CN112953295A - 一种压电驱动式转动微定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电驱动式转动微定位系统，旨在提供一种结构简单、紧凑，成本低的微定位系统。包括压电陶瓷驱动器及一体成型的基座、桥型放大机构、转动驱动机构和定位平台，桥型放大机构包括位于压电陶瓷驱动器四周且沿压电陶瓷驱动器中轴线对称设置的四组桥型柔性铰链机构及连接四组桥型柔性铰链机构的动力盘；转动驱动机构包括位于桥型放大机构外部沿压电陶瓷驱动器中轴线四周对称设置的四组平行四边形机构，每组平行四边形机构包括位移放大机构、横向驱动臂及连接柱，横向驱动臂的自由端安装有连接柱，四组平行四边形机构的连接柱与定位平台连接。该系统只用一个压电陶瓷驱动器就能实现一个自由度的绕中心转动，结构简单紧凑，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种微定位系统，更具体的说，是涉及一种由压电陶瓷驱动器直接驱动，具有二级位移放大的压电驱动式转动微定位系统。
背景技术
近年来，随着微电子技术的蓬勃发展，以加工微米/纳米机构和系统为目的的微纳技术应运而生，从而导致微电子机械系统(MEMS)的出现。MEMS需要将多个微小零件装配成较复杂的微电子机械系统，而微定位系统在微操作和微装配过程中作为操作对象的承载机构，其性能好坏直接影响操作质量，对微操作和微装配任务的实现有着重要的作用。因此，微定位技术是MEMS技术实现产业化的关键环节。在微定位技术中，驱动方式的选取会影响微定位系统机械结构的紧凑性，可能造成系统定位不准确、不稳定等问题，从而限制定位精度与装配质量的提高。
现有的微定位系统大多采用压电陶瓷驱动器，但是由于压电陶瓷的输出位移只有一个平动自由度，若要实现系统的绕中心转动并放大位移一般需要多个压电陶瓷驱动器相配合，结构复杂且成本较高。因此，设计单个压电陶瓷驱动器驱动的绕中心转动微定位系统至关重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种结构简单、紧凑，成本低的压电驱动式转动微定位系统。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种压电驱动式转动微定位系统，包括压电陶瓷驱动器及一体成型的基座、桥型放大机构、转动驱动机构和定位平台，所述桥型放大机构包括位于所述压电陶瓷驱动器四周且沿所述压电陶瓷驱动器中轴线对称设置的四组桥型柔性铰链机构及连接所述四组桥型柔性铰链机构的动力盘，每组所述桥型柔性铰链机构的一端与所述基座连接，另一端与所述动力盘连接；所述转动驱动机构包括位于所述桥型放大机构外部沿所述压电陶瓷驱动器中轴线四周对称设置的四组平行四边形机构，每组所述平行四边形机构包括位移放大机构、横向驱动臂及连接柱，每组所述位移放大机构对应一组所述桥型柔性铰链机构，每组所述位移放大机构的位移输入端与相对应的所述桥型柔性铰链机构的位移输出端连接；每组所述位移放大机构的一端与所述基座连接，另一端与所述横向驱动臂的一端连接，所述横向驱动臂的自由端安装有所述连接柱，四组所述平行四边形机构的连接柱分别与所述定位平台连接；所述压电陶瓷驱动器通过所述动力盘驱动所述桥型放大机构，所述桥型放大机构驱动所述转动驱动机构，所述转动驱动机构中的所述横向驱动臂及连接柱驱动所述定位平台转动。
所述位移放大机构包括柔性铰链Ⅴ、柔性铰链Ⅵ、柔性铰链Ⅶ、柔性铰链Ⅷ、柔性铰链Ⅸ、连杆Ⅵ、连杆Ⅶ、连杆Ⅷ及连杆Ⅸ，所述连杆Ⅵ一端与所述基座连接，所述连杆Ⅶ下端通过所述柔性铰链Ⅴ与所述连杆Ⅵ上端的一侧连接，所述连杆Ⅶ上端通过所述柔性铰链Ⅷ与所述连杆Ⅸ下端的一侧连接，所述连杆Ⅶ内侧通过所述柔性铰链Ⅶ与所述桥型放大机构的位移输出端连接；所述连杆Ⅷ下端通过所述柔性铰链Ⅵ与所述连杆Ⅵ下端的另一侧连接，所述连杆Ⅷ上端通过所述柔性铰链Ⅸ与所述连杆Ⅸ下端的另一侧连接；所述连杆Ⅸ侧面与所述横向驱动臂连接；所述连杆Ⅵ连杆Ⅶ、连杆Ⅸ与连杆Ⅷ组成平行四边形。
所述桥型柔性铰链机构包括依次连接的连杆Ⅰ、柔性铰链Ⅰ、连杆Ⅱ、柔性铰链Ⅱ、连杆Ⅲ、柔性铰链Ⅲ、连杆Ⅳ、柔性铰链Ⅳ及连杆Ⅴ，所述连杆Ⅰ固定于所述基座上，所述连杆Ⅴ与所述动力盘连接。
所述基座对称的上设置有四个安装孔。
所述压电陶瓷驱动器通过预紧螺栓安装于所述基座上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的微定位系统采用桥型放大机构、平行四边形机构实现两级位移放大，使微定位系统具有较大的转动量。同时，通过在平行四边形机构上设置横向驱动臂，只用一个压电陶瓷驱动器就能实现一个自由度的绕中心转动，并且可放大位移的效果，结构简单紧凑，成本较低。
2、本发明的微定位系统由压电陶瓷驱动器直接驱动，可以明显降低微定位系统整体质量和运动惯量。另外，压电陶瓷驱动器具有体积小、刚度高、响应速度快、位移分辨率高等特点，利用压电陶瓷驱动器驱动定位平台的转动，可以有效改善微定位系统的静动态特性。
3、本发明的微定位系统设计成围绕所述压电陶瓷驱动器中轴线四周对称结构，避免了压电陶瓷驱动器承受不必要的剪力和弯矩，同时，能够实现热误差补偿，减小由于微定位系统受热不均引起的误差。
附图说明
图1所示为本发明压电驱动式转动微定位系统的结构示意图；
图2所示为本发明的除去定位平台的俯视图；
图3所示为桥式放大机构示意图；
图4所示为平行四边形机构示意图；
图5所示为除去定位平台的压电驱动式转动微定位系统结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的压电驱动式转动微定位系统的示意图如图1-图5所示，包括压电陶瓷驱动器3及一体成型的基座2、桥型放大机构4、转动驱动机构5和定位平台6。所述基座2上对称的设置有四个安装孔，即安装孔2-1、安装孔2-2、安装孔2-3及安装孔2-4。所述压电陶瓷驱动器3通过预紧螺栓1安装于所述基座2上。所述桥型放大机构4包括位于所述压电陶瓷驱动器3四周且沿所述压电陶瓷驱动器3中轴线对称设置的四组桥型柔性铰链机构A及连接所述四组桥型柔性铰链机构A的动力盘4-10，每组所述桥型柔性铰链机构A的一端与所述基座2连接，另一端与所述动力盘4-10连接。所述转动驱动机构5包括位于所述桥型放大机构4外部沿所述压电陶瓷驱动器3中轴线四周对称设置的四组平行四边形机构，每组所述平行四边形机构包括位移放大机构B、横向驱动臂5-10及连接柱5-11，每组所述位移放大机构B对应一组所述桥型柔性铰链机构A，每组所述位移放大机构的位移输入端与相对应的所述桥型柔性铰链机构的位移输出端连接。每组所述位移放大机构B的一端与所述基座2连接，另一端与所述横向驱动臂5-10的一端连接，所述横向驱动臂5-10的自由端安装有所述连接柱5-11，四组所述平行四边形机构的连接柱分别与所述定位平台6连接。所述压电陶瓷驱动器3通过所述动力盘4-10驱动所述桥型放大机构4，所述桥型放大机构4驱动所述转动驱动机构5，所述转动驱动机构5中的所述横向驱动臂5-10及连接柱5-11驱动所述定位平台6绕中心转动。
本实施例中，所述位移放大机构B包括柔性铰链Ⅴ5-2、柔性铰链Ⅵ5-3、柔性铰链Ⅶ5-4、柔性铰链Ⅷ5-7、柔性铰链Ⅸ5-8、连杆Ⅵ5-1、连杆Ⅶ5-5、连杆Ⅷ5-6及连杆Ⅸ5-9，所述连杆Ⅵ5-1下端与所述基座2连接，所述连杆Ⅶ5-5下端通过所述柔性铰链Ⅴ5-2与所述连杆Ⅵ5-1上端的一侧连接，所述连杆Ⅶ5-5上端通过所述柔性铰链Ⅷ5-7与所述连杆Ⅸ5-9下端的一侧连接，所述连杆Ⅶ5-5内侧通过所述柔性铰链Ⅶ5-4与所述桥型放大机构的位移输出端连接；所述连杆Ⅷ5-6下端通过所述柔性铰链Ⅵ5-3与所述连杆Ⅵ5-1下端的另一侧连接，所述连杆Ⅷ5-6上端通过所述柔性铰链Ⅸ5-8与所述连杆Ⅸ5-9下端的另一侧连接；所述连杆Ⅸ5-9侧面与所述横向驱动臂5-10连接；所述连杆Ⅵ5-1、连杆Ⅶ5-5、连杆Ⅸ5-9与连杆Ⅷ5-6组成平行四边形。
所述桥型柔性铰链机构A包括依次连接的连杆Ⅰ4-1、柔性铰链Ⅰ4-2、连杆Ⅱ4-3、柔性铰链Ⅱ4-4、连杆Ⅲ4-5、柔性铰链Ⅲ4-6、连杆Ⅳ4-7、柔性铰链Ⅳ4-8及连杆Ⅴ4-9，所述连杆Ⅰ4-1固定于所述基座2上，所述连杆Ⅴ4-9与所述动力盘4-10连接。
当压电陶瓷驱动器3两端施加驱动电压时，压电陶瓷驱动器3将伸长并推动桥型放大机构4中的动力盘4-10，桥型柔性铰链机构A将压电陶瓷驱动器3的输出微小位移进行放大，并且将竖直方向位移转换成四个且相邻两个相互垂直的水平方向位移，从而拉动四个柔性铰链Ⅶ5-4，带动四个平行四边形机构中的位移放大机构B运动，位移放大机构B绕柔性铰链Ⅴ5-2和柔性铰链Ⅵ5-3摆动，通过柔性铰链Ⅷ5-7、柔性铰链Ⅸ5-8和连杆Ⅸ5-9带动横向驱动臂5-10运动，横向驱动臂5-10通过连接柱5-11带动定位平台6转动。当撤掉压电陶瓷驱动器3两端的驱动电压后，压电陶瓷驱动器3将恢复至原长，定位平台在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置。
本发明的微定位系统采用桥型放大机构、平行四边形机构实现两级位移放大，使微定位系统具有较大的转动量。通过在平行四边形机构上设置横向驱动臂，达到了只用一个压电陶瓷驱动器就实现一个自由度的绕中心转动，并且可放大位移的效果，结构简单紧凑，成本较低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，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 (5)
1.一种压电驱动式转动微定位系统，其特征在于，包括压电陶瓷驱动器及一体成型的基座、桥型放大机构、转动驱动机构和定位平台，所述桥型放大机构包括位于所述压电陶瓷驱动器四周且沿所述压电陶瓷驱动器中轴线对称设置的四组桥型柔性铰链机构及连接所述四组桥型柔性铰链机构的动力盘，每组所述桥型柔性铰链机构的一端与所述基座连接，另一端与所述动力盘连接；所述转动驱动机构包括位于所述桥型放大机构外部沿所述压电陶瓷驱动器中轴线四周对称设置的四组平行四边形机构，每组所述平行四边形机构包括位移放大机构、横向驱动臂及连接柱，每组所述位移放大机构对应一组所述桥型柔性铰链机构，每组所述位移放大机构的位移输入端与相对应的所述桥型柔性铰链机构的位移输出端连接；每组所述位移放大机构的一端与所述基座连接，另一端与所述横向驱动臂的一端连接，所述横向驱动臂的自由端安装有所述连接柱，四组所述平行四边形机构的连接柱分别与所述定位平台连接；所述压电陶瓷驱动器通过所述动力盘驱动所述桥型放大机构，所述桥型放大机构驱动所述转动驱动机构，所述转动驱动机构中的所述横向驱动臂及连接柱驱动所述定位平台转动。
2.根据权利要求1所述的压电驱动式转动微定位系统，其特征在于，所述位移放大机构包括柔性铰链Ⅴ、柔性铰链Ⅵ、柔性铰链Ⅶ、柔性铰链Ⅷ、柔性铰链Ⅸ、连杆Ⅵ、连杆Ⅶ、连杆Ⅷ及连杆Ⅸ，所述连杆Ⅵ一端与所述基座连接，所述连杆Ⅶ下端通过所述柔性铰链Ⅴ与所述连杆Ⅵ上端的一侧连接，所述连杆Ⅶ上端通过所述柔性铰链Ⅷ与所述连杆Ⅸ下端的一侧连接，所述连杆Ⅶ内侧通过所述柔性铰链Ⅶ与所述桥型放大机构的位移输出端连接；所述连杆Ⅷ下端通过所述柔性铰链Ⅵ与所述连杆Ⅵ下端的另一侧连接，所述连杆Ⅷ上端通过所述柔性铰链Ⅸ与所述连杆Ⅸ下端的另一侧连接；所述连杆Ⅸ侧面与所述横向驱动臂连接；所述连杆Ⅵ连杆Ⅶ、连杆Ⅸ与连杆Ⅷ组成平行四边形。
3.根据权利要求1所述的压电驱动式转动微定位系统，其特征在于，所述桥型柔性铰链机构包括依次连接的连杆Ⅰ、柔性铰链Ⅰ、连杆Ⅱ、柔性铰链Ⅱ、连杆Ⅲ、柔性铰链Ⅲ、连杆Ⅳ、柔性铰链Ⅳ及连杆Ⅴ，所述连杆Ⅰ固定于所述基座上，所述连杆Ⅴ与所述动力盘连接。
4.根据权利要求1所述的压电驱动式转动微定位系统，其特征在于，所述基座对称的上设置有四个安装孔。
5.根据权利要求1所述的压电驱动式转动微定位系统，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器通过预紧螺栓安装于所述基座上。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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