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可實現(xiàn)平動和轉(zhuǎn)動的三自由度壓電驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置及方法與流程

文檔序號:12369404閱讀:來源:國知局

技術(shù)特征:

1.一種可實現(xiàn)平動和轉(zhuǎn)動的三自由度壓電驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置,其特征在于:包括載物平臺(5),位于載物平臺(5)四周側(cè)面的X方向第一平動機構(gòu)(1)和X方向第二平動機構(gòu)(3)、Y方向第一平動機構(gòu)(2)和Y方向第二平動機構(gòu)(4)以及位于載物平臺(5)底部的Z方向偏轉(zhuǎn)機構(gòu)(6);其中X方向第一平動機構(gòu)(1)和X方向第二平動機構(gòu)(3)關(guān)于平面YOZ對稱,Y方向第一平動機構(gòu)(2)和Y方向第二平動機構(gòu)(4)關(guān)于平面XOZ對稱,Z方向偏轉(zhuǎn)機構(gòu)(6)位于XOY平面內(nèi);

所述X方向第一平動機構(gòu)(1)和X方向第二平動機構(gòu)(3)的結(jié)構(gòu)相同,通過具有較大剛度的金屬框形成的X方向基座(1-1)連接;其中,所述X方向第一平動機構(gòu)(1)包括X方向第一菱形位移放大機構(gòu)、X方向第一杠桿位移放大機構(gòu)和X方向第一導(dǎo)向機構(gòu),所述X方向第一菱形位移放大機構(gòu)由菱形框架和設(shè)置在菱形框架長軸兩端內(nèi)的帶預(yù)壓力的第一Y方向壓電堆(1-5)組成;X方向第一杠桿位移放大機構(gòu)由位于X方向基座(1-1)端部凹槽內(nèi)的X方向第一質(zhì)量塊(1-4)以及位于X方向基座(1-1)端部外的X方向第一1號杠桿(1-3)和X方向第一2號杠桿(1-6)組成;X方向第一導(dǎo)向機構(gòu)由位于X方向第一菱形位移放大機構(gòu)菱形框架長軸兩端的X方向第一1號導(dǎo)向桿(1-2)和X方向第一2號導(dǎo)向桿(1-7)組成;其中菱形框架的短軸兩端分別與X方向基座(1-1)和X方向第一質(zhì)量塊(1-4)的一端相固定;X方向第一1號杠桿(1-3)的兩端分別與X方向第一1號導(dǎo)向桿(1-2)和X方向第一質(zhì)量塊(1-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的杠桿支點與X方向基座(1-1)通過柔性鉸鏈連接,X方向第一1號導(dǎo)向桿(1-2)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;同樣,與X方向第一1號杠桿(1-3)關(guān)于XOZ平面對稱的X方向第一2號杠桿(1-6)的兩端分別與X方向第一2號導(dǎo)向桿(1-7)和X方向第一質(zhì)量塊(1-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的支點與X方向基座(1-1)通過柔性鉸鏈連接,X方向第一2號導(dǎo)向桿(1-7)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;所述X方向第一1號導(dǎo)向桿(1-2)、X方向第一1號杠桿(1-3)、X方向第一2號杠桿(1-6)、X方向第一2號導(dǎo)向桿(1-7)和載物平臺(5)的一側(cè)面圍成矩形框架,所述X方向第一菱形位移放大機構(gòu)位于矩形框架內(nèi);所述X方向第二平動機構(gòu)(3)包括X方向第二菱形位移放大機構(gòu)、X方向第二杠桿位移放大機構(gòu)和X方向第二導(dǎo)向機構(gòu),所述X方向第二菱形位移放大機構(gòu)由菱形框架和設(shè)置在菱形框架長軸兩端內(nèi)的帶預(yù)壓力的第二Y方向壓電堆(3-5)組成;X方向第二杠桿位移放大機構(gòu)由位于X方向基座(1-1)端部凹槽內(nèi)的X方向第二質(zhì)量塊(3-4)以及位于X方向基座(1-1)端部外的X方向第二1號杠桿(3-3)和X方向第二2號杠桿(3-6)組成;X方向第二導(dǎo)向機構(gòu)由位于X方向第二菱形位移放大機構(gòu)菱形框架長軸兩端的X方向第二1號導(dǎo)向桿(3-2)和X方向第二2號導(dǎo)向桿(3-7)組成;其中菱形框架的短軸兩端分別與X方向基座(1-1)和X方向第二質(zhì)量塊(3-4)的一端相固定;X方向第二1號杠桿(3-3)的兩端分別與X方向第二1號導(dǎo)向桿(3-2)和X方向第二質(zhì)量塊(3-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的杠桿支點與X方向基座(1-1)通過柔性鉸鏈連接,X方向第二1號導(dǎo)向桿(3-2)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;同樣,與X方向第二1號杠桿(3-3)關(guān)于XOZ平面對稱的X方向第二2號杠桿(3-6)的兩端分別與X方向第二2號導(dǎo)向桿(3-7)和X方向第二質(zhì)量塊(3-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的支點與X方向基座(1-1)通過柔性鉸鏈連接,X方向第二2號導(dǎo)向桿(3-7)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;所述X方向第二1號導(dǎo)向桿(3-2)、X方向第二1號杠桿(3-3)、X方向第二2號杠桿(3-6)、X方向第二2號導(dǎo)向桿(3-7)和載物平臺(5)的一側(cè)面圍成矩形框架,所述X方向第二菱形位移放大機構(gòu)位于矩形框架內(nèi);

所述Y方向第一平動機構(gòu)(2)和Y方向第二平動機構(gòu)(4)的結(jié)構(gòu)相同,通過具有較大剛度的金屬框形成的Y方向基座(2-1)連接;其中:所述Y方向第一平動機構(gòu)(2)包括Y方向第一菱形位移放大機構(gòu)、Y方向第一杠桿位移放大機構(gòu)和Y方向第一導(dǎo)向機構(gòu),所述Y方向第一菱形位移放大機構(gòu)由菱形框架和設(shè)置在菱形框架長軸兩端內(nèi)的帶預(yù)壓力的第一X方向壓電堆(2-5)組成;Y方向第一杠桿位移放大機構(gòu)由位于Y方向基座(2-1)端部凹槽內(nèi)的Y方向第一質(zhì)量塊(2-4)、以及位于Y方向基座(2-1)端部外的Y方向第一1號杠桿(2-3)和Y方向第一2號杠桿(2-6)組成;Y方向第一導(dǎo)向機構(gòu)由位于Y方向第一菱形位移放大機構(gòu)菱形框架長軸兩端的Y方向第一1號導(dǎo)向桿(2-2)和Y方向第一2號導(dǎo)向桿(2-7)組成;其中菱形框架的短軸兩端分別與Y方向基座(2-1)和Y方向第一質(zhì)量塊(2-4)的一端相固定;Y方向第一1號杠桿(2-3)的兩端分別與Y方向第一1號導(dǎo)向桿(2-2)和Y方向第一質(zhì)量塊(2-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的杠桿支點與Y方向基座(2-1)通過柔性鉸鏈連接,Y方向第一1號導(dǎo)向桿(2-2)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;同樣,與Y方向第一1號杠桿(2-3)關(guān)于YOZ平面對稱的Y方向第一2號杠桿(2-6)的兩端分別與Y方向第一2號導(dǎo)向桿(2-7)和Y方向第一質(zhì)量塊(2-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的支點與Y方向基座(2-1)通過柔性鉸鏈連接,Y方向第一2號導(dǎo)向桿(2-7)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;所述Y方向第一1號導(dǎo)向桿(2-2)、Y方向第一1號杠桿(2-3)、Y方向第一2號杠桿(2-6)、Y方向第一2號導(dǎo)向桿(2-7)和載物平臺(5)的一側(cè)面圍成矩形框架,所述Y方向第一菱形位移放大機構(gòu)位于矩形框架內(nèi);所述Y方向第二平動機構(gòu)(4)包括Y方向第二菱形位移放大機構(gòu)、Y方向第二杠桿位移放大機構(gòu)和Y方向第二導(dǎo)向機構(gòu),所述Y方向第二菱形位移放大機構(gòu)由菱形框架和設(shè)置在菱形框架長軸兩端內(nèi)的帶預(yù)壓力的第二X方向壓電堆(4-5)組成;Y方向第二杠桿位移放大機構(gòu)由位于Y方向基座(2-1)端部凹槽內(nèi)的Y方向第二質(zhì)量塊(4-4)、以及位于Y方向基座(2-1)端部外的Y方向第二1號杠桿(4-3)和Y方向第二2號杠桿(4-6)組成;Y方向第二導(dǎo)向機構(gòu)由位于Y方向第二菱形位移放大機構(gòu)菱形框架長軸兩端的Y方向第二1號導(dǎo)向桿(4-2)和Y方向第二2號導(dǎo)向桿(4-7)組成;其中菱形框架的短軸兩端分別與Y方向基座(2-1)和Y方向第二質(zhì)量塊(4-4)的一端相固定;Y方向第二1號杠桿(4-3)的兩端分別與Y方向第二1號導(dǎo)向桿(4-2)和Y方向第二質(zhì)量塊(4-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的杠桿支點與Y方向基座(2-1)通過柔性鉸鏈連接,Y方向第二1號導(dǎo)向桿(4-2)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;同樣,與Y方向第二1號杠桿(4-3)關(guān)于YOZ平面對稱的Y方向第二2號杠桿(4-6)的兩端分別與Y方向第二2號導(dǎo)向桿(4-7)和Y方向第二質(zhì)量塊(4-4)通過柔性鉸鏈連接,兩端之間的支點與Y方向基座(2-1)通過柔性鉸鏈連接,Y方向第二2號導(dǎo)向桿(4-7)的另一端與載物平臺(5)通過柔性鉸鏈連接;所述Y方向第二1號導(dǎo)向桿(4-2)、Y方向第二1號杠桿(4-3)、Y方向第二2號杠桿(4-6)、Y方向第二2號導(dǎo)向桿(4-7)和載物平臺(5)的一側(cè)面圍成矩形框架,所述Y方向第二菱形位移放大機構(gòu)位于矩形框架內(nèi);

所述Z方向偏轉(zhuǎn)機構(gòu)(6)包括安裝基板(6-1),與安裝基板(6-1)通過柔性鉸鏈連接的第一Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-2)和第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-5),位于第一Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-2)和第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-5)間并通過柔性鉸鏈連接的Z方向偏轉(zhuǎn)塊(6-4);Z方向偏轉(zhuǎn)塊(6-4)無鉸鏈的兩側(cè)為安裝凹槽;帶預(yù)壓力的第三X方向壓電堆(6-3)和第四X方向壓電堆(6-6)安裝在安裝基板(6-1)內(nèi),一端嵌入安裝基板(6-1)內(nèi),另一端分別安裝在通過柔性鉸鏈與第一Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-2)和第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-5)連接的凹槽內(nèi);

所述X方向基座(1-1)內(nèi)部的凹槽用于與Y方向基座(2-1)安裝配合,底部凹槽用于與Z方向偏轉(zhuǎn)機構(gòu)(6)上的Z方向偏轉(zhuǎn)塊(6-4)安裝配合;

所述載物平臺(5)上表面為物體安裝平面,留安裝孔與搭載物體進行安裝。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)平動和轉(zhuǎn)動的三自由度壓電陶瓷驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置,其特征在于:所述Z方向偏轉(zhuǎn)機構(gòu)(6)與X方向第一平動機構(gòu)(1)和X方向第二平動機構(gòu)(3)之間相配合部分通過螺釘連接;X方向第一平動機構(gòu)(1)和X方向第二平動機構(gòu)(3)與Y方向第一平動機構(gòu)(2)和Y方向第二平動機構(gòu)(4)之間配合部分通過螺釘連接。

3.權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)平動和轉(zhuǎn)動的三自由度壓電驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)方法:其特征在于:

對于所述X方向第一平動機構(gòu)(1)和X方向第二平動結(jié)構(gòu)(3),當(dāng)安裝在X方向第一菱形位移放大機構(gòu)中的第一Y方向壓電堆(1-5)和安裝在X方向第二菱形位移放大機構(gòu)中的第二Y方向壓電堆(3-5),在一對大小相等方向相反的電壓作用下,基于壓電材料的逆壓電效應(yīng),壓電堆產(chǎn)生大小相等方向相反的一對位移;這時第一Y方向壓電堆(1-5)的膨脹使得X方向第一菱形位移放大機構(gòu)中的長軸伸長,與X方向第一質(zhì)量塊(1-4)相連的短軸一端縮短,帶動X方向第一1號杠桿(1-3)和X方向第一2號杠桿(1-6)分別與X方向第一質(zhì)量塊(1-4)通過柔性鉸鏈連接的一端產(chǎn)生沿X軸負方向位移,通過X方向第一杠桿位移放大機構(gòu),使得X方向第一1號杠桿(1-3)和X方向第一2號杠桿(1-6)的另一端產(chǎn)生沿X軸正方向的位移;而第二Y方向壓電堆(3-5)的收縮使得X方向第二菱形放大機構(gòu)中的長軸縮短,與X方向第二質(zhì)量塊(3-4)相連的短軸一端伸長,帶動X方向第二1號杠桿(3-3)和X方向第二2號杠桿(3-6)分別與X方向第二質(zhì)量塊(3-4)通過柔性鉸鏈連接的一端產(chǎn)生沿X軸負方向位移,通過X方向第二杠桿位移放大機構(gòu),使得X方向第二1號杠桿(3-3)和X方向第二2號杠桿(3-6)的另一端產(chǎn)生沿X軸正方向的位移;從而通過X方向第一1號導(dǎo)向桿(1-2)和X方向第一2號導(dǎo)向桿(1-7),以及X方向第二1號導(dǎo)向桿(3-2)和X方向第二2號導(dǎo)向桿(3-7)使得載物平臺(5)沿X軸正方向平動;

對于所述Y方向平動機構(gòu),通過與X方向平動機構(gòu)相同的調(diào)節(jié)方法,可使載物平臺(5)沿Y軸正方向平動;

對于所述Z方向偏轉(zhuǎn)機構(gòu)(6),當(dāng)安裝在Z方向偏轉(zhuǎn)機構(gòu)(6)內(nèi)的帶預(yù)壓力的第三X方向壓電堆(6-3)和第四X方向壓電堆(6-6)在一對大小相等方向相同的電壓作用下,基于壓電材料的逆壓電效應(yīng),壓電堆產(chǎn)生大小相等方向相反的一對位移,第三X方向壓電堆(6-3)和第四X方向壓電堆(6-6)分別通過柔性鉸鏈推動相連的第一Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-2)和第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁(6-5)沿伸長方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),進而通過柔性鉸鏈驅(qū)動位于中間的Z方向偏轉(zhuǎn)塊(6-4)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn);Z方向偏轉(zhuǎn)塊(6-4)帶動整個調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生Z方向的偏轉(zhuǎn);

所述X和Y方向上的平動,以及Z方向上的偏轉(zhuǎn)均為獨立驅(qū)動,當(dāng)載物平臺(5)沿X軸平動時,Y方向第一1號導(dǎo)向桿(2-2)和Y方向第一2號導(dǎo)向桿(2-7)以及Y方向第二1號導(dǎo)向桿(4-2)和Y方向第二2號導(dǎo)向桿(4-7)將沿相應(yīng)鉸鏈支點轉(zhuǎn)動一個微小的角度;當(dāng)載物平臺(5)沿Y軸平動時,X方向第一1號導(dǎo)向桿(1-2)和X方向第一2號導(dǎo)向桿(1-7)以及X方向第二1號導(dǎo)向桿(3-2)和X方向第二2號導(dǎo)向桿(3-7)將沿相應(yīng)鉸鏈支點轉(zhuǎn)動一個微小的角度;故導(dǎo)向機構(gòu)的存在不僅避免了附加位移的產(chǎn)生,也使得平臺沿X方向的平動和沿Y方向的平動解耦;且X方向位移和Y位移輸出相互影響小,與Z方向輸出獨立;整個裝置無機械摩擦,能夠?qū)崿F(xiàn)三自由度獨立調(diào)節(jié)。

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