一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度角度調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置，由位于底部的Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、以及安裝在底部的X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、安裝X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和安裝在偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角度輸出的偏轉(zhuǎn)塊上的載物臺(tái)組成；Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位于底部，由安裝基板和兩個(gè)帶預(yù)緊的壓電堆組成；Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的壓電堆在大小和方向相同的電壓下輸出Z方向偏轉(zhuǎn)；X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理類似，包含偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)框架和一對(duì)壓電堆，X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)垂直安裝，整體垂直于Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平面；當(dāng)某一偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的一對(duì)壓電堆在差分電壓作用下產(chǎn)生差分位移，并在柔性鉸鏈的導(dǎo)向作用下使偏轉(zhuǎn)塊產(chǎn)生角位移輸出；本發(fā)明由于三個(gè)軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，無(wú)摩擦，可實(shí)現(xiàn)三自由度大范圍、高精度調(diào)節(jié)。
【專利說(shuō)明】
一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度角度調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于精密儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié) 裝置及調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天工程等學(xué)科的迅速發(fā)展，高精度姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在目標(biāo)掃描探測(cè)、跟蹤、瞄 準(zhǔn)以及天文望遠(yuǎn)鏡、圖像穩(wěn)定控制、航天器通訊精確指向等方面得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著 日益重要的作用。
[0003] 以音圈電機(jī)為核心器件的電磁類作動(dòng)裝置，往往具有體積大，工作時(shí)有電磁泄漏， 且位置保持時(shí)功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重等不足。
[0004] 基于傳統(tǒng)摩擦鉸鏈的連接方式，存在傳動(dòng)精度低、器件磨損，以及為了減少磨損而 采用潤(rùn)滑導(dǎo)致的器件污染。
[0005] 壓電作動(dòng)器具有尺寸小、重量輕、功耗低、響應(yīng)快、作動(dòng)精度高、輸出力大、發(fā)熱小 等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高精度調(diào)節(jié)和作動(dòng)機(jī)構(gòu)中。
[0006] 基于柔性鉸鏈的傳動(dòng)基于結(jié)構(gòu)的彈性變形，傳動(dòng)精度高，無(wú)摩擦，無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu) 點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了避免上述音圈電機(jī)及摩擦鉸鏈的不足，本發(fā)明的目的在于提供基于壓電陶瓷 驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法，本發(fā)明裝置能夠使所驅(qū)動(dòng)的對(duì)象獨(dú)立沿X、Y、Z方向 偏轉(zhuǎn);該裝置具有尺寸小、重量輕、無(wú)機(jī)械摩擦、能快速響應(yīng)、角度保持功耗低、三自由度獨(dú) 立調(diào)整的特點(diǎn)。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置，包括依次連接的Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1、Χ 方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3和載物臺(tái)4;所述Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1位于Χ0Υ平面內(nèi)，為裝置 的安裝底座，X偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2位于Υ0Ζ平面內(nèi)，Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3位于Χ0Ζ平面內(nèi)；
[0010] 所述Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1由安裝基板1-1、第一帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-2、第一 Ζ方 向偏轉(zhuǎn)梁1-3、第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1_4、Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5和第二Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-6 組成;所述安裝基板1-1分別與第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3和第二Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-6通過(guò)柔性鉸鏈 連接;第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3和第二Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-6與Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5通過(guò)柔性鉸鏈連接;Ζ 方向偏轉(zhuǎn)塊1-5無(wú)鉸鏈的兩側(cè)為安裝凹槽;第一帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-2和第二帶預(yù)壓 力的壓電堆作動(dòng)器1-4安裝在安裝基板1-1內(nèi)，一端嵌入安裝基板1-1內(nèi)，另一端分別安裝在 通過(guò)柔性鉸鏈與第二Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-6和第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3連接的槽內(nèi)；
[0011] 所述X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2由整塊金屬切割成的框架和兩個(gè)壓電堆組成;包括形狀為向 上"凹"形的具有較大剛度的軸對(duì)稱的金屬框形成的基座2-1，基座2-1內(nèi)部的凹槽用于與Υ 方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3安裝配合用，基座2-1內(nèi)側(cè)頂部?jī)啥送ㄟ^(guò)外側(cè)柔性鉸鏈與第一X方向偏轉(zhuǎn)梁 2- 3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5相連;第一 X方向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5的內(nèi)側(cè)通過(guò) 內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈與X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4相連;X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4為向下"凹"形的金屬塊，用于和Y方 向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3中的Y方向偏轉(zhuǎn)塊安裝配合用;基座2-1的底部有兩個(gè)突出的金屬塊，形成下凹 安裝槽2-8,用于與Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1上的Z方向偏轉(zhuǎn)塊1-5的安裝凹槽實(shí)現(xiàn)安裝用；第一X方 向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5靠近基座2-1處的下端分別設(shè)置有用底部柔性鉸鏈連 接的金屬帽，用于安裝壓電堆并起導(dǎo)向做用；第一X方向壓電堆2-2和第二X方向壓電堆2-6 下端安裝在基座2-1上，上端通過(guò)金屬帽與第一 X方向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5相 連；
[0012] 所述Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3由整塊金屬切割成的框架和兩個(gè)壓電堆組成;包括剛性基座 3- 1，剛性基座3-1底部有一個(gè)凹槽用于和X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的底部凹槽，通過(guò)加工尺寸的約 束實(shí)現(xiàn)定位配合;剛性基座3-1內(nèi)側(cè)頂部?jī)啥送ㄟ^(guò)外側(cè)柔性鉸鏈與第一Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-3和 第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-5相連接;第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-5靠近剛性基座3-1處的底端通過(guò)底部柔性鉸鏈與壓電堆安裝帽相連接;第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Y方向偏 轉(zhuǎn)梁3-5的內(nèi)側(cè)通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈與Y方向偏轉(zhuǎn)塊3-4連接;Y方向偏轉(zhuǎn)塊3-4為上表面帶有 凹槽的金屬塊，凹槽用于和X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4安裝配合;第一 Y方向壓電堆3-2和第二Y方向壓 電堆3-6下端安裝在剛性基座3-1上，上端分別安裝在第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Y方向偏 轉(zhuǎn)梁3-5壓電堆安裝帽上；
[0013] 所述載物臺(tái)4上表面為物體安裝平面，形狀根據(jù)對(duì)象設(shè)定;底部為X、Y雙向的凹槽 分別用于與X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4和Υ方向偏轉(zhuǎn)塊3-4相連，安裝后的X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4與Υ方向偏 轉(zhuǎn)塊3-4成為一個(gè)整體。
[0014] Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1和X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2之間相配合部分通過(guò)螺釘連接;X偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)2和Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3之間配合部分通過(guò)螺釘連接;載物臺(tái)4與X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2與Υ方向 偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2安裝后的偏轉(zhuǎn)塊通過(guò)螺釘連接;載物臺(tái)4上留有安裝孔，以便搭載物體安裝。
[0015] 上述基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)方法：
[0016] 對(duì)于所述Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1，當(dāng)安裝在Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1內(nèi)的第一帶預(yù)壓力的壓電堆 作動(dòng)器1-2和第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-4在一對(duì)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(duì)位移，第一帶預(yù)壓力的壓 電堆作動(dòng)器1-2和第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-4分別通過(guò)柔性鉸鏈推動(dòng)相連的第二Ζ方 向偏轉(zhuǎn)梁1-6和第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3沿伸長(zhǎng)方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)位于中 間的Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5產(chǎn)生偏轉(zhuǎn);Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5帶動(dòng)整個(gè)調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生Ζ方向的偏轉(zhuǎn)；
[0017] 對(duì)于所述X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2,當(dāng)安裝在X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2內(nèi)的第一X方向壓電堆2-2和 第二X方向壓電堆2-6基于逆壓電效應(yīng)，在一對(duì)差分電壓作用下產(chǎn)生一對(duì)差分形式位移輸 出，第一X方向壓電堆2-2和第二X方向壓電堆2-6分別通過(guò)底部柔性鉸鏈推動(dòng)相連的第一X 方向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5繞著外側(cè)柔性鉸鏈偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈驅(qū) 動(dòng)位于中間的X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4繞著X軸偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)載物臺(tái)4實(shí)現(xiàn)X軸方向上的偏轉(zhuǎn)；
[0018] 對(duì)于所述Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3,當(dāng)安裝在Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3內(nèi)的第一Υ方向壓電堆3-2和 第二Υ方向壓電堆3-6基于逆壓電效應(yīng)，在一對(duì)差分電壓作用下，產(chǎn)生一對(duì)差分形式位移輸 出，第一Υ方向壓電堆3-2和第二Υ方向壓電堆3-6通過(guò)底部柔性鉸鏈推動(dòng)相連的第一Υ方向 偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Υ方向偏轉(zhuǎn)梁3-5繞著外側(cè)柔性鉸鏈偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)位 于中間的Y方向偏轉(zhuǎn)塊3-4繞著Y軸偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)載物臺(tái)4實(shí)現(xiàn)Y方向上的偏轉(zhuǎn)；
[0019] 所述Χ、Υ、Ζ方向上的偏轉(zhuǎn)均為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，Χ、Υ輸出相互影響小，與Ζ向輸出獨(dú)立;整 個(gè)裝置無(wú)機(jī)械摩擦，實(shí)現(xiàn)三軸高精度角度獨(dú)立調(diào)節(jié)。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0021 ] 1 )、結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，重量輕。
[0022] 2 )、三軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，無(wú)機(jī)械摩擦，精度高。
[0023] 3)、在滿行程時(shí)可輸出較大角位移，若角度輸出小時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較低的驅(qū)動(dòng)電壓和較 低的功耗，增加了裝置實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明裝置裝配圖。
[0025] 圖2為Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
[0026]圖3為X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
[0027]圖4為Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
[0028]圖5為各軸偏轉(zhuǎn)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置，包括Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1、Χ方向 偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3和載物臺(tái)4。裝配圖如圖1所示，X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3和Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)3垂直安裝，整體垂直于Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1平面。
[0030] 如圖2所示，Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1由安裝基板1-1、第一帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-2、 第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3、第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-4、ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5和第二Ζ方向偏 轉(zhuǎn)梁1-6組成;所述安裝基板1-1分別與第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3和第二Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-6通過(guò)柔 性鉸鏈連接;第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3和第二Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-6與Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5通過(guò)柔性鉸鏈 連接;Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5無(wú)鉸鏈的兩側(cè)為安裝凹槽;第一帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-2和第二 帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-4安裝在安裝基板1-1內(nèi)，一端嵌入安裝基板1-1內(nèi)，另一端分別 安裝在通過(guò)柔性鉸鏈與第二Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-6和第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3連接的槽內(nèi)。
[0031] 如圖3所示，X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2由整塊金屬切割成的框架和兩個(gè)壓電堆組成;包括形 狀為向上"凹"形的具有較大剛度的軸對(duì)稱的金屬框形成的基座2-1，基座2-1內(nèi)部的凹槽用 于與Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3安裝配合用，基座2-1內(nèi)側(cè)頂部?jī)啥送ㄟ^(guò)外側(cè)柔性鉸鏈與第一 X方向偏 轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5相連;第一 X方向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5的內(nèi)側(cè) 通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈與X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4相連;X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4為向下"凹"形的金屬塊，用于 和Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3中的Υ方向偏轉(zhuǎn)塊安裝配合用;基座2-1的底部有兩個(gè)突出的金屬塊，形 成下凹安裝槽2-8,用于與Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1上的Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1 -5的安裝凹槽實(shí)現(xiàn)安裝用;第 一 X方向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5靠近基座2-1處的下端分別設(shè)置有用底部柔性鉸 鏈連接的金屬帽，用于安裝壓電堆并起導(dǎo)向做用;第一X方向壓電堆2-2和第二X方向壓電堆 2-6下端安裝在基座2-1上，上端通過(guò)金屬帽與第一 X方向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5 相連。
[0032]如圖4所示，Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3位于Χ0Ζ面內(nèi)，由整塊金屬切割成的框架和兩個(gè)壓電 堆組成;包括剛性基座3-1，剛性基座3-1底部有一個(gè)凹槽用于和X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的底部凹 槽，通過(guò)加工尺寸的約束實(shí)現(xiàn)定位配合;剛性基座3-1內(nèi)側(cè)頂部?jī)啥送ㄟ^(guò)外側(cè)柔性鉸鏈與第 一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-5相連接;第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Y方向偏轉(zhuǎn) 梁3-5靠近剛性基座3-1處的底端通過(guò)底部柔性鉸鏈與壓電堆安裝帽相連接;第一 Y方向偏 轉(zhuǎn)梁3-3和第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-5的內(nèi)側(cè)通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈與Y方向偏轉(zhuǎn)塊3-4連接;Y方向偏 轉(zhuǎn)塊3-4為上表面帶有凹槽的金屬塊，凹槽用于和X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4安裝配合，安裝后的X方 向偏轉(zhuǎn)塊2-4與Y方向偏轉(zhuǎn)塊3-4成為一個(gè)整體;第一 Y方向壓電堆3-2和第二Y方向壓電堆3-6下端安裝在剛性基座3-1上，上端分別安裝在第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁3-5 壓電堆安裝帽上。
[0033]載物臺(tái)4上表面為物體安裝平面，形狀可以根據(jù)對(duì)象設(shè)定;底部為X、Y雙向的凹槽 分別用于與X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4和Υ方向偏轉(zhuǎn)塊3-4相連。
[0034]為了詳細(xì)說(shuō)明各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置及其安裝關(guān)系，引入三維坐標(biāo)系。Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1 位于底部Χ0Υ平面內(nèi)，為裝置的安裝底座;X偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2位于Υ0Ζ平面內(nèi)。底部通過(guò)下凹 安裝槽2-8與Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1上的Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5的安裝槽實(shí)現(xiàn)安裝定位。Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3位于Χ0Ζ平面內(nèi)，Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3底部通過(guò)凹槽與X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的底部凹槽實(shí)現(xiàn)定位配 合，X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2和Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3二者垂直安裝，定位可通過(guò)加工尺寸保證。同時(shí)，Υ方 向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3的Υ方向偏轉(zhuǎn)塊3-4向上的凹槽與X偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2頂部X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4向下 凹槽配合。安裝后的X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4的Υ方向偏轉(zhuǎn)塊3-4成為一個(gè)整體。
[0035]載物臺(tái)底部通過(guò)雙向凹槽與安裝后的整體偏轉(zhuǎn)塊定位配合。Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1和X 方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2之間相配合部分通過(guò)螺釘連接;X偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2和Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3之間 配合部分通過(guò)螺釘連接;載物臺(tái)4和X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2與Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3配合后的二維偏轉(zhuǎn) 臺(tái)通過(guò)螺釘連接。載物臺(tái)4上留有安裝孔，以便搭載物體安裝。
[0036] 上述基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)方法：
[0037] 對(duì)于所述Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1，當(dāng)安裝在Ζ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1內(nèi)的第一帶預(yù)壓力的壓電堆 作動(dòng)器1-2和第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-4在一對(duì)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(duì)位移，第一帶預(yù)壓力的壓 電堆作動(dòng)器1-2和第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器1-4分別通過(guò)柔性鉸鏈推動(dòng)相連的第二Ζ方 向偏轉(zhuǎn)梁1-6和第一 Ζ方向偏轉(zhuǎn)梁1-3沿伸長(zhǎng)方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)位于中 間的Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5產(chǎn)生偏轉(zhuǎn);Ζ方向偏轉(zhuǎn)塊1-5帶動(dòng)整個(gè)調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生Ζ方向的偏轉(zhuǎn)。
[0038] 對(duì)于所述X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2,當(dāng)安裝在X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2內(nèi)的第一X方向壓電堆2-2和 第二X方向壓電堆2-6基于逆壓電效應(yīng)，在一對(duì)差分電壓作用下產(chǎn)生一對(duì)差分形式位移輸 出，第一X方向壓電堆2-2和第二X方向壓電堆2-6分別通過(guò)底部柔性鉸鏈推動(dòng)相連的第一X 方向偏轉(zhuǎn)梁2-3和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁2-5繞著外側(cè)柔性鉸鏈偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈驅(qū) 動(dòng)位于中間的X方向偏轉(zhuǎn)塊2-4繞著X軸偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)載物臺(tái)4實(shí)現(xiàn)X軸方向上的偏轉(zhuǎn)。
[0039] 對(duì)于所述Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3,當(dāng)安裝在Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3內(nèi)的第一Υ方向壓電堆3-2和 第二Υ方向壓電堆3-6基于逆壓電效應(yīng)，在一對(duì)差分電壓作用下，產(chǎn)生一對(duì)差分形式位移輸 出，第一Υ方向壓電堆3-2和第二Υ方向壓電堆3-6通過(guò)底部柔性鉸鏈推動(dòng)相連的第一Υ方向 偏轉(zhuǎn)梁3-3和第二Υ方向偏轉(zhuǎn)梁3-5繞著外側(cè)柔性鉸鏈偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)位 于中間的Υ方向偏轉(zhuǎn)塊3-4繞著Υ軸偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)載物臺(tái)4實(shí)現(xiàn)Υ方向上的偏轉(zhuǎn)。
[0040]所述Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1、X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所用偏轉(zhuǎn)原理 一致，如圖5所示，L1為偏轉(zhuǎn)梁壓電堆驅(qū)動(dòng)鉸鏈中心至外側(cè)柔性鉸鏈中心的距離，L2為偏轉(zhuǎn) 梁壓電堆驅(qū)動(dòng)鉸鏈中心距內(nèi)側(cè)與偏轉(zhuǎn)塊連接鉸鏈中心的距離，L3為偏轉(zhuǎn)塊在相應(yīng)偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 所在面內(nèi)的截面寬度，若壓電堆驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生δ?的沿壓電堆軸向的位移，則偏轉(zhuǎn)梁端部近似 產(chǎn)生S2的位移。則中間偏轉(zhuǎn)塊帶動(dòng)載物臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度α可以近似為：
[0042]所述Χ、Υ、Ζ方向上的偏轉(zhuǎn)均為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，Χ、Υ輸出相互影響小，與Ζ向輸出獨(dú)立。整 個(gè)裝置無(wú)機(jī)械摩擦，可以實(shí)現(xiàn)三軸高精度角度獨(dú)立調(diào)節(jié)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:包括依次連接的Z方向偏 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(1)、X偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(2)、Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(3)和載物臺(tái)(4);所述Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（1) 位于XOY平面內(nèi)，為裝置的安裝底座，X偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（2)位于YOZ平面內(nèi)，Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) (3)位于XOZ平面內(nèi)； 所述Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（1)由安裝基板（1-1)、第一帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器(1-2)、第一Z 方向偏轉(zhuǎn)梁（1-3)、第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器(1-4)、Z方向偏轉(zhuǎn)塊(1-5)和第二Z方向偏 轉(zhuǎn)梁（1-6)組成;所述安裝基板(1-1)分別與第一 Z方向偏轉(zhuǎn)梁（1-3)和第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁（1-6)通過(guò)柔性鉸鏈連接;第一 Z方向偏轉(zhuǎn)梁（1-3)和第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁（1-6)與Z方向偏轉(zhuǎn)塊(1-5)通過(guò)柔性鉸鏈連接;Z方向偏轉(zhuǎn)塊（1-5)無(wú)鉸鏈的兩側(cè)為安裝凹槽;第一帶預(yù)壓力的壓電 堆作動(dòng)器（1-2)和第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器（1-4)安裝在安裝基板（1-1)內(nèi)，一端嵌入 安裝基板(1-1)內(nèi)，另一端分別安裝在通過(guò)柔性鉸鏈與第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁（1-6)和第一Z方向 偏轉(zhuǎn)梁(1-3)連接的槽內(nèi)； 所述X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(2)由整塊金屬切割成的框架和兩個(gè)壓電堆組成;包括形狀為向上 "凹"形的具有較大剛度的軸對(duì)稱的金屬框形成的基座(2-1)，基座(2-1)內(nèi)部的凹槽用于與 Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(3)安裝配合用，基座(2-1)內(nèi)側(cè)頂部?jī)啥送ㄟ^(guò)外側(cè)柔性鉸鏈與第一X方向偏 轉(zhuǎn)梁(2-3)和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-5)相連;第一 X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-3)和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-5)的內(nèi)側(cè)通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈與X方向偏轉(zhuǎn)塊(2-4)相連;X方向偏轉(zhuǎn)塊(2-4)為向下"凹"形的 金屬塊，用于和Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（3)中的Y方向偏轉(zhuǎn)塊安裝配合用;基座(2-1)的底部有兩個(gè) 突出的金屬塊，形成下凹安裝槽(2-8 )，用于與Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（1)上的Z方向偏轉(zhuǎn)塊(1 -5)的 安裝凹槽實(shí)現(xiàn)安裝用;第一X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-3)和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-5)靠近基座(2-1)處 的下端分別設(shè)置有用底部柔性鉸鏈連接的金屬帽，用于安裝壓電堆并起導(dǎo)向作用;第一X方 向壓電堆(2-2)和第二X方向壓電堆(2-6)下端安裝在基座(2-1)上，上端通過(guò)金屬帽與第一 X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-3)和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-5)相連； 所述Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（3)由整塊金屬切割成的框架和兩個(gè)壓電堆組成；包括剛性基座 (3-1)，剛性基座（3-1)底部有一個(gè)凹槽用于和X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（2)的底部凹槽實(shí)現(xiàn)定位配 合，所述Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(3)和X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(2)垂直安裝，并通過(guò)加工尺寸來(lái)保證配合;剛 性基座(3-1)內(nèi)側(cè)頂部?jī)啥送ㄟ^(guò)外側(cè)柔性鉸鏈與第一Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-3)和第二Y方向偏轉(zhuǎn) 梁(3-5)相連接;第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-3)和第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-5)靠近剛性基座(3-1)處的 端通過(guò)底部柔性鉸鏈與壓電堆安裝帽相連接;第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-3)和第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁 (3-5)的內(nèi)側(cè)通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性鉸鏈與Y方向偏轉(zhuǎn)塊(3-4)連接;Y方向偏轉(zhuǎn)塊(3-4)為上表面帶 有凹槽的金屬塊，凹槽用于和X方向偏轉(zhuǎn)塊(2-4)安裝配合;第一 Y方向壓電堆(3-2)和第二Y 方向壓電堆(3-6)下端安裝在剛性基座(3-1)上，上端分別安裝在第一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-3)和 第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-5)壓電堆安裝帽上； 所述載物臺(tái)（4)上表面為物體安裝平面，形狀根據(jù)對(duì)象設(shè)定;底部為X、Y雙向的凹槽分 別用于與X方向偏轉(zhuǎn)塊(2-4)和Υ方向偏轉(zhuǎn)塊(3-4)相連，安裝后的X方向偏轉(zhuǎn)塊(2-4)與Υ方 向偏轉(zhuǎn)塊(3-4)成為一個(gè)整體。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述Ζ 方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（1)和X方向的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（2)之間相配合部分通過(guò)螺釘連接，X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) (2)和Υ方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（3)之間配合部分通過(guò)螺釘連接，載物臺(tái)（4)與X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（2)和Υ 方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(3)安裝后的偏轉(zhuǎn)塊通過(guò)螺釘連接。3.權(quán)利要求1所述基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的三自由度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)方法:其特征在于： 對(duì)于所述Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（1 )，當(dāng)安裝在Z方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（1)內(nèi)的第一帶預(yù)壓力的壓電堆 作動(dòng)器（1-2)和第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器（1-4)在一對(duì)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(duì)位移，第一帶預(yù)壓力 的壓電堆作動(dòng)器（1-2)和第二帶預(yù)壓力的壓電堆作動(dòng)器（1-4)分別通過(guò)柔性鉸鏈推動(dòng)相連 的第二Z方向偏轉(zhuǎn)梁（1-6)和第一 Z方向偏轉(zhuǎn)梁（1-3)沿伸長(zhǎng)方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)柔性鉸 鏈驅(qū)動(dòng)位于中間的Z方向偏轉(zhuǎn)塊(1 -5)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn);Z方向偏轉(zhuǎn)塊(1 -5)帶動(dòng)整個(gè)調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生 Z方向的偏轉(zhuǎn)； 對(duì)于所述X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(2 )，當(dāng)安裝在X方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(2)內(nèi)的第一X方向壓電堆(2-2) 和第二X方向壓電堆(2-6)基于逆壓電效應(yīng)，在一對(duì)差分電壓作用下產(chǎn)生一對(duì)差分形式位移 輸出，第一X方向壓電堆(2-2)和第二X方向壓電堆(2-6)分別通過(guò)底部柔性鉸鏈推動(dòng)相連的 第一 X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-3)和第二X方向偏轉(zhuǎn)梁(2-5)繞著外側(cè)柔性鉸鏈偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)內(nèi)側(cè)柔 性鉸鏈驅(qū)動(dòng)位于中間的X方向偏轉(zhuǎn)塊(2-4)繞著X軸偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)載物臺(tái)（4)實(shí)現(xiàn)X軸方向 上的偏轉(zhuǎn)； 對(duì)于所述Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(3 )，當(dāng)安裝在Y方向偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(3)內(nèi)的第一Y方向壓電堆(3-2) 和第二Y方向壓電堆(3-6)基于逆壓電效應(yīng)，在一對(duì)差分電壓作用下，產(chǎn)生一對(duì)差分形式位 移輸出，第一Y方向壓電堆(3-2)和第二Y方向壓電堆(3-6)通過(guò)底部柔性鉸鏈推動(dòng)相連的第 一 Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-3)和第二Y方向偏轉(zhuǎn)梁(3-5)繞著外側(cè)柔性鉸鏈偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)內(nèi)側(cè)柔性 鉸鏈驅(qū)動(dòng)位于中間的Y方向偏轉(zhuǎn)塊(3-4)繞著Y軸偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)載物臺(tái)（4)實(shí)現(xiàn)Y方向上的 偏轉(zhuǎn)； 所述X、Y、Z方向上的偏轉(zhuǎn)均為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，X、Y輸出相互影響小，與Z向輸出獨(dú)立;整個(gè)裝 置無(wú)機(jī)械摩擦，實(shí)現(xiàn)三軸高精度角度獨(dú)立調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】H02N2/02GK106026763SQ201610326612
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】徐明龍, 田征, 敬子建
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)