一种基于柔性铰链的压电定位平台及工业相机的制作方法

1.本发明涉及微纳定位平台领域，具体是一种基于柔性铰链的压电定位平台及工业相机。


背景技术：

2.精密定位技术是精密加工、精密测量和精密驱动中的核心技术，广泛应用在微型机械制造、半导体技术、超精密加工、生物工程、生命与医疗技术等领域中。作为精密定位系统中一个重要组成部分，微纳定位平台能够提供具有纳米级别分辨率的微米级步进位移。微纳定位平台的固定端固定安装在设备上，微纳定位平台的移动端上安装有待步进位移的机构。
3.柔性铰链是利用构件局部变形而设计的一类弹性支承，具备运动无摩擦、响应速度快、精度高等特点。压电陶瓷利用了某些材料的逆压电效应制成，在外界电场激励作用下将发生形变，常用于微位移驱动与控制。基于柔性铰链而制作的压电定位平台位移延迟小、分辨率高，其精度可达纳米级，被广泛应用于超精密加工、生物工程、微电子封装等精密定位领域。
4.现有技术多采用在柔性定位平台上预留螺丝孔，通过旋入螺丝并配合垫块将压电陶瓷压紧的方式实现预紧，其他的手段有螺旋装置配合楔形块、在机构运动的反方向布置弹性元件等。
5.上述压电预紧策略中，预紧螺丝压紧压电陶瓷的方式在高频使用时螺丝与垫块表现为一个质量——弹簧系统，起到减振的作用，缩小了系统响应的带宽，该方式中预紧螺丝须进行防松处理，且通常辅以垫片类装置传递预紧力，防止螺丝对压电陶瓷施加集中力，造成损坏，给拆装带来不便。螺旋装置配合楔形块的方式则易产生侧向力，压电陶瓷在承受侧向力时同样易发生损坏，且易引起多轴运动耦合。在机构运动的反方向布置弹性元件的方式可能引起共振的问题。


技术实现要素：

6.针对以上技术问题，本发明提供一种新的压电陶瓷预紧机制，并将其集成到柔性铰链定位平台，可以改善系统在高频下的动态性能，同时柔性铰链设置有位移导向机构，可减小多轴运动之间的耦合，提高压电定位平台的定位精度。
7.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于柔性铰链的压电定位平台，包括：平台基底；定位平台，固定于所述平台基底上，所述定位平台上设置有通孔，所述通孔内设置有移动部和预紧压块，所述移动部位于预紧压块上方；所述移动部与平台基底之间存在间隙；压电陶瓷，安装在移动部与预紧压块之间，所述压电陶瓷用于推动移动部沿竖直
向移动；所述压电陶瓷与平台基底之间存在间隙；所述压电陶瓷的自由长度大于移动部与预紧压块之间的距离；其中，所述移动部左右两侧均设置有沿移动部对称分布的若干柔性梁，通过柔性梁与所述定位平台连接，以使移动部维持竖直向位移；所述压电陶瓷安装完成后，所述预紧压块固定于所述平台基底上；所述预紧压块左右两侧均设置有沿预紧压块对称分布的若干预紧梁，通过预紧梁与所述定位平台连接，对压电陶瓷进行预紧、限位。
8.进一步地，所述通孔设置在所述定位平台上表面，通孔贯通定位平台上下表面。
9.进一步地，所述预紧梁为可变形的弹性梁，其形变方向与压电陶瓷驱动方向一致。
10.进一步地，所述预紧梁和柔性梁的两端均设置有柔性铰链；预紧梁、柔性梁均通过柔性铰链分别实现与预紧压块和定位平台之间、移动部和定位平台之间的连接。
11.进一步地，所述定位平台还包括位移传感器，所述位移传感器设于定位平台和移动部之间，用于检测移动部的位移。
12.进一步地，所述预紧压块固定于所述平台基底上，包括：所述平台基底上设有螺纹孔，所述预紧压块上设有与所述螺纹孔对应的固定孔，通过螺钉将预紧压块与平台基底固定连接。
13.进一步地，所述柔性铰链为直角型柔性铰链、圆角型柔性铰链、半圆型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、双曲线型柔性铰链、摆线型柔性铰链、多项式型柔性铰链中的一种。
14.进一步地，所述定位平台还包括用于增加预紧力的弹性元件，所述弹性元件设置在所述预紧压块与所述定位平台之间。
15.进一步地，所述平台基底为精密隔振平台，用于隔离外界环境振动。
16.进一步地，所述移动部包括移动部底板和凹槽，所述凹槽设置在所述移动部底板上；所述凹槽内设置有第二预紧梁、第二柔性梁、移动块、第二位移传感器、第二预紧压块和第二压电陶瓷，所述第二预紧梁、第二柔性梁、移动块、第二位移传感器、第二预紧压块和第二压电陶瓷均与移动部底板之间存在间隙；通过所述第二柔性梁连接所述移动块与所述移动部；通过所述第二预紧梁连接所述第二预紧压块与所述移动部。
17.进一步地，所述第二压电陶瓷安装在移动块与第二预紧压块之间，所述第二压电陶瓷的自由长度大于移动块与第二预紧压块之间的距离；所述第二压电陶瓷用于推动移动块沿水平向移动。
18.进一步地，所述第二压电陶瓷安装完成后，所述第二预紧压块与所述移动部底板固定连接，以使所述第二预紧压块与所述移动部同步位移。
19.另一方面，本发明还提出一种工业相机，包括：外壳，所述外壳内安装有上述的压电定位平台；所述压电定位平台固定安装在外壳内侧，用于带动成像组件移动；所述成像组件安装在所述外壳内部的移动部或者移动块上；所述成像组件随所述移动部或移动块，做像素级步径位移，用于采集像素位移图像序列，通过图像超分辨率重建，获得超分辨率图像。
20.由上述技术方案可知，本发明的有益效果如下：（1）现有技术压电陶瓷预紧的实现需借助螺旋装置配合垫块或楔形块，本方案将压电陶瓷预紧机构集成到柔性铰链平台本体内，无需额外的装置或器件。
21.（2）现有技术需专门设置预紧螺丝，螺丝预紧由于螺纹间隙的存在，需要防松处理，同时需要辅以垫片类装置，防止螺丝对压电陶瓷施加集中力，造成损坏，拆解不便。本方案利用弹性梁变形的自恢复趋势，将压电陶瓷预紧，预紧载荷的施加原理不同；同时，本方案的技术方案便于压电陶瓷的安装与拆解。
22.（3）本方案中压电陶瓷直接与移动部接触，接触刚度大，移动平台高频动态响应速度快，而现有技术方案中螺丝与垫块形成的质量——弹簧系统在高频使用时，起到减振的作用，缩小了系统响应的带宽，降低了系统的响应速度。
23.附图说明：图1为本发明实施例1的压电定位平台整体结构示意图；图2为本发明实施例1的压电定位平台的截面图；图3为本发明实施例1的定位平台安装压电陶瓷的示意图；图4为本发明图3的a处放大图；图5为本发明实施例1的定位平台发生沿竖直向位移的示意图；图6为本发明实施例2的压电定位平台整体结构示意图；图7为本发明实施例3的压电定位平台整体结构示意图；图8为本发明实施例3的压电定位平台的截面图。
24.图中：1、平台基底；2、定位平台；2-1、固定部；2-2、外侧安装孔；2-3、预紧梁；2-4、第一预紧压块；2-5、第一预紧压块固定孔；2-6、柔性梁；2-7、移动部；2-8、第一位移传感器安装孔；3、外侧固定螺钉；4、第一压电陶瓷；5、内侧固定螺钉；6、第一位移传感器；7、弹性元件； 2-7-1、第二位移传感器安装孔；2-7-2、第二柔性梁；2-7-3、第二预紧压块；2-7-4、第二预紧梁；2-7-5、第二预紧压块固定孔；2-7-6、移动部底板；2-7-7、移动块；8、第二压电陶瓷。
25.具体实施方式：为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.针对现有技术问题，本发明提供一种新的压电陶瓷预紧机制，并将其集成到柔性铰链定位平台，同时在柔性铰链设置位移导向机构，以此改善定位平台在高频下的动态性能，并减小多轴运动之间的耦合，提高压电定位平台的输出性能，实现压电定位平台的精密定位。
27.实施例1如图1至图5所示，本发明的实施例1提出的压电定位平台包括平台基底1和固定于所述平台基底1上的定位平台2，定位平台2为竖直向单轴定位平台。
28.平台基底1通常为精密隔振平台，用以承载定位平台2；在定位平台2步进位移时，平台基底1隔离了外界环境振动，以减少环境噪声对定位精度的影响。
29.如图1所示，定位平台2外部设有固定部2-1，所述固定部2-1四角均设有外侧安装孔2-2，通过外侧固定螺钉3与平台基底1的外部固定连接，使得平台基底1不随定位平台2的位移而移动，避免了平台基底1与定位平台2之间的相对运动，进而影响了定位精度。
30.如图2所示，定位平台2上表面设有一通孔，通孔贯通定位平台2的上下表面。所述
通孔内设置有移动部2-7和第一预紧压块2-4，所述移动部2-7位于第一预紧压块2-4的上方；所述移动部2-7与平台基底1之间存在间隙，避免了移动部2-7在运动过程中与平台基底1之间产生摩擦，进而发生相对运动，对定位精度产生影响。
31.如图3所示，第一压电陶瓷4安装在移动部2-7与第一预紧压块2-4之间，移动部2-7与第一预紧压块2-4之间的距离表示预留的第一压电陶瓷4安装空间，移动部2-7与第一预紧压块2-4之间的距离小于第一压电陶瓷4的自由长度。当所述第一压电陶瓷4置于定位平台2预设的安装空间时，用于推动移动部2-7沿竖直向移动。
32.第一压电陶瓷4安装在定位平台2的具体过程如下：当平台基底1通过外侧固定螺钉3约束固定部2-1固定；同时，外力驱使第一预紧压块2-4沿竖直向下方向位移时，预紧梁2-3将发生弹性变形，预留的第一压电陶瓷4安装空间增加，此时将第一压电陶瓷4置于预留的安装空间，撤去外力利用预紧梁2-3发生弹性变形的自恢复趋势将第一压电陶瓷4压紧在第一预紧压块2-4与移动部2-7之间，即完成了对第一压电陶瓷4的安装与预紧。第一压电陶瓷4安装完成后，第一预紧压块固定孔2-5配合内侧固定螺钉5将第一预紧压块2-4与平台基底1固连，使得平台基底1与第一预紧压块2-4之间无相对运动，避免了对定位精度的影响。
33.所述移动部2-7左右两侧均设置有沿移动部2-7对称分布的若干柔性梁2-6，通过柔性梁2-6与所述定位平台2连接，使得移动部2-7维持竖直向位移。由于若干柔性梁2-6对称分布在移动部2-7两侧，使移动部2-7受到第一压电陶瓷4竖直方向驱动时，移动部2-7两侧对称的若干柔性梁2-6，始终保持对移动部2-7水平向受力对称，移动部2-7两侧的水平向受力相互抵消；即移动部2-7受到第一压电陶瓷4的作用时，始终保持沿竖直方向移动。
34.所述第一预紧压块2-4上设有的第一预紧压块固定孔2-5与所述平台基底1上的螺纹孔相对应，通过内侧固定螺钉5将第一预紧压块2-4与平台基底1固定连接。所述第一预紧压块2-4左右两侧均设置有沿第一预紧压块2-4对称分布的若干预紧梁2-3，通过预紧梁2-3与所述定位平台2连接，对第一压电陶瓷4进行预紧、限位。
35.所述柔性梁2-6为可变形的弹性梁，其形变方向与第一压电陶瓷4驱动方向一致。柔性梁2-6可以限定移动部2-7沿设定方向位移，参见图5，若给予第一压电陶瓷4以一定激励电压，第一压电陶瓷4将会伸长，柔性梁2-6发生弯曲变形，移动部2-7将沿竖直向发生位移。柔性梁2-6的弯曲变形一方面允许了移动部2-7沿竖直向有一定的位移空间，另一方面由于轴向变形相比于弯曲变形更加困难，柔性梁2-6阻碍了移动部2-7沿其他方向的偏转和位移。
36.所述柔性梁2-6的两端设置有柔性铰链，通过所述柔性铰链实现柔性梁2-6分别与移动部2-7、定位平台2之间的连接。
37.所述预紧梁2-3为可变形的弹性梁，所述预紧梁2-3的两端设置有柔性铰链，通过所述柔性铰链实现预紧梁2-3分别与第一预紧压块2-4、定位平台2之间的连接；参见图4（图3的a处放大图），第一预紧压块2-4与预紧梁2-3之间为柔性连接，连接处为半圆型柔性铰链。
38.所述柔性铰链可部分或全部替换成直角型柔性铰链、圆角型柔性铰链、半圆型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、双曲线型柔性铰链、摆线型柔性铰链、多项式型柔性铰链中的任一种，也可以根据实际需求改变数目。
39.预紧梁2-3的设计满足：（1）预紧力不小于动态使用过程中第一压电陶瓷4受到
的最大惯性力，为有效质量，为运动过程最大加速度，防止第一压电陶瓷4受到惯性拉力而损坏，即第一压电陶瓷4的自由长度与预留的第一压电陶瓷4的安装空间长度之间的差值不能太小，使预紧梁2-3的弹性自恢复力足够大；（2）预紧梁2-3在变形过程中的最大应力强度应在材料安全使用范围内，按预紧梁2-3材料与工作状态不同，可选择第一、二、三、四强度理论中的一种或多种进行校核，为预紧梁2-3材料的屈服强度，为安全系数；（3）应留有第一压电陶瓷4安装空间余量，以便于第一压电陶瓷4的装配。
40.以预紧梁2-3为直梁为例，一种以最小使用应力为准则的优化设计方法为：其中分别为预紧梁2-3的长度、高度、厚度，当确定时，预紧力与相关，而最大应力强度与预紧梁2-3的最大变形量相关。
41.所述定位平台2还包括第一位移传感器6，第一位移传感器6可以为电容式传感器、电感式传感器等。第一位移传感器6设置定位平台2和移动部2-7之间，所述第一位移传感器6安装在第一位移传感器安装孔2-8中，用于检测移动部2-7沿竖直向的位移；并以此控制第一压电陶瓷4的激励电压，实现快速高精度定位。本方案在实际应用情况下，第一位移传感器6可增加或去除，第一位移传感器安装孔2-8可随之增加或去除。
42.实施例2如图6所示，本发明实施例2在实施例1的基础上，额外增设弹性元件7。所述弹性元件7设置在所述第一预紧压块2-4与定位平台2之间，弹性元件7可以是弹簧。
43.所述弹性元件7对第一预紧压块2-4与移动部2-7之间的距离有调节作用，当第一预紧压块2-4与移动部2-7之间的距离过大，不能对第一压电陶瓷4实现限位时，该弹性元件7可增加第一预紧压块2-4对第一压电陶瓷4的预紧作用，实现第一预紧压块2-4对第一压电陶瓷4的限位、预紧作用；当第一预紧压块2-4与移动部2-7之间的距离过小，第一压电陶瓷4安装后，预紧梁2-3对第一预紧压块2-4始终保持拉紧状态，通过弹性元件7分散预紧梁2-3对第一预紧压块2-4的作用力，缓冲预紧梁2-3的拉紧状态，避免造成预紧梁2-3弾性疲劳，缩短预紧梁2-3的工作寿命。
44.实施例3为了体现本发明压电定位平台可以实现在相互垂直的水平、竖直两个方向的运动与位移检测。如图7至图8所示，本实施例3的定位平台2为水平、竖直双轴定位平台。
45.本发明实施例3在实施例1的基础上，在移动部2-7内部开设有一凹槽，该凹槽设置在移动部底板2-7-6上；凹槽内设置有移动块2-7-7、第二预紧压块2-7-3和第二压电陶瓷8，
移动块2-7-7、第二预紧压块2-7-3和第二压电陶瓷8均设置在移动部底板2-7-6上。其中，所述移动块2-7-7、第二压电陶瓷8分别与移动部底板2-7-6之间存在间隙，避免了移动块2-7-7、第二压电陶瓷8在运动过程中与移动部底板2-7-6之间产生摩擦，影响定位精度。
46.第二压电陶瓷8安装在移动块2-7-7与第二预紧压块2-7-3之间，用于驱使移动块2-7-7沿水平向的运动。第二压电陶瓷8未安装时，所述第二预紧压块2-7-3和所述移动块2-7-7之间的距离小于第二压电陶瓷8的自由长度，即预留的第二压电陶瓷8安装空间小于第二压电陶瓷8的自由长度。
47.第二压电陶瓷8安装在移动部2-7的具体过程如下：当平台基底1通过外侧固定螺钉3约束固定部2-1固定，通过内侧固定螺钉5约束第一预紧压块2-4固定，完成了定位平台2与平台基底1的固连。同时，外力驱使第二预紧压块2-7-3沿水平向右位移时，第二预紧梁2-7-4发生弹性变形，预留的第二压电陶瓷8安装空间增加，此时将第二压电陶瓷8置于预留的安装空间，撤去外力利用第二预紧梁2-7-4发生弹性变形的自恢复趋势，将第二压电陶瓷8压紧在第二预紧梁2-7-4、移动块2-7-7之间，即完成了对第二压电陶瓷8的安装与预紧。第二压电陶瓷8安装完成后，第二预紧压块固定孔2-7-5配合固定螺栓将第二预紧压块2-7-3与移动部底板2-7-6固连，使得第二预紧压块2-7-3随移动部2-7同步位移。
48.所述第二柔性梁2-7-2对称分布于移动块2-7-7的两侧，通过第二柔性梁2-7-2与移动部2-7连接，使得移动块2-7-7维持水平向位移。由于若干第二柔性梁2-7-2对称分布在移动块2-7-7两侧，使移动块2-7-7受到第二压电陶瓷8水平向驱动时，移动块2-7-7两侧对称的若干第二柔性梁2-7-2，始终保持对移动块2-7-7竖直向受力对称，移动块2-7-7两侧的水平向受力相互抵消；即移动块2-7-7受到第二压电陶瓷8的作用时，始终保持沿水平方向移动。
49.所述第二柔性梁2-7-2为可变形的弹性梁，其形变方向与第二压电陶瓷8的驱动方向一致；第二柔性梁2-7-2可以限定移动块2-7-7沿设定方向位移。具体表现为，若给予第二压电陶瓷8以一定激励电压，第二压电陶瓷8将会伸长，第二柔性梁2-7-2发生弯曲变形，移动块2-7-7将沿水平向发生位移。第二柔性梁2-7-2的弯曲变形一方面允许了移动块2-7-7沿水平向有一定的位移空间，另一方面由于轴向变形相比于弯曲变形更加困难，第二柔性梁2-7-2阻碍了移动块2-7-7沿其他方向的偏转和位移。
50.所述第二柔性梁2-7-2的两端设置有柔性铰链，通过所述柔性铰链实现第二柔性梁2-7-2分别与移动块2-7-7、移动部2-7之间的连接。
51.所述第二预紧梁2-7-4对称分布于第二预紧压块2-7-3两侧，通过所述第二预紧梁2-7-4连接第二预紧压块2-7-3和移动部2-7，对第二压电陶瓷8进行预紧、限位。所述第二预紧梁2-7-4的设计要求与预紧梁2-3的设计要求一致。所述第二预紧梁2-7-4为可变形的弹性梁，所述第二预紧梁2-7-4的两端设置有柔性铰链，通过所述柔性铰链实现第二预紧梁2-7-4分别与第二预紧压块2-7-3、移动部2-7之间的连接。
52.所述柔性铰链可部分或全部替换成直角型柔性铰链、圆角型柔性铰链、半圆型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、双曲线型柔性铰链、摆线型柔性铰链、多项式型柔性铰链中的任一种，也可以根据实际需求改变数目。
53.第二位移传感器安装孔2-7-1设于移动块2-7-7和移动部2-7之间，用于安装位移传感器，以检测移动块2-7-7沿水平向的位移，并以此控制第二压电陶瓷8的激励电压，实现
快速高精度定位。本方案在实际应用情况下，位移传感器可增加或去除，第二位移传感器安装孔2-7-1可随之增加或去除。
54.本发明的工作原理如下：本方案将压电陶瓷集成到柔性铰链定位平台中，利用柔性梁发生弹性变形后的自恢复趋势实现对压电陶瓷的预紧，且压电陶瓷与移动部2-7或移动块2-7-7直接接触，移动部2-7或移动块2-7-7可快速响应、提供位移，以实现压电定位平台的精密定位。具体如下：若给予第一压电陶瓷4以一定激励电压，第一压电陶瓷4将会伸长，对称分布在移动部2-7两侧的柔性梁2-6发生弯曲变形，柔性梁2-6的弯曲变形一方面允许了移动部2-7沿竖直向有一定的位移空间，另一方面阻碍了移动部2-7沿其他方向的偏转和位移。同时设置于第一位移传感器安装孔2-8的第一位移传感器6用于检测移动部2-7沿竖直向的位移量，并以此控制第一压电陶瓷4的激励电压，实现快速高精度定位移动部2-7沿竖直向的位移。此外，若给予第二压电陶瓷8以一定激励电压，第二压电陶瓷8将会伸长，分布在移动块2-7-7两侧的第二柔性梁2-7-2发生弯曲变形，第二柔性梁2-7-2的弯曲变形一方面允许了移动块2-7-7沿水平向有一定的位移空间，另一方面阻碍了移动块2-7-7沿其他方向的偏转和位移。同时设置于第二位移传感器安装孔2-7-1的位移传感器用于检测移动块沿水平向的位移量，并以此控制第二压电陶瓷8的激励电压，实现快速高精度定位移动块2-7-7沿水平向的位移。综上，本发明的压电定位平台可以实现在相互垂直的水平、竖直两个方向的运动与位移检测。
55.本发明利用弹性梁变形的自恢复趋势将压电陶瓷预紧，安装与拆解方便，避免出现螺丝对压电陶瓷施加集中力，造成损坏，拆解不便；本方案中压电陶瓷直接与移动部2-7或移动块2-7-7接触，接触刚度大，使得压电定位平台在高频动态下响应速度快，还减小了压电定位平台内多轴运动之间的耦合，提高了压电定位平台的定位精度。
56.本发明还提供了一种工业相机，包括外壳、成像组件和上述压电定位平台。其中，压电定位平台固定安装在外壳内部，用于带动成像组件移动；成像组件包括图像传感器，成像组件安装在压电定位平台的移动部2-7上，随着移动部2-7的位移而实现像素位移，使得工业相机可依次采集像素位移图像序列，通过图像融合算法处理该系列图像，进而获得超分辨率图像。
57.下面以1/2像素位移为例，说明通过移动部2-7的位移带动成像组件实现像素位移的过程；设单个像元为pxp大小的方形，以相对坐标（0,0）
→
（p/2,0）
→
（0,p/2）
→
（p/2,p/2）依次拍摄四幅图像，再通过图像融合算法，即可得到分辨率四倍于原图的超分辨率图像。
58.图像融合(image fusion)是指综合多幅输入图像的信息，以获得更高质量输出图像的过程，与融合前的多幅图像相比，融合后的图像应更加适于进一步的观察或处理。
59.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。