CN109546887B - 一种对称结构压电驱动二维指向调整机构的转动平台角度调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种对称结构压电驱动二维指向调整机构及转动平台角度调节方法，它涉及一种压电驱动装置及调节方法，它包括转动平台、底座、万向柔性铰链和四组位移放大单元，每组所述位移放大单元主要由三角放大结构和压电陶瓷促动器组成，所述万向柔性铰链和三角放大机构布置在转动平台和底座之间；转动平台角度调节方法：将对称结构压电驱动二维指向调整机构实行无间隙连接，在安装完成后，利用激光位移传感器测得转动平台两个对称万向柔性铰链的初始高度位移偏差；之后可对转动平台进行角度调整，当工作完毕，压电陶瓷促动器断电恢复初始状态。本发明应用于空间环境下精密指向定位和激光通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电驱动装置及调节方法，具体涉及一种对称结构压电驱动二维指向调整机构及转动平台角度调节方法。属于压电精密驱动领域。
背景技术
随着科技的不断发展，光学领域、半导体领域和机械加工行业等都迫切的需求超精密的指向定位机构，特别是在空间环境下应用的高精度指向调整机构，对星间通讯传输、激光测距等具有重要作用。
指向调整机构经过多年的发展，主要包括了传统电机驱动的指向调整机构和利用压电效应驱动的指向调整机构。传统电机驱动的指向调整机构尺寸大，机构复杂，且控制要求高，并且存在大量转动副，需要解决其润滑及长寿命等难点问题；现有压电驱动指向调整机构的调整转角范围有限，且其热控复杂，不同温度环境下使用误差大。
授权公告号：CN103267210B的中国发明专利提出了一种六自由度并联指向平台，该机构承载能力强、动态相应快。受限于压电陶瓷材料微小位移输出，其调节范围有限，且控制复杂，集成困难。
专利号201710583870.X的中国发明专利提出了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，该发明专利涉及一种杠杠放大的压电二维指向机构，该机构具有结构尺寸小，控制简单的优点，但其采用一级杠杠放大，且尺寸小，位移放大倍数有限，致使转角范围受到限制；其压电陶瓷和弧形帽之间存在摩擦，在恶劣环境下可靠性低。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种角位移调节精度高，转角调节范围较大，运行可靠的一种对称结构压电驱动二维指向调整机构及转动平台角度调节方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种对称结构压电驱动二维指向调整机构，它包括转动平台、底座、万向柔性铰链和四组位移放大单元；所述四组位移放大单元两组为一对对称布置，每组所述位移放大单元主要由三角放大结构和压电陶瓷促动器组成，所述万向柔性铰链和三角放大机构布置在转动平台和底座之间，三角放大机构与万向柔性铰链固接，万向柔性铰链与转动平台固接，三角放大机构与底座固接，所述三角放大机构内固接有所述压电陶瓷促动器。
一种对称结构压电驱动二维指向调整机构的转动平台角度调节方法为将压电式二维指向调整机构实行无间隙连接，在安装完成后，利用激光位移传感器测得转动平台的Y轴或X轴方向上两个对称万向柔性铰链的初始高度位移偏差；之后可对转动平台绕X轴或Y轴或同时绕X轴和Y轴的角度调整；一、根据所需要调整的偏转角度结合万向柔性铰链位移输出点的距离计算对应的高度差，该高度差为理论仿真计算高度差；二、根据所需要的高度差减去测量得到的初始高度位移偏差，得到实际需要的位移差大小；三、根据压电陶瓷促动器的输出特性计算实际需要的位移差对应的电压差大小；四、为偏转角度方向对应的压电陶瓷促动器通电，所通电压压差为计算所得电压差，从而实现转动，压电陶瓷促动器中电压较小的压电陶瓷促动器所通的电压值需要保证有足够的位移输出到转动平台上，当工作完毕，断电恢复初始状态。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1、通过两组三角位移放大结构串联布置实现了压电陶瓷输出的位移放大，增大了偏转平台的角度调整范围。并且保证了角度调节的高精度。
2、本发明利用了差分原理，通过对称两组放大单元的输出位移差来实现角度的偏转，从结构上实现了对热变形和弹性变形误差的主动控制，为机构的高精度调整奠定了基础，配合差分调节方法实现机构微弧级的角度指向调整。机构在空间恶劣环境下具备可靠应用的基础，能够满足空间环境下的应用需求。此外，通过放大单元同时输出，避免了陶瓷受压和受扭的不利应用状况产生，提高了陶瓷的使用寿命，增强了整机的可靠性。
3、本发明指向调整机构中所有部件均为无轴承、无转动副设计，在空间环境下无需进行润滑、防冷焊等复杂处理，具备良好的空间环境适应性，可以实现微弧级转动角度的精确定位。
4、针对传统电机尺寸大、机构复杂和现有压电式指向调整机构精度低、润滑困难及温度影响大的不足，本发明申请的结构紧凑、转角范围较大(约±0.5°)、高精度偏转(调整精度可达微弧度级别)、无轴承、无转动副且能够在空间温度环境下可靠运行。
附图说明
图1为本发明的压电式二维指向调整机构的立体结构图；
图2为一个具体实施方式中压电式二维指向调整机构的结构示意图；
图3为图2的A-A向剖视图；
图4为图2的俯视图；
图5为另一个具体实施方式中压电式二维指向调整机构的主视图；
图6为图5的俯视图；
图7为图5的左视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，一种对称结构压电驱动二维指向调整机构包括转动平台1、底座6、万向柔性铰链2和四组位移放大单元；所述四组位移放大单元两组为一对对称布置，每组所述位移放大单元主要由三角放大机构4和压电陶瓷促动器5组成，所述万向柔性铰链2和三角放大机构4布置在转动平台1和底座6之间，三角放大机构4与万向柔性铰链2固接，万向柔性铰链2与转动平台1固接，三角放大机构4与底座6固接，所述三角放大机构4内固接有所述压电陶瓷促动器5；所述压电陶瓷促动器5内置有能检测并反馈压电陶瓷促动器输出位移的传感器。
本实施方案采用在底座6上周向加工四个矩形槽的方式固定三角放大机构4，切槽的深度和宽度由所给要求计算得出，本实施方案采用的每个三角放大机构4利用两组三角位移放大结构串联布置，增大了机构的放大倍数，同时在结构上对称设计，方便制造加工。
本实施方案在结构上利用四组位移放大单元两组为一对对称布置，在结构上实现了对热变形的主动控制，减小了当温度发生变化时对转动平台转角的影响。
参见图2-图4所示，较佳地，压电陶瓷促动器5和三角放大机构4通过螺钉三10连接。参见图3所示，底座6和每个三角放大机构4通过螺钉一8连接。参见图3所示，三角放大机构4和万向柔性铰链2通过销3连接。参见图3所示，转动平台1和四个万向柔性铰链2通过螺钉二9连接。
参图5-图7所示，另一个实施方式中，还提供一种对称结构压电驱动二维指向调整机构的转动平台角度调节方法，将压电式二维指向调整机构实行无间隙连接，在安装完成后，利用激光位移传感器测得转动平台1的Y轴或X轴方向上两个对称的万向柔性铰链的初始高度位移偏差；之后可对转动平台1绕X轴或Y轴或同时绕X轴和Y轴的角度调整，一、根据所需要调整的偏转角度结合万向柔性铰链2位移输出点的距离计算对应的高度差，该高度差为理论仿真计算高度差；二、根据所需要的高度差减去测量得到的初始高度位移偏差，得到实际需要的位移差大小；三、根据压电陶瓷促动器的输出特性计算实际需要的位移差对应的电压差大小；四、为偏转角度方向对应的压电陶瓷促动器5通电，所通电压压差为计算所得电压差，从而实现转动，压电陶瓷促动器5中电压较小的压电促动器所通的电压值需要保证有足够的位移输出到转动平台1上，当工作完毕，断电恢复初始状态。本实施方式采用对结构相同的四组位移放大单元F1、F2、F3、F4同时驱动，利用差分原理来实现角度调节。通过不同压电陶瓷促动器5驱动电压的不同来实现转动平台不同角度的偏转。本实施方式采用的调节方法实现了所有压电陶瓷促动器5的同时通电输出，避免了压电陶瓷促动器5出现不良使用工况，同时，通过三角放大机构4输出的位移差实现角度偏转，能够克服机构的弹性变形的影响，同时能够减小机构的热变形的影响，容易达到微弧级的偏转调节精度。
在这里列举三种转动平台角度调节方法，
参见图5-图7所述，对转动平台1绕X轴转动角度调整，将压电式二维指向调整机构实行无间隙连接，在安装完成后，利用激光位移传感器测得转动平台1的Y轴方向上两个对称的万向柔性铰链的初始高度位移偏差，一、根据所需要调整的偏转角度结合万向柔性铰链2位移输出点的距离计算对应的高度差；二、根据所需要的高度差减去测量得到的初始高度位移偏差，得到实际需要的位移差大小；三、根据压电陶瓷促动器5的输出特性计算实际需要的位移差对应的电压差大小；四、同时为Y轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器5通电，所通电压压差为计算所得电压差，从而实现转动平台1绕X轴的转动，压电陶瓷促动器5中通电电压较小的压电陶瓷促动器5所通的电压值需要保证有足够的位移输出到转动平台1上，当工作完毕，断电恢复初始状态。
也就是说，工作时，给位移放大单元F1和F2同时通电，但通入的电压大小有区别，通过不同的电压大小实现三角放大机构4输出不同的位移，此时，转动平台1两端都会受到三角放大机构4向下拉的力从而出现向下的位移，两组三角放大机构4输出的位移因压电陶瓷促动器5的输出位移不一样使转动平台1两端产生的位移变化不同。通过位移差来实现转动平台1产生绕X轴的角度偏转。本方法通过对称的两组位移放大单元同时输出并产生输出位移差来推动转动平台1实现不同角度的偏转。
对转动平台1绕Y轴角度调整，将压电式二维指向调整机构实行无间隙连接，在安装完成后，利用激光位移传感器测得转动平台1的X轴方向上两个对称的万向柔性铰链的初始高度位移偏差，一、根据所需要调整的偏转角度结合万向柔性铰链2位移输出点的距离计算对应的高度差；二、根据所需要的高度差减去测量得到的初始高度位移偏差，得到实际需要的位移差大小；三、根据压电陶瓷促动器5的输出特性计算实际需要的位移差对应的电压差大小；四、同时为X轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器5通电，所通电压压差为计算所得电压差，从而实现转动平台1绕Y轴的转动，压电陶瓷促动器5中通电电压较小的压电陶瓷促动器5所通的电压值需要保证有足够的位移输出到转动平台1上，当工作完毕，断电恢复初始状态。
也就是，工作时，给位移放大单元F3和F4同时通电，但通入的电压大小有区别，通过不同的电压大小实现三角放大机构4输出不同的位移，此时，转动平台1两端都会受到三角放大机构4向下拉的力从而出现向下的位移，两组三角放大机构4输出的位移因压电陶瓷促动器5的输出位移不一样使转动平台1两端产生的位移变化不同。通过位移差来实现转动平台1产生绕Y轴的角度偏转，本调节方案需基于压电式二维指向调整机构结构上的对称设计才能实现。本方法通过对称的两组位移放大单元同时输出并产生输出位移差来推动转动平台1实现不同角度的偏转。
对转动平台1进行绕X轴和Y轴角度调整，将压电式二维指向调整机构实行无间隙连接，在安装完成后，利用激光位移传感器分别测得转动平台1的Y轴或X轴方向上两个对称的万向柔性铰链的初始高度位移偏差，一、根据所需要调整的偏转角度结合万向柔性铰链2位移输出点的距离计算对应的高度差，二、根据所需要的高度差减去测量得到的初始高度位移偏差，得到实际需要的位移差大小，三、根据压电陶瓷促动器5的输出特性计算实际需要的位移差对应的电压差大小，四、同时为在Y轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器5通电，所通电压压差为计算所得电压差，保持Y轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器5通电电压差不变，实现转动平台1绕X轴的转动，然后，同时为在X轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器5通电，所通电压压差为计算所得电压差，保持X轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器5通电电压差不变，实现转动平台1绕Y轴的转动，从而实现在X轴和Y轴方向上的转动，压电陶瓷促动器5中通电电压较小的压电陶瓷促动器5所通的电压值需要保证有足够的位移输出到转动平台1上，当工作完毕，断电恢复初始状态。通过压电陶瓷促动器5同时输出不同大小的位移，三角放大机构4将压电陶瓷促动器5输出位移放大经万向柔性铰链2传递到转动平台1上，通过压电陶瓷促动器5输出的位移不同，实现转动平台1的角度偏转。
实施例1
参见图2-图4所示，一种对称结构压电驱动二维指向调整机构，它包括转动平台1、底座6、万向柔性铰链2和四组位移放大单元；所述四组位移放大单元两组为一对对称布置，每组所述位移放大单元主要由三角放大结构4和压电陶瓷促动器5组成，所述万向柔性铰链2和三角放大机构4布置在转动平台1和底座6之间，三角放大机构4上部与万向柔性铰链2通过销3过盈配合无间隙连接，万向柔性铰链2与转动平台1通过螺钉二9连接，三角放大机构4下部与底座6通过螺钉一8连接，所述三角放大机构4内固接有所述压电陶瓷促动器5。所述压电陶瓷促动器5内置有能检测并反馈压电陶瓷促动器输出位移的传感器，该传感器的型号为Pst150/7/80-VS12。四个三角放大机构4呈方形布置，结构对称，在结构上实现了对热变形的主动控制，减小了当温度发生变化时对转动平台转角的影响，每个三角放大机构4利用两组三角位移放大结构串联布置，增大了机构的放大倍数，同时在结构上对称设计，方便制造加工。
实施例2
参见图2-图4所示，一种对称结构压电驱动二维指向调整机构，它包括转动平台1、底座6、万向柔性铰链2和四组位移放大单元；所述四组位移放大单元两组为一对对称布置，每组所述位移放大单元主要由三角放大结构4和压电陶瓷促动器5组成，所述万向柔性铰链2和三角放大机构4布置在转动平台1和底座6之间，三角放大机构4上部与万向柔性铰链2通过销3过盈配合无间隙连接，万向柔性铰链2与转动平台1通过螺钉二9实现无间隙连接，三角放大机构4下部与底座6通过螺钉一8实现无间隙连接，所述三角放大机构4内固接有所述压电陶瓷促动器5，整个调整机构形成无摩擦无间隙安装。运行稳定性和可靠性提高，角度调节精度提高，调整精度可达微弧度级别。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (1)
1.一种对称结构压电驱动二维指向调整机构的转动平台角度调节方法，其特征在于：所述方法结合的对称结构压电驱动二维指向调整机构包括转动平台(1)、底座(6)、万向柔性铰链(2)和四组位移放大单元；所述四组位移放大单元两组为一对对称布置，每组所述位移放大单元主要由三角放大机构(4)和压电陶瓷促动器(5)组成，所述万向柔性铰链(2)和三角放大机构(4)布置在转动平台(1)和底座(6)之间，三角放大机构(4)与万向柔性铰链(2)固接，万向柔性铰链(2)与转动平台(1)固接，三角放大机构(4)与底座(6)固接，所述三角放大机构(4)内固接有所述压电陶瓷促动器(5)；所述压电陶瓷促动器(5)内置有能检测并反馈压电陶瓷促动器输出位移的传感器；
所述转动平台角度调节方法为：将压电式二维指向调整机构实行无间隙连接，在安装完成后，利用激光位移传感器分别测得转动平台(1)的Y轴或X轴方向上两个对称的万向柔性铰链的初始高度位移偏差，一、根据所需要调整的偏转角度结合万向柔性铰链(2)位移输出点的距离计算对应的高度差，二、根据所需要的高度差减去测量得到的初始高度位移偏差，得到实际需要的位移差大小，三、根据压电陶瓷促动器(5)的输出特性计算实际需要的位移差对应的电压差大小，四、同时为在Y轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器(5)通电，所通电压压差为计算所得电压差，保持Y轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器(5)通电电压差不变，实现转动平台(1)绕X轴的转动，然后，同时为在X轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器(5)通电，所通电压压差为计算所得电压差，保持X轴方向上对称的两个压电陶瓷促动器(5)通电电压差不变，实现转动平台(1)绕Y轴的转动，从而实现在X轴和Y轴方向上的转动，压电陶瓷促动器(5)中通电电压较小的压电陶瓷促动器(5)所通的电压值需要保证有足够的位移输出到转动平台(1)上，当工作完毕，断电恢复初始状态。
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