一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置

1.本发明属于精密光学技术领域，具体涉及一种精密二维稳像装置。


背景技术：

2.由于成像设备在使用过程中会出现振动与外界干扰，拍摄目标与设备之间产生相对微小的位移，使得图像的清晰度和可辨识度降低，导致设备的成像质量下降。因此需要精密光学稳像装置来对成像设备进行位移补偿，提高图像的清晰度与可辨识度，达到稳定成像的目的。
3.稳像技术按稳像原理可以分为机械稳像、电子稳像与光学稳像。机械稳像采用传感器检测设备振动所造成的微小位移，通过伺服控制系统控制驱动装置对位移进行补偿，从而达到稳像的目的。现有的机械稳像技术中多采用伺服电机进行驱动，其体积大，成本高，不适用于小型成像设备。电子稳像采用图像算法对得到的图像序列进行稳定，分析计算图像的像素偏移矢量以合成新的图像，其成像质量会受到图像算法的限制。光学稳像采用驱动补偿机构对成像设备和拍摄目标之间产生的光轴偏差进行补偿，降低外部干扰对图像质量的影响以实现稳像。压电材料作为一种智能材料，在受到外部电场作用时会产生机械应变，其响应时间快、精度高、负载能力强，可适用于精密驱动方向。将多个压电陶瓷片叠堆在一起构成压电叠堆，在其受到外部电场作用时产生的总应变等于各单片压电陶瓷的应变之和，负载能力也会增强。
4.发明专利cn 105071690 b公开了一种压电直线作动二维稳像平台，该平台采用了正三角放大机构和倒三角放大机构串联单元的并联，其结构缺少位移导向机构，在x方向和y方向同时进行位移输出时会产生位移耦合，且单向作动时会受到另一方向结构的干涉，导致位移方向偏转。同时，压电叠堆在使用时需要施加一定的预紧力，该平台仅采用垫块和外部钢架对压电叠堆进行预紧，预紧效果低且易造成结构磨损。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置，包括压电叠堆、压电叠堆预紧模块、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架、位移导向机构以及固定框架；压电叠堆预紧模块位于固定框架的对角处，对压电叠堆实现预紧；位移放大模块与预紧模块固接，位于固定框架相邻两边，包括三级位移放大机构；镜头安装架通过柔性铰链与第三级位移放大机构相连，并通过位移导向机构与固定框架相连。本发明通过在x和y方向上并联的压电叠堆位移放大模块对压电叠堆通电后产生的位移进行放大，在位移导向机构的位移导向作用下实现镜头安装架在x和y方向上的位移，从而补偿镜头在动态拍摄中产生的抖动以解决成像模糊问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置，包括固定框架、压电叠堆预紧模块、压电叠堆、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架和位移导向机构；所述固定框架为方形框架结
构；所述压电叠堆预紧模块、压电叠堆和压电叠堆位移放大模块都包括以固定框架的对角线为对称轴的完全相同的两部分，分别称为竖直部分和水平部分；
8.所述竖直部分的结构如下：
9.所述压电叠堆预紧模块包括预紧框架、预紧螺栓、第一预紧导向块、第一预紧导向块螺栓、预紧弹簧、第二预紧导向块和第二预紧导向块螺栓；
10.所述第一预紧导向块分为相同的前后两片，每片包括两个支撑梁，每片的上部设置有第一螺纹孔；所述第一预紧导向块螺栓穿过第一螺纹孔将第一预紧导向块的前后两片连接在一起；第一螺纹孔前后两片连接在一起后在第一预紧导向块的顶部上表面和下表面分别形成一个第一圆形凹槽，在第一预紧导向块两个侧面的两个支撑梁中间各形成一个第一导向槽；
11.所述第二预紧导向块分为相同的前后两片，每片上设置有第二螺纹孔；所述第二预紧导向块螺栓穿过第二螺纹孔将第二预紧导向块的前后两片连接在一起；第二预紧导向块的前后两片连接在一起后在第二预紧导向块的上表面形成第二圆形凹槽，在第二预紧导向块的下表面形成矩形凹槽，在第二预紧导向块两侧各形成一个第二导向槽；
12.所述预紧框架呈方形，顶部和相邻侧边框同固定框架为一体；所述预紧框架的两个侧边框从上向下卡入第一导向槽和第二导向槽，起到位移导向作用；所述预紧螺栓穿过预紧框架顶部的预紧螺纹孔后，与第一预紧导向块的顶部上表面的第一圆形凹槽配合；所述预紧弹簧上端与第一预紧导向块的顶部下表面的第一圆形凹槽配合，预紧弹簧下端与第二预紧导向块的第二圆形凹槽配合；所述压电叠堆的上端与第二预紧导向块的矩形凹槽配合，压电叠堆的下端与预紧框架底部内表面的压电叠堆矩形凹槽配合；
13.初始状态下，旋转预紧螺栓对第一预紧导向块施加压力，与此同时预紧弹簧受到压缩，将压力通过第二预紧导向块传递给压电叠堆；当预紧弹簧达到预定压缩量，此时支撑梁末端接触第二预紧导向块，预紧力达到预定值，停止旋转预紧螺栓，完成对压电叠堆的预紧；
14.所述压电叠堆位移放大模块包括第一级位移放大机构、第二级位移放大机构和第三级位移放大机构；
15.所述第一级位移放大机构为三角放大结构，通过设置在不同位置的第一级柔性铰链分别与预紧框架底部、固定框架侧边和第二级位移放大机构连接；所述第二级位移放大机构为杠杆放大结构，通过设置在不同位置的的第二级柔性铰链分别与固定框架侧边、第三级位移放大机构连接；所述第三级位移放大机构为杠杆放大结构，第三级位移放大机构的上端通过第三级柔性铰链与预紧框架连接，第三级位移放大机构的下端通过第三级柔性铰链与镜头安装架的左侧边中部连接；
16.所述水平部分与竖直部分对称，水平部分的第三级位移放大机构通过第三级柔性铰链与镜头安装架的下侧边中部连接；
17.所述镜头安装架为方形，位于固定框架中心；镜头安装架的右侧边和上侧边通过所述位移导向机构上的柔性铰链与固定框架相连；所述镜头安装架中心设有圆形通孔，用于安装镜头。
18.优选地，所述第三级位移放大机构与位移导向机构之间形成准平行四边形放大结构，该结构在传递力与位移的同时对位移方向进行导向，防止位移方向发生偏转。
19.优选地，所述固定框架、预紧框架、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架和位移导向机构均采用65mn弹簧钢材料，由高精度线切割工艺一次加工成型。
20.优选地，所述压电叠堆形状为长方体，采用pzt-5h材料，其表面采用环氧树脂封装，极化方向与安装方向相同。
21.优选地，所述固定框架的厚度大于所述精密二维稳像装置其余部分的厚度，当水平放置精密二维稳像装置时，保证压电叠堆、压电叠堆预紧模块、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架和位移导向机构不受多余接触面摩擦力的影响。
22.优选地，所述预紧框架不与固定框架的两个侧边框形成的夹角设有倒角，能增加预紧框架的结构强度。
23.优选地，所述支撑梁的长度小于预紧弹簧自由长度，支撑梁与第二预紧导向块配合后，在保证预紧弹簧达到预定压缩量的同时防止压电叠堆在通电时向预紧弹簧方向泄力。
24.优选地，所述第一级柔性铰链为圆型柔性铰链，第二级柔性铰链和第三级柔性铰链为直角型柔性铰链，柔性铰链的作用在于受力后产生偏转，从而实现结构上力和位移的传递。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明为一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置，压电叠堆预紧模块可为压电叠堆提供可控的所需预紧力；压电叠堆通电后产生的位移可经过压电叠堆位移放大模块成倍放大，实现微米级的位移输出；柔性铰链可将力和放大后的位移输出给镜头安装架，第三级位移放大机构和位移导向机构之间形成的准平行四边形放大机构可使x方向和y方向的位移输出耦合降低，减少并联机构不同方向相互干涉问题，从而实现镜头安装架在二维平面内的位移。
附图说明
27.图1为本发明所述基于压电叠堆的精密二维稳像装置的结构俯视图。
28.图2为本发明所述基于压电叠堆的精密二维稳像装置的结构侧视图。
29.图3为本发明所述预紧框架结构示意图。
30.图4为本发明所述第一预紧导向块结构示意图。
31.图5为本发明所述第一预紧导向块反面结构示意图。
32.图6为本发明所述第二预紧导向块结构示意图。
33.图7为本发明所述第二预紧导向块反面结构示意图。
34.图8为本发明所述压电叠堆位移放大模块结构示意图。
35.图9为本发明所述准平行四边形放大结构示意图。
36.图10为本发明所述镜头安装架结构示意图。
37.图中：1-预紧螺栓；2-第一预紧导向块螺栓；3-第一预紧导向块；3-1第一螺纹孔；3-2第一圆形凹槽；3-3第一导向槽；3-4支撑梁；4-预紧弹簧；5-第二预紧导向块螺栓；6-第二预紧导向块；6-1第二螺纹孔；6-2第二圆形凹槽；6-3矩形凹槽；6-4第二导向槽；7-压电叠堆；8-预紧框架；8-1预紧螺纹孔；8-2压电叠堆矩形凹槽；8-3倒角；9-位移导向机构；10-第三级位移放大机构；10-1第三级柔性铰链；11-第一级位移放大机构；11-1第一级柔性铰链；
12-第二级位移放大机构；12-1第二级柔性铰链；13-镜头安装架；13-1圆形通孔；14-固定框架。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
39.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提出一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置，能有效解决光学稳像技术中的精密驱动问题以及并联装置的位移耦合问题，实现在平面内不同方向的位移。
40.一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置，包括固定框架14、压电叠堆预紧模块、压电叠堆7、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架13和位移导向机构9；所述固定框架14为方形框架结构；所述压电叠堆预紧模块、压电叠堆7和压电叠堆位移放大模块都包括以固定框架14的对角线为对称轴的完全相同的两部分，分别称为竖直部分和水平部分；
41.所述竖直部分的结构如下：
42.所述压电叠堆预紧模块包括预紧框架8、预紧螺栓1、第一预紧导向块3、第一预紧导向块螺栓2、预紧弹簧4、第二预紧导向块6和第二预紧导向块螺栓5；
43.所述第一预紧导向块3分为相同的前后两片，每片包括两个支撑梁3-4，每片的上部设置有第一螺纹孔3-1；所述第一预紧导向块螺栓2穿过第一螺纹孔3-1将第一预紧导向块3的前后两片连接在一起；第一螺纹孔3-1前后两片连接在一起后在第一预紧导向块3的顶部上表面和下表面分别形成一个第一圆形凹槽3-2，在第一预紧导向块3两个侧面的两个支撑梁3-4中间各形成一个第一导向槽3-3；
44.所述第二预紧导向块6分为相同的前后两片，每片上设置有第二螺纹孔6-1；所述第二预紧导向块螺栓5穿过第二螺纹孔6-1将第二预紧导向块6的前后两片连接在一起；第二预紧导向块6的前后两片连接在一起后在第二预紧导向块6的上表面形成第二圆形凹槽6-2，在第二预紧导向块6的下表面形成矩形凹槽6-3，在第二预紧导向块6两侧各形成一个第二导向槽6-4；
45.所述预紧框架8呈方形，顶部和相邻侧边框同固定框架14为一体；所述预紧框架8的两个侧边框从上向下卡入第一导向槽3-3和第二导向槽6-4，起到位移导向作用；所述预紧螺栓1穿过预紧框架8顶部的预紧螺纹孔8-1后，与第一预紧导向块3的顶部上表面的第一圆形凹槽3-2配合；所述预紧弹簧4上端与第一预紧导向块3的顶部下表面的第一圆形凹槽3-2配合，预紧弹簧4下端与第二预紧导向块6的第二圆形凹槽6-2配合；所述压电叠堆7的上端与第二预紧导向块6的矩形凹槽6-3配合，压电叠堆7的下端与预紧框架8底部内表面的压电叠堆矩形凹槽8-2配合；
46.初始状态下，旋转预紧螺栓1对第一预紧导向块3施加压力，与此同时预紧弹簧4受到压缩，将压力通过第二预紧导向块6传递给压电叠堆7；当预紧弹簧4达到预定压缩量，此时支撑梁3-4末端接触第二预紧导向块6，预紧力达到预定值，停止旋转预紧螺栓1，完成对压电叠堆7的预紧；
47.所述压电叠堆位移放大模块包括第一级位移放大机构11、第二级位移放大机构12和第三级位移放大机构10；
48.所述第一级位移放大机构11为三角放大结构，通过设置在不同位置的第一级柔性
铰链11-1分别与预紧框架8底部、固定框架14侧边和第二级位移放大机构12连接；所述第二级位移放大机构12为杠杆放大结构，通过设置在不同位置的的第二级柔性铰链12-1分别与固定框架14侧边、第三级位移放大机构10连接；所述第三级位移放大机构10为杠杆放大结构，第三级位移放大机构10的上端通过第三级柔性铰链10-1与预紧框架8连接，第三级位移放大机构10的下端通过第三级柔性铰链10-1与镜头安装架13的左侧边中部连接；
49.所述水平部分与竖直部分对称，水平部分的第三级位移放大机构10通过第三级柔性铰链10-1与镜头安装架13的下侧边中部连接；
50.所述镜头安装架13为方形，位于固定框架14中心；镜头安装架13的右侧边和上侧边通过所述位移导向机构9上的柔性铰链与固定框架14相连；所述镜头安装架13中心设有圆形通孔13-1，用于安装镜头。
51.优选地，所述第三级位移放大机构10与位移导向机构9之间形成准平行四边形放大结构，该结构在传递力与位移的同时对位移方向进行导向，防止位移方向发生偏转。
52.优选地，所述固定框架14、预紧框架8、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架13和位移导向机构9均采用65mn弹簧钢材料，由高精度线切割工艺一次加工成型。
53.优选地，所述压电叠堆7形状为长方体，采用pzt-5h材料，其表面采用环氧树脂封装，极化方向与安装方向相同。
54.优选地，所述固定框架14的厚度大于所述精密二维稳像装置其余部分的厚度，当水平放置精密二维稳像装置时，保证压电叠堆7、压电叠堆预紧模块、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架13和位移导向机构9不受多余接触面摩擦力的影响。
55.优选地，所述预紧框架8不与固定框架14一体的两个侧边框形成的夹角设有倒角8-3，能增加预紧框架8的结构强度。
56.优选地，所述支撑梁3-4的长度小于预紧弹簧4自由长度，支撑梁3-4与第二预紧导向块6配合后，在保证预紧弹簧4达到预定压缩量的同时防止压电叠堆7在通电时向预紧弹簧4方向泄力。
57.优选地，所述第一级柔性铰链11-1为圆型柔性铰链，第二级柔性铰链12-1和第三级柔性铰链10-1为直角型柔性铰链，柔性铰链的作用在于受力后产生偏转，从而实现结构上力和位移的传递。
58.具体实施例：
59.如图1所示，一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置，包括固定框架14、压电叠堆预紧模块、压电叠堆7、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架13和位移导向机构9；所述压电叠堆预紧模块完全相同的两部分位于固定框架14对角处，包括预紧框架8、预紧螺栓1、第一预紧导向块3、第一预紧导向块螺栓2、预紧弹簧4、第二预紧导向块6和第二预紧导向块螺栓5；所述压电叠堆位移放大模块位于固定框架14相邻两边，包括第一级位移放大机构11、第二级位移放大机构12和第三级位移放大机构10。
60.如图2所示，固定框架14的厚度大于二维稳像装置其余部分的厚度，其目的在于当水平放置二维稳像装置进行实验时，保证压电叠堆7、压电叠堆预紧模块、压电叠堆位移放大模块、镜头安装架13和位移导向机构9不受多余接触面摩擦力的影响。
61.如图3所示，预紧框架8设有预紧螺纹孔8-1、压电叠堆矩形凹槽8-2和倒角8-3；所述预紧螺纹孔8-1可与预紧螺栓1配合，以达到对预紧弹簧4力的输入；所述压电叠堆矩形凹
槽8-2可与压电叠堆7配合；所述倒角8-3可增加结构强度。
62.如图4和图5所示，第一预紧导向块3设有第一螺纹孔3-1、第一圆形凹槽3-2、第一导向槽3-3和支撑梁3-4；所述第一螺纹孔3-1与第一预紧导向块螺栓2配合后可将第一预紧导向块3上下两部分连接；所述第一预紧导向块3正反两面均设有第一圆形凹槽3-2，可与预紧螺栓1和预紧弹簧4配合；所述第一导向槽3-3与预紧框架8配合，起到位移导向作用；所述支撑梁3-4长度小于预紧弹簧4自由长度，支撑梁3-4与第二预紧导向块6配合后，在保证预紧弹簧4达到预定压缩量的同时防止压电叠堆7在通电时向预紧弹簧4方向泄力。
63.如图6和图7所示，第二预紧导向块6设有第二螺纹孔6-1、第二圆形凹槽6-2、矩形凹槽6-3和第二导向槽6-4；所述第二螺纹孔6-1与第二预紧导向块螺栓5配合后可将第一预紧导向块6上下两部分连接；所述第二圆形凹槽6-2可与预紧弹簧4配合；所述矩形凹槽6-3可与压电叠堆7配合；所述第二导向槽6-4与预紧框架8配合，起到位移导向作用。
64.如图8所示，压电叠堆位移放大模块包括第一级位移放大机构11、第一级柔性铰链11-1、第二级位移放大机构12、第二级柔性铰链12-1、第三级位移放大机构10和第三级柔性铰链10-1；所述第一级柔性铰链11-1为圆型柔性铰链，第二级柔性铰链12-1和第三级柔性铰链10-1为直角型柔性铰链，柔性铰链的作用在于受力后产生偏转，从而实现结构上力和位移的传递。
65.如图9所示，第三级位移放大机构10与位移导向机构9之间形成准平行四边形放大机构，该结构在传递力与位移的同时对位移方向进行导向，防止位移方向发生偏转。
66.如图10所示，为镜头安装架13示意图，镜头安装架13中心设有圆形通孔13-1，用于安装镜头。
67.初始状态下，将压电叠堆7装配于压电叠堆预紧模块中，使其一端与压电叠堆矩形凹槽8-2相配合，另一端与矩形凹槽6-3相配合；预紧螺栓1与预紧螺纹孔8-1配合，其输出端与第一圆形凹槽3-2相配合，旋转预紧螺栓1对第一预紧导向块3施加压力，与此同时预紧弹簧4受到压缩，将压力通过第二预紧导向块6传递给压电叠堆7；当预紧弹簧4达到预定压缩量，此时支撑梁3-4末端接触第二预紧导向块6，预紧力达到预定值，停止旋转预紧螺栓1，完成对压电叠堆7的预紧。
68.对于x方向的位移输出，竖直部分的压电叠堆7通电，使其在电场作用下输出力与位移；第一级柔性铰链11-1产生偏转，使第一级位移放大机构11在x方向上输出力与位移，并传递给第二级位移放大机构12；第二级柔性铰链12-1产生偏转，使第二级位移放大机构12在x方向上输出力与位移，并传递给第三级位移放大机构10；第三级柔性铰链10-1产生偏转，使第三级位移放大机构10在x方向上输出力与位移，并传递给镜头安装架13；镜头安装架13在位移导向机构9的位移导向作用下实现x方向的位移输出。
69.对于y方向的位移输出，水平部分的压电叠堆7通电，使其在电场作用下输出力与位移；第一级柔性铰链11-1产生偏转，使第一级位移放大机构11在y方向上输出力与位移，并传递给第二级位移放大机构12；第二级柔性铰链12-1产生偏转，使第二级位移放大机构12在y方向上输出力与位移，并传递给第三级位移放大机构10；第三级柔性铰链10-1产生偏转，使第三级位移放大机构10在y方向上输出力与位移，并传递给镜头安装架13；镜头安装架13在位移导向机构9的位移导向作用下实现y方向的位移输出。
70.对于二维平面内的位移，镜头安装架13同时受到x方向和y方向上输出的力与位
移，在位移导向机构9的位移导向作用下实现二维平面内的位移输出。
71.本发明为一种基于压电叠堆的精密二维稳像装置，压电叠堆预紧模块可为压电叠堆7提供可控的所需预紧力；压电叠堆7通电后产生的位移可经过压电叠堆位移放大模块成倍放大，实现微米级的位移输出；柔性铰链可将输出力和放大后的位移传递给镜头安装架13，第三级位移放大机构10和位移导向机构9之间形成的准平行四边形放大机构可使x方向和y方向的位移输出耦合降低，减少并联机构不同方向相互干涉问题。