一种平动转动二自由度压电作动平台

1.本发明涉及压电精密定位平台设备技术领域，特别是一种平动转动二自由度压电作动平台。


背景技术：

2.稳像技术是提高图像质量的关键技术之一。目前，在光学稳像中可分为，透镜稳像和反射镜稳像，它们是通过主动位移补偿和角度补偿的方式，来抑制外界载机带来的线振动和角振动对成像质量的影响，从而提高成像质量。如反射镜稳像，旋转反射镜片或者感光探测器来调整光线角度，使感光探测器与像面的重合。传统的旋转稳像平台通常采用音圈电机来驱动。虽然行程较大，但由于会受到磁场的影响，频率响应不高，易受到磁场干扰。压电稳像平台具有体积小、响应快、无间隙、单位重量输出力很大、不受磁场干扰的优点，因此压电陶瓷驱动柔性机构成为压电稳像系统是良好选择。遗憾的是现有的旋转压电稳像平台，只提供角度补偿，但旋转行程较小，并且不能实现聚焦的功能。因此有必要设计新型的高性能稳像定位平台。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供一种平动转动二自由度压电作动平台，利用两个反向运动的复合桥式放大机构，紧凑并列布置，实现绕y轴大行程转动和z轴升降平移。
4.为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
5.一种平动转动二自由度压电作动平台，包括底板、上驱动复合桥式机构、下驱动复合桥式机构、第一压电陶瓷叠堆、第二压电陶瓷叠堆、柔性铰链、转动平台、第一挡块、第二挡块、第一垫块、第二垫块、连接螺栓、预紧螺栓，上驱动复合桥式机构和下驱动复合桥式机构垂直并列，并一同固定在底座上，上驱动复合桥式机构和下驱动复合桥式机构的输出端通过连接螺栓连接柔性铰链，并与转动平台连接，预紧螺栓拧入上驱动复合桥式机构和下驱动复合桥式机构中，预紧螺栓的底端顶在第一挡块和第二挡块上，第一压电陶瓷叠堆水平放置在第一挡块与第一垫块之间，第一垫块与上驱动复合桥式机构接触，第二压电陶瓷叠堆水平放置在第二顶块与第二垫块之间，第二垫块与下驱动复合桥式机构接触。
6.优选地，柔性铰链采用圆角型柔性铰链，圆角型柔性铰链可以避免应力集中，中间的柔性板可以加长，提供更大的弯曲变形空间，比其他柔性更容易大弧度偏转，此外，圆角型柔性铰链，可以实现紧凑的并列布置，具有理想的纯旋转运动行为。
7.优选地，上驱动复合桥式机构和下驱动复合桥式机构上设置有螺栓孔位，预紧螺栓底端通过螺栓孔位顶在第一挡块和第二挡块上，可以通过旋转预紧螺栓将第一挡块和第一压电陶瓷叠堆以及第二挡块和第二压电陶瓷叠堆压紧，避免位移传导不精确。
8.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
9.本发明通过给第一压电陶瓷叠堆施加电压，产生位移，位移通过第一垫块传递给上驱动复合桥式机构，通过上驱动复合桥式机构的放大后，上驱动复合桥式机构向上推动
平台沿柔性铰链转动，而给第二压电陶瓷叠堆施加电压，产生位移，位移通过第二垫块传递给下驱动复合桥式机构，通过下驱动复合桥式机构的放大后，下驱动复合桥式机构向下拉动平台沿柔性铰链转动，结构紧凑，只有两个压电陶瓷叠堆，能够小型化轻量化，在狭小的空间使用。
10.在两个压电陶瓷叠堆同时工作，上驱动复合桥式机构和下驱动复合桥式机构在同一时刻运动方向相反，通过柔性铰链推和拉，形成转动力偶，绕转动平台中间虚拟的转轴转动，而当两个压电陶瓷叠堆输入的三角波信号相位差为 180度时，上驱动复合桥式机构和下驱动复合桥式机构在同一时刻运动方向相同，将推动转动平台水平沿z轴上升和下降运动。
11.因此，当输入两个相同的三角波的相位差不在0度和180度时，两驱动电压周期的交叠，会出现升降与转动的复合运动，电压变化相同时，转动平台旋转，电压变化相反时平台升降。当两个输入信号幅值不同，驱动方向无论是同向还是反向，由于变化量不同，同时也会产生升降和转动的复合运动。
12.复合桥式机构的转动行程大，角度调整能力强最大转动行程12.01mrad，分辨率可达0.30mrad，具有z轴上的升降调焦功能，最大上升位移98.22μm。
13.其次，垫块可以将压电陶瓷叠堆的推力水平作用到支撑立柱上，避免了压电陶瓷叠堆受到弯矩力影响寿命的问题。
14.综上所述，本发明提供一种平动转动二自由度压电作动平台，利用两个反向运动的复合桥式放大机构，紧凑并列布置，能够小型化轻量化，在狭小的空间使用，而且可以实现绕y轴大行程转动和z轴升降平动。
附图说明
15.图1为本发明的整体结构示意图，图中右上角为坐标系；
16.图2为本发明的侧视结构示意图，图中右上角为坐标系；
17.图3为本发明的左视结构示意图，图中右上角为坐标系；
18.图4为本发明的俯视结构示意图，图中右上角为坐标系。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
…
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
21.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；其次，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
24.请参见图1-图4，图1为本发明的整体结构示意图，图中右上角为坐标系；图2为本发明的侧视结构示意图，图中右上角为坐标系；图3为本发明的左视结构示意图，图中右上角为坐标系；图4为本发明的俯视结构示意图，图中右上角为坐标系。
25.本发明的实施例提供一种平动转动二自由度压电作动平台，图中各标号数字对应的部件名称如下：底板1、上驱动复合桥式机构2、下驱动复合桥式机构3、第一压电陶瓷叠堆4、转动平台5、第一挡块6、预紧螺栓7。
26.一种平动转动二自由度压电作动平台，包括底板1、上驱动复合桥式机构 2、下驱动复合桥式机构3、第一压电陶瓷叠堆4、第二压电陶瓷叠堆、柔性铰链、转动平台5、第一挡块6、第二挡块、第一垫块、第二垫块、连接螺栓、预紧螺栓7，上驱动复合桥式机构2和下驱动复合桥式机构3垂直并列，并一同固定在底座上，上驱动复合桥式机构2和下驱动复合桥式机构3的输出端通过连接螺栓连接柔性铰链，并与转动平台5连接，预紧螺栓7拧入上驱动复合桥式机构2和下驱动复合桥式机构3中，预紧螺栓7的底端顶在第一挡块6 和第二挡块上，第一压电陶瓷叠堆4水平放置在第一挡块6与第一垫块之间，第一垫块与上驱动复合桥式机构2接触，第二压电陶瓷叠堆水平放置在第二顶块与第二垫块之间，第二垫块与下驱动复合桥式机构3接触。
27.柔性铰链采用圆角型柔性铰链，圆角型柔性铰链可以避免应力集中，中间的柔性板可以加长，提供更大的弯曲变形空间，比其他柔性更容易大弧度偏转，此外，圆角型柔性铰链，可以实现紧凑的并列布置，具有理想的纯旋转运动行为。
28.上驱动复合桥式机构2和下驱动复合桥式机构3上设置有螺栓孔位，预紧螺栓7底端通过螺栓孔位顶在第一挡块6和第二挡块上，可以通过旋转预紧螺栓7将第一挡块6和第一压电陶瓷叠堆4以及第二挡块和第二压电陶瓷叠堆压紧，避免位移传导不精确。
29.本发明的使用和工作方法为：
30.1、转动
31.一个压电陶瓷叠堆工作时，如果上驱动复合桥式机构2工作，则向上推动平台沿柔性铰链转动。如果下驱动复合桥式机构3工作，则向下拉动平台绕另一相应柔性铰链转动。
32.两个叠堆同时工作时，两者可以并联加载一个输入电压，或者输入两个相位差为0的同周期信号。此时复合桥式机构在同一时刻运动方向相反，通过圆角柔性铰链推和拉，形成转动力偶，绕转动平台5中间虚拟的转轴转动。
33.2、平动
34.当两个压电陶瓷叠堆同时展开时，一个上升的同时另一个下拉，转动平台 5将沿两桥式机构中间的转轴旋转，转轴半径减小，位移高度差增大，转动行程将大幅度提高。当
两个压电陶瓷叠堆输入信号相位差180度时，上驱动复合桥式机构2和下驱动复合桥式机构3同时上升下降，便可以实现在z轴方向上的平移驱动。
35.3、做复合运动
36.当输入两个相同的三角波的相位差不在0度和180度时，两驱动电压周期的交叠，会出现升降与转动的复合运动，电压变化相同时，转动平台5旋转，电压变化相反时平台升降。当两个输入信号幅值不同，驱动方向无论是同向还是反向，由于变化量不同，同时也会产生升降和转动的复合运动。
37.使用时，只需要将电荷耦合器件固定在转动平台5上，两个压电陶瓷叠堆连接控制器，调整转动平台5角度和位置使光线垂直打在电荷耦合器件上，即焦平面与感光平面重合。
38.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
39.本发明通过给第一压电陶瓷叠堆4施加电压，产生位移，位移通过第一垫块传递给上驱动复合桥式机构2，通过上驱动复合桥式机构2的放大后，上驱动复合桥式机构2向上推动平台沿柔性铰链转动，而给第二压电陶瓷叠堆施加电压，产生位移，位移通过第二垫块传递给下驱动复合桥式机构3，通过下驱动复合桥式机构3的放大后，下驱动复合桥式机构3向下拉动平台沿柔性铰链转动，结构紧凑，只有两个压电陶瓷叠堆，能够小型化轻量化，在狭小的空间使用。
40.在两个压电陶瓷叠堆同时工作，上驱动复合桥式机构2和下驱动复合桥式机构3在同一时刻运动方向相反，通过柔性铰链推和拉，形成转动力偶，绕转动平台5中间虚拟的转轴转动，而当两个压电陶瓷叠堆输入的三角波信号相位差为180度时，上驱动复合桥式机构2和下驱动复合桥式机构3在同一时刻运动方向相同，将推动转动平台5水平沿z轴上升和下降运动。
41.因此，当输入两个相同的三角波的相位差不在0度和180度时，两驱动电压周期的交叠，会出现升降与转动的复合运动，电压变化相同时，转动平台5 旋转，电压变化相反时平台升降。当两个输入信号幅值不同，驱动方向无论是同向还是反向，由于变化量不同，同时也会产生升降平动和转动的复合运动。
42.复合桥式机构的转动行程大，角度调整能力强最大转动行程12.01mrad，分辨率可达0.30mrad，具有z轴上的升降调焦功能，最大上升位移98.22μm。
43.其次，垫块可以将压电陶瓷叠堆的推力水平作用到支撑立柱上，避免了压电陶瓷叠堆受到弯矩力影响寿命的问题。
44.综上所述，本发明提供一种平动转动二自由度压电作动平台，利用两个反向运动的复合桥式放大机构，紧凑并列布置，能够小型化轻量化，在狭小的空间使用，可以实现绕y轴大行程转动和z轴升降平移运动。
45.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。