一种二自由度角位移压电作动平台

技术领域

本发明涉及微定位转动平台领域，特别是一种二自由度角位移压电作动平台。

背景技术

由于光通信、航空遥感、半导体、生物医学等对纳米技术的要求越来越高，具有微纳偏转机制的转动平台在现代定位技术中也越来越重要。在航空遥感领域，这种偏转机制的目的是使反射镜在高速和高精度下转动使光束偏转，抑制航空相机振动对成像质量的影响。大多数偏转定位机构是音圈电机驱动的，因为音圈电机通常能够提供大的转角范围，但这类电磁机构存在谐振频率低、功耗大、易受磁场干扰等缺点。相比之下，由压电陶瓷叠堆设计的定位平台在分辨率高、性价比高、无电磁干扰等方面具有优势。但对高性能的二自由度角位移压电作动平台研究较少，现有授权公告号：CN103177774B的中国发明专利用四个压电叠堆实现二自由度平台转动，叠堆利用率不高，并且结构不够紧凑。

由于压电材料的变形范围很小的原因，现有的压电偏转平台的角行程通常很小，增加这些偏转运动范围的常用方法是采用较大尺寸的压电叠堆尺寸，但压电叠堆越大，能量消耗越大，倾斜平台的尺寸过大，这限制了其在许多领域的应用。微定位转动平台从一维到多维的发展中，影响转动精度和性能的是运动耦合，结构中有效解耦并且抑制其耦合影响是实现高性能多维度的必然要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二自由度角位移压电作动平台，使用两个压电陶瓷叠堆驱动实现两个自由度(θ

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种二自由度角位移压电作动平台，包括角位移定位平台、x轴角位移主体构件、y轴角位移主体构件、预紧螺栓、定位顶块、第一压电陶瓷叠堆、第二压电陶瓷叠堆、第一旋转垫块、第二旋转垫块，x轴角位移主体构件和y角位移转主体构件沿x轴和y轴呈十字状交叉连接，角位移定位平台设置在x轴角位移主体构件和y轴角位移主体构件上方，预紧螺栓拧入x轴角位移主体构件和y轴角位移主体构件中，预紧螺栓的底端顶在定位顶块上，第一压电陶瓷叠堆水平放置在定位顶块与第一旋转垫块之间，第一旋转垫块与x轴角位移主体构件连接，运动时可以实现相对转动。第二压电陶瓷叠堆水平放置在定位顶块与第二旋转垫块之间，第二旋转垫块与x轴角位移主体构件连接，运动时可以实现相对转动。

优选地，各部件的尺寸通过仿真优化来实现，确定影响压电陶瓷叠堆位移放大比的关键尺寸，从而使平台具有更大转动行程，综合性能更优。

优选地，x轴角位移主体构件和y轴角位移主体构件其构成有两L型连杆、三个转动块、三个支撑块。其中两个支撑块由异向的柔性铰链串在一起，另一个支撑块由一个异向铰链与底座相连。异向铰链使x轴角位移主体构件和y轴角位移主体构件，具有两个转动自由度。即x轴角位移主体构件，在实现绕y轴转动的同时，通过异向铰链可以实现绕x轴的解耦转动，同样，y轴角位移主体构件，在实现绕x轴转动的同时，可以实现绕y轴的解耦转动。两轴的角位移主体构件呈十字交叉布置，中间有同一个转动块连接两轴。L型连杆和支撑块通过转动块连接，角位移定位平台的四边中点与L型连杆有柔性铰链连接。可以利用杠杆放大输出具有转动效应的位移，能够增大位移放大比的同时实现大行程偏转。

优选地，x轴角位移主体构件和y轴角位移主体构件采用线切割一体化加工而成，各部件之间均采用柔性铰链连接，保证了运动的连续性，减少关键部件由于装配原因产生不必要的误差。

优选地，第一、第二旋转垫块和x、y轴角位移主体构件上的支撑块用柔性铰链连接，保证压电陶瓷叠堆的输出力通过第一、第二旋转垫块的水平传递作用到支撑块上，经过支撑块转动放大时，避免压电陶瓷叠堆受到弯矩力，从而破坏压电陶瓷叠堆，影响使用寿命。

优选地，定位顶块上与第一压电陶瓷叠堆和第二压电陶瓷叠堆的接触面上设置有凹槽，凹槽可以对压电陶瓷叠堆起到支撑和定位作用。

二个自由度转动时是一个自由度转动的提升，由于结构中设置有异向的柔性铰链，因此具有两个方向的转动自由度，并且两个转动自由度是解耦的。控制两个压电陶瓷叠堆输入电压，角位移定位平台的转轴在xoy平面的第一象限移动。当两压电陶瓷叠堆输入电压信号相同时，转轴在x轴逆时针转动45度或y轴顺时针转动45度方向。

两个压电陶瓷叠堆驱动实现平台在(θ

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，图中左上角为坐标系。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

请参见图1，图1为本发明的整体结构示意图，图中左上角为坐标系。

本发明的实施例提供一种二自由度角位移压电作动平台，图中各标号数字对应的部件名称如下：角位移定位平台1、x轴角位移主体构件2、y轴角位移主体构件3、预紧螺栓4、定位顶块5、第一压电陶瓷叠堆6、第一旋转垫块7、支撑块8、转动块9、柔性铰链10。

x轴角位移主体构件2和y轴角位移主体构件3沿x轴和y轴呈十字状交叉连接，角位移定位平台1设置在x轴角位移主体构件2和y轴角位移主体构件3上方，两个预紧螺栓4拧入x轴角位移主体构件2和y轴角位移主体构件3中，两个预紧螺栓4的底端顶在定位顶块5上相邻的两个面上。压电陶瓷叠堆水平放置在定位顶块5与第一旋转垫块7之间，x轴角位移主体构件2和y轴角位移主体构件3中间有一个转动块9相连接，每个轴上两个L型连杆托起转动平台，两端的两个转动块9与支撑块8相连，构成实现压电陶瓷叠堆位移放大的结构闭环。压电陶瓷叠堆不能受弯矩和剪切力，用柔性铰链10在旋转垫块和支撑块间过渡一下，将压电陶瓷叠堆的推力水平输出，对驱动器起到保护的作用，并且，有助于压电陶瓷叠堆的位移放大。支撑块和L型杆都对压电陶瓷叠堆的输出位移经行了两次放大，有效的提升转动平台的转动行程。

二自由度角位移压电作动平台采用线切割加工技术，可以保证平台细小结构的尺寸精度和整体结构的一体化，各部件之间均采用柔性铰链连接，使结构刚度好，运动连续，定位精度高，并且减少关键部件由于装配原因造成误差。定位顶块上开有凹槽可以让压电陶瓷叠堆嵌入其中，起到支撑和定位作用。

本发明的使用和工作方法为：

平台绕y轴一个自由度转动时，给x轴上的第一压电陶瓷叠堆6施加电压，输出位移推动第一旋转垫块7向右移动，x轴角位移主体构件2的支撑块8受力绕底端柔性铰链10转动，根据杠杆放大原理，第一压电陶瓷叠堆6输出位移经过x轴角位移主体构件2的支撑块8位移放大，作用在x轴角位移主体构件2的转动块9上。由于转动块的柔性铰链连接点不在一条线上，呈V字形分布，因此在x轴角位移主体构件2的转动块9受力转动，带动x轴上的两个L型连杆顺时针转动，一个上推，一个下拉合聚成平台的转动效应，经过L型连杆的位移放大，从而使平台的转动行程进一步提高。

平台二个自由度转动，第一、第二压电陶瓷叠堆同时施加电压，是一个自由度转动的复合，由于每个支撑块8中间被异向的铰链分开，平台分别绕x和y轴是可以转动的，并且两个转动自由度是解耦的。受两个输入电压的影响，平台的复合转轴是可以移动的，为更好描述转轴位置，定义在转动平台上的平面坐标xoy,转轴与x轴的角度为A，A的范围在0～90度，且转轴是过原点o在一三象限移动。当两压电陶瓷叠堆输入电压信号相同时，转轴在x轴逆时针45度处，当一个压电陶瓷叠堆工作时，转轴在x轴或y轴上。

因此，本发明提供一种二自由度角位移压电作动平台，使用两个压电陶瓷叠堆驱动两个转动自由度(θ

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。