基于柔性铰链放大的压电微动平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种压电叠堆驱动的微动平台。 技术背景
[0002] 作为微机电系统的关键组成部分，微动平台广泛应用于装载精密仪器或其关键部 件如常见的光学镜头、精密微操终杆和微夹持器。因此，微动平台需要具有多维运动和极高 的分辨率。
[0003] 与静电梳齿驱动、电热驱动和形状记忆合金驱动等相比，压电叠堆驱动具有分辨 率高、驱动力大、频响范围宽、响应速度快和动态特性好等优点，因而特别适合用于驱动微 动平台。在微装配技术领域，经常需要使用微动平台带动微夹持器进行微米级别到毫米级 别的运动，因此，微动平台应该具有大行程，此外，为了更好的进行高精度的装配，需要对微 动平台的位置进行在线监测，并进行反馈控制。
[0004] 现有的关于微动平台的检测，多采用视觉检测、激光传感器检测或者电容检测等 方法来检测平台的位置，检测成本较高，也难W集成到微操作系统中去。 【实用新型内容】
[0005] 为了克服现有技术存在的微动平台行程不够大的缺点，本实用新型提供了一种能 够放大微驱动器的驱动位移的基于柔性较链放大的压电微动平台。
[0006] 基于柔性较链放大的压电微动平台，包括机架和载物平台；
[0007] 机架上安装微驱动器和放大微驱动器的驱动位移的放大机构；
[0008] 放大机构为安装于机架上的双摇杆机构；双摇杆机构的主动摇杆远离连杆的一端 设延伸段，主动摇杆延伸段的自由端抵住微驱动器；主动摇杆及其延伸段W主动摇杆与机 架的较接点为支点形成放大杠杆；连杆远离主动摇杆的一端设延伸段；
[0009] 载物平台与使其沿指定方向平动的解禪机构连接，解禪机构由至少一对解禪单元 组成，两个解禪单元关于载物平台中屯、对称；每个解禪单元由连接臂和一对柔性臂组成，每 个柔性臂一端与机架较接，另一端与连接臂较接，连接臂的另一端与载物平台较接；
[0010] 连杆延伸段与任一解禪单元较接。
[0011] 进一步，微驱动器为压电叠堆驱动器，每个柔性臂对应位移传感器。
[0012] 进一步，位移传感器为一对位置检测应变片，一对位移检测应变片分别粘接固定 于柔性臂的两侧面上，每对解禪单元的位置检测应变片组成桥接电路，桥接电路通过应 变放大器放大后、由A/D口通过PCI板卡传输到工控机上，工控机计算获得平台的位移， ::総?冷为平台的位移，媒为桥接电路经应变放大器放大后的输出电压，淹为比例系数。 '…知
[0013] 桥接电路是由每个柔性臂上选取一个位置检测应变片，四个柔性臂上的4个位置 检测应变片组成一个全桥模式的桥接电路，一对解禪单元组成2个全桥模式的桥接电路。 或者，桥接电路由每个解禪单元选择1个位置检测应变片与另一个解禪单元的1个位置检 测应变片组成半桥模式的桥接电路，一对解禪单元组成4个半桥模式的桥接电路。
[0014] 本实用新型在使用前，需要先校准获得比例系数心具体做法是：先用激光传感器 检测出当前平台的位移％，位置检测应变片的输出电压巧，即可得到= ^。 %：：
[0015] 进一步，连杆延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸。连杆呈L形。
[0016] 进一步，解禪机构包含沿X轴向设置的一对解禪单元和沿Y轴向设置的一对解禪 单元；每对解禪单元分别连接一个放大机构，每个放大机构分别对应一个微驱动器。
[0017] 进一步，每个解禪单元中，连接臂由平行的一对支臂组成；连接臂、柔性臂W及放 大机构的连杆延伸段均较接于一连接件。
[0018] 进一步，四个解禪单元W载物平台的中屯、为圆屯、阵列分布，相邻柔性臂较接于机 架上的同一较链，所有柔性臂围成一个平行四边形。
[0019] 进一步，载物平台呈正方形，解禪单元分别位于载物平台各边的中点，所有柔性臂 等长，柔性臂围成一个正方形。
[0020] 进一步，机架、双摇杆机构和平行四边形机构经线切割获得，机架和主动摇杆之间 为第一切割缝隙，第一切割区域与压电叠堆驱动器间隙配合，主动摇杆延伸段与机架之间 有间隙，压电叠堆驱动器通过预紧螺钉与主动摇杆延伸段接触；机架、主动摇杆、被动摇杆 围成的区域为第二切割缝隙；机架、被动摇杆、连杆和柔性臂围成的区域为第=切割缝隙； 柔性臂和较链支臂之间的区域为第四切割缝隙；较链支臂、载物平台和连接件之间的区域 为第五切割间隙；被动摇杆与机架的较链、被动摇杆与连杆的较链、主动摇杆与连杆的较 链、主动摇杆与机架的较链、连杆延伸段与连接件的较链均为双切口柔性较链，较链支臂 与载物平台和连接件的较接为单切口柔性较链。
[0021] 本实用新型在使用时，对压电叠堆驱动器施加通过功率放大器放大后的电压，压 电叠堆驱动器伸长，压电叠堆驱动器将主动摇杆延伸段向外推，主动摇杆W其与机架的较 链为支点、使主动摇杆的另一端向外摆动；在连杆与主动摇杆的较链的作用下，连杆的一端 也向外运动，连杆W其与被动摇杆的较链为支点、使连杆延伸段向内摆动；在连杆与连接件 的较链的作用下，解禪机构W柔性臂与机架的较链为支点，向X方向平动，从而带动载物平 台沿X方向平动。
[0022] 由此可知，主动摇杆作为第一个杠杆，当主动摇杆延伸段尺寸小于主动摇杆不含 延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第一次放大；连杆作为第二个杠杆， 当连杆延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第 二次放大；解禪机构则对位移放大机构传递过来的形变量进行解禪，使其只沿一个方向平 动。主动摇杆和连杆均为刚性件，因此他们对压电叠堆驱动器的形变量是成比例的放大，通 过初始化校准即可获得压电叠堆驱动器输出的形变量与载物平台的实际位移之间的比例 系数。将比例系数预存于工控机内，即可实现实施检测平台X方向的位移的目的了。对于 /方向的位移，也同理可得。
[0023] 当压电叠堆驱动器失去电压时，主动摇杆、连杆和平行四边形机构复位，载物平台 回到初始位置。
[0024] 本实用新型的优点在于：
[0025] 1.通过双摇杆机构和平行四边形机构实现对压电叠堆驱动器的输出位移的放大 和解禪，使得微动平台具有两个维度方向上的大行程。
[0026] 2.放大机构采用柔性较链，并通过线切割加工而成，整个柔性较链放大机构为一 个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点。
[0027] 3.集成了位置检测，便于进行高精度的操作和控制。
[0028] 4.重量轻、操作方便，适用于微操作机器人系统和微机电系统。
【附图说明】
[0029] 图1是本实用新型结构示意图。
[0030] 图2是柔性较链放大机构运动示意图。
[0031] 图3是本实用新型控制结构示意图。
[0032] 图4是柔性较链放大机构结构示意图。
【具体实施方式】
[0033] 如图1所示，基于柔性较链放大的压电微动平台，包括机架1和载物平台16;机架 1上安装微驱动器5和放大微驱动器5的驱动位移的放大机构。
[0034] 如图2所示，放大机构为安装于机架1上的双摇杆机构；双摇杆机构的主动摇杆 12远离连杆17的一端设延伸段，主动摇杆延伸段11的自由端抵住微驱动器5 ;主动摇杆12 及其延伸段11W主动摇杆12与机架1的较接点为支点形成放大杠杆；主动摇杆12延伸段 的长度小于主动摇杆12不含延伸段的长度，因此，主动摇杆12利用杠杆放大效应第一次放 大微驱动器5的位移。连杆17远离主动摇杆12的一端设延伸段。载物平台16与使其沿 指定方向平动的解禪机构连接，解禪机构由至少一对解禪单元组成，两个解禪单元关于载 物平台16中屯、对称；每个解禪单元由连接臂13和一对柔性臂14组成，每个柔性臂14一端 与机架1较接，另一端与连接臂13较接，连接臂13的另一端与载物平台16较接；连杆17 延伸段与任一解禪单元较接。
[0035]驱动微驱动器5形变，W微驱动器5将主动摇杆12延伸段向外推为例，主动摇杆 12W其与机架1的较链为支点、使主动摇杆12的另一端向外摆动；主动摇杆12作为第一 个杠杆对微驱动器5的形变量进行第一次放大；在连杆17与主动摇杆12的较链的作用下， 连杆17的一端也向外运动，连杆17W其与被动摇杆18的较链为支点、使连杆17延伸段向 内摆动；在连杆17与连接件15的较链的作用下，平行四边形机构W其与机架1的较链为支 点，向X方向平动，从而带动载物平台16沿X方向平动。当微驱动器5恢复形变时，主动摇 杆12、连杆17
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种压电叠堆驱动的微动平台。 技术背景
[0002] 作为微机电系统的关键组成部分，微动平台广泛应用于装载精密仪器或其关键部 件如常见的光学镜头、精密微操终杆和微夹持器。因此，微动平台需要具有多维运动和极高 的分辨率。
[0003] 与静电梳齿驱动、电热驱动和形状记忆合金驱动等相比，压电叠堆驱动具有分辨 率高、驱动力大、频响范围宽、响应速度快和动态特性好等优点，因而特别适合用于驱动微 动平台。在微装配技术领域，经常需要使用微动平台带动微夹持器进行微米级别到毫米级 别的运动，因此，微动平台应该具有大行程，此外，为了更好的进行高精度的装配，需要对微 动平台的位置进行在线监测，并进行反馈控制。
[0004] 现有的关于微动平台的检测，多采用视觉检测、激光传感器检测或者电容检测等 方法来检测平台的位置，检测成本较高，也难W集成到微操作系统中去。 【实用新型内容】
[0005] 为了克服现有技术存在的微动平台行程不够大的缺点，本实用新型提供了一种能 够放大微驱动器的驱动位移的基于柔性较链放大的压电微动平台。
[0006] 基于柔性较链放大的压电微动平台，包括机架和载物平台；
[0007] 机架上安装微驱动器和放大微驱动器的驱动位移的放大机构；
[0008] 放大机构为安装于机架上的双摇杆机构；双摇杆机构的主动摇杆远离连杆的一端 设延伸段，主动摇杆延伸段的自由端抵住微驱动器；主动摇杆及其延伸段W主动摇杆与机 架的较接点为支点形成放大杠杆；连杆远离主动摇杆的一端设延伸段；
[0009] 载物平台与使其沿指定方向平动的解禪机构连接，解禪机构由至少一对解禪单元 组成，两个解禪单元关于载物平台中屯、对称；每个解禪单元由连接臂和一对柔性臂组成，每 个柔性臂一端与机架较接，另一端与连接臂较接，连接臂的另一端与载物平台较接；
[0010] 连杆延伸段与任一解禪单元较接。
[0011] 进一步，微驱动器为压电叠堆驱动器，每个柔性臂对应位移传感器。
[0012] 进一步，位移传感器为一对位置检测应变片，一对位移检测应变片分别粘接固定 于柔性臂的两侧面上，每对解禪单元的位置检测应变片组成桥接电路，桥接电路通过应 变放大器放大后、由A/D口通过PCI板卡传输到工控机上，工控机计算获得平台的位移， ::総?冷为平台的位移，媒为桥接电路经应变放大器放大后的输出电压，淹为比例系数。 '…知
[0013] 桥接电路是由每个柔性臂上选取一个位置检测应变片，四个柔性臂上的4个位置 检测应变片组成一个全桥模式的桥接电路，一对解禪单元组成2个全桥模式的桥接电路。 或者，桥接电路由每个解禪单元选择1个位置检测应变片与另一个解禪单元的1个位置检 测应变片组成半桥模式的桥接电路，一对解禪单元组成4个半桥模式的桥接电路。
[0014] 本实用新型在使用前，需要先校准获得比例系数心具体做法是：先用激光传感器 检测出当前平台的位移％，位置检测应变片的输出电压巧，即可得到= ^。 %：：
[0015] 进一步，连杆延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸。连杆呈L形。
[0016] 进一步，解禪机构包含沿X轴向设置的一对解禪单元和沿Y轴向设置的一对解禪 单元；每对解禪单元分别连接一个放大机构，每个放大机构分别对应一个微驱动器。
[0017] 进一步，每个解禪单元中，连接臂由平行的一对支臂组成；连接臂、柔性臂W及放 大机构的连杆延伸段均较接于一连接件。
[0018] 进一步，四个解禪单元W载物平台的中屯、为圆屯、阵列分布，相邻柔性臂较接于机 架上的同一较链，所有柔性臂围成一个平行四边形。
[0019] 进一步，载物平台呈正方形，解禪单元分别位于载物平台各边的中点，所有柔性臂 等长，柔性臂围成一个正方形。
[0020] 进一步，机架、双摇杆机构和平行四边形机构经线切割获得，机架和主动摇杆之间 为第一切割缝隙，第一切割区域与压电叠堆驱动器间隙配合，主动摇杆延伸段与机架之间 有间隙，压电叠堆驱动器通过预紧螺钉与主动摇杆延伸段接触；机架、主动摇杆、被动摇杆 围成的区域为第二切割缝隙；机架、被动摇杆、连杆和柔性臂围成的区域为第=切割缝隙； 柔性臂和较链支臂之间的区域为第四切割缝隙；较链支臂、载物平台和连接件之间的区域 为第五切割间隙；被动摇杆与机架的较链、被动摇杆与连杆的较链、主动摇杆与连杆的较 链、主动摇杆与机架的较链、连杆延伸段与连接件的较链均为双切口柔性较链，较链支臂 与载物平台和连接件的较接为单切口柔性较链。
[0021] 本实用新型在使用时，对压电叠堆驱动器施加通过功率放大器放大后的电压，压 电叠堆驱动器伸长，压电叠堆驱动器将主动摇杆延伸段向外推，主动摇杆W其与机架的较 链为支点、使主动摇杆的另一端向外摆动；在连杆与主动摇杆的较链的作用下，连杆的一端 也向外运动，连杆W其与被动摇杆的较链为支点、使连杆延伸段向内摆动；在连杆与连接件 的较链的作用下，解禪机构W柔性臂与机架的较链为支点，向X方向平动，从而带动载物平 台沿X方向平动。
[0022] 由此可知，主动摇杆作为第一个杠杆，当主动摇杆延伸段尺寸小于主动摇杆不含 延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第一次放大；连杆作为第二个杠杆， 当连杆延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第 二次放大；解禪机构则对位移放大机构传递过来的形变量进行解禪，使其只沿一个方向平 动。主动摇杆和连杆均为刚性件，因此他们对压电叠堆驱动器的形变量是成比例的放大，通 过初始化校准即可获得压电叠堆驱动器输出的形变量与载物平台的实际位移之间的比例 系数。将比例系数预存于工控机内，即可实现实施检测平台X方向的位移的目的了。对于 /方向的位移，也同理可得。
[0023] 当压电叠堆驱动器失去电压时，主动摇杆、连杆和平行四边形机构复位，载物平台 回到初始位置。
[0024] 本实用新型的优点在于：
[0025] 1.通过双摇杆机构和平行四边形机构实现对压电叠堆驱动器的输出位移的放大 和解禪，使得微动平台具有两个维度方向上的大行程。
[0026] 2.放大机构采用柔性较链，并通过线切割加工而成，整个柔性较链放大机构为一 个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点。
[0027] 3.集成了位置检测，便于进行高精度的操作和控制。
[0028] 4.重量轻、操作方便，适用于微操作机器人系统和微机电系统。
【附图说明】
[0029] 图1是本实用新型结构示意图。
[0030] 图2是柔性较链放大机构运动示意图。
[0031] 图3是本实用新型控制结构示意图。
[0032] 图4是柔性较链放大机构结构示意图。
【具体实施方式】
[0033] 如图1所示，基于柔性较链放大的压电微动平台，包括机架1和载物平台16;机架 1上安装微驱动器5和放大微驱动器5的驱动位移的放大机构。
[0034] 如图2所示，放大机构为安装于机架1上的双摇杆机构；双摇杆机构的主动摇杆 12远离连杆17的一端设延伸段，主动摇杆延伸段11的自由端抵住微驱动器5 ;主动摇杆12 及其延伸段11W主动摇杆12与机架1的较接点为支点形成放大杠杆；主动摇杆12延伸段 的长度小于主动摇杆12不含延伸段的长度，因此，主动摇杆12利用杠杆放大效应第一次放 大微驱动器5的位移。连杆17远离主动摇杆12的一端设延伸段。载物平台16与使其沿 指定方向平动的解禪机构连接，解禪机构由至少一对解禪单元组成，两个解禪单元关于载 物平台16中屯、对称；每个解禪单元由连接臂13和一对柔性臂14组成，每个柔性臂14一端 与机架1较接，另一端与连接臂13较接，连接臂13的另一端与载物平台16较接；连杆17 延伸段与任一解禪单元较接。
[0035]驱动微驱动器5形变，W微驱动器5将主动摇杆12延伸段向外推为例，主动摇杆 12W其与机架1的较链为支点、使主动摇杆12的另一端向外摆动；主动摇杆12作为第一 个杠杆对微驱动器5的形变量进行第一次放大；在连杆17与主动摇杆12的较链的作用下， 连杆17的一端也向外运动，连杆17W其与被动摇杆18的较链为支点、使连杆17延伸段向 内摆动；在连杆17与连接件15的较链的作用下，平行四边形机构W其与机架1的较链为支 点，向X方向平动，从而带动载物平台16沿X方向平动。当微驱动器5恢复形变时，主动摇 杆12、连杆17
再多了解一些
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