CN107863901A - 一种六自由度微位移压电驱动调节装置及调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种六自由度微位移压电驱动调节装置及调节方法，该装置由底部XYθZ调节机构，串联在XYθZ调节机构上的θXθYZ调节机构，和顶部载物台组成；XYθZ调节机构由底座，水平固支在底座且中心反对称布置的四个菱形位移放大驱动机构，以及与驱动机构通过柔性铰链连接的承载台组成；θXθYZ调节机构由垂直固支在承载台且中心反对称布置的四个菱形位移放大驱动机构组成；对XYθZ调节机构X(或Y)方向的一对压电堆施加差分电压，可实现平台X(或Y)轴平动；两对压电堆施加相同电压，可实现平台Z轴转动；对θXθYZ调节机构X和Y方向上两对压电堆分别施加差分电压，可实现平台X(或Y)轴转动；两对压电堆施加相同电压，可实现平台Z轴平动。本发明结构紧凑，控制简便，无摩擦，可实现六自由度高精度调节。
Description
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六自由度微位移压电驱动调节装置及调节方法。
技术背景
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
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种六自由度微位移压电驱动调节装置及调节方法，能够使所驱动目标实现三轴转动和三轴平动解耦控制；该装置具有重量轻、无机械摩擦、分析和控制简单、能快速响应的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种六自由度微位移压电驱动调节装置，包括由底座1，中心反对称布置且固支在底座1的第一菱形位移放大驱动机构3、第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5和第四菱形位移放大驱动机构6，以及同第一菱形位移放大驱动机构3、第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5、第四菱形位移放大驱动机构6用双轴柔性铰链连接的承载台2组成的XYθZ调节机构；由中心反对称布置且固支在承载台2上的第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10组成的θXθYZ调节机构；以及θXθYZ调节机构上端同第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10用双轴柔性铰链连接的载物台11，所述载物台11上表面为物体安装平面，形状根据对象设定；
所述XYθZ调节机构中，承载台2嵌套在底座1内部，承载台2中心同底座1内壁等距且与内壁之间留有作动间隙；第一菱形位移放大驱动机构3水平安装在底座1的驱动平台1-11上，其一端固定在底座1的限位板1-12上的限位槽1-13中，另一端作为位移输出端经过底座1的限位孔1-14与承载台2通过双轴柔性铰链一体化连接；第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5和第四菱形位移放大驱动机构6同底座1及承载台2的安装方式与第一菱形位移放大驱动机构3相同；
所述θXθYZ调节机构中，第五菱形位移放大驱动机构7一端竖直固定在承载台2上，另一端作为位移输出端同载物台11通过双轴柔性铰链一体化连接；第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10同承载台2和载物台11的安装方式与第五菱形位移放大驱动机构7相同。
所述第一菱形位移放大驱动机构3由第一菱形位移放大机构3-1及其内带预紧力的第一压电堆3-2组成，第一菱形位移放大机构3-1一端留有安装螺纹孔；第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5、第四菱形位移放大驱动机构6、第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10与第一菱形位移放大驱动机构3结构相同。
XYθZ调节机构中，底座1与四个中心对称布置的第一菱形位移放大驱动机构3、第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5和第四菱形位移放大驱动机构6之间相配合部分通过螺钉连接；θXθYZ调节机构的四个中心对称布置的第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10同承载台2之间相配合部分通过螺钉连接。
所述一种六自由度微位移压电驱动调节装置的调节方法，对于XYθZ调节机构，X方向的一对反对称第一压电堆3-2和第三压电堆5-2施加大小相等方向相反的电压，基于压电材料的逆压电效应，第一菱形位移放大机构3-1和第三菱形位移放大机构5-1位移输出端产生X方向同向位移，实现调节装置X方向的平动；Y方向的平动原理同X方向的平动原理类似，Y方向的一对反对称第二压电堆4-2和第四压电堆6-2施加大小相等方向相反的电压，基于压电材料的逆压电效应，第二菱形位移放大机构4-1和第四菱形位移放大机构6-1位移输出端产生Y方向同向位移，实现调节装置Y方向的平动；对XYθZ调节机构两对压电堆即第一压电堆3-2和第三压电堆5-2以及第二压电堆4-2和第四压电堆6-2施加大小相等方向相同电压，基于压电材料的逆压电效应，X方向反对称布置的第一菱形位移放大机构3-1和第三菱形位移放大机构5-1位移输出端产生X方向相反位移，同时，Y方向反对称布置的第二菱形位移放大机构4-1和第四菱形位移放大机构6-1位移输出端产生Y方向上的相反位移，对承载台2施加逆时针(或顺时针)力矩，实现调节装置Z方向的转动；
对于θXθYZ调节机构，对X方向上反对称布置的第五压电堆7-2和第七压电堆9-2以及Y方向上反对称布置的第六压电堆8-2和第八压电堆10-2分别施加相同差分电压，基于压电材料的逆压电效应，X方向上的第五菱形位移放大机构7-1和第七菱形位移放大机构9-1位移输出端以及Y方向上的第六菱形位移放大机构8-1和第八菱形位移放大机构10-1位移输出端分别产生Z方向差分位移，使平台产生X(或Y方向)的偏角，实现调节装置(X或Y)方向的转动；对X和Y方向上的两对压电堆即第五压电堆7-2和第七压电堆9-2以及第六压电堆8-2和第八压电堆10-2施加相同大小相等方向相同电压，基于压电材料的逆压电效应，第五菱形位移放大机构7-1、第六菱形位移放大机构8-1、第七菱形位移放大机构9-1和第八菱形位移放大机构10-1位移输出端产生Z方向同向位移，实现平台Z方向平动。
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)采用双向柔性铰链连接关键部位，无机械摩擦，作动精度高；
3)采用菱形位移放大机构和陶瓷压电驱动，功耗低、响应快；
4)可实现三轴转动的和三轴平动六自由度解耦控制，分析简单，控制简便。
附图说明
图1为本发明装置装配图。
图2为XYθZ调节机构装配图。
图3为XYθZ调节机构作动原理模型图。
图4为θXθYZ调节机构装配图。
图5为θXθYZ调节机构作动原理模型图。
图6为底座部件结构图。
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，一种六自由度微位移压电驱动调节装置，包括由底座1，中心反对称布置且固支在底座1的第一菱形位移放大驱动机构3、第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5和第四菱形位移放大驱动机构6，以及同第一菱形位移放大驱动机构3、第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5、第四菱形位移放大驱动机构6用双轴柔性铰链连接的承载台2组成的XYθZ调节机构；由中心反对称布置且固支在承载台2上的第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10组成的θXθYZ调节机构；以及θXθYZ调节机构上端同第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10用双轴柔性铰链连接的载物台11，所述载物台11上表面为物体安装平面，形状根据对象设定；
如图6所示，所述XYθZ调节机构中，承载台2嵌套在底座1内部，承载台2中心同底座1内壁等距且与内壁之间留有作动间隙；第一菱形位移放大驱动机构3水平安装在底座1的驱动平台1-11上，其一端固定在底座1的限位板1-12上的限位槽1-13中，另一端作为位移输出端经过底座1的限位孔1-14与承载台2通过双轴柔性铰链一体化连接；第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5和第四菱形位移放大驱动机构6同底座1及承载台2的安装方式与第一菱形位移放大驱动机构3相同；
如图4所示，所述θXθYZ调节机构中，第五菱形位移放大驱动机构7一端竖直固定在承载台2上，另一端作为位移输出端同载物台11通过双轴柔性铰链一体化连接；第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10同承载台2和载物台11的安装方式与第五菱形位移放大驱动机构7相同。
如图2所示，所述第一菱形位移放大驱动机构3由第一菱形位移放大机构3-1及其内带预紧力的第一压电堆3-2组成，第一菱形位移放大机构3-1一端留有安装螺纹孔；第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5、第四菱形位移放大驱动机构6、第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10与第一菱形位移放大驱动机构3结构相同。
XYθZ调节机构中，底座1与四个中心对称布置的第一菱形位移放大驱动机构3、第二菱形位移放大驱动机构4、第三菱形位移放大驱动机构5和第四菱形位移放大驱动机构6之间相配合部分通过螺钉连接；θXθYZ调节机构的四个中心对称布置的第五菱形位移放大驱动机构7、第六菱形位移放大驱动机构8、第七菱形位移放大驱动机构9和第八菱形位移放大驱动机构10同承载台2之间相配合部分通过螺钉连接。
本发明一种六自由度微位移压电驱动调节装置的调节方法，XYθZ调节机构作动原理模型图如图3所示，，X方向的一对反对称第一压电堆3-2和第三压电堆5-2施加大小相等方向相反的电压，基于压电材料的逆压电效应，第一菱形位移放大机构3-1和第三菱形位移放大机构5-1位移输出端产生X方向同向位移，实现调节装置X方向的平动；Y方向的平动原理同X方向的平动原理类似，Y方向的一对反对称第二压电堆4-2和第四压电堆6-2施加大小相等方向相反的电压，基于压电材料的逆压电效应，第二菱形位移放大机构4-1和第四菱形位移放大机构6-1位移输出端产生Y方向同向位移，实现调节装置Y方向的平动；对XYθZ调节机构两对压电堆即第一压电堆3-2和第三压电堆5-2以及第二压电堆4-2和第四压电堆6-2施加大小相等方向相同电压，基于压电材料的逆压电效应，X方向反对称布置的第一菱形位移放大机构3-1和第三菱形位移放大机构5-1位移输出端产生X方向相反位移，同时，Y方向反对称布置的第二菱形位移放大机构4-1和第四菱形位移放大机构6-1位移输出端产生Y方向上的相反位移，对承载台2施加逆时针(或顺时针)力矩，实现调节装置Z方向的转动；
θXθYZ调节机构作动原理模型图如图5所示，对X方向上反对称布置的第五压电堆7-2和第七压电堆9-2和Y方向上反对称布置的第六压电堆8-2和第八压电堆10-2分别施加相同差分电压，基于压电材料的逆压电效应，X方向上的第五菱形位移放大机构7-1和第七菱形位移放大机构9-1位移输出端以及Y方向上的第六菱形位移放大机构8-1和第八菱形位移放大机构10-1位移输出端分别产生Z方向差分位移，使平台产生X(或Y方向)的偏角，实现调节装置(X或Y)方向的转动；对X和Y方向上的两对压电堆即第五压电堆7-2和第七压电堆9-2以及第六压电堆8-2和第八压电堆10-2施加相同大小相等方向相同电压，基于压电材料的逆压电效应，第五菱形位移放大机构7-1、第六菱形位移放大机构8-1、第七菱形位移放大机构9-1和第八菱形位移放大机构10-1位移输出端产生Z方向同向位移，实现平台Z方向平动。
所述θXθYZ调节机构和XYθZ调节机构相互串联，三轴转动和三轴平动解耦驱动，分析简单，控制简便，结构紧凑，无机械摩擦，可实现六自由度高精度控制。
Claims (4)
1.一种六自由度微位移压电驱动调节装置，其特征在于：包括由底座(1)，中心反对称布置且固支在底座(1)的第一菱形位移放大驱动机构(3)、第二菱形位移放大驱动机构(4)、第三菱形位移放大驱动机构(5)和第四菱形位移放大驱动机构(6)，以及同第一菱形位移放大驱动机构(3)、第二菱形位移放大驱动机构(4)、第三菱形位移放大驱动机构(5)、第四菱形位移放大驱动机构(6)用双轴柔性铰链连接的承载台(2)组成的XYθZ调节机构；由中心反对称布置且固支在承载台(2)上的第五菱形位移放大驱动机构(7)、第六菱形位移放大驱动机构(8)、第七菱形位移放大驱动机构(9)和第八菱形位移放大驱动机构(10)组成的θXθYZ调节机构；以及θXθYZ调节机构上端同第五菱形位移放大驱动机构(7)、第六菱形位移放大驱动机构(8)、第七菱形位移放大驱动机构(9)和第八菱形位移放大驱动机构(10)用双轴柔性铰链连接的载物台(11)，所述载物台(11)上表面为物体安装平面，形状根据对象设定；
所述XYθZ调节机构中，承载台(2)嵌套在底座(1)内部，承载台(2)中心同底座(1)内壁等距且与内壁之间留有作动间隙；第一菱形位移放大驱动机构(3)水平安装在底座(1)的驱动平台(1-11)上，其一端固定在底座(1)的限位板(1-12)上的限位槽(1-13)中，另一端作为位移输出端经过底座(1)的限位孔(1-14)与承载台(2)通过双轴柔性铰链一体化连接；第二菱形位移放大驱动机构(4)、第三菱形位移放大驱动机构(5)和第四菱形位移放大驱动机构(6)同底座(1)及承载台(2)的安装方式与第一菱形位移放大驱动机构(3)相同；
所述θXθYZ调节机构中，第五菱形位移放大驱动机构(7)一端竖直固定在承载台(2)上，另一端作为位移输出端同载物台(11)通过双轴柔性铰链一体化连接；第六菱形位移放大驱动机构(8)、第七菱形位移放大驱动机构(9)和第八菱形位移放大驱动机构(10)同承载台(2)和载物台(11)的安装方式与第五菱形位移放大驱动机构(7)相同。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度微位移压电驱动调节装置，其特征在于：所述第一菱形位移放大驱动机构(3)由第一菱形位移放大机构(3-1)及其内带预紧力的第一压电堆(3-2)组成，第一菱形位移放大机构(3-1)一端留有安装螺纹孔；第二菱形位移放大驱动机构(4)、第三菱形位移放大驱动机构(5)、第四菱形位移放大驱动机构(6)、第五菱形位移放大驱动机构(7)、第六菱形位移放大驱动机构(8)、第七菱形位移放大驱动机构(9)和第八菱形位移放大驱动机构(10)与第一菱形位移放大驱动机构(3)结构相同。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度微位移压电驱动调节装置，其特征在于：XYθZ调节机构中，底座(1)与四个中心对称布置的第一菱形位移放大驱动机构(3)、第二菱形位移放大驱动机构(4)、第三菱形位移放大驱动机构(5)和第四菱形位移放大驱动机构(6)之间相配合部分通过螺钉连接；θXθYZ调节机构的四个中心对称布置的第五菱形位移放大驱动机构(7)、第六菱形位移放大驱动机构(8)、第七菱形位移放大驱动机构(9)和第八菱形位移放大驱动机构(10)同承载台(2)之间相配合部分通过螺钉连接。
4.权利要求1至3任一项所述一种六自由度微位移压电驱动调节装置的调节方法，其特征在于：对于XYθZ调节机构，X方向的一对反对称第一压电堆(3-2)和第三压电堆(5-2)施加大小相等方向相反的电压，基于压电材料的逆压电效应，第一菱形位移放大机构(3-1)和第三菱形位移放大机构(5-1)位移输出端产生X方向同向位移，实现调节装置X方向的平动；Y方向的平动原理同X方向的平动原理类似，Y方向的一对反对称第二压电堆(4-2)和第四压电堆(6-2)施加大小相等方向相反的电压，基于压电材料的逆压电效应，第二菱形位移放大机构(4-1)和第四菱形位移放大机构(6-1)位移输出端产生Y方向同向位移，实现调节装置Y方向的平动；对XYθZ调节机构两对压电堆即第一压电堆(3-2)和第三压电堆(5-2)以及第二压电堆(4-2)和第四压电堆(6-2)施加大小相等方向相同电压，基于压电材料的逆压电效应，X方向反对称布置的第一菱形位移放大机构(3-1)和第三菱形位移放大机构(5-1)位移输出端产生X方向相反位移，同时，Y方向反对称布置的第二菱形位移放大机构(4-1)和第四菱形位移放大机构(6-1)位移输出端产生Y方向上的相反位移，对承载台(2)施加逆时针或顺时针力矩，实现调节装置Z方向的转动；
对于θXθYZ调节机构，对X方向上反对称布置的第五压电堆(7-2)和第七压电堆(9-2)以及Y方向上反对称布置的第六压电堆(8-2)和第八压电堆(10-2)分别施加相同差分电压，基于压电材料的逆压电效应，X方向上的第五菱形位移放大机构(7-1)和第七菱形位移放大机构(9-1)位移输出端以及Y方向上的第六菱形位移放大机构(8-1)和第八菱形位移放大机构(10-1)位移输出端分别产生Z方向差分位移，使平台产生X或Y方向的偏角，实现调节装置X或Y方向的转动；对X和Y方向上的两对压电堆即第五压电堆(7-2)和第七压电堆(9-2)以及第六压电堆(8-2)和第八压电堆(10-2)施加相同大小相等方向相同电压，基于压电材料的逆压电效应，第五菱形位移放大机构(7-1)、第六菱形位移放大机构(8-1)、第七菱形位移放大机构(9-1)和第八菱形位移放大机构(10-1)位移输出端产生Z方向同向位移，实现平台Z方向平动。
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