壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構的製作方法
2023-12-06 14:24:06 1
壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構，機構包括：支撐杆、支撐底座、雙鉸鏈固定蓋、壓電桿、壓電桿連接架、支撐側座連接架、支撐側座、柔性鉸鏈、單邊鉸鏈安裝蓋九部分結構，它使用壓電陶瓷為作動器，運動精度可為亞微米量級，運動範圍可達到幾十個微米。本實用新型的主要優點為：1.使用柔性鉸鏈，整個裝置沒有摩擦，無需潤滑；2.它使用壓電陶瓷為作動器，運動精度可為亞微米量級，運動範圍可達到幾十個微米，並可以提供較大的推力；3.八絞同軸機構可以消除壓電陶瓷所不能承受的剪切力；4.微位移放大比例可以調節，通過改變鉸鏈軸線之間的位置關係調節微位移放大比例。
【專利說明】壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構
【技術領域】：
[0001] -種壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構，機構應用於空間精密光機系統中的微 促動領域，可以提供高精度、大推力的微位移。
【背景技術】：
[0002] 近年來，隨著微電子技術，宇航，生物工程等學科的迅速發展，正式進入了 "亞微 米-納米"時代。在電子、光學、機械製造等眾多【技術領域】中，迫切需要高精度，高解析度， 高可靠性的微位移機構，用以直接工作或配合其他儀器設備完成高精度的研宄和使用。天 文觀測中望遠鏡主鏡口徑對目標成像質量起著至關重要作用。從伽利略、克卜勒望遠鏡至 今，主鏡孔徑從幾十毫米到幾十米並仍不斷發展。口徑的增大，隨之帶來了總體體積和質 量的幾何倍增大，國外近幾年製造的口徑在8m以上的主鏡，大多採用了拼裝鏡技術，為了 補償拼接鏡面形的誤差，每個小鏡體背部均採用了微位移機構進行即時修正，為滿足實際 需要，工作鏡面面形修正量級為納米量級，如VLT、SOAR、SUBARU都採用了這種拼接鏡微位 移技術。
[0003] 實際工程中常用的幾種微位移機構主要有：
[0004] (1)、機械傳動式微位移機構；
[0005] 機械傳動式微位移機構是最初微位移機構的一種形式，其技術比較成熟，結構形 式較多，主要有螺旋機構、槓桿機構、楔塊凸輪機構、彈性機構以及它們的組合機構。機械 傳動式微位移機構的特點：具有較好的解析度；行程較大；存在機械間隙、摩擦磨損以及爬 行等缺點，所以運動靈敏度和運動精度都難以達到高精度，故僅適應於中等精度。
[0006] (2)、直線電機式微位移機構；
[0007] 直線電機通過調節流過線圈的電流的大小、頻率以及流通方向來產生確定的推拉 作用力，這種電機具有形成大，無滯後、無傳動間隙以及良好的頻率響應等優點。
[0008] (3)、壓電驅動式微位移機構
[0009] 壓電陶瓷微位移驅動器利用電介質在電場中的逆壓電效應進行工作。電介質晶體 置於外電場中，由於電場作用，晶體會發生伸長（或縮短）的形變，形變大小和外電場強 度大小成正比，形變的方向與電場方向有關，此現象即為逆壓電效應。壓電元件常用的層 疊式結構。它由許多相同的壓電陶瓷片疊加，採用電路並聯方式將每片陶瓷連接在一起， 相鄰的陶瓷片極化方向相反，每片的極化方向與電場方向一致，能夠在較低的電壓下產 生較大的位移量，改變輸入電壓的大小即可得到不同的微位移，避免了機械結構造成的誤 差。壓電陶瓷具有體積小，位移解析度高、作用力大、響應快、無噪聲、發熱小等優點，但是其 量程比較小。
[0010] 早在上世紀六十年代，在航空航天領域的探索發展過程中，對實現小範圍內偏轉 的支撐結構，不僅提出了高解析度的要求，還要求結構上具有微小型化的要求。人們在經過 對各類型的彈性支撐實驗探索後，逐步開發出體積小、無機械摩擦、無間隙、運動靈活的柔 性鉸鏈。柔性鉸鏈機構利用了彈性材料微小變形及其自回復的特性，消除了傳動過程中的 空程和機械摩擦，能獲得超高的位移解析度。隨後，柔性鉸鏈被廣泛的應用於陀螺儀、加速 度計、精密天平、飛彈控制等儀器儀表中，並獲得了前所未有的高精度和穩定性。柔性鉸鏈 用於繞軸作複雜運動的有限角位移，它的特點是：無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高。
[0011] 專利號為CN03132498. 3中，公開的一種微位移放大機構，採用了壓電陶瓷驅動， 其支撐板可視為柔性元件，此專利在載荷重心偏心的情況下，容易對壓電桿造成剪切破壞。 並且支撐板的柔性與剛性不可兼得，勢必會降低系統的頻率響應。
[0012] 目前我國在微定位【技術領域】的研宄還相對落後，因此，開展微位移技術的相關研 宄，對於縮小同國內外同行的差距，促進我國的國防軍工以及國民經濟的快速發展有著重 大而深遠的意義。
【發明內容】
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[0013] 針對空間精密光機系統需要微位移技術以提高設備解析度的應用背景，本專利公 開了一種壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構。
[0014] 八絞同軸微位移放大機構主要包括：支撐杆、支撐底座、雙鉸鏈固定蓋、壓電桿、壓 電桿連接架、支撐側座連接架、支撐側座、柔性鉸鏈、單邊鉸鏈安裝蓋九個部分。
[0015] 所述的支撐杆1為鈦合金材料，主體形狀為一塊矩形合金塊，矩形塊的寬度為柔 性鉸鏈8的整體長度，在矩形塊的前表面開有一個梯形通槽，兩個劣弧通槽，梯形槽下底與 前表面下底邊重合，且關於前表面豎直軸線對稱，劣弧槽位於前表面左右兩邊線上，圓心位 於前平面的水平對稱軸上，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈8的半徑，圓弧半徑尺寸精度為H7， 圓心相距左右邊線各0. 25mm ;在矩形塊上表面，左右兩端各開有一個對稱的U型槽，寬度方 向開槽後剩餘兩邊線的長度均等於柔性鉸鏈8兩端的寬度，U型用於裝配鉸鏈時防止幹涉， 中心處開有一個矩形通槽進行輕量化；矩形塊左右表面各開有四個螺紋孔；
[0016] 所述的支撐底座2為鈦合金材料，結構下端為開有四個螺紋孔的安裝底臺，為提 高底臺下底面的面形精度，下底面中心處開一個開口向下的2_厚的U型槽，上端為兩個凸 起的矩形塊，兩個矩形塊中心距離比整個柔性鉸鏈8的寬度大2mm，每個矩形塊上端開一個 劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈8的半徑，圓弧半徑尺寸精度為H7， 圓心高出上邊線0. 25mm，每個矩形塊上表面兩端各開有兩個螺紋孔；
[0017] 所述的機構雙鉸鏈固定蓋3為鈦合金材料，結構的上端為一塊中空的矩形板，下 端兩側為兩個凸出的梯形塊，兩個梯形塊中心距離比整個柔性鉸鏈8的寬度大2_，每個梯 形塊下底邊開有一個劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈8的半徑，圓弧 半徑尺寸精度為H7,圓心低於下底邊線0. 25mm，梯形塊兩個下底角進行倒角處理，每個圓 弧槽的兩端各開有兩個反向的沉頭孔；
[0018] 所述的壓電桿連接架5與支撐側座連接架6鈦合金材料，結構上均為帶有底盤的 螺紋杆，底盤上分別開有四個腰孔；
[0019] 所述的支撐側座7為鈦合金材料，結構的下端為中心開有一個螺紋孔的矩形板， 上端為兩個凸出的梯形塊，上底邊為長邊，兩個梯形塊中心距離比整個柔性鉸鏈8的寬度 大2mm，每個梯形塊上底邊開有一個劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈 8的半徑，圓弧半徑尺寸精度為H7,圓心高於上底邊線0. 25mm，梯形塊兩個上底角進行倒角 處理，每個梯形塊上表面圓弧槽兩端各開有兩個螺紋孔；
[0020] 所述的單邊鉸鏈安裝蓋9為鈦合金材料，整體結構為一個梯形塊，梯形塊兩個下 底角進行倒角處理，且在下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈8的半徑，圓弧半 徑尺寸精度為H7,圓心低於下底面0. 25mm，劣弧槽寬度等於柔性鉸鏈8兩端的寬度，劣弧槽 的兩端各開有一個沉頭孔；
[0021] 支撐底座2通過螺釘固定在底板上，雙鉸鏈固定蓋3通過螺釘與支撐底座2或支 撐側座7連接，用於固定兩個柔性鉸鏈8的中段，支撐杆1兩端分別與兩個單邊鉸鏈安裝蓋 9螺紋連接，用於固定柔性鉸鏈8的兩端，壓電桿4 一端通過自身的螺紋杆與支撐側座7連 接，另一端的通過內螺紋與壓電桿連接架5相連接，支撐側座連接架6與另一端的支撐側座 7螺紋連接，兩個連接架的底盤通過螺栓連接，從而將整個壓電桿4與兩端的支撐側座7連 接起來；在機構中，四根支撐杆1，支撐杆兩端劣弧槽圓心位置分別置於柔性鉸鏈8軸線投 影點位置；八個柔性鉸鏈8,兩兩同軸線布置並保持2_的安全距離，四個軸線的投影點組 成菱形的四個頂點。
[0022] 本機構的工作原理為：整個機構為菱形構型，且在運動過程中始終保持構型不變， 當壓電桿按照控制要求進行拉伸或者壓縮時，壓電桿所在的整個對角線發生相應的拉伸或 者壓縮，則另一條對角線方向則相應的壓縮或拉伸，產生目的方向的運動。壓電桿在整個運 動過程中，每一個軸線投影點處的兩個撐杆相對交點處的對角線對稱運動，方向相反，故柔 性鉸鏈產生的扭矩方向相反，產生的合力矩為零。兩個支撐側座的合力矩為零可以保證在 壓電桿運動過程中不會產生危害壓電桿的扭矩；兩個支撐底座的合力矩為零可以保證運動 過程中目的方向始終保持不變。
[0023] 本專利的主要優點為：1、使用柔性鉸鏈，整個裝置沒有摩擦，無需潤滑；2、它使用 壓電陶瓷為作動器，運動精度可為亞微米量級，運動範圍可達到幾十個微米，並可以提供較 大的推力；3、八絞同軸機構可以消除壓電陶瓷所不能承受的剪切力；4、微位移放大比例可 以調節，通過改變鉸鏈軸線之間的位置關係調節微位移放大比例。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0024] 圖1是八鉸同軸微位移放大機構正視圖，圖示標號分別表示為：1、支撐杆2、支撐 底座3、雙鉸鏈固定蓋4、壓電桿5、壓電桿連接架6、支撐側座連接架7、支撐側座8、柔 性鉸鏈9、單邊鉸鏈安裝蓋；
[0025] 圖2是八鉸同軸微位移放大機構軸測圖；
[0026] 圖3是機構幾何關係不意圖；
[0027] 圖4是支撐杆結構圖；
[0028] 圖5是支撐底座結構圖；
[0029] 圖6是雙鉸鏈固定蓋結構圖；
[0030] 圖7是支撐側座結構圖；
[0031 ] 圖8是三段式柱形柔性鉸鏈結構圖；
[0032] 圖9是單邊鉸鏈安裝蓋結構圖。
【具體實施方式】：
[0033] -種壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構，機構包括：支撐杆、支撐底座、雙鉸鏈 固定蓋、壓電桿、壓電桿連接架、支撐側座連接架、支撐側座、柔性鉸鏈、單邊鉸鏈安裝蓋。
[0034] 八絞同軸微位移放大機構主要包括：支撐杆、支撐底座、雙鉸鏈固定蓋、壓電桿、壓 電桿連接架、支撐側座連接架、支撐側座、柔性鉸鏈、單邊鉸鏈安裝蓋九個部分。
[0035] 本機構所採用的支撐杆材料為鈦合金，主體形狀為一塊矩形塊，矩形塊寬度為柔 性鉸鏈的整體長度，在矩形塊的前表面開有一個梯形通槽，兩個劣弧通槽，梯形槽下底與前 表面下底邊重合，且關於前表面豎直軸線對稱，劣弧槽位於前表面左右兩邊線上，圓心位於 前平面的水平對稱軸上，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈的半徑，精度為H7,圓心相距左右邊線 各0. 25mm ;在矩形塊上表面，左右兩端各開有一個對稱的U型槽，寬度方向開槽後剩餘兩邊 線的長度均等於柔性鉸鏈兩端的寬度，U型用於裝配鉸鏈時防止幹涉，中心處開有一個矩形 通槽進行輕量化；矩形塊左右表面各開有四個螺紋孔；
[0036] 本機構採用的支撐底座結構材料為鈦合金，結構下端為開有四個螺紋孔的安裝底 臺，為提高底臺下底面的面形精度，下底面中心處開一個開口向下的2_厚的U型槽，上端 為兩個凸起的矩形塊，兩個矩形塊中心距離比整個柔性鉸鏈的寬度大2mm，每個矩形塊上端 開一個劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈的半徑，精度為H7,圓心高出 上邊線0. 25mm，每個矩形塊上表面兩端各開有兩個螺紋孔，
[0037] 本機構採用的雙鉸鏈固定蓋為鈦合金材料，結構的上端為一塊中空的矩形板，下 端兩側為兩個凸出的梯形塊，兩個梯形塊中心距離比整個柔性鉸鏈的寬度大2mm，每個梯 形塊下底邊開有一個劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈的半徑，精度為 H7,圓心低於下底邊線0. 25mm，梯形塊兩個下底角進行倒角處理，每個圓弧槽的兩端各開有 兩個反向的沉頭孔。
[0038] 本機構採用的壓電桿是根據工作負載的大小以及尺寸規模來確定選型的，選擇PI 公司P - 845產品，其結構一端為凸出的螺紋杆，另一端為螺紋孔。
[0039] 本機構採用的壓電桿連接架與支撐側座連接架均為鈦合金材料，結構上均為帶有 底盤的螺紋杆，底盤上分別開有四個腰孔；
[0040] 本機構採用的支撐側座為鈦合金材料，結構的下端為中心開有一個螺紋孔的矩形 板，上端為兩個凸出的梯形塊，上底邊為長邊，兩個梯形塊中心距離比整個柔性鉸鏈的寬度 大2mm，每個梯形塊上底邊開有一個劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈 的半徑，精度為H7,圓心高於上底邊線0. 25mm，梯形塊兩個上底角進行倒角處理，每個梯形 塊上表面圓弧槽兩端各開有兩個螺紋孔；
[0041] 根據整體結構的剛度需求，我們選擇riverhawk公司的6000系列鉸鏈，該柔性鉸 鏈為圓柱形鉸鏈，柔性鉸鏈外圓柱面分為三段，兩端部分內部相連為一個運動整體，與中間 部分通過簧片彎曲發生相互運動，且每個側端的寬度約為中間段的一半。
[0042] 本機構採用的單邊鉸鏈安裝蓋為鈦合金材料，整體結構為一個梯形塊，梯形塊兩 個下底角進行倒角處理，且在下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等於柔性鉸鏈的半徑，精度 為H7,圓心低於下底面0. 25mm，劣弧槽寬度等於柔性鉸鏈兩端的寬度，劣弧槽的兩端各開 有一個沉頭孔。
[0043] 整個機構需要4根支撐杆，2個支撐底座，4個雙邊鉸鏈固定蓋，1根壓電桿，1個壓 電桿連接架，1個支撐側座連接架，2個支撐側座，8個柔性鉸鏈，16個單邊鉸鏈安裝蓋。 [0044] 機構中的每個支撐杆兩端分別裝配一個柔性鉸鏈，將裝配好的兩個撐杆的任意一 端柔性鉸鏈固定在支撐底座上，兩根撐杆的柔性鉸鏈採用同軸布置，底座位置水平放置，撐 杆位置與豎直夾角為f'兩撐杆左右對稱，夾角為Θ，組裝成底座裝配。
[0045] 將兩個組裝好的支撐底座裝配對稱布置，分別為上支撐底座裝配和下支撐底座裝 配，將相鄰兩支撐杆的柔性鉸鏈兩兩固結在支撐側座上，形成菱形的結構框架，此時注意保 證兩支撐側座自然狀態下保持水平。
[0046] 壓電桿一端通過螺紋連接在支撐側座，另一端通過壓電桿連接架連接在另一側支 撐側座連接架上，壓電桿連接架與支撐側座連接架兩部分螺紋分別為左旋和右旋，裝配時， 通過同向旋轉壓電桿連接架與支撐側座連接架便可以小範圍調節兩中心側座之間的中心 距。
[0047] 裝配過程中，保證上下支撐底座的平行度優於2絲。
[0048] 整個支撐杆幾何關係如附圖3所示，根據設計要求確定合理的目的高度y，以及整 個微位移量程Δγ，對於已經選用的壓電桿的微位移量程為Λ Χ，根據公式：
[0049] x2+y2= (21) 2
【權利要求】
1. 一種壓電驅動的八絞同軸微位移放大機構，機構包括；支撐杆（1)、支撐底座（2)、雙 較鏈固定蓋（3)、壓電桿（4)、壓電桿連接架巧）、支撐側座連接架化）、支撐側座（7)、柔性較 鏈巧）、單邊較鏈安裝蓋巧）；其特徵在於： 所述的支撐杆（1)主體形狀為一塊矩形合金塊，矩形塊的寬度為柔性較鏈巧）的整體 長度，在矩形塊的前表面開有一個梯形通槽，兩個劣弧通槽，梯形槽下底與前表面下底邊重 合，且關於前表面豎直軸線對稱，劣弧槽位於前表面左右兩邊線上，圓屯、位於前平面的水平 對稱軸上，圓弧半徑大小等於柔性較鏈巧）的半徑，圓弧半徑尺寸精度為H7,圓屯、相距左右 邊線各0. 25mm ;在矩形塊上表面，左右兩端各開有一個對稱的U型槽，寬度方向開槽後剩餘 兩邊線的長度均等於柔性較鏈（8)兩端的寬度，U型用於裝配較鏈時防止幹設，中屯、處開有 一個矩形通槽進行輕量化；矩形塊左右表面各開有四個螺紋孔； 所述的支撐底座（2)結構下端為開有四個螺紋孔的安裝底臺，為提高底臺下底面的面 形精度，下底面中屯、處開一個開口向下的2mm厚的U型槽，上端為兩個凸起的矩形塊，兩個 矩形塊中屯、距離比整個柔性較鏈巧）的寬度大2mm，每個矩形塊上端開一個劣弧槽，兩個槽 同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性較鏈巧）的半徑，圓弧半徑尺寸精度為H7,圓屯、高出上邊 線0. 25mm，每個矩形塊上表面兩端各開有兩個螺紋孔； 所述的機構雙較鏈固定蓋（3)結構的上端為一塊中空的矩形板，下端兩側為兩個凸出 的梯形塊，兩個梯形塊中屯、距離比整個柔性較鏈巧）的寬度大2mm，每個梯形塊下底邊開有 一個劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性較鏈巧）的半徑，圓弧半徑尺寸精度 為H7,圓屯、低於下底邊線0. 25mm，梯形塊兩個下底角進行倒角處理，每個圓弧槽的兩端各 開有兩個反向的沉頭孔； 所述的壓電桿連接架（5)與支撐側座連接架（6)結構上均為帶有底盤的螺紋杆，底盤 上分別開有四個腰孔； 所述的支撐側座（7)結構的下端為中屯、開有一個螺紋孔的矩形板，上端為兩個凸出的 梯形塊，上底邊為長邊，兩個梯形塊中屯、距離比整個柔性較鏈巧）的寬度大2mm，每個梯形 塊上底邊開有一個劣弧槽，兩個槽同軸布置，圓弧半徑大小等於柔性較鏈巧）的半徑，圓弧 半徑尺寸精度為H7,圓屯、高於上底邊線0. 25mm，梯形塊兩個上底角進行倒角處理，每個梯 形塊上表面圓弧槽兩端各開有兩個螺紋孔； 所述的單邊較鏈安裝蓋（9)整體結構為一個梯形塊，梯形塊兩個下底角進行倒角處 理，且在下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等於柔性較鏈巧）的半徑，圓弧半徑尺寸精度為 H7,圓屯、低於下底面0.25mm，劣弧槽寬度等於柔性較鏈（8)兩端的寬度，劣弧槽的兩端各開 有一個沉頭孔； 支撐底座（2)通過螺釘固定在底板上，雙較鏈固定蓋（3)通過螺釘與支撐底座（2)或 支撐側座（7)連接，用於固定兩個柔性較鏈（8)的中段，支撐杆（1)兩端分別與兩個單邊較 鏈安裝蓋（9)螺紋連接，用於固定柔性較鏈（8)的兩端，壓電桿（4) 一端通過自身的螺紋杆 與支撐側座（7)連接，另一端的通過內螺紋與壓電桿連接架（5)相連接，支撐側座連接架 (6)與另一端的支撐側座（7)螺紋連接，兩個連接架的底盤通過螺栓連接，從而將整個壓電 杆（4)與兩端的支撐側座（7)連接起來；在機構中，四根支撐杆（1)，支撐杆兩端劣弧槽圓 屯、位置分別置於柔性較鏈（8)軸線投影點位置；八個柔性較鏈巧），兩兩同軸線布置並保持 2mm的安全距離，四個軸線的投影點組成菱形的四個頂點。
【文檔編號】H02N2/02GK204231225SQ201420597510
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】魏傳新, 陳洪達, 鄭庚, 尹達一 申請人:中國科學院上海技術物理研究所