向第二平动机构3之间相配合部分通过螺钉连接；X方向第一平动机构1和X方向第二平动机构3与Y方向第一平动机构2和Y方向第二平动机构4之间配合部分通过螺钉连接。
上述可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置的调节方法：
对于所述X方向第一平动机构1和X方向第二平动结构3，当安装在X方向第一菱形位移放大机构中的第一Y方向压电堆1-5和安装在X方向第二菱形位移放大机构中的第二Y方向压电堆3-5，在一对大小相等方向相反的电压作用下，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；这时第一Y方向压电堆1-5的膨胀使得X方向第一菱形位移放大机构中的长轴伸长，与X方向第一质量块1-4相连的短轴一端缩短，带动X方向第一1号杠杆1-3和X方向第一2号杠杆1-6分别与X方向第一质量块1-4通过柔性铰链连接的一端产生沿X轴负方向位移，通过X方向第一杠杆位移放大机构，使得X方向第一1号杠杆1-3和X方向第一2号杠杆1-6的另一端产生沿X轴正方向的位移；而第二Y方向压电堆3-5的收缩使得X方向第二菱形放大机构中的长轴缩短，与X方向第二质量块3-4相连的短轴一端伸长，带动X方向第二1号杠杆3-3和X方向第二2号杠杆3-6分别与X方向第二质量块3-4通过柔性铰链连接的一端产生沿X轴负方向位移，通过X方向第二杠杆位移放大机构，使得X方向第二1号杠杆3-3和X方向第二2号杠杆3-6的另一端产生沿X轴正方向的位移；从而通过X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一2号导向杆1-7，以及X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二2号导向杆3-7使得载物平台5沿X轴正方向平动；
对于所述Y方向平动机构，通过与X方向平动机构相同的调节方法，可使载物平台5沿Y轴正方向平动；
对于所述Z方向偏转机构6，当安装在Z方向偏转机构6内的带预压力的第三X方向压电堆6-3和第四X方向压电堆6-6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，第三X方向压电堆6-3和第四X方向压电堆6-6分别通过柔性铰链推动相连的第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5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6-4产生偏转；Z方向偏转块6-4带动整个调节装置产生Z方向的偏转。
所述X和Y方向上的平动，以及Z方向上的偏转均为独立驱动，当载物平台5沿X轴平动时，Y方向第一1号导向杆2-2和Y方向第一2号导向杆2-7以及Y方向第二1号导向杆4-2和Y方向第二2号导向杆4-7将沿相应铰链支点转动一个微小的角度；当载物平台5沿Y轴平动时，X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一2号导向杆1-7以及X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二2号导向杆3-7将沿相应铰链支点转动一个微小的角度；故导向机构的存在不仅避免了附加位移的产生，也使得平台沿X方向的平动和沿Y方向的平动解耦；且X方向位移和Y位移输出相互影响小，与Z方向输出独立；整个装置无机械摩擦，可实现三自由度独立调节。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)、结构紧凑，重量轻。
2)、可实现平动和转动，且三自由度独立调节无机械摩擦，精度高。
3)、导向机构的使用不仅避免了附加位移的产生，也使得平台沿X方向的平动和沿Y方向的平动解耦，提高了调节精度。
4)、两级放大使得机构可输出较大的沿X方向和沿Y方向的直线位移，在满行程时也可产生较大的沿Z方向的角位移。
附图说明
图1为本发明装置装配图。
图2为X方向和Y方向平动机构示意图。
图3为Y方向平动机构原理模型图。
图4为基座安装配合示意图。
图5为Z方向偏转机构示意图。
图6为Z方向偏转示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置，包括：载物平台5，位于载物平台5四周侧面的X方向第一平动机构1和X方向第二平动机构3、Y方向第一平动机构2和Y方向第二平动机构4以及位于载物平台5底部的Z方向偏转机构6。
如图2所示，X方向第一平动机构1和X方向第二平动机构3的结构相同，通过具有较大刚度的金属框形成的X方向基座1-1连接；其中，所述X方向第一平动机构1包括X方向第一菱形位移放大机构、X方向第一杠杆位移放大机构和X方向第一导向机构，所述X方向第一菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第一Y方向压电堆1-5组成；X方向第一杠杆位移放大机构由位于X方向基座1-1端部凹槽内的X方向第一质量块1-4以及位于X方向基座1-1端部外的X方向第一1号杠杆1-3和X方向第一2号杠杆1-6组成；X方向第一导向机构由位于X方向第一菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一2号导向杆1-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与X方向基座1-1和X方向第一质量块1-4的一端相固定；X方向第一1号杠杆1-3的两端分别与X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一质量块1-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第一1号导向杆1-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与X方向第一1号杠杆1-3关于XOZ平面对称的X方向第一2号杠杆1-6的两端分别与X方向第一2号导向杆1-7和X方向第一质量块1-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第一2号导向杆1-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述X方向第一1号导向杆1-2、X方向第一1号杠杆1-3、X方向第一2号杠杆1-6、X方向第一2号导向杆1-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述X方向第一菱形位移放大机构位于矩形框架内；所述X方向第二平动机构3包括X方向第二菱形位移放大机构、X方向第二杠杆位移放大机构和X方向第二导向机构，所述X方向第二菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第二Y方向压电堆3-5组成；X方向第二杠杆位移放大机构由位于X方向基座1-1端部凹槽内的X方向第二质量块3-4以及位于X方向基座1-1端部外的X方向第二1号杠杆3-3和X方向第二2号杠杆3-6组成；X方向第二导向机构由位于X方向第二菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二2号导向杆3-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与X方向基座1-1和X方向第二质量块3-4的一端相固定；X方向第二1号杠杆3-3的两端分别与X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二质量块3-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第二1号导向杆3-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与X方向第二1号杠杆3-3关于XOZ平面对称的X方向第二2号杠杆3-6的两端分别与X方向第二2号导向杆3-7和X方向第二质量块3-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与X方向基座1-1通过柔性铰链连接，X方向第二2号导向杆3-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述X方向第二1号导向杆3-2、X方向第二1号杠杆3-3、X方向第二2号杠杆3-6、X方向第二2号导向杆3-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述X方向第二菱形位移放大机构位于矩形框架内；
所述Y方向第一平动机构2和Y方向第二平动机构4的结构相同，通过具有较大刚度的金属框形成的Y方向基座2-1连接；其中：所述Y方向第一平动机构2包括Y方向第一菱形位移放大机构、Y方向第一杠杆位移放大机构和Y方向第一导向机构，所述Y方向第一菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第一X方向压电堆2-5组成；Y方向第一杠杆位移放大机构由位于Y方向基座2-1端部凹槽内的Y方向第一质量块2-4、以及位于Y方向基座2-1端部外的Y方向第一1号杠杆2-3和Y方向第一2号杠杆2-6组成；Y方向第一导向机构由位于Y方向第一菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的Y方向第一1号导向杆2-2和Y方向第一2号导向杆2-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与Y方向基座2-1和Y方向第一质量块2-4的一端相固定；Y方向第一1号杠杆2-3的两端分别与Y方向第一1号导向杆2-2和Y方向第一质量块2-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第一1号导向杆2-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与Y方向第一1号杠杆2-3关于YOZ平面对称的Y方向第一2号杠杆2-6的两端分别与Y方向第一2号导向杆2-7和Y方向第一质量块2-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第一2号导向杆2-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述Y方向第一1号导向杆2-2、Y方向第一1号杠杆2-3、Y方向第一2号杠杆2-6、Y方向第一2号导向杆2-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述Y方向第一菱形位移放大机构位于矩形框架内；所述Y方向第二平动机构4包括Y方向第二菱形位移放大机构、Y方向第二杠杆位移放大机构和Y方向第二导向机构，所述Y方向第二菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第二X方向压电堆4-5组成；Y方向第二杠杆位移放大机构由位于Y方向基座2-1端部凹槽内的Y方向第二质量块4-4、以及位于Y方向基座2-1端部外的Y方向第二1号杠杆4-3和Y方向第二2号杠杆4-6组成；Y方向第二导向机构由位于Y方向第二菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的Y方向第二1号导向杆4-2和Y方向第二2号导向杆4-7组成；其中菱形框架的短轴两端分别与Y方向基座2-1和Y方向第二质量块4-4的一端相固定；Y方向第二1号杠杆4-3的两端分别与Y方向第二1号导向杆4-2和Y方向第二质量块4-4通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第二1号导向杆4-2的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；同样，与Y方向第二1号杠杆4-3关于YOZ平面对称的Y方向第二2号杠杆4-6的两端分别与Y方向第二2号导向杆4-7和Y方向第二质量块4-4通过柔性铰链连接，两端之间的支点与Y方向基座2-1通过柔性铰链连接，Y方向第二2号导向杆4-7的另一端与载物平台5通过柔性铰链连接；所述Y方向第二1号导向杆4-2、Y方向第二1号杠杆4-3、Y方向第二2号杠杆4-6、Y方向第二2号导向杆4-7和载物平台5的一侧面围成矩形框架，所述Y方向第二菱形位移放大机构位于矩形框架内。
如图5所示，所述Z方向偏转机构6包括安装基板6-1，与安装基板6-1通过柔性铰链连接的第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5，位于第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5间并通过柔性铰链连接的Z方向偏转块6-4；Z方向偏转块6-4无铰链的两侧为安装凹槽；带预压力的第三X方向压电堆6-3和第四X方向压电堆6-6安装在安装基板6-1内，一端嵌入安装基板6-1内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5连接的凹槽内。
如图4所示，所述X方向基座1-1内部的凹槽用于与Y方向基座2-1安装配合，底部凹槽用于与Z方向偏转机构6上的Z方向偏转块6-4安装配合。
所述载物平台5上表面为物体安装平面，留安装孔与搭载物体进行安装。
上述可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置的调节方法：
对于所述X方向第一平动机构1和X方向第二平动结构3，当安装在X方向第一菱形位移放大机构中的第一Y方向压电堆1-5和安装在X方向第二菱形位移放大机构中的第二Y方向压电堆3-5，在一对大小相等方向相反的电压作用下，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。这时第一Y方向压电堆1-5的膨胀使得X方向第一菱形位移放大机构中的长轴伸长，与X方向第一质量块1-4相连的短轴一端缩短，带动X方向第一1号杠杆1-3和X方向第一2号杠杆1-6分别与X方向第一质量块1-4通过柔性铰链连接的一端产生沿X轴负方向位移，通过X方向第一杠杆位移放大机构，使得X方向第一1号杠杆1-3和X方向第一2号杠杆1-6的另一端产生沿X轴正方向的位移；而第二Y方向压电堆3-5的收缩使得X方向第二菱形放大机构中的长轴缩短，与X方向第二质量块3-4相连的短轴一端伸长，带动X方向第二1号杠杆3-3和X方向第二2号杠杆3-6分别与X方向第二质量块3-4通过柔性铰链连接的一端产生沿X轴负方向位移，通过X方向第二杠杆位移放大机构，使得X方向第二1号杠杆3-3和X方向第二2号杠杆3-6的另一端产生沿X轴正方向的位移；从而通过X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一2号导向杆1-7，以及X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二2号导向杆3-7使得载物平台5沿X轴正方向平动。
对于所述Y方向平动结构，通过与X方向平动结构相同的调节方法，可使载物平台5沿Y轴正方向平动。
对于所述Z方向偏转机构6，当安装在Z方向偏转机构6内的带预压力的第三X方向压电堆6-3和第四X方向压电堆6-6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，第三X方向压电堆6-3和第四X方向压电堆6-6分别通过柔性铰链推动相连的第一Z方向偏转梁6-2和第二Z方向偏转梁6-5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6-4产生偏转；Z方向偏转块6-4带动整个调节装置产生Z方向的偏转。
所述Y方向平动机构结构设计原理如图3所示，X方向平动机构结构设计原理和Y方向平动机构结构设计原理相同。
所述Z方向偏转机构结构设计所用偏转原理如图6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XOY平面内的截面宽度，若在压电堆驱动下产生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和Y方向上的平动，以及Z方向上的偏转均为独立驱动，当平台5沿X轴平动时，Y方向第一1号导向杆2-2和Y方向第一2号导向杆2-7以及Y方向第二1号导向杆4-2和Y方向第二2号导向杆4-7将沿相应铰链支点转动一个微小的角度；当平台5沿Y轴平动时，X方向第一1号导向杆1-2和X方向第一2号导向杆1-7以及X方向第二1号导向杆3-2和X方向第二2号导向杆3-7将沿相应铰链支点转动一个微小的角度。故导向机构的存在不仅避免了附加位移的产生，也使得平台沿X方向的平动和沿Y方向的平动解耦。且X方向位移和Y位移输出相互影响小，与Z方向输出独立；整个装置无机械摩擦，可实现三自由度独立调节。

Claims (3)

1.一种可实现平动和转动的三自由度压电驱动调节装置，其特征在于：包括载物平台(5)，位于载物平台(5)四周侧面的X方向第一平动机构(1)和X方向第二平动机构(3)、Y方向第一平动机构(2)和Y方向第二平动机构(4)以及位于载物平台(5)底部的Z方向偏转机构(6)；其中X方向第一平动机构(1)和X方向第二平动机构(3)关于平面YOZ对称，Y方向第一平动机构(2)和Y方向第二平动机构(4)关于平面XOZ对称，Z方向偏转机构(6)位于XOY平面内；
所述X方向第一平动机构(1)和X方向第二平动机构(3)的结构相同，通过具有较大刚度的金属框形成的X方向基座(1-1)连接；其中，所述X方向第一平动机构(1)包括X方向第一菱形位移放大机构、X方向第一杠杆位移放大机构和X方向第一导向机构，所述X方向第一菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第一Y方向压电堆(1-5)组成；X方向第一杠杆位移放大机构由位于X方向基座(1-1)端部凹槽内的X方向第一质量块(1-4)以及位于X方向基座(1-1)端部外的X方向第一1号杠杆(1-3)和X方向第一2号杠杆(1-6)组成；X方向第一导向机构由位于X方向第一菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的X方向第一1号导向杆(1-2)和X方向第一2号导向杆(1-7)组成；其中菱形框架的短轴两端分别与X方向基座(1-1)和X方向第一质量块(1-4)的一端相固定；X方向第一1号杠杆(1-3)的两端分别与X方向第一1号导向杆(1-2)和X方向第一质量块(1-4)通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与X方向基座(1-1)通过柔性铰链连接，X方向第一1号导向杆(1-2)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；同样，与X方向第一1号杠杆(1-3)关于XOZ平面对称的X方向第一2号杠杆(1-6)的两端分别与X方向第一2号导向杆(1-7)和X方向第一质量块(1-4)通过柔性铰链连接，两端之间的支点与X方向基座(1-1)通过柔性铰链连接，X方向第一2号导向杆(1-7)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；所述X方向第一1号导向杆(1-2)、X方向第一1号杠杆(1-3)、X方向第一2号杠杆(1-6)、X方向第一2号导向杆(1-7)和载物平台(5)的一侧面围成矩形框架，所述X方向第一菱形位移放大机构位于矩形框架内；所述X方向第二平动机构(3)包括X方向第二菱形位移放大机构、X方向第二杠杆位移放大机构和X方向第二导向机构，所述X方向第二菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第二Y方向压电堆(3-5)组成；X方向第二杠杆位移放大机构由位于X方向基座(1-1)端部凹槽内的X方向第二质量块(3-4)以及位于X方向基座(1-1)端部外的X方向第二1号杠杆(3-3)和X方向第二2号杠杆(3-6)组成；X方向第二导向机构由位于X方向第二菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的X方向第二1号导向杆(3-2)和X方向第二2号导向杆(3-7)组成；其中菱形框架的短轴两端分别与X方向基座(1-1)和X方向第二质量块(3-4)的一端相固定；X方向第二1号杠杆(3-3)的两端分别与X方向第二1号导向杆(3-2)和X方向第二质量块(3-4)通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与X方向基座(1-1)通过柔性铰链连接，X方向第二1号导向杆(3-2)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；同样，与X方向第二1号杠杆(3-3)关于XOZ平面对称的X方向第二2号杠杆(3-6)的两端分别与X方向第二2号导向杆(3-7)和X方向第二质量块(3-4)通过柔性铰链连接，两端之间的支点与X方向基座(1-1)通过柔性铰链连接，X方向第二2号导向杆(3-7)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；所述X方向第二1号导向杆(3-2)、X方向第二1号杠杆(3-3)、X方向第二2号杠杆(3-6)、X方向第二2号导向杆(3-7)和载物平台(5)的一侧面围成矩形框架，所述X方向第二菱形位移放大机构位于矩形框架内；
所述Y方向第一平动机构(2)和Y方向第二平动机构(4)的结构相同，通过具有较大刚度的金属框形成的Y方向基座(2-1)连接；其中：所述Y方向第一平动机构(2)包括Y方向第一菱形位移放大机构、Y方向第一杠杆位移放大机构和Y方向第一导向机构，所述Y方向第一菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第一X方向压电堆(2-5)组成；Y方向第一杠杆位移放大机构由位于Y方向基座(2-1)端部凹槽内的Y方向第一质量块(2-4)、以及位于Y方向基座(2-1)端部外的Y方向第一1号杠杆(2-3)和Y方向第一2号杠杆(2-6)组成；Y方向第一导向机构由位于Y方向第一菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的Y方向第一1号导向杆(2-2)和Y方向第一2号导向杆(2-7)组成；其中菱形框架的短轴两端分别与Y方向基座(2-1)和Y方向第一质量块(2-4)的一端相固定；Y方向第一1号杠杆(2-3)的两端分别与Y方向第一1号导向杆(2-2)和Y方向第一质量块(2-4)通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与Y方向基座(2-1)通过柔性铰链连接，Y方向第一1号导向杆(2-2)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；同样，与Y方向第一1号杠杆(2-3)关于YOZ平面对称的Y方向第一2号杠杆(2-6)的两端分别与Y方向第一2号导向杆(2-7)和Y方向第一质量块(2-4)通过柔性铰链连接，两端之间的支点与Y方向基座(2-1)通过柔性铰链连接，Y方向第一2号导向杆(2-7)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；所述Y方向第一1号导向杆(2-2)、Y方向第一1号杠杆(2-3)、Y方向第一2号杠杆(2-6)、Y方向第一2号导向杆(2-7)和载物平台(5)的一侧面围成矩形框架，所述Y方向第一菱形位移放大机构位于矩形框架内；所述Y方向第二平动机构(4)包括Y方向第二菱形位移放大机构、Y方向第二杠杆位移放大机构和Y方向第二导向机构，所述Y方向第二菱形位移放大机构由菱形框架和设置在菱形框架长轴两端内的带预压力的第二X方向压电堆(4-5)组成；Y方向第二杠杆位移放大机构由位于Y方向基座(2-1)端部凹槽内的Y方向第二质量块(4-4)、以及位于Y方向基座(2-1)端部外的Y方向第二1号杠杆(4-3)和Y方向第二2号杠杆(4-6)组成；Y方向第二导向机构由位于Y方向第二菱形位移放大机构菱形框架长轴两端的Y方向第二1号导向杆(4-2)和Y方向第二2号导向杆(4-7)组成；其中菱形框架的短轴两端分别与Y方向基座(2-1)和Y方向第二质量块(4-4)的一端相固定；Y方向第二1号杠杆(4-3)的两端分别与Y方向第二1号导向杆(4-2)和Y方向第二质量块(4-4)通过柔性铰链连接，两端之间的杠杆支点与Y方向基座(2-1)通过柔性铰链连接，Y方向第二1号导向杆(4-2)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；同样，与Y方向第二1号杠杆(4-3)关于YOZ平面对称的Y方向第二2号杠杆(4-6)的两端分别与Y方向第二2号导向杆(4-7)和Y方向第二质量块(4-4)通过柔性铰链连接，两端之间的支点与Y方向基座(2-1)通过柔性铰链连接，Y方向第二2号导向杆(4-7)的另一端与载物平台(5)通过柔性铰链连接；所述Y方向第二1号导向杆(4-2)、Y方向第二1号杠杆(4-3)、Y方向第二2号杠杆(4-6)、Y方向第二2号导向杆(4-7)和载物平台(5)的一侧面围成矩形框架，所述Y方向第二菱形位移放大机构位于矩形框架内；
所述Z方向偏转机构(6)包括安装基板(6-1)，与安装基板(6-1)通过柔性铰链连接的第一Z方向偏转梁(6-2)和第二Z方向偏转梁(6-5)，位于第一Z方向偏转梁(6-2)和第二Z方向偏转梁(6-5)间并通过柔性铰链连接的Z方向偏转块(6-4)；Z方向偏转块(6-4)无铰链的两侧为安装凹槽；带预压力的第三X方向压电堆(6-3)和第四X方向压电堆(6-6)安装在安装基板(6-1)内，一端嵌入安装基板(6-1)内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第一Z方向偏转梁(6-2)和第二Z方向偏转梁(6-5)连接的凹槽内；
所述X方向基座(1-1)内部的凹槽用于与Y方向基座(2-1)安装配合，底部凹槽用于与Z方向偏转机构(6)上的Z方向偏转块(6-4)安装配合；
所述载物平台(5)上表面为物体安装平面，留安装孔与搭载物体进行安装。
2.根据权利要求1所述的可实现平动和转动的三自由度压电陶瓷驱动调节装置，其特征在于：所述Z方向偏转机构(6)与X方向第一平动机构(1)和X方向第二平动机构(3)之间相配合部分通过螺钉连接；X方向第一平动机构(1)和X方向第二平动机构(3)与Y方向第一平动机构(2)和Y方向第二平动机构(4)之间配合部分通过螺钉连接。
3.权利要求1所述的可实现平动和转动的三自由度压电驱动装置调节方法：其特征在于：
对于所述X方向第一平动机构(1)和X方向第二平动结构(3)，当安装在X方向第一菱形位移放大机构中的第一Y方向压电堆(1-5)和安装在X方向第二菱形位移放大机构中的第二Y方向压电堆(3-5)，在一对大小相等方向相反的电压作用下，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；这时第一Y方向压电堆(1-5)的膨胀使得X方向第一菱形位移放大机构中的长轴伸长，与X方向第一质量块(1-4)相连的短轴一端缩短，带动X方向第一1号杠杆(1-3)和X方向第一2号杠杆(1-6)分别与X方向第一质量块(1-4)通过柔性铰链连接的一端产生沿X轴负方向位移，通过X方向第一杠杆位移放大机构，使得X方向第一1号杠杆(1-3)和X方向第一2号杠杆(1-6)的另一端产生沿X轴正方向的位移；而第二Y方向压电堆(3-5)的收缩使得X方向第二菱形放大机构中的长轴缩短，与X方向第二质量块(3-4)相连的短轴一端伸长，带动X方向第二1号杠杆(3-3)和X方向第二2号杠杆(3-6)分别与X方向第二质量块(3-4)通过柔性铰链连接的一端产生沿X轴负方向位移，通过X方向第二杠杆位移放大机构，使得X方向第二1号杠杆(3-3)和X方向第二2号杠杆(3-6)的另一端产生沿X轴正方向的位移；从而通过X方向第一1号导向杆(1-2)和X方向第一2号导向杆(1-7)，以及X方向第二1号导向杆(3-2)和X方向第二2号导向杆(3-7)使得载物平台(5)沿X轴正方向平动；
对于所述Y方向平动机构，通过与X方向平动机构相同的调节方法，可使载物平台(5)沿Y轴正方向平动；
对于所述Z方向偏转机构(6)，当安装在Z方向偏转机构(6)内的带预压力的第三X方向压电堆(6-3)和第四X方向压电堆(6-6)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，第三X方向压电堆(6-3)和第四X方向压电堆(6-6)分别通过柔性铰链推动相连的第一Z方向偏转梁(6-2)和第二Z方向偏转梁(6-5)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(6-4)产生偏转；Z方向偏转块(6-4)带动整个调节装置产生Z方向的偏转；
所述X和Y方向上的平动，以及Z方向上的偏转均为独立驱动，当载物平台(5)沿X轴平动时，Y方向第一1号导向杆(2-2)和Y方向第一2号导向杆(2-7)以及Y方向第二1号导向杆(4-2)和Y方向第二2号导向杆(4-7)将沿相应铰链支点转动一个微小的角度；当载物平台(5)沿Y轴平动时，X方向第一1号导向杆(1-2)和X方向第一2号导向杆(1-7)以及X方向第二1号导向杆(3-2)和X方向第二2号导向杆(3-7)将沿相应铰链支点转动一个微小的角度；故导向机构的存在不仅避免了附加位移的产生，也使得平台沿X方向的平动和沿Y方向的平动解耦；且X方向位移和Y位移输出相互影响小，与Z方向输出独立；整个装置无机械摩擦，能够实现三自由度独立调节。
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