CN106838566A - 一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，包括基座，内圈以及外圈，所述的内圈、外圈共圆心，且内圈与外圈之间均匀连接有三组驱动模块，分别为第一驱动模块，第二驱动模块，第三驱动模块；所述的驱动模块包括压电叠堆，位移放大机构；所述压电叠堆设置在位移放大机构的内部，本发明通过相应的控制，将三组驱动模块运动的相互配合，实现各方向对称的作动范围，且能够实现X轴平动和Y轴平动；通过利用三角放大原理将压电叠堆的输出位移放大，可用小的压电叠堆控制大范围，此机构具有结构简单、运动范围大、高精度等特点，能有应用显微镜的精密定位、光学防抖、精密制造等领域。

Description

一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构

技术领域

本发明属于压电精密致动仪器领域，具体是一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构。

背景技术

随着微电子技术，宇航，生物工程等学科的迅速发展，微定位系统在电子，光学，机械制造等技术领域得到了越来越广泛的应用。所以微定位技术的研究对精密制造和和光学显示等领域的发展有较好的促进作用，微定位平台是由压电陶瓷驱动，由于压电陶瓷的高精度，高分辨率，响应快等优点，使得微定位平台可以应用在各种精密领域。

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、结构简单、发热少、体积小、刚度高、响应速度快、不收磁场干扰、无磨损、不许润滑等优点被广泛应用于微定位系统中。微定位平台在最近几年迅速发展，大多数采用压电陶瓷驱动放大机构，之后带动平台的微动，目前采用比较多的有杠杆放大、三角放大、桥式放大基本原理，根据原理的不同，平台表现出的特点就有所不同，为了使输出的位移与输入电压有较好的线性关系，必须采用误差小，有较好的刚度的放大机构。

传统的技术中使用二维微定位机构，其运用的是杠杆放大原理，但是运用该原理带来的回复力不足、误差大、以及迟滞效应的问题一直是本领域技术人员厄待解决的问题；然而根据三角放大原理设计的位移放大机构结构简单，对位移放大的倍数关系只与放大角有简单关系，且输出力很稳定，能达到快速精准驱动和定位的目的，因此将三角放大原理设计应用于压电精密致动仪器领域应运而生。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，采用了基于三角放大原理的位移放大机构，每个放大机构组成一个放大模块，共三个放大模块位于内外圈之间，且均匀分布，即每个之间夹角为120°，最后形成并联的结构，通过三个放大模块的相互协调的运动，可实现平台的精密定位。

本发明是这样实现的，一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，包括基座，内圈以及外圈，三组驱动模块共同连接同一个内圈，以内圈为中心，呈放射状均匀分布。

所述的内圈、外圈共圆心，且内圈与外圈之间均匀连接有三组驱动模块，分别为第一驱动模块，第二驱动模块，第三驱动模块，通过三个模块的相互配合，可实现双向驱动，并实现各方向对称的作动范围。驱动相邻的两个驱动模块，可实现在两模块夹角内的运动范围；

所述的驱动模块包括压电叠堆，位移放大机构；所述压电叠堆设置在位移放大机构的内部，通过压电叠堆得以施加预紧力。

进一步，所述的压电叠堆两端通过楔形块与位移放大机构相连接，压电叠堆相对作动方向与驱动模块输出位移方向正交，压电叠堆通过两个楔形块与位移放大机构固定预紧。

进一步，所述的位移放大机构有四个斜边，所述的斜边与驱动方向成10°的薄板。所述的位移放大机构的四个斜边与压电叠堆呈一定角度，能够使得压电叠堆伸长驱动放大机构变形时，从而带动垂直方向运动，实现位移的放大。

进一步，所述的位移放大机构的斜边与两侧连接处设置有有柔性铰链，柔性铰链是指位移放大机构的斜边与两侧连接处的圆弧槽，此处最薄处只有0.5mm厚，其能够实现斜边绕柔性铰链转动。柔性铰链的设置一方面减小结构的刚度，方便压电叠堆的安装和更换，另一方面当压电叠堆伸长时可绕铰链处转动，避免了传统铰链的摩擦。

进一步，所述的放大机构的一端设置球面凹槽和内螺纹孔，另一端只设置有内螺纹孔。

进一步，所述的放大机构设置有内螺纹孔的一端通过螺钉与外圈连接；所述的放大机构另一设置球面凹槽和内螺纹孔的一端通过钢珠和内六角紧固螺钉与内圈连接。通过内六角紧固螺钉和钢珠锁紧与内圈固定，内圈与驱动模块是通过内六角紧固螺钉预紧，使钢珠嵌在两球面内，不仅减小了两接触面的摩擦，还减小了内圈在驱动时的转动。

进一步，所述的内圈通过放大机构与外圈相连，外圈通过螺栓固定在基座上，其中的外圈是固定在基座上，而内圈是可以活动的。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1、应用三向驱动二维定位平台，显著缩短传动链，提高响应速度，可连续在低频率下工作，在单个叠堆工作时可实现高分辨率致动；

2、采用与传统定位不一样的定位方式，每组位移放大模块均匀分布在内外圈之间，可实现双向的定位，定位精度可提高；

3、采用并联组合形式，即由三个放大模块共同连接同一个内圈上，工作台同时由三个压电电机驱动，具有惯性小、刚度大、响应速度快等优点。

附图说明

图1为本发明一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构的俯视图；

图2为本发明一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构的立体图；

图3为本发明一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构的机构运动分解图；

图4为本发明一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构的驱动模块的构建结构分解图；

图5为本发明一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构的固定外圈的立体图；

图6为本发明一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构的运动内圈的立体图；

其中，1-基座，2-外圈，3-压电叠堆，4-位移放大机构，5-内圈，6-内六角紧固螺钉，7-钢珠，8-楔形块，9-M3沉头孔，10-M2沉头孔，11-M3螺纹孔，12-M6螺纹孔，13-第一驱动模块，14-第二驱动模块，15-第三驱动模块。

具体实施方式

本发明提供一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~3所示，本发明的三向压电驱动的二维并联精密定位机构，包括基座1，内圈5以及外圈2，其特征在于，所述的内圈5、外圈2共圆心，且内圈5与外圈2之间均匀连接有三组驱动模块，分别为第一驱动模块13，第二驱动模块14，第三驱动模块15；

所述的驱动模块包括压电叠堆3，位移放大机构4；所述压电叠堆3设置在位移放大机构4的内部。

如图4所示，压电叠堆3两端通过楔形块8与位移放大机构4相连接，压电叠堆3相对作动方向与驱动模块输出位移方向正交，压电叠堆通过两个楔形块与位移放大机构固定预紧。

位移放大机构4有四个斜边，所述的斜边与驱动方向成10°的薄板。所述的位移放大机构4的四个斜边与压电叠堆3呈一定角度，能够使得压电叠堆3伸长驱动放大机构变形时，从而带动垂直方向运动，实现位移的放大。位移放大机构4的斜边与两侧连接处设置有有柔性铰链，柔性铰链是指位移放大机构4的斜边与两侧连接处的圆弧槽，其能够实现斜边绕柔性铰链转动。

如图5~6所示，所述的内圈5通过放大机构4与外圈2相连，外圈2的上表面以及圆弧侧面分别均匀设置有设置有M3沉头孔9以及M2沉头孔10，此处的沉头孔9用于外圈2与基板1的固定，沉头孔10用于连接驱动模块，外圈2通过螺栓固定在基座上，其中的外圈是固定在基座上，而内圈5是活动的，内圈5上表面设置有M3螺纹孔11，此处的螺纹孔可用于连接外部的结构，内圈5的圆弧外围有三段横向切面，横向切面处设置有M6螺纹孔12，此处的螺纹孔用于连接驱动模块。

如图3所示，本发明提供的二维压电微位移定位平台，由外圈2、第一驱动模块13，第二驱动模块14，第三驱动模块15、内圈5组成，该二自由度并联定位平台包括三个驱动模块，三个驱动模块共同连接工作台（即内圈5），以工作台为中心，呈放射状分布。三个驱动模块第一驱动模块13，第二驱动模块14，第三驱动模块15成120°均匀布置在内外圈中间，且使得内外圈共圆心，每个驱动模块可在相应角度驱动平台，通过三个驱动模块的相互协作可使平台实现二维的移动，可以实现XY平面移动的运动，具体如下：

（1）30°~150°角度内的平动：

第一驱动模块13和第三驱动模块15两个压电驱动模块输入电压信号，通过调整两模块的电压差值，可实现内圈圆心在30°~150°范围的运动，此时第二驱动模块14处于压缩状态，当第一驱动模块13和第三驱动模块15电压值相同，则内圈沿90°（Y轴正向）方向运动。

（2）150°~270°角度内的平动：

第一驱动模块13以及第二驱动模块14两个压电驱动模块输入电压信号，通过调整两模块的电压差值，可实现内圈圆心在150°~270°范围的运动，此时第三驱动模块15处于压缩状态，当第一驱动模块13以及第二驱动模块14电压值相同，则内圈沿210°方向运动。

（3）270°~30°角度内的平动：

第二驱动模块14，第三驱动模块15两个压电驱动模块输入电压信号，通过调整两模块的电压差值，可实现内圈圆心在270°~30°范围的运动，此时第一驱动模块13处于压缩状态，当第二驱动模块14，第三驱动模块15电压值相同，则内圈沿330°方向运动。

本发明可以通过上述3个方向的联动，实现平面内的运动。本发明需采用三向的控制信号，通过相应的计算和分析能够计算出机构在直坐标系下的位移，最后通过传感器的反馈形成闭环控制实现更精密的运动。驱动其中一个放大模块（第一驱动模块13）时，内圈可沿150°的方向运动，再驱动放大模块（第二驱动模块14）时，内圈再沿270°方向运动，当第一驱动模块13和第二驱动模块14对内圈驱动位移量相同时，此时内圈的总位移方向为210°方向。以同样的方式，最终能实现内圈的运动范围为一个近似圆形区域。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将本说明书看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，包括基座（1），内圈（5）以及外圈（2），其特征在于，所述的内圈（5）、外圈（2）共圆心，且内圈（5）与外圈（2）之间均匀连接有三组驱动模块，分别为第一驱动模块（13），第二驱动模块（14），第三驱动模块（15）；

所述的驱动模块包括压电叠堆（3），位移放大机构（4）；所述压电叠堆（3）设置在位移放大机构（4）的内部。

2.根据权利要求1所述的一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，其特征在于，所述的压电叠堆（3）两端通过楔形块（8）与位移放大机构（4）相连接。

3.根据权利要求2所述的一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，其特征在于，所述的位移放大机构（4）有四个斜边，所述的斜边与驱动方向成10°的薄板。

4.根据权利要求3所述的一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，其特征在于，所述的位移放大机构（4）的斜边与两侧连接处设置有有柔性铰链。

5.根据权利要求1所述的一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，其特征在于，所述的放大机构（4）的一端设置球面凹槽和内螺纹孔，另一端设置有内螺纹孔。

6.根据权利要求5所述的一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，其特征在于，所述的放大机构（4）设置有内螺纹孔的一端通过螺钉与外圈（2）连接；所述的放大机构（4）另一设置球面凹槽和内螺纹孔的一端通过钢珠（7）和内六角紧固螺钉（6）与内圈（5）连接。

7.根据权利要求1所述的一种三向压电驱动的二维并联精密定位机构，其特征在于，所述的内圈（5）通过放大机构（4）与外圈（2）相连，外圈（2）通过螺栓固定在基座上。