CN109217718A - 压电纤维驱动微旋转移动平台 - Google Patents

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Abstract

一种压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：方框形平台基体通过八个圆弧形柔性铰链分别与八个U形柔性铰链相连接，而八个U形柔性铰链又分别通过八个圆弧形柔性铰链与方块形进给平台相连接，每个U形柔性铰链大弧侧设有压电纤维片作为驱动器，也可以在小弧侧、双侧圆弧或C、D两端面的位置设有压电纤维片，全部U形柔性铰链横截面还可以为V形，全部圆弧形柔性铰链横截面还可以为方形、梯形和椭圆形，方框形平台基体四角设有四个安装孔。本发明以一种简单的结构，以压电纤维驱动柔性铰链的方式使微动平台可以X、Y向平动和绕Z向转动，制造成本低，适合用于超精密加工、精密测量和其他精密操作领域。

Description

压电纤维驱动微旋转移动平台
技术领域 本发明专利涉及一种压电纤维片驱动的微动平台。
背景技术 随着科学技术的发展，高精度和高分辨率的精密微动平台在尖端工业生产和科学研究领域占有极其重要的地位。它能直接影响精密加工、精密测量及超大规模集成电路生产的水平。作为现代科学与尖端科技的关键技术之一，微动平台技术标志着国家经济实力与科技发展水平，是先进生产制造技术的重要技术支撑。目前，微动平台在微纳CPU的生产、MEMS微纳机电系统的加工制造、细胞注射、AFM原子力学显微镜精度的提高等方面有广泛的应用。
现有技术中的微动平台，多为压电陶瓷驱动二维微动平台，其采用压电陶瓷执行器作为驱动器，直接驱动微进给平台进行运动。但是压电陶瓷执行器的输出位移都比较小，很难满足一些需要大位移且精密定位的要求，而且难以实现多自由度运动，只能通过位移放大机构和增加压电陶瓷的个数来实现，但使得平台结构更为复杂。本发明采用压电纤维片做驱动器，实现了X向、Y向平动以及绕Z向转动的三自由度运动，其结构简单并且位移大、定位精度高。
发明内容 为克服现有技术中所存在的缺陷，本发明提出以下技术解决方案：一种压电纤维驱动微旋转移动平台，主要包括方框形平台基体自左边框通过双圆弧形柔性铰链i、双圆弧形柔性铰链ii分别与U形柔性铰链i、U形柔性铰链ii的一侧相连接，而U形柔性铰链i、U形柔性铰链ii另一侧通过双圆弧形柔性铰链ix、双圆弧形柔性铰链x与方块形进给平台左侧相连接；方框形平台基体自右边框通过双圆弧形柔性铰链v、双圆弧形柔性铰链vi分别与U形柔性铰链v、U形柔性铰链vi的一侧相连接，而U形柔性铰链v、U形柔性铰链vi另一侧通过双圆弧形柔性铰链xiii、双圆弧形柔性铰链xiv与方块形进给平台右侧相连接；方框形平台基体自上边框通过双圆弧形柔性铰链vii、双圆弧形柔性铰链viii分别与U形柔性铰链vii、U形柔性铰链viii的一侧相连接，而U形柔性铰链vii、U形柔性铰链viii另一侧通过双圆弧形柔性铰链xv、双圆弧形柔性铰链xvi与方块形进给平台上侧相连接；方框形平台基体自下边框通过双圆弧形柔性铰链iii、双圆弧形柔性铰链iv分别与U形柔性铰链iii、U形柔性铰链iv一侧相连接，而U形柔性铰链iii、U形柔性铰链iv另一侧通过双圆弧形柔性铰链xi、双圆弧形柔性铰链xii与方块形进给平台下侧相连接；U形柔性铰链i的大弧侧设有压电纤维片i；U形柔性铰链ii的大弧侧设有压电纤维片ii；U形柔性铰链iii的大弧侧设有压电纤维片iii；U形柔性铰链iv的大弧侧设有压电纤维片iv；U形柔性铰链v的大弧侧设有压电纤维片v；U形柔性铰链vi的大弧侧设有压电纤维片vi；U形柔性铰链vii的大弧侧设有压电纤维片vii；U形柔性铰链viii的大弧侧设有压电纤维片viii；方框形平台基体的四角设有四个安装孔。本案例中可在全部U形柔性铰链的小弧侧设有压电纤维片，还可在全部U形柔性铰链的两侧圆弧均设有压电纤维片，或在全部U形柔性铰链C、D两端面相对应的同样的位置均设有压电纤维片。本案例中U形柔性铰链横截面还可以为V形。本案例中双圆弧形柔性铰链横截面还可以为方形、梯形、椭圆形。
采用上述技术方案的本发明压电纤维驱动微旋转移动平台，通过一种简单的结构，以驱动柔性铰链的方法设计了一种可以实现三个自由度方向运动的微动平台，其驱动位移大，精度高，制造成本低，适合在精密操作领域推广，还可用于精密加工以及精密测量等其他用途。
附图说明
图1为本发明一种压电纤维驱动微旋转移动平台的立体图。
图2为图1中的I局部放大图。
图3为图2的压电纤维片设在小弧侧的示意图。
图4为图2的压电纤维片设在C、D两端面位置的示意图。
图5为本发明一种压电纤维驱动微旋转移动平台的主视图。
图6为图5的A-A剖面图。
图7为图5的B-B剖面放大图。
图中：1、方框形平台基体，2-1、双圆弧形柔性铰链i，2-2、双圆弧形柔性铰链ii，2-3、双圆弧形柔性铰链iii，2-4、双圆弧形柔性铰链iv，2-5、双圆弧形柔性铰链v，2-6、双圆弧形柔性铰链vi，2-7、双圆弧形柔性铰链vii，2-8、双圆弧形柔性铰链viii，3-1、U形柔性铰链i，3-2、U形柔性铰链ii，3-3、U形柔性铰链iii，3-4、U形柔性铰链iv，3-5、U形柔性铰链v，3-6、U形柔性铰链vi，3-7、U形柔性铰链vii，3-8、U形柔性铰链viii，4-1、双圆弧形柔性铰链ix，4-2、双圆弧形柔性铰链x，4-3、双圆弧形柔性铰链xi，4-4、双圆弧形柔性铰链xii，4-5、双圆弧形柔性铰链xiii，4-6、双圆弧形柔性铰链xiv，4-7、双圆弧形柔性铰链xv，4-8、双圆弧形柔性铰链xvi，5-1、压电纤维片i，5-2、压电纤维片ii，5-3、压电纤维片iii，5-4、压电纤维片iv，5-5、压电纤维片v，5-6、压电纤维片vi，5-7、压电纤维片vii，5-8、压电纤维片viii，6、方块形进给平台，7、安装孔。
具体实施方式从附图可以看出本发明采用八个压电纤维片作为驱动器，实现了微动平台的X向、Y向平动以及绕Z向转动的三自由度运动。为表达叙述方便，采用上下左右的方式说明，实际处于同一个平面。
压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：方框形平台基体1自左边框通过双圆弧形柔性铰链i-2-1、双圆弧形柔性铰链ii-2-2分别与U形柔性铰链i-3-1、U形柔性铰链ii-3-2的一侧相连接，而U形柔性铰链i-3-1、U形柔性铰链ii-3-2另一侧通过双圆弧形柔性铰链ix-4-1、双圆弧形柔性铰链x-4-2与方块形进给平台6左侧相连接；方框形平台基体1自右边框通过双圆弧形柔性铰链v-2-5、双圆弧形柔性铰链vi-2-6分别与U形柔性铰链v-3-5、U形柔性铰链vi-3-6的一侧相连接，而U形柔性铰链v-3-5、U形柔性铰链vi-3-6另一侧通过双圆弧形柔性铰链xiii-4-5、双圆弧形柔性铰链xiv-4-6与方块形进给平台6右侧相连接；方框形平台基体1自上边框通过双圆弧形柔性铰链vii-2-7、双圆弧形柔性铰链viii-2-8分别与U形柔性铰链vii-3-7、U形柔性铰链viii-3-8的一侧相连接，而U形柔性铰链vii-3-7、U形柔性铰链viii-3-8另一侧通过双圆弧形柔性铰链xv-4-7、双圆弧形柔性铰链xvi-4-8与方块形进给平台6上侧相连接；方框形平台基体1自下边框通过双圆弧形柔性铰链iii-2-3、双圆弧形柔性铰链iv-2-4分别与U形柔性铰链iii-3-3、U形柔性铰链iv-3-4一侧相连接，而U形柔性铰链iii-3-3、U形柔性铰链iv-3-4另一侧通过双圆弧形柔性铰链xi-4-3、双圆弧形柔性铰链xii-4-4与方块形进给平台6下侧相连接；U形柔性铰链i-3-1的大弧侧设有压电纤维片i-5-1；U形柔性铰链ii-3-2的大弧侧设有压电纤维片ii-5-2；U形柔性铰链iii-3-3的大弧侧设有压电纤维片iii-5-3；U形柔性铰链iv-3-4的大弧侧设有压电纤维片iv-5-4；U形柔性铰链v-3-5的大弧侧设有压电纤维片v-5-5；U形柔性铰链vi-3-6的大弧侧设有压电纤维片vi-5-6；U形柔性铰链vii-3-7的大弧侧设有压电纤维片vii-5-7；U形柔性铰链viii-3-8的大弧侧设有压电纤维片viii-5-8；方框形平台基体1的四角设有四个安装孔7。
根据压电纤维片的逆压电效应，在电压作用下，压电纤维片可以完成伸长和缩短的动作。U形柔性铰链i-3-1大弧侧的压电纤维片i-5-1、U形柔性铰链ii-3-2大弧侧的压电纤维片ii-5-2缩短带动U形柔性铰链i-3-1、U形柔性铰链ii-3-2张开推动方块形进给平台6右移，U形柔性铰链v-3-5大弧侧的压电纤维片v-5-5、U形柔性铰链vi-3-6大弧侧的压电纤维片vi-5-6伸长带动U形柔性铰链v-3-5、U形柔性铰链vi-3-6闭合拉动方块形进给平台6右移，同时双圆弧形柔性铰链iii-2-3、双圆弧形柔性铰链iv-2-4、双圆弧形柔性铰链vii-2-7、双圆弧形柔性铰链viii-2-8随方块形进给平台6右移向右弯曲，双圆弧形柔性铰链xi-4-3、双圆弧形柔性铰链xii-4-4、双圆弧形柔性铰链xv-4-7、双圆弧形柔性铰链xvi-4-8随方块形进给平台6右移向左弯曲，实现方块形进给平台6的向右移动；U形柔性铰链i-3-1大弧侧的压电纤维片i-5-1、U形柔性铰链ii-3-2大弧侧的压电纤维片ii-5-2伸长带动U形柔性铰链i-3-1、U形柔性铰链ii-3-2闭合拉动方块形进给平台6左移，U形柔性铰链v-3-5大弧侧的压电纤维片v-5-5、U形柔性铰链vi-3-6大弧侧的压电纤维片vi-5-6缩短带动U形柔性铰链v-3-5、U形柔性铰链vi-3-6张开推动方块形进给平台6左移，同时双圆弧形柔性铰链iii-2-3、双圆弧形柔性铰链iv-2-4、双圆弧形柔性铰链vii-2-7、双圆弧形柔性铰链viii-2-8随方块形进给平台6左移向左弯曲，双圆弧形柔性铰链xi-4-3、双圆弧形柔性铰链xii-4-4、双圆弧形柔性铰链xv-4-7、双圆弧形柔性铰链xvi-4-8随方块形进给平台6左移向右弯曲，实现方块形进给平台6的向左移动；从而实现方块形进给平台6的左右移动。方块形进给平台6的上下移动方式与左右移动方式是一致的，其相应的压电纤维片、U形柔性铰链、双圆弧形柔性铰链的动作是类似的。进给平台6上下运动时也可以同时进行左右运动。
U形柔性铰链i-3-1大弧侧的压电纤维片i-5-1伸长带动U形柔性铰链i-3-1闭合，U形柔性铰链ii-3-2大弧侧的压电纤维片ii-5-2缩短带动U形柔性铰链ii-3-2张开，同时双圆弧形柔性铰链i-2-1、双圆弧形柔性铰链ix-4-1、双圆弧形柔性铰链ii-2-2、双圆弧形柔性铰链x-4-2向上弯曲；U形柔性铰链iii-3-3大弧侧的压电纤维片iii-5-3伸长带动U形柔性铰链iii-3-3闭合，U形柔性铰链iv-3-4大弧侧的压电纤维片iv-5-4缩短带动U形柔性铰链iv-3-4张开，同时双圆弧形柔性铰链iii-2-3、双圆弧形柔性铰链xi-4-3、双圆弧形柔性铰链iv-2-4、双圆弧形柔性铰链xii-4-4向左弯曲；U形柔性铰链v-3-5大弧侧的压电纤维片v-5-5伸长带动U形柔性铰链v-3-5闭合，U形柔性铰链vi-3-6大弧侧的压电纤维片vi-5-6缩短带动U形柔性铰链vi-3-6张开，同时双圆弧形柔性铰链v-2-5、双圆弧形柔性铰链xiii-4-5、双圆弧形柔性铰链vi-2-6、双圆弧形柔性铰链xiv-4-6向下弯曲；U形柔性铰链vii-3-7大弧侧的压电纤维片vii-5-7伸长带动U形柔性铰链vii-3-7闭合，U形柔性铰链viii-3-8大弧侧的压电纤维片viii-5-8缩短带动U形柔性铰链viii-3-8张开，同时双圆弧形柔性铰链vii-2-7、双圆弧形柔性铰链xv-4-7、双圆弧形柔性铰链viii-2-8、双圆弧形柔性铰链xvi-4-8向右弯曲；从而实现方块形进给平台6绕Z向逆时针方向旋转。同样，将上述方案反之可实现进给平台6绕Z向顺时针方向旋转。同时根据需要，也可以左右方向移动，上下方向微转动，或是上下方向移动，左右方向微转动，或是上下方向的一端和左右方向的一端移动，而两个方向另一端微转动，实现移动为主、转动为辅或是转动为主、移动为辅的运动。移动和转动的方式与上述情况类似。本案例中可在全部U形柔性铰链的小弧侧设有压电纤维片，还可在全部U形柔性铰链的双侧圆弧均设有压电纤维片，或在全部U形柔性铰链C、D两端面相对应的同样的位置均设有压电纤维片。本案例中U形柔性铰链横截面还可以为V形。本案例中双圆弧形柔性铰链横截面还可以为方形、梯形、椭圆形。
综上所述，本发明的压电纤维驱动微旋转移动平台，利用了压电纤维片的逆压电效应，通过一种简单的柔性结构，以驱动U形柔性铰链的方法使微动平台实现了X向、Y向平动、绕Z向转动，或是移动为主、转动为辅或转动为主、移动为辅的运动。本发明平台移动和转动十分灵活，输出位移大，精度高，结构简单，制造成本低，适合用于精密加工、精密测量、生物工程和光学研究等多种领域。

Claims (8)

1.一种压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：方框形平台基体(1)自左边框通过双圆弧形柔性铰链i(2-1)、双圆弧形柔性铰链ii(2-2)分别与U形柔性铰链i(3-1)、U形柔性铰链ii(3-2)的一侧相连接，而所述U形柔性铰链i(3-1)、U形柔性铰链ii(3-2)另一侧通过双圆弧形柔性铰链ix(4-1)、双圆弧形柔性铰链x(4-2)与方块形进给平台(6)左侧相连接；所述方框形平台基体(1)自右边框通过双圆弧形柔性铰链v(2-5)、双圆弧形柔性铰链vi(2-6)分别与U形柔性铰链v(3-5)、U形柔性铰链vi(3-6)的一侧相连接，而所述U形柔性铰链v(3-5)、U形柔性铰链vi(3-6)另一侧通过双圆弧形柔性铰链xiii(4-5)、双圆弧形柔性铰链xiv(4-6)与所述方块形进给平台(6)右侧相连接；所述方框形平台基体(1)自上边框通过双圆弧形柔性铰链vii(2-7)、双圆弧形柔性铰链viii(2-8)分别与U形柔性铰链vii(3-7)、U形柔性铰链viii(3-8)的一侧相连接，而所述U形柔性铰链vii(3-7)、U形柔性铰链viii(3-8)另一侧通过双圆弧形柔性铰链xv(4-7)、双圆弧形柔性铰链xvi(4-8)与所述方块形进给平台(6)上侧相连接；所述方框形平台基体(1)自下边框通过双圆弧形柔性铰链iii(2-3)、双圆弧形柔性铰链iv(2-4)分别与U形柔性铰链iii(3-3)、U形柔性铰链iv(3-4)一侧相连接，而所述U形柔性铰链iii(3-3)、U形柔性铰链iv(3-4)另一侧通过双圆弧形柔性铰链xi(4-3)、双圆弧形柔性铰链xii(4-4)与所述方块形进给平台(6)下侧相连接；所述U形柔性铰链i(3-1)的大弧侧设有压电纤维片i(5-1)；所述U形柔性铰链ii(3-2)的大弧侧设有压电纤维片ii(5-2)；所述U形柔性铰链iii(3-3)的大弧侧设有压电纤维片iii(5-3)；所述U形柔性铰链iv(3-4)的大弧侧设有压电纤维片iv(5-4)；所述U形柔性铰链v(3-5)的大弧侧设有压电纤维片v(5-5)；所述U形柔性铰链vi(3-6)的大弧侧设有压电纤维片vi(5-6)；所述U形柔性铰链vii(3-7)的大弧侧设有压电纤维片vii(5-7)；所述U形柔性铰链viii(3-8)的大弧侧设有压电纤维片viii(5-8)；所述方框形平台基体(1)的四角设有四个安装孔(7)。
2.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：仅在所述U形柔性铰链i(3-1)、U形柔性铰链ii(3-2)、U形柔性铰链iii(3-3)、U形柔性铰链iv(3-4)、U形柔性铰链v(3-5)、U形柔性铰链vi(3-6)、U形柔性铰链vii(3-7)、U形柔性铰链viii(3-8)的小弧侧设有压电纤维片。
3.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：在所述U形柔性铰链i(3-1)、U形柔性铰链ii(3-2)、U形柔性铰链iii(3-3)、U形柔性铰链iv(3-4)、U形柔性铰链v(3-5)、U形柔性铰链vi(3-6)、U形柔性铰链vii(3-7)、U形柔性铰链viii(3-8)的两侧圆弧均设有压电纤维片。
4.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：在所述U形柔性铰链vii(3-7)的C、D两端面位置和U形柔性铰链i(3-1)、U形柔性铰链ii(3-2)、U形柔性铰链iii(3-3)、U形柔性铰链iv(3-4)、U形柔性铰链v(3-5)、U形柔性铰链vi(3-6)、U形柔性铰链viii(3-8)与所述C、D两端面相对应的同样的位置均设有压电纤维片。
5.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：所述U形柔性铰链i(3-1)、U形柔性铰链ii(3-2)、U形柔性铰链iii(3-3)、U形柔性铰链iv(3-4)、U形柔性铰链v(3-5)、U形柔性铰链vi(3-6)、U形柔性铰链vii(3-7)、U形柔性铰链viii(3-8)横截面为V形。
6.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：所述双圆弧形柔性铰链i(2-1)、双圆弧形柔性铰链ii(2-2)、双圆弧形柔性铰链iii(2-3)、双圆弧形柔性铰链iv(2-4)、双圆弧形柔性铰链v(2-5)、双圆弧形柔性铰链vi(2-6)、双圆弧形柔性铰链vii(2-7)、双圆弧形柔性铰链viii(2-8)、双圆弧形柔性铰链ix(4-1)、双圆弧形柔性铰链x(4-2)、双圆弧形柔性铰链xi(4-3)、双圆弧形柔性铰链xii(4-4)、双圆弧形柔性铰链xiii(4-5)、双圆弧形柔性铰链xiv(4-6)、双圆弧形柔性铰链xv(4-7)、双圆弧形柔性铰链xvi(4-8)横截面为方形。
7.根据权利要求6所述的压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：所述全部的双圆弧形柔性铰链横截面为梯形。
8.根据权利要求6所述的压电纤维驱动微旋转移动平台，其特征在于：所述全部的双圆弧形柔性铰链横截面为椭圆形。
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