CN108080241B - 一种三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，属于微位移驱动技术领域。该平台包括顶部、底部两个三棱柱状张拉整体结构，两者由连接平面连接。顶部三棱柱状张拉整体结构由3根压电杆、3根弹簧、驱动平面和连接平面组成；底部三棱柱状张拉整体结构由1根压电杆、3根金属杆、3根弹簧、底座和连接平面组成。该平台能够实现垂直平移、微旋转和微倾斜三种位移模式。该装置单独实现三种位移模式，不发生相互的干扰，同时还可以实现其协同作用；除此之外，通过施加电压波形的控制将位移驱动平台转换为振动平台。本发明采用压电材料和张拉整体结构相结合，实现平台装置的微位移变化，具有综合测量、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微位移驱动技术领域，特别是指一种三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台。
背景技术
张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳单元和预压缩的杆单元相互连接而成。在没有任何外部支撑的情况下，靠杆和绳的预应力作用即可保持自身的几何构型，在受到微小保守力扰动时，总是趋向于恢复到初始的自平衡状态。传统的驱动平台结构复杂，操作繁琐，位移模式单一。为此，本发明公开一种三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台。
该平台包括顶部、底部两个三棱柱状张拉整体结构，顶部三棱柱状张拉整体结构和底部三棱柱状张拉整体结构由连接平面连接；顶部三棱柱状张拉整体结构由3根压电杆、3根弹簧、驱动平面和连接平面组成，3根压电杆、3根弹簧位于驱动平面和连接平面之间，且用于连接驱动平面和连接平面；底部三棱柱状张拉整体结构由1根压电杆、3根金属杆、3根弹簧、底座和连接平面组成，1根压电杆、3根金属杆和3根弹簧位于连接平面和底座之间，且用于连接连接平面和底座。
其中，驱动平面、连接平面和底座均为刚性平面。
杆单元与刚性平面间采用球铰连接，其中，杆单元包括压电杆、金属杆。
压电杆为由0-150v直流可调电源驱动压电陶瓷堆栈。
金属杆为空心杆件。
该位移驱动平台能够实现驱动平面的垂直平移、微旋转和微倾斜。
其中，垂直平移是通过同时驱动顶部三棱柱状张拉整体结构中的压电杆两端同时伸长或缩短，实现在保证结构的驱动平面不发生旋转情况下完成驱动平面的上升与下降。
微旋转是通过控制底部三棱柱状张拉整体结构中心的压电杆向上伸长或缩短，完成装置高度的变化，根据张拉整体结构的自身性质，杆单元单向伸长或缩短过程中，会导致张拉整体结构发生旋转，底部三棱柱状张拉整体结构的旋转带动顶部三棱柱状张拉整体结构的旋转，完成顶部三棱柱状张拉整体结构上端驱动平面的微旋转。
在微旋转调节过程中，底部三棱柱状张拉整体结构压电杆伸长或缩短的过程会导致底部三棱柱状张拉整体结构高度的升高或降低，为保证驱动平面垂直位移不变，需同时调整顶部三棱柱状张拉整体结构压电杆两端长度来降低或升高顶部三棱柱状张拉整体结构高度以进行高度补偿。
除此之外，改变底部压电杆件的初始长度可调节该结构微旋转的精度和驱动范围。
微倾斜是通过单独驱动顶部三棱柱状张拉整体结构中的一根压电杆长度完成上端驱动平面的倾斜。
微倾斜是通过单独驱动顶部三棱柱状张拉整体结构中的一根压电杆长度完成上端驱动平面的倾斜。
在微倾斜调节过程中，因张拉整体结构自身性质，驱动平面会发生微旋转和垂直平移，此时通过调节三棱柱状张拉整体结构中的压电杆高度变化，使其发生与驱动平面反向的旋转角度以进行角度补偿，再调节顶部张拉整体结构的压电杆长度对结构进行高度补偿。
结构高度和旋转角度的关系以及结构高度与杆件长度的关系均可使用表达式给出，因此驱动平台的调整过程的补偿参数可使用程序一次性计算，这样可简化使用操作。
本发明所述的装置可通过对顶部张拉整体结构施加电压波形的控制将位移驱动平台转换为振动平台，使用方便快捷、操作简单、波形控制精确。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，该装置可通过对顶部张拉整体结构施加电压波形的控制将位移驱动平台转换为振动平台，使用方便快捷、操作简单、波形控制精确。
附图说明
图1为本发明的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台结构示意图；
图2为本发明中三棱柱状张拉整体结构示意图；
图3为本发明中底部三棱柱状张拉整体结构高度和扭转角关系曲线趋势图。
其中：1-驱动平面；2-1-弹簧一；2-2-弹簧二；2-3-弹簧三；2-4-弹簧四；2-5-弹簧五；2-6-弹簧六；3-1-压电杆一；3-2-压电杆二；3-3-压电杆三；3-4-压电杆四；4-连接平面；5-1-金属杆一；5-2-金属杆二；5-3-金属杆三；6-底座。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，如图1所示，该平台包括顶部、底部两个三棱柱状张拉整体结构，顶部三棱柱状张拉整体结构和底部三棱柱状张拉整体结构由连接平面连接；顶部三棱柱状张拉整体结构由3根压电杆(压电杆一3-1、压电杆三3-3、压电杆四3-4)、3根弹簧(弹簧一2-1、弹簧五2-5、弹簧六2-6)、驱动平面1和连接平面4组成，3根压电杆、3根弹簧位于驱动平面和连接平面之间，且用于连接驱动平面和连接平面；底部三棱柱状张拉整体结构由1根压电杆(压电杆二3-2)、3根金属杆(金属杆一5-1、金属杆二5-2、金属杆三5-3)、3根弹簧(弹簧二2-2、弹簧三2-3、弹簧四2-4)、底座6和连接平面4组成，1根压电杆、3根金属杆和3根弹簧位于连接平面和底座之间，且用于连接连接平面和底座。
其中压电杆由压电陶瓷制成，工作过程中利用逆压电效应；金属杆适宜使用轻质材料制成的空心杆件，可减轻结构重量；各杆件单元与刚性平面之间均使用球铰连接。
图2为三棱柱状张拉整体结构示意图，它由6个节点、9根弹簧和3根杆件组成，侧边3根弹簧的节点连接关系为1-1*、2-2*、3-3*，杆件节点连接关系为1-3*、2-1*、3-2*。该驱动平台中的弹簧和杆件节点连接关系与图2所示结构相同。
本发明在进行垂直平移调节过程中，通过同时驱动顶部三棱柱状张拉整体结构中的3根压电杆两端同时伸长或缩短，实现保证顶部三棱柱状张拉整体结构上下刚性平面不发生旋转的情况下完成其上端刚性平面的上升与下降。三棱柱状张拉整体结构的自平衡特性保证了结构的驱动平面不发生转动。顶部三棱柱状张拉整体结构高度变化量Δhup为：
式中：L1为顶层结构压电杆长度、L10顶层结构压电杆初始长度、r杆节点外接圆半径。
通过式(1.1)可知结构垂直平移变化量与压电杆长度的确切关系，因此可通过控制作用于压电杆件的电压达到精确调节结构垂直位移的目的。
本发明在进行微旋转调节过程中，通过控制底部三棱柱状张拉整体结构中间压电杆向上伸长或缩短，来完成装置高度的变化，根据张拉整体结构自身性质，杆单元单向伸长或缩短的过程中，会导致底部三棱柱状张拉整体结构的底座与连接平面发生旋转。相对旋转角度θ与压电杆变化后长度L2关系式为：
式中：L2为底层结构压电杆长度、L底层金属杆长度、r杆节点外接圆半径。
底部三棱柱状张拉整体结构的旋转带动顶部三棱柱状张拉整体结构的旋转，完成顶部三棱柱状张拉整体结构上端驱动平面的旋转。底部三棱柱状张拉整体结构压电杆伸长或缩短的过程会导致底部三棱柱状张拉整体结构高度的升高或降低，为保证装置整体高度不变，需同时调整顶部三棱柱状张拉整体结构3根压电杆两端长度来降低或升高顶部三棱柱状张拉整体结构高度以进行高度补偿。图3所示为底部三棱柱状张拉整体结构高度(在数值上与压电杆长度)与结构扭转角的关系曲线趋势，图中曲线斜率与装置微旋转的调节精度呈负相关，与装置微旋转的调节范围呈正相关。因此设置不同的压电杆的初始长度L10可以实现该装置微旋转调节精度和调节范围的调整。
本发明在微倾斜调节过程中，因张拉整体结构自身性质，驱动平面会发生微旋转和垂直平移；此时通过调节底部三棱柱状张拉整体结构中的压电杆二3-2高度变化，使其发生与驱动平面反向的旋转角度以进行角度补偿；再调节顶部张拉整体结构的压电杆长度对结构进行高度补偿。
本发明所述的装置可通过对顶部张拉整体结构施加电压波形的控制将位移驱动平台转换为振动平台，使用方便快捷、操作简单、波形控制精确。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：包括顶部、底部两个三棱柱状张拉整体结构，顶部三棱柱状张拉整体结构和底部三棱柱状张拉整体结构由连接平面连接；顶部三棱柱状张拉整体结构由3根压电杆、3根弹簧、驱动平面和连接平面组成，3根压电杆、3根弹簧位于驱动平面和连接平面之间，且用于连接驱动平面和连接平面；底部三棱柱状张拉整体结构由1根压电杆、3根金属杆、3根弹簧、底座和连接平面组成，1根压电杆、3根金属杆和3根弹簧位于连接平面和底座之间，且用于连接连接平面和底座。
2.根据权利要求1所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：所述驱动平面、连接平面和底座均为刚性平面。
3.根据权利要求2所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：所述压电杆和金属杆构成的杆单元与刚性平面间采用球铰连接。
4.根据权利要求1所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：所述压电杆为由0-150v直流可调电源驱动压电陶瓷堆栈。
5.根据权利要求1所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：所述金属杆为空心杆件。
6.根据权利要求1所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：该位移驱动平台能够实现驱动平面的垂直平移、微旋转和微倾斜。
7.根据权利要求6所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：所述垂直平移是通过同时驱动顶部三棱柱状张拉整体结构中的压电杆两端同时伸长或缩短，实现在保证结构的驱动平面不发生旋转情况下完成驱动平面的上升与下降。
8.根据权利要求6所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：所述微旋转是通过控制底部三棱柱状张拉整体结构中心的压电杆向上伸长或缩短，完成装置高度的变化，根据张拉整体结构的自身性质，杆单元单向伸长或缩短过程中，会导致张拉整体结构发生旋转，底部三棱柱状张拉整体结构的旋转带动顶部三棱柱状张拉整体结构的旋转，完成顶部三棱柱状张拉整体结构上端驱动平面的微旋转。
9.根据权利要求6所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：所述微倾斜是通过单独驱动顶部三棱柱状张拉整体结构中的一根压电杆长度完成上端驱动平面的倾斜。
10.根据权利要求1所述的三棱柱状张拉整体结构微位移驱动平台，其特征在于：通过对顶部三棱柱状张拉整体结构施加电压波形的控制，将该微位移驱动平台转换为振动平台。
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