基于柔性鉸鏈放大的壓電微動平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓電疊堆驅(qū)動的微動平臺。 技術(shù)背景
[0002] 作為微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，微動平臺廣泛應(yīng)用于裝載精密儀器或其關(guān)鍵部 件如常見的光學(xué)鏡頭、精密微操終桿和微夾持器。因此，微動平臺需要具有多維運(yùn)動和極高 的分辨率。
[0003] 與靜電梳齒驅(qū)動、電熱驅(qū)動和形狀記憶合金驅(qū)動等相比，壓電疊堆驅(qū)動具有分辨 率高、驅(qū)動力大、頻響范圍寬、響應(yīng)速度快和動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合用于驅(qū)動微 動平臺。在微裝配技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要使用微動平臺帶動微夾持器進(jìn)行微米級別到毫米級 別的運(yùn)動，因此，微動平臺應(yīng)該具有大行程，此外，為了更好的進(jìn)行高精度的裝配，需要對微 動平臺的位置進(jìn)行在線監(jiān)測，并進(jìn)行反饋控制。
[0004] 現(xiàn)有的關(guān)于微動平臺的檢測，多采用視覺檢測、激光傳感器檢測或者電容檢測等 方法來檢測平臺的位置，檢測成本較高，也難以集成到微操作系統(tǒng)中去。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的微動平臺行程不夠大的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種能夠放 大微驅(qū)動器的驅(qū)動位移的基于柔性鉸鏈放大的壓電微動平臺。
[0006] 基于柔性鉸鏈放大的壓電微動平臺，包括機(jī)架和載物平臺； 機(jī)架上安裝微驅(qū)動器和放大微驅(qū)動器的驅(qū)動位移的放大機(jī)構(gòu)； 放大機(jī)構(gòu)為安裝于機(jī)架上的雙搖桿機(jī)構(gòu)；雙搖桿機(jī)構(gòu)的主動搖桿遠(yuǎn)離連桿的一端設(shè)延 伸段，主動搖桿延伸段的自由端抵住微驅(qū)動器；主動搖桿及其延伸段以主動搖桿與機(jī)架的 鉸接點(diǎn)為支點(diǎn)形成放大杠桿；連桿遠(yuǎn)離主動搖桿的一端設(shè)延伸段； 載物平臺與使其沿指定方向平動的解親機(jī)構(gòu)連接，解親機(jī)構(gòu)由至少一對解親單元組 成，兩個(gè)解耦單元關(guān)于載物平臺中心對稱；每個(gè)解耦單元由連接臂和一對柔性臂組成，每個(gè) 柔性臂一端與機(jī)架鉸接，另一端與連接臂鉸接，連接臂的另一端與載物平臺鉸接； 連桿延伸段與任一解親單元鉸接。
[0007] 進(jìn)一步，微驅(qū)動器為壓電疊堆驅(qū)動器，每個(gè)柔性臂對應(yīng)位移傳感器。
[0008] 進(jìn)一步，位移傳感器為一對位置檢測應(yīng)變片，一對位移檢測應(yīng)變片分別粘接固定 于柔性臂的兩側(cè)面上，每對解耦單元的位置檢測應(yīng)變片組成橋接電路，橋接電路通過應(yīng) 變放大器放大后、由A/D 口通過PCI板卡傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，工控機(jī)計(jì)算獲得平臺的位移， x = |X為平臺的位移，U1為橋接電路經(jīng)應(yīng)變放大器放大后的輸出電壓，先為比例系數(shù)。 k
[0009] 橋接電路是由每個(gè)柔性臂上選取一個(gè)位置檢測應(yīng)變片，四個(gè)柔性臂上的4個(gè)位置 檢測應(yīng)變片組成一個(gè)全橋模式的橋接電路，一對解耦單元組成2個(gè)全橋模式的橋接電路。 或者，橋接電路由每個(gè)解耦單元選擇1個(gè)位置檢測應(yīng)變片與另一個(gè)解耦單元的1個(gè)位置檢 測應(yīng)變片組成半橋模式的橋接電路，一對解耦單元組成4個(gè)半橋模式的橋接電路。
[0010] 本發(fā)明在使用前，需要先校準(zhǔn)獲得比例系數(shù)I具體做法是：先用激光傳感器檢測 出當(dāng)前平臺的位移4，位置檢測應(yīng)變片的輸出電壓U1，即可得到
[0011] 進(jìn)一步，連桿延伸段尺寸大于連桿不含延伸段部分的尺寸。連桿呈L形。
[0012] 進(jìn)一步，解耦機(jī)構(gòu)包含沿X軸向設(shè)置的一對解耦單元和沿Y軸向設(shè)置的一對解耦 單元；每對解耦單元分別連接一個(gè)放大機(jī)構(gòu)，每個(gè)放大機(jī)構(gòu)分別對應(yīng)一個(gè)微驅(qū)動器。
[0013] 進(jìn)一步，每個(gè)解耦單元中，連接臂由平行的一對支臂組成；連接臂、柔性臂以及放 大機(jī)構(gòu)的連桿延伸段均鉸接于一連接件。
[0014] 進(jìn)一步，四個(gè)解耦單元以載物平臺的中心為圓心陣列分布，相鄰柔性臂鉸接于機(jī) 架上的同一鉸鏈，所有柔性臂圍成一個(gè)平行四邊形。
[0015] 進(jìn)一步，載物平臺呈正方形，解耦單元分別位于載物平臺各邊的中點(diǎn)，所有柔性臂 等長，柔性臂圍成一個(gè)正方形。
[0016] 進(jìn)一步，機(jī)架、雙搖桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)經(jīng)線切割獲得，機(jī)架和主動搖桿之間 為第一切割縫隙，第一切割區(qū)域與壓電疊堆驅(qū)動器間隙配合，主動搖桿延伸段與機(jī)架之間 有間隙，壓電疊堆驅(qū)動器通過預(yù)緊螺釘與主動搖桿延伸段接觸；機(jī)架、主動搖桿、被動搖桿 圍成的區(qū)域?yàn)榈诙懈羁p隙；機(jī)架、被動搖桿、連桿和柔性臂圍成的區(qū)域?yàn)榈谌懈羁p隙； 柔性臂和鉸鏈支臂之間的區(qū)域?yàn)榈谒那懈羁p隙；鉸鏈支臂、載物平臺和連接件之間的區(qū)域 為第五切割間隙；被動搖桿與機(jī)架的鉸鏈、被動搖桿與連桿的鉸鏈、主動搖桿與連桿的鉸 鏈、主動搖桿與機(jī)架的鉸鏈、連桿延伸段與連接件的鉸鏈均為雙切口柔性鉸鏈，鉸鏈支臂 與載物平臺和連接件的鉸接為單切口柔性鉸鏈。
[0017] 本發(fā)明在使用時(shí)，對壓電疊堆驅(qū)動器施加通過功率放大器放大后的電壓，壓電疊 堆驅(qū)動器伸長，壓電疊堆驅(qū)動器將主動搖桿延伸段向外推，主動搖桿以其與機(jī)架的鉸鏈為 支點(diǎn)、使主動搖桿的另一端向外擺動；在連桿與主動搖桿的鉸鏈的作用下，連桿的一端也向 外運(yùn)動，連桿以其與被動搖桿的鉸鏈為支點(diǎn)、使連桿延伸段向內(nèi)擺動；在連桿與連接件的鉸 鏈的作用下，解耦機(jī)構(gòu)以柔性臂與機(jī)架的鉸鏈為支點(diǎn)，向Z方向平動，從而帶動載物平臺沿 Z方向平動。
[0018] 由此可知，主動搖桿作為第一個(gè)杠桿，當(dāng)主動搖桿延伸段尺寸小于主動搖桿不含 延伸段部分的尺寸時(shí)，對壓電疊堆驅(qū)動器的形變量進(jìn)行第一次放大；連桿作為第二個(gè)杠桿， 當(dāng)連桿延伸段尺寸大于連桿不含延伸段部分的尺寸時(shí)，對壓電疊堆驅(qū)動器的形變量進(jìn)行第 二次放大；解耦機(jī)構(gòu)則對位移放大機(jī)構(gòu)傳遞過來的形變量進(jìn)行解耦，使其只沿一個(gè)方向平 動。主動搖桿和連桿均為剛性件，因此他們對壓電疊堆驅(qū)動器的形變量是成比例的放大，通 過初始化校準(zhǔn)即可獲得壓電疊堆驅(qū)動器輸出的形變量與載物平臺的實(shí)際位移之間的比例 系數(shù)。將比例系數(shù)預(yù)存于工控機(jī)內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)施檢測平臺Z方向的位移的目的了。對于 方向的位移，也同理可得。
[0019] 當(dāng)壓電疊堆驅(qū)動器失去電壓時(shí)，主動搖桿、連桿和平行四邊形機(jī)構(gòu)復(fù)位，載物平臺 回到初始位置。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于： 1.通過雙搖桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對壓電疊堆驅(qū)動器的輸出位移的放大和解 耦，使得微動平臺具有兩個(gè)維度方向上的大行程。
[0021] 2.放大機(jī)構(gòu)采用柔性鉸鏈，并通過線切割加工而成，整個(gè)柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)為一 個(gè)整體，具有體積小、無機(jī)械摩擦、導(dǎo)向精度高、加工精度易于保證和不需要裝配的優(yōu)點(diǎn)。
[0022] 3.集成了位置檢測，便于進(jìn)行高精度的操作和控制。
[0023] 4.重量輕、操作方便，適用于微操作機(jī)器人系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2是柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖。
[0026] 圖3是本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖4是柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 如圖1所示，基于柔性鉸鏈放大的壓電微動平臺，包括機(jī)架1和載物平臺16 ;機(jī)架 1上安裝微驅(qū)動器5和放大微驅(qū)動器5的驅(qū)動位移的放大機(jī)構(gòu)。
[0029] 如圖2所示，放大機(jī)構(gòu)為安裝于機(jī)架1上的雙搖桿機(jī)構(gòu)；雙搖桿機(jī)構(gòu)的主動搖桿 12遠(yuǎn)離連桿17的一端設(shè)延伸段，主動搖桿延伸段11的自由端抵住微驅(qū)動器5 ;主動搖桿12 及其延伸段11以主動搖桿12與機(jī)架1的鉸接點(diǎn)為支點(diǎn)形成放大杠桿；主動搖桿12延伸段 的長度小于主動搖桿12不含延伸段的長度，因此，主動搖桿12利用杠桿放大效應(yīng)第一次放 大微驅(qū)動器5的位移。連桿17遠(yuǎn)離主動搖桿12的一端設(shè)延伸段。載物平臺16與使其沿 指定方向平動的解耦機(jī)構(gòu)連接，解耦機(jī)構(gòu)由至少一對解耦單元組成，兩個(gè)解耦單元關(guān)于載 物平臺16中心對稱；每個(gè)解耦單元由連接臂13和一對柔性臂14組成，每個(gè)柔性臂14 一端 與機(jī)架1鉸接，另一端與連接臂13鉸接，連接臂13的另一端與載物平臺16鉸接；連桿17 延伸段與任一解耦單元鉸接。
[0030] 驅(qū)動微驅(qū)動器5形變，以微驅(qū)動器5將主動搖桿12延伸段向外推為例，主動搖桿 12以其與機(jī)架1的鉸鏈為支點(diǎn)、使主動搖桿12的另一端向外擺動；主動搖桿12作為第一 個(gè)杠桿對微驅(qū)動器5的形變量進(jìn)行第一次放大；在連桿17與主動搖桿12的鉸鏈的作用下， 連桿17的一端也向外運(yùn)動，連桿17以其與被動搖桿18的鉸鏈為支點(diǎn)、使連桿17延伸段向 內(nèi)擺動；在連桿17與連接件15的鉸鏈的作用下，平行四邊形機(jī)構(gòu)以其與機(jī)架1的鉸鏈為支 點(diǎn)，向Z方向平動，從而帶動載物平臺16沿z方向平動。當(dāng)微驅(qū)動器5恢復(fù)形變時(shí)，主動搖 桿12、連桿17和解耦機(jī)構(gòu)復(fù)位，載物平臺16回到初始位置。
[0031] 微驅(qū)動器5為壓電疊堆驅(qū)動器，每個(gè)柔性臂14對應(yīng)一個(gè)位移傳感