CN107394401B - 具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构及驱动方法，该指向机构包括底座，通过四个下端螺栓固定在底座上的套筒，套筒内腔设置有四个压电堆，四个压电堆分别配有弧形帽，其中两个压电堆沿x轴设置，另两个压电堆沿y轴设置，套筒的另一端通过四个上端螺栓连接有解耦平台，解耦平台一体化设计有平台、四个解耦柔性铰链以及四个杠杆放大机构，其中，解耦柔性铰链由上下两个正交设置的矩形柔性铰链构成，其下端矩形柔性铰与杠杆放大机构连接，通过预紧四个上端螺栓和四个下端螺栓可以给四个压电堆以及弧形帽提供预紧力；本发明还提供驱动平台绕x轴和y轴偏转的方法；具有结构紧凑、关键零件均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配简单。
Description
技术领域
本发明属于压电驱动机构技术领域，具体涉及一种具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构及驱动方法。
背景技术
随着航空航天技术的发展，为实现新一代高质量的星间激光通讯及星地微波通讯，亟需一种具有大偏角范围、高偏角分辨率和高可靠性的二维指向机构对激光光路以及空间天线指向进行大范围、快速、高精度调节。以往传统的压电二维指向机构虽然具有较高的偏转角分辨率，但却存在以下两个缺点：第一，传统机构在两个调整维度间存在严重机械耦合，使得两个维度的角度调节相互影响，难以获得高精度控制能力；第二，受限于压电材料微小位移输出特性，传统机构的偏转角调节范围通常较小。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种具有解耦功能的高精度大偏转角压电二维指向机构及驱动方法，通过在偏转平台底部布置两对解耦柔性铰链使其在两个维度的调节实现解耦，同时采用由柔性铰链连接的杠杆放大机构将压电材料的微小输出位移进行放大，使得机构能够实现大偏转角输出，此外，偏转平台、解耦柔性铰链及杠杆放大机构三者为一体化设计，从而提高了机械传动精度从而使得机构具有高精度偏转角输出的能力；本发明所述压电二维偏转机构结构紧凑、关键零件均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，加工及装配非常简单。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构，包括底盖1，固定在底盖1上的套筒2，套筒2的内腔设置有四个沿圆周均匀布置的压电堆，四个压电堆均为竖向布置，其一端坐在基座1上，另一端均设置有相应的弧形帽，所述四个压电堆及弧形帽中，第一压电堆301和第三压电堆303以及与其对应的第一弧形帽401和第三弧形帽403设置在沿X轴方向，第二压电堆302和第四压电堆304以及与其对应的第二弧形帽402和第四弧形帽404设置在沿Y轴方向，所述套筒2的另一端连接有解耦平台5，所述解耦平台5的上端设置有平台505，平台505的下侧沿圆周位置均匀布置有四个相同结构的解耦柔性铰链，所述四个解耦柔性铰链中，第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503设置在沿x轴方向，第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504设置在沿y轴方向，第一解耦柔性铰链501的上端为矩形柔性铰链，其下端正交布置有相同尺寸的矩形柔性铰链，所述第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503和第四解耦柔性铰链504与第一解耦柔性铰链501具有相同的结构，第一解耦柔性铰链501、第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503和第四解耦柔性铰链504的下端分别连接有第一杠杆放大机构506、第二杠杆放大机构507、第三杠杆放大机构508和第四杠杆放大机构509，所述四个杠杆放大机构的外端均设置有相应的四个柔性铰链，柔性铰链的根部连接在套筒2的上端，上述所述的四个弧形帽中，第一弧形帽401和第三弧形帽403的弧形一端分别与第一杠杆放大机构506和第三杠杆放大机构508接触，第二弧形帽402和第四弧形帽404的弧形一端分别与第二杠杆放大机构507和第四杠杆放大机构509接触。
所述套筒2的上端和下端在圆周位置以90度间隔分别开有四个螺纹孔，其上端通过四个顶端分别螺栓连接解耦平台5四个杠杆放大机构外端的四个柔性铰链根部，其下端通过四个底端螺栓连接底盖1，通过旋紧四个顶端螺栓以及四个底端螺栓分别为设置于套筒2内腔内的四个压电堆和四个弧形帽提供预紧力。
所述解耦平台5中的平台505、第一解耦柔性铰链501、第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503、第四解耦柔性铰链504、第一杠杆放大机构506、第二杠杆放大机构507、第三杠杆放大机构508以及第四杠杆放大机构509均为一体化设计。
所述第一解耦柔性铰链501、第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503和第四解耦柔性铰链504均由上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链二者呈正交设置组成，当解耦柔性铰链受到绕某一轴的弯矩载荷时只有一个矩形柔性铰链产生较大弯曲变形而另一个与其正交设置的矩形柔性铰链由于对应此维度的弯曲刚度很大仅发生很小变形，因此所述的四个解耦柔性铰链具有两个维度间的解耦功能。
具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构的驱动方法，所述解耦平台5设计有四个解耦柔性铰链和四个杠杆放大机构外端的四个普通柔性铰链，初始状态时，给第一压电堆301、第二压电堆302、第三压电堆303和第四压电堆304共同施加一个偏置电压V使得四个压电堆共同产生数值为Z的偏置位移，由于解耦平台5为旋转对称结构，因此其各柔性铰链的变形仅使平台505沿竖向平移一个位移；为使平台505产生绕x轴的偏转角，给第一压电堆301施加V+ΔV驱动电压使其产生数值为Z+ΔZ的竖向位移，同时给第三压电堆303施加V-ΔV驱动电压使其产生数值为Z-ΔZ的竖向位移，第一压电堆301和第三压电堆303的差动位移经第一杠杆放大机构506和第三杠杆放大机构508放大后输出使得第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的上端矩形柔性铰链弯曲，同时使得第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的下端矩形柔性铰链弯曲，由于解耦柔性铰链的上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链呈正交设置，因此第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的下端矩形柔性铰链以及第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的上端矩形柔性铰链仅产生很小变形，从而可视为刚性连接；为使平台505产生绕y轴的偏转角，给第二压电堆302施加V+ΔV驱动电压使其产生数值为Z+ΔZ的竖向位移，同时给第四压电堆304施加V-ΔV驱动电压使其产生数值为Z-ΔZ的竖向位移，第二压电堆302和第四压电堆304的差动位移经第二杠杆放大机构507和第四杠杆放大机构509放大后输出使得第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的上端矩形柔性铰链弯曲，同时使得第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的下端矩形柔性铰链弯曲，由于解耦柔性铰链的上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链呈正交设置，因此第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的下端矩形柔性铰链以及第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的上端矩形柔性铰链仅产生很小变形，从而可视为刚性连接。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明中的平台505在绕x轴和绕y轴的两个维度方向调整时，两个维度间的机械耦合水平很低，因此有利于对两个维度进行分别控制并提高偏转角的输出精度。
2)本发明为旋转对称结构，因此驱动平台505绕x轴和绕y轴产生偏转角所对应的结构基频相同，也即两个维度具有相同的频响特性，有利于简化控制算法。
3)本发明的关键及主要零件如解耦平台5、套筒2和底盖1均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配和加工工序简单。
附图说明
图1为本发明具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构的直角剖面图。
图2为本发明具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构的平面剖面图。
图3为解耦平台结构图。
具体实施方式
下面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、图2和图3所示，本发明具有解耦功能的高精度大偏转角压电二维指向机构，包括底盖1，固定在底盖1上的套筒2，套筒2的内腔设置有四个沿圆周均匀布置的压电堆，四个压电堆均为竖向布置，其一端坐在基座1上，另一端均设置有相应的弧形帽，所述四个压电堆及弧形帽中，第一压电堆301和第三压电堆303以及与其对应的第一弧形帽401和第三弧形帽403设置在沿X轴方向，第二压电堆302和第四压电堆304以及与其对应的第二弧形帽402和第四弧形帽404设置在沿Y轴方向，所述套筒2的另一端连接有解耦平台5，所述解耦平台5的上端设置有平台505，平台505的下侧沿圆周位置均匀布置有四个相同结构的解耦柔性铰链，所述四个解耦柔性铰链中，第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503设置在沿x轴方向，第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504设置在沿y轴方向，第一解耦柔性铰链501的上端为矩形柔性铰链，其下端正交布置有相同尺寸的矩形柔性铰链，所述第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503和第四解耦柔性铰链504与第一解耦柔性铰链501具有相同的结构，第一解耦柔性铰链501、第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503和第四解耦柔性铰链504的下端分别连接有第一杠杆放大机构506、第二杠杆放大机构507、第三杠杆放大机构508和第四杠杆放大机构509，所述四个杠杆放大机构的外端均设置有相应的四个柔性铰链，柔性铰链的根部连接在套筒2的上端，上述所述的四个弧形帽中，第一弧形帽401和第三弧形帽403的弧形一端分别与第一杠杆放大机构506和第三杠杆放大机构508接触，第二弧形帽402和第四弧形帽404的弧形一端分别与第二杠杆放大机构507和第四杠杆放大机构509接触。
作为本发明的优选实施方式，所述套筒2的上端和下端在圆周位置以90度间隔分别开有四个螺纹孔，其上端通过四个顶端螺栓连接解耦平台5四个杠杆放大机构外端的四个柔性铰链根部，其下端通过四个底端螺栓连接底盖1，通过旋紧四个顶端螺栓以及四个底端螺栓为设置于套筒2内腔内的四个压电堆和四个弧形帽提供预紧力。
作为本发明的优选实施方式，
所述解耦平台5中的平台505、第一解耦柔性铰链501、第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503、第四解耦柔性铰链504、第一杠杆放大机构506、第二杠杆放大机构507、第三杠杆放大机构508以及第四杠杆放大机构509均为一体化设计。
作为本发明的优选实施方式，所述第一解耦柔性铰链501、第二解耦柔性铰链502、第三解耦柔性铰链503和第四解耦柔性铰链504均由上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链二者呈正交设置组成，当解耦柔性铰链受到绕某一轴的弯矩载荷时只有一个矩形柔性铰链产生较大弯曲变形而另一个与其正交设置的矩形柔性铰链由于对应此维度的弯曲刚度很大仅发生很小变形，因此所述的四个解耦柔性铰链具有两个维度间的解耦功能。
如图1、图2所示，具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构的驱动方法，所述解耦平台5设计有四个解耦柔性铰链和四个杠杆放大机构外端的四个普通柔性铰链，初始状态时，给第一压电堆301、第二压电堆302、第三压电堆303和第四压电堆304共同施加一个偏置电压V使得四个压电堆共同产生数值为Z的偏置位移，由于解耦平台5为旋转对称结构，因此其各柔性铰链的变形仅使平台505沿竖向平移一个位移；为使平台505产生绕x轴的偏转角，给第一压电堆301施加V+ΔV驱动电压使其产生数值为Z+ΔZ的竖向位移，同时给第三压电堆303施加V-ΔV驱动电压使其产生数值为Z-ΔZ的竖向位移，第一压电堆301和第三压电堆303的差动位移经第一杠杆放大机构506和第三杠杆放大机构508放大后输出使得第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的上端矩形柔性铰链弯曲，同时使得第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的下端矩形柔性铰链弯曲，由于解耦柔性铰链的上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链呈正交设置，因此第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的下端矩形柔性铰链以及第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的上端矩形柔性铰链仅产生很小变形，从而可视为刚性连接；为使平台505产生绕y轴的偏转角，给第二压电堆302施加V+ΔV驱动电压使其产生数值为Z+ΔZ的竖向位移，同时给第四压电堆304施加V-ΔV驱动电压使其产生数值为Z-ΔZ的竖向位移，第二压电堆302和第四压电堆304的差动位移经第二杠杆放大机构507和第四杠杆放大机构509放大后输出使得第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的上端矩形柔性铰链弯曲，同时使得第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的下端矩形柔性铰链弯曲，由于解耦柔性铰链的上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链呈正交设置，因此第二解耦柔性铰链502和第四解耦柔性铰链504的下端矩形柔性铰链以及第一解耦柔性铰链501和第三解耦柔性铰链503的上端矩形柔性铰链仅产生很小变形，从而可视为刚性连接。
Claims (5)
1.具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构，其特征在于：包括底盖(1)，固定在底盖(1)上的套筒(2)，套筒(2)的内腔设置有四个沿圆周均匀布置的压电堆，四个压电堆均为竖向布置，其一端坐在基座(1)上，另一端均设置有相应的弧形帽，所述四个压电堆及弧形帽中，第一压电堆(301)和第三压电堆(303)以及与其对应的第一弧形帽(401)和第三弧形帽(403)设置在沿X轴方向，第二压电堆(302)和第四压电堆(304)以及与其对应的第二弧形帽(402)和第四弧形帽(404)设置在沿Y轴方向，所述套筒(2)的另一端连接有解耦平台(5)，所述解耦平台(5)的上端设置有平台(505)，平台(505)的下侧沿圆周位置均匀布置有四个相同结构的解耦柔性铰链，所述四个解耦柔性铰链中，第一解耦柔性铰链(501)和第三解耦柔性铰链(503)设置在沿x轴方向，第二解耦柔性铰链(502)和第四解耦柔性铰链(504)设置在沿y轴方向，第一解耦柔性铰链(501)的上端为矩形柔性铰链，其下端正交布置有相同尺寸的矩形柔性铰链，所述第二解耦柔性铰链(502)、第三解耦柔性铰链(503)和第四解耦柔性铰链(504)与第一解耦柔性铰链(501)具有相同的结构，第一解耦柔性铰链(501)、第二解耦柔性铰链(502)、第三解耦柔性铰链(503)和第四解耦柔性铰链(504)的下端分别连接有第一杠杆放大机构(506)、第二杠杆放大机构(507)、第三杠杆放大机构(508)和第四杠杆放大机构(509)，所述四个杠杆放大机构的外端均设置有相应的四个柔性铰链，柔性铰链的根部连接在套筒(2)的上端，上述所述的四个弧形帽中，第一弧形帽(401)和第三弧形帽(403)的弧形一端分别与第一杠杆放大机构(506)和第三杠杆放大机构(508)接触，第二弧形帽(402)和第四弧形帽(404)的弧形一端分别与第二杠杆放大机构(507)和第四杠杆放大机构(509)接触。
2.根据权利要求1所述的具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构，其特征在于：所述套筒(2)的上端和下端在圆周位置以90度间隔分别开有四个螺纹孔，其上端通过四个顶端分别螺栓连接解耦平台(5)四个杠杆放大机构外端的四个柔性铰链根部，其下端通过四个底端螺栓连接底盖(1)，通过旋紧四个顶端螺栓以及四个底端螺栓分别为设置于套筒(2)内腔内的四个压电堆和四个弧形帽提供预紧力。
3.根据权利要求1所述的具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构，其特征在于：所述解耦平台5中的平台(505)、第一解耦柔性铰链(501)、第二解耦柔性铰链(502)、第三解耦柔性铰链(503)、第四解耦柔性铰链(504)、第一杠杆放大机构(506)、第二杠杆放大机构(507)、第三杠杆放大机构(508)以及第四杠杆放大机构(509)均为一体化设计。
4.根据权利要求1所述的具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构，其特征在于：所述第一解耦柔性铰链(501)、第二解耦柔性铰链(502)、第三解耦柔性铰链(503)和第四解耦柔性铰链(504)均由上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链二者呈正交设置组成，当解耦柔性铰链受到绕某一轴的弯矩载荷时只有一个矩形柔性铰链产生较大弯曲变形而另一个与其正交设置的矩形柔性铰链由于对应此维度的弯曲刚度很大仅发生很小变形，因此所述的四个解耦柔性铰链具有两个维度间的解耦功能。
5.具有解耦功能的大偏转角压电二维指向机构的驱动方法，其特征在于：所述解耦平台(5)设计有四个解耦柔性铰链和四个杠杆放大机构外端的四个普通柔性铰链，初始状态时，给第一压电堆(301)、第二压电堆(302)、第三压电堆(303)和第四压电堆(304)共同施加一个偏置电压V使得四个压电堆共同产生数值为Z的偏置位移，由于解耦平台(5)为旋转对称结构，因此其各柔性铰链的变形仅使平台(505)沿竖向平移一个位移；为使平台(505)产生绕x轴的偏转角，给第一压电堆(301)施加V+ΔV驱动电压使其产生数值为Z+ΔZ的竖向位移，同时给第三压电堆(303)施加V-ΔV驱动电压使其产生数值为Z-ΔZ的竖向位移，第一压电堆(301)和第三压电堆(303)的差动位移经第一杠杆放大机构(506)和第三杠杆放大机构(508)放大后输出使得第一解耦柔性铰链(501)和第三解耦柔性铰链(503)的上端矩形柔性铰链弯曲，同时使得第二解耦柔性铰链(502)和第四解耦柔性铰链(504)的下端矩形柔性铰链弯曲，由于解耦柔性铰链的上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链呈正交设置，因此第一解耦柔性铰链(501)和第三解耦柔性铰链(503)的下端矩形柔性铰链以及第二解耦柔性铰链(502)和第四解耦柔性铰链(504)的上端矩形柔性铰链仅产生很小变形，从而可视为刚性连接；为使平台(505)产生绕y轴的偏转角，给第二压电堆(302)施加V+ΔV驱动电压使其产生数值为Z+ΔZ的竖向位移，同时给第四压电堆(304)施加V-ΔV驱动电压使其产生数值为Z-ΔZ的竖向位移，第二压电堆(302)和第四压电堆(304)的差动位移经第二杠杆放大机构(507)和第四杠杆放大机构(509)放大后输出使得第二解耦柔性铰链(502)和第四解耦柔性铰链(504)的上端矩形柔性铰链弯曲，同时使得第一解耦柔性铰链(501)和第三解耦柔性铰链(503)的下端矩形柔性铰链弯曲，由于解耦柔性铰链的上端矩形柔性铰链和下端柔性铰链呈正交设置，因此第二解耦柔性铰链(502)和第四解耦柔性铰链(504)的下端矩形柔性铰链以及第一解耦柔性铰链(501)和第三解耦柔性铰链(503)的上端矩形柔性铰链仅产生很小变形，从而可视为刚性连接。
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