CN204231225U - 压电驱动的八绞同轴微位移放大机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电驱动的八绞同轴微位移放大机构，机构包括：支撑杆、支撑底座、双铰链固定盖、压电杆、压电杆连接架、支撑侧座连接架、支撑侧座、柔性铰链、单边铰链安装盖九部分结构，它使用压电陶瓷为作动器，运动精度可为亚微米量级，运动范围可达到几十个微米。本实用新型的主要优点为：1.使用柔性铰链，整个装置没有摩擦，无需润滑；2.它使用压电陶瓷为作动器，运动精度可为亚微米量级，运动范围可达到几十个微米，并可以提供较大的推力；3.八绞同轴机构可以消除压电陶瓷所不能承受的剪切力；4.微位移放大比例可以调节，通过改变铰链轴线之间的位置关系调节微位移放大比例。

Description

压电驱动的八绞同轴微位移放大机构

技术领域：

一种压电驱动的八绞同轴微位移放大机构，机构应用于空间精密光机系统中的微促动领域，可以提供高精度、大推力的微位移。

背景技术：

近年来，随着微电子技术，宇航，生物工程等学科的迅速发展，正式进入了“亚微米-纳米”时代。在电子、光学、机械制造等众多技术领域中，迫切需要高精度，高分辨率，高可靠性的微位移机构，用以直接工作或配合其他仪器设备完成高精度的研究和使用。天文观测中望远镜主镜口径对目标成像质量起着至关重要作用。从伽利略、开普勒望远镜至今,主镜孔径从几十毫米到几十米并仍不断发展。口径的增大,随之带来了总体体积和质量的几何倍增大,国外近几年制造的口径在8m以上的主镜,大多采用了拼装镜技术，为了补偿拼接镜面形的误差，每个小镜体背部均采用了微位移机构进行即时修正，为满足实际需要，工作镜面面形修正量级为纳米量级，如VLT、SOAR、SUBARU都采用了这种拼接镜微位移技术。

实际工程中常用的几种微位移机构主要有：

(1)、机械传动式微位移机构；

机械传动式微位移机构是最初微位移机构的一种形式,其技术比较成熟，结构形式较多,主要有螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构、弹性机构以及它们的组合机构。机械传动式微位移机构的特点：具有较好的分辨率；行程较大；存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行等缺点,所以运动灵敏度和运动精度都难以达到高精度,故仅适应于中等精度。

(2)、直线电机式微位移机构；

直线电机通过调节流过线圈的电流的大小、频率以及流通方向来产生确定的推拉作用力，这种电机具有形成大，无滞后、无传动间隙以及良好的频率响应等优点。

(3)、压电驱动式微位移机构

压电陶瓷微位移驱动器利用电介质在电场中的逆压电效应进行工作。电介质晶体置于外电场中,由于电场作用,晶体会发生伸长(或缩短)的形变,形变大小和外电场强度大小成正比,形变的方向与电场方向有关,此现象即为逆压电效应。压电元件常用的层叠式结构。它由许多相同的压电陶瓷片叠加,采用电路并联方式将每片陶瓷连接在一起,相邻的陶瓷片极化方向相反,每片的极化方向与电场方向一致,能够在较低的电压下产生较大的位移量，改变输入电压的大小即可得到不同的微位移,避免了机械结构造成的误差。压电陶瓷具有体积小，位移分辨率高、作用力大、响应快、无噪声、发热小等优点，但是其量程比较小。

早在上世纪六十年代，在航空航天领域的探索发展过程中，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构上具有微小型化的要求。人们在经过对各类型的弹性支撑实验探索后，逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵活的柔性铰链。柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。随后，柔性铰链被广泛的应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。

专利号为CN03132498.3中，公开的一种微位移放大机构，采用了压电陶瓷驱动，其支撑板可视为柔性元件，此专利在载荷重心偏心的情况下，容易对压电杆造成剪切破坏。并且支撑板的柔性与刚性不可兼得，势必会降低系统的频率响应。

目前我国在微定位技术领域的研究还相对落后，因此，开展微位移技术的相关研究，对于缩小同国内外同行的差距，促进我国的国防军工以及国民经济的快速发展有着重大而深远的意义。

发明内容：

针对空间精密光机系统需要微位移技术以提高设备分辨率的应用背景，本专利公开了一种压电驱动的八绞同轴微位移放大机构。

八绞同轴微位移放大机构主要包括：支撑杆、支撑底座、双铰链固定盖、压电杆、压电杆连接架、支撑侧座连接架、支撑侧座、柔性铰链、单边铰链安装盖九个部分。

所述的支撑杆1为钛合金材料，主体形状为一块矩形合金块，矩形块的宽度为柔性铰链8的整体长度，在矩形块的前表面开有一个梯形通槽，两个劣弧通槽，梯形槽下底与前表面下底边重合，且关于前表面竖直轴线对称，劣弧槽位于前表面左右两边线上，圆心位于前平面的水平对称轴上，圆弧半径大小等于柔性铰链8的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心相距左右边线各0.25mm；在矩形块上表面，左右两端各开有一个对称的U型槽，宽度方向开槽后剩余两边线的长度均等于柔性铰链8两端的宽度，U型用于装配铰链时防止干涉，中心处开有一个矩形通槽进行轻量化；矩形块左右表面各开有四个螺纹孔；

所述的支撑底座2为钛合金材料，结构下端为开有四个螺纹孔的安装底台，为提高底台下底面的面形精度，下底面中心处开一个开口向下的2mm厚的U型槽，上端为两个凸起的矩形块，两个矩形块中心距离比整个柔性铰链8的宽度大2mm，每个矩形块上端开一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链8的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心高出上边线0.25mm，每个矩形块上表面两端各开有两个螺纹孔；

所述的机构双铰链固定盖3为钛合金材料，结构的上端为一块中空的矩形板，下端两侧为两个凸出的梯形块，两个梯形块中心距离比整个柔性铰链8的宽度大2mm，每个梯形块下底边开有一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链8的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心低于下底边线0.25mm，梯形块两个下底角进行倒角处理，每个圆弧槽的两端各开有两个反向的沉头孔；

所述的压电杆连接架5与支撑侧座连接架6钛合金材料，结构上均为带有底盘的螺纹杆，底盘上分别开有四个腰孔；

所述的支撑侧座7为钛合金材料，结构的下端为中心开有一个螺纹孔的矩形板，上端为两个凸出的梯形块，上底边为长边，两个梯形块中心距离比整个柔性铰链8的宽度大2mm，每个梯形块上底边开有一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链8的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心高于上底边线0.25mm，梯形块两个上底角进行倒角处理，每个梯形块上表面圆弧槽两端各开有两个螺纹孔；

所述的单边铰链安装盖9为钛合金材料，整体结构为一个梯形块，梯形块两个下底角进行倒角处理，且在下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链8的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心低于下底面0.25mm，劣弧槽宽度等于柔性铰链8两端的宽度，劣弧槽的两端各开有一个沉头孔；

支撑底座2通过螺钉固定在底板上，双铰链固定盖3通过螺钉与支撑底座2或支撑侧座7连接，用于固定两个柔性铰链8的中段，支撑杆1两端分别与两个单边铰链安装盖9螺纹连接，用于固定柔性铰链8的两端，压电杆4一端通过自身的螺纹杆与支撑侧座7连接，另一端的通过内螺纹与压电杆连接架5相连接，支撑侧座连接架6与另一端的支撑侧座7螺纹连接，两个连接架的底盘通过螺栓连接，从而将整个压电杆4与两端的支撑侧座7连接起来；在机构中，四根支撑杆1，支撑杆两端劣弧槽圆心位置分别置于柔性铰链8轴线投影点位置；八个柔性铰链8，两两同轴线布置并保持2mm的安全距离，四个轴线的投影点组成菱形的四个顶点。

本机构的工作原理为：整个机构为菱形构型，且在运动过程中始终保持构型不变，当压电杆按照控制要求进行拉伸或者压缩时，压电杆所在的整个对角线发生相应的拉伸或者压缩，则另一条对角线方向则相应的压缩或拉伸，产生目的方向的运动。压电杆在整个运动过程中，每一个轴线投影点处的两个撑杆相对交点处的对角线对称运动，方向相反，故柔性铰链产生的扭矩方向相反，产生的合力矩为零。两个支撑侧座的合力矩为零可以保证在压电杆运动过程中不会产生危害压电杆的扭矩；两个支撑底座的合力矩为零可以保证运动过程中目的方向始终保持不变。

本专利的主要优点为：1、使用柔性铰链，整个装置没有摩擦，无需润滑；2、它使用压电陶瓷为作动器，运动精度可为亚微米量级，运动范围可达到几十个微米，并可以提供较大的推力；3、八绞同轴机构可以消除压电陶瓷所不能承受的剪切力；4、微位移放大比例可以调节，通过改变铰链轴线之间的位置关系调节微位移放大比例。

附图说明：

图1是八铰同轴微位移放大机构正视图，图示标号分别表示为：1、支撑杆 2、支撑底座 3、双铰链固定盖 4、压电杆 5、压电杆连接架 6、支撑侧座连接架 7、支撑侧座 8、柔性铰链 9、单边铰链安装盖；

图2是八铰同轴微位移放大机构轴测图；

图3是机构几何关系示意图；

图4是支撑杆结构图；

图5是支撑底座结构图；

图6是双铰链固定盖结构图；

图7是支撑侧座结构图；

图8是三段式柱形柔性铰链结构图；

图9是单边铰链安装盖结构图。

具体实施方式：

一种压电驱动的八绞同轴微位移放大机构，机构包括：支撑杆、支撑底座、双铰链固定盖、压电杆、压电杆连接架、支撑侧座连接架、支撑侧座、柔性铰链、单边铰链安装盖。

八绞同轴微位移放大机构主要包括：支撑杆、支撑底座、双铰链固定盖、压电杆、压电杆连接架、支撑侧座连接架、支撑侧座、柔性铰链、单边铰链安装盖九个部分。

本机构所采用的支撑杆材料为钛合金，主体形状为一块矩形块，矩形块宽度为柔性铰链的整体长度，在矩形块的前表面开有一个梯形通槽，两个劣弧通槽，梯形槽下底与前表面下底边重合，且关于前表面竖直轴线对称，劣弧槽位于前表面左右两边线上，圆心位于前平面的水平对称轴上，圆弧半径大小等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心相距左右边线各0.25mm；在矩形块上表面，左右两端各开有一个对称的U型槽，宽度方向开槽后剩余两边线的长度均等于柔性铰链两端的宽度，U型用于装配铰链时防止干涉，中心处开有一个矩形通槽进行轻量化；矩形块左右表面各开有四个螺纹孔；

本机构采用的支撑底座结构材料为钛合金，结构下端为开有四个螺纹孔的安装底台，为提高底台下底面的面形精度，下底面中心处开一个开口向下的2mm厚的U型槽，上端为两个凸起的矩形块，两个矩形块中心距离比整个柔性铰链的宽度大2mm，每个矩形块上端开一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心高出上边线0.25mm，每个矩形块上表面两端各开有两个螺纹孔，

本机构采用的双铰链固定盖为钛合金材料，结构的上端为一块中空的矩形板，下端两侧为两个凸出的梯形块，两个梯形块中心距离比整个柔性铰链的宽度大2mm，每个梯形块下底边开有一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心低于下底边线0.25mm，梯形块两个下底角进行倒角处理，每个圆弧槽的两端各开有两个反向的沉头孔。

本机构采用的压电杆是根据工作负载的大小以及尺寸规模来确定选型的，选择PI公司P‐845产品，其结构一端为凸出的螺纹杆，另一端为螺纹孔。

本机构采用的压电杆连接架与支撑侧座连接架均为钛合金材料，结构上均为带有底盘的螺纹杆，底盘上分别开有四个腰孔；

本机构采用的支撑侧座为钛合金材料，结构的下端为中心开有一个螺纹孔的矩形板，上端为两个凸出的梯形块，上底边为长边，两个梯形块中心距离比整个柔性铰链的宽度大2mm，每个梯形块上底边开有一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心高于上底边线0.25mm，梯形块两个上底角进行倒角处理，每个梯形块上表面圆弧槽两端各开有两个螺纹孔；

根据整体结构的刚度需求，我们选择riverhawk公司的6000系列铰链，该柔性铰链为圆柱形铰链，柔性铰链外圆柱面分为三段，两端部分内部相连为一个运动整体，与中间部分通过簧片弯曲发生相互运动，且每个侧端的宽度约为中间段的一半。

本机构采用的单边铰链安装盖为钛合金材料，整体结构为一个梯形块，梯形块两个下底角进行倒角处理，且在下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心低于下底面0.25mm，劣弧槽宽度等于柔性铰链两端的宽度，劣弧槽的两端各开有一个沉头孔。

整个机构需要4根支撑杆，2个支撑底座，4个双边铰链固定盖，1根压电杆，1个压电杆连接架，1个支撑侧座连接架，2个支撑侧座，8个柔性铰链，16个单边铰链安装盖。

机构中的每个支撑杆两端分别装配一个柔性铰链，将装配好的两个撑杆的任意一端柔性铰链固定在支撑底座上，两根撑杆的柔性铰链采用同轴布置，底座位置水平放置，撑杆位置与竖直夹角为两撑杆左右对称，夹角为θ，组装成底座装配。

将两个组装好的支撑底座装配对称布置，分别为上支撑底座装配和下支撑底座装配，将相邻两支撑杆的柔性铰链两两固结在支撑侧座上，形成菱形的结构框架，此时注意保证两支撑侧座自然状态下保持水平。

压电杆一端通过螺纹连接在支撑侧座，另一端通过压电杆连接架连接在另一侧支撑侧座连接架上，压电杆连接架与支撑侧座连接架两部分螺纹分别为左旋和右旋，装配时，通过同向旋转压电杆连接架与支撑侧座连接架便可以小范围调节两中心侧座之间的中心距。

装配过程中，保证上下支撑底座的平行度优于2丝。

整个支撑杆几何关系如附图3所示，根据设计要求确定合理的目的高度y，以及整个微位移量程Δy，对于已经选用的压电杆的微位移量程为Δx，根据公式：

x²+y²＝(2l)²

$\stackrel{\·}{y}=-\frac{x}{y}$

$\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}}\≈\left|\stackrel{\·}{y}\right|$

$x\≈\frac{\mathrm{\Δy}*y}{\mathrm{\Δx}}$

由此大致确定支撑侧座中心距x，进而可由上面公式计算出压撑杆长度l。选型好的压电杆长度为x_压电杆、则压电连接座的长度x_连接座＝x-x_压电杆

至此，整个机构的所有几何尺寸均已确定，则目的高度y的最终运动尺寸也可以由下式准确给出：

$y=\sqrt{4l^2-x^2}$

根据目的高度y的变化要求，亦可反推处压电杆x的伸缩量的大小，进而根据提前标定好的压电曲线进行驱动。

由于本机构应用在空间精密光机系统中，本机构的装配要求应符合以下配合要求：

同轴上两个柔性铰链的同轴度IT7要求；

上下支撑底座平行度IT7要求；

左右侧座平行度IT7要求；

侧座与工作底面的垂直度IT7要求；

所有铰链安装接触面上班圆柱度IT7的要求；

支撑底座上相邻的两根支撑杆相对竖直轴对称度IT7要求；

支撑侧座上相邻的两根支撑杆相对水平轴对称度IT7要求。

Claims (1)

1.一种压电驱动的八绞同轴微位移放大机构，机构包括：支撑杆(1)、支撑底座(2)、双铰链固定盖(3)、压电杆(4)、压电杆连接架(5)、支撑侧座连接架(6)、支撑侧座(7)、柔性铰链(8)、单边铰链安装盖(9)；其特征在于：

所述的支撑杆(1)主体形状为一块矩形合金块，矩形块的宽度为柔性铰链(8)的整体长度，在矩形块的前表面开有一个梯形通槽，两个劣弧通槽，梯形槽下底与前表面下底边重合，且关于前表面竖直轴线对称，劣弧槽位于前表面左右两边线上，圆心位于前平面的水平对称轴上，圆弧半径大小等于柔性铰链(8)的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心相距左右边线各0.25mm；在矩形块上表面，左右两端各开有一个对称的U型槽，宽度方向开槽后剩余两边线的长度均等于柔性铰链(8)两端的宽度，U型用于装配铰链时防止干涉，中心处开有一个矩形通槽进行轻量化；矩形块左右表面各开有四个螺纹孔；

所述的支撑底座(2)结构下端为开有四个螺纹孔的安装底台，为提高底台下底面的面形精度，下底面中心处开一个开口向下的2mm厚的U型槽，上端为两个凸起的矩形块，两个矩形块中心距离比整个柔性铰链(8)的宽度大2mm，每个矩形块上端开一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链(8)的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心高出上边线0.25mm，每个矩形块上表面两端各开有两个螺纹孔；

所述的机构双铰链固定盖(3)结构的上端为一块中空的矩形板，下端两侧为两个凸出的梯形块，两个梯形块中心距离比整个柔性铰链(8)的宽度大2mm，每个梯形块下底边开有一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链(8)的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心低于下底边线0.25mm，梯形块两个下底角进行倒角处理，每个圆弧槽的两端各开有两个反向的沉头孔；

所述的压电杆连接架(5)与支撑侧座连接架(6)结构上均为带有底盘的螺纹杆，底盘上分别开有四个腰孔；

所述的支撑侧座(7)结构的下端为中心开有一个螺纹孔的矩形板，上端为两个凸出的梯形块，上底边为长边，两个梯形块中心距离比整个柔性铰链(8)的宽度大2mm，每个梯形块上底边开有一个劣弧槽，两个槽同轴布置，圆弧半径大小等于柔性铰链(8)的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心高于上底边线0.25mm，梯形块两个上底角进行倒角处理，每个梯形块上表面圆弧槽两端各开有两个螺纹孔；

所述的单边铰链安装盖(9)整体结构为一个梯形块，梯形块两个下底角进行倒角处理，且在下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链(8)的半径，圆弧半径尺寸精度为H7，圆心低于下底面0.25mm，劣弧槽宽度等于柔性铰链(8)两端的宽度，劣弧槽的两端各开有一个沉头孔；

支撑底座(2)通过螺钉固定在底板上，双铰链固定盖(3)通过螺钉与支撑底座(2)或支撑侧座(7)连接，用于固定两个柔性铰链(8)的中段，支撑杆(1)两端分别与两个单边铰链安装盖(9)螺纹连接，用于固定柔性铰链(8)的两端，压电杆(4)一端通过自身的螺纹杆与支撑侧座(7)连接，另一端的通过内螺纹与压电杆连接架(5)相连接，支撑侧座连接架(6)与另一端的支撑侧座(7)螺纹连接，两个连接架的底盘通过螺栓连接，从而将整个压电杆(4)与两端的支撑侧座(7)连接起来；在机构中，四根支撑杆(1)，支撑杆两端劣弧槽圆心位置分别置于柔性铰链(8)轴线投影点位置；八个柔性铰链(8)，两两同轴线布置并保持2mm的安全距离，四个轴线的投影点组成菱形的四个顶点。