一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構的製作方法

2023-05-31 01:40:02

本發明屬於壓電精密緻動儀器領域，具體是一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構。

背景技術：

隨著微電子技術，宇航，生物工程等學科的迅速發展，微定位系統在電子，光學，機械製造等技術領域得到了越來越廣泛的應用。所以微定位技術的研究對精密製造和和光學顯示等領域的發展有較好的促進作用，微定位平臺是由壓電陶瓷驅動，由於壓電陶瓷的高精度，高解析度，響應快等優點，使得微定位平臺可以應用在各種精密領域。

壓電陶瓷驅動器具有位移解析度高、結構簡單、發熱少、體積小、剛度高、響應速度快、不收磁場幹擾、無磨損、不許潤滑等優點被廣泛應用於微定位系統中。微定位平臺在最近幾年迅速發展，大多數採用壓電陶瓷驅動放大機構，之後帶動平臺的微動，目前採用比較多的有槓桿放大、三角放大、橋式放大基本原理，根據原理的不同，平臺表現出的特點就有所不同，為了使輸出的位移與輸入電壓有較好的線性關係，必須採用誤差小，有較好的剛度的放大機構。

傳統的技術中使用二維微定位機構，其運用的是槓桿放大原理，但是運用該原理帶來的回覆力不足、誤差大、以及遲滯效應的問題一直是本領域技術人員厄待解決的問題；然而根據三角放大原理設計的位移放大機構結構簡單，對位移放大的倍數關係只與放大角有簡單關係，且輸出力很穩定，能達到快速精準驅動和定位的目的，因此將三角放大原理設計應用於壓電精密緻動儀器領域應運而生。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提出了一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構，採用了基於三角放大原理的位移放大機構，每個放大機構組成一個放大模塊，共三個放大模塊位於內外圈之間，且均勻分布，即每個之間夾角為120°，最後形成並聯的結構，通過三個放大模塊的相互協調的運動，可實現平臺的精密定位。

本發明是這樣實現的，一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構，包括基座，內圈以及外圈，三組驅動模塊共同連接同一個內圈，以內圈為中心，呈放射狀均勻分布。

所述的內圈、外圈共圓心，且內圈與外圈之間均勻連接有三組驅動模塊，分別為第一驅動模塊，第二驅動模塊，第三驅動模塊，通過三個模塊的相互配合，可實現雙向驅動，並實現各方向對稱的作動範圍。驅動相鄰的兩個驅動模塊，可實現在兩模塊夾角內的運動範圍；

所述的驅動模塊包括壓電疊堆，位移放大機構；所述壓電疊堆設置在位移放大機構的內部，通過壓電疊堆得以施加預緊力。

進一步，所述的壓電疊堆兩端通過楔形塊與位移放大機構相連接，壓電疊堆相對作動方向與驅動模塊輸出位移方向正交，壓電疊堆通過兩個楔形塊與位移放大機構固定預緊。

進一步，所述的位移放大機構有四個斜邊，所述的斜邊與驅動方向成10°的薄板。所述的位移放大機構的四個斜邊與壓電疊堆呈一定角度，能夠使得壓電疊堆伸長驅動放大機構變形時，從而帶動垂直方向運動，實現位移的放大。

進一步，所述的位移放大機構的斜邊與兩側連接處設置有有柔性鉸鏈，柔性鉸鏈是指位移放大機構的斜邊與兩側連接處的圓弧槽，此處最薄處只有0.5mm厚，其能夠實現斜邊繞柔性鉸鏈轉動。柔性鉸鏈的設置一方面減小結構的剛度，方便壓電疊堆的安裝和更換，另一方面當壓電疊堆伸長時可繞鉸鏈處轉動，避免了傳統鉸鏈的摩擦。

進一步，所述的放大機構的一端設置球面凹槽和內螺紋孔，另一端只設置有內螺紋孔。

進一步，所述的放大機構設置有內螺紋孔的一端通過螺釘與外圈連接；所述的放大機構另一設置球面凹槽和內螺紋孔的一端通過鋼珠和內六角緊固螺釘與內圈連接。通過內六角緊固螺釘和鋼珠鎖緊與內圈固定，內圈與驅動模塊是通過內六角緊固螺釘預緊，使鋼珠嵌在兩球面內，不僅減小了兩接觸面的摩擦，還減小了內圈在驅動時的轉動。

進一步，所述的內圈通過放大機構與外圈相連，外圈通過螺栓固定在基座上，其中的外圈是固定在基座上，而內圈是可以活動的。

本發明與現有技術的有益效果在於：

1、應用三向驅動二維定位平臺，顯著縮短傳動鏈，提高響應速度，可連續在低頻率下工作，在單個疊堆工作時可實現高解析度致動；

2、採用與傳統定位不一樣的定位方式，每組位移放大模塊均勻分布在內外圈之間，可實現雙向的定位，定位精度可提高；

3、採用並聯組合形式，即由三個放大模塊共同連接同一個內圈上，工作檯同時由三個壓電電機驅動，具有慣性小、剛度大、響應速度快等優點。

附圖說明

圖1為本發明一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構的俯視圖；

圖2為本發明一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構的立體圖；

圖3為本發明一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構的機構運動分解圖；

圖4為本發明一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構的驅動模塊的構建結構分解圖；

圖5為本發明一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構的固定外圈的立體圖；

圖6為本發明一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構的運動內圈的立體圖；

其中，1-基座，2-外圈，3-壓電疊堆，4-位移放大機構，5-內圈，6-內六角緊固螺釘，7-鋼珠，8-楔形塊，9-M3沉頭孔，10-M2沉頭孔，11-M3螺紋孔，12-M6螺紋孔，13-第一驅動模塊，14-第二驅動模塊，15-第三驅動模塊。

具體實施方式

本發明提供一種三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構，為使本發明的目的，技術方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖並舉實例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

如圖1~3所示，本發明的三向壓電驅動的二維並聯精密定位機構，包括基座1，內圈5以及外圈2，其特徵在於，所述的內圈5、外圈2共圓心，且內圈5與外圈2之間均勻連接有三組驅動模塊，分別為第一驅動模塊13，第二驅動模塊14，第三驅動模塊15；

所述的驅動模塊包括壓電疊堆3，位移放大機構4；所述壓電疊堆3設置在位移放大機構4的內部。

如圖4所示，壓電疊堆3兩端通過楔形塊8與位移放大機構4相連接，壓電疊堆3相對作動方向與驅動模塊輸出位移方向正交，壓電疊堆通過兩個楔形塊與位移放大機構固定預緊。

位移放大機構4有四個斜邊，所述的斜邊與驅動方向成10°的薄板。所述的位移放大機構4的四個斜邊與壓電疊堆3呈一定角度，能夠使得壓電疊堆3伸長驅動放大機構變形時，從而帶動垂直方向運動，實現位移的放大。位移放大機構4的斜邊與兩側連接處設置有有柔性鉸鏈，柔性鉸鏈是指位移放大機構4的斜邊與兩側連接處的圓弧槽，其能夠實現斜邊繞柔性鉸鏈轉動。

如圖5~6所示，所述的內圈5通過放大機構4與外圈2相連，外圈2的上表面以及圓弧側面分別均勻設置有設置有M3沉頭孔9以及M2沉頭孔10，此處的沉頭孔9用於外圈2與基板1的固定，沉頭孔10用於連接驅動模塊，外圈2通過螺栓固定在基座上，其中的外圈是固定在基座上，而內圈5是活動的，內圈5上表面設置有M3螺紋孔11，此處的螺紋孔可用於連接外部的結構，內圈5的圓弧外圍有三段橫向切面，橫向切面處設置有M6螺紋孔12，此處的螺紋孔用於連接驅動模塊。

如圖3所示，本發明提供的二維壓電微位移定位平臺，由外圈2、第一驅動模塊13，第二驅動模塊14，第三驅動模塊15、內圈5組成，該二自由度並聯定位平臺包括三個驅動模塊，三個驅動模塊共同連接工作檯（即內圈5），以工作檯為中心，呈放射狀分布。三個驅動模塊第一驅動模塊13，第二驅動模塊14，第三驅動模塊15成120°均勻布置在內外圈中間，且使得內外圈共圓心，每個驅動模塊可在相應角度驅動平臺，通過三個驅動模塊的相互協作可使平臺實現二維的移動，可以實現XY平面移動的運動，具體如下：

（1）30°~150°角度內的平動：

第一驅動模塊13和第三驅動模塊15兩個壓電驅動模塊輸入電壓信號，通過調整兩模塊的電壓差值，可實現內圈圓心在30°~150°範圍的運動，此時第二驅動模塊14處於壓縮狀態，當第一驅動模塊13和第三驅動模塊15電壓值相同，則內圈沿90°（Y軸正向）方向運動。

（2）150°~270°角度內的平動：

第一驅動模塊13以及第二驅動模塊14兩個壓電驅動模塊輸入電壓信號，通過調整兩模塊的電壓差值，可實現內圈圓心在150°~270°範圍的運動，此時第三驅動模塊15處於壓縮狀態，當第一驅動模塊13以及第二驅動模塊14電壓值相同，則內圈沿210°方向運動。

（3）270°~30°角度內的平動：

第二驅動模塊14，第三驅動模塊15兩個壓電驅動模塊輸入電壓信號，通過調整兩模塊的電壓差值，可實現內圈圓心在270°~30°範圍的運動，此時第一驅動模塊13處於壓縮狀態，當第二驅動模塊14，第三驅動模塊15電壓值相同，則內圈沿330°方向運動。

本發明可以通過上述3個方向的聯動，實現平面內的運動。本發明需採用三向的控制信號，通過相應的計算和分析能夠計算出機構在直坐標系下的位移，最後通過傳感器的反饋形成閉環控制實現更精密的運動。驅動其中一個放大模塊（第一驅動模塊13）時，內圈可沿150°的方向運動，再驅動放大模塊（第二驅動模塊14）時，內圈再沿270°方向運動，當第一驅動模塊13和第二驅動模塊14對內圈驅動位移量相同時，此時內圈的總位移方向為210°方向。以同樣的方式，最終能實現內圈的運動範圍為一個近似圓形區域。

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將本說明書看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護範圍。