CN219293891U - 一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台 - Google Patents

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杨怡薇
荆成虎
杜浩浩
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Abstract

本实用新型公开了一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，该平台包括粗动台，X方向驱动器、Y方向驱动器和Z方向驱动器，以及X方向驱动机构、Y方向驱动机构和Z方向驱动机构；所述X方向驱动机构包括X方向桥式位移放大机构、X方向直线导轨机构和X方向位移定位调节平台，以实现XYZ坐标系下的Y方向的位移调节；所述Y方向驱动机构包括Y方向桥式位移放大机构、Y方向直线导轨机构和Y方向位移定位调节平台，以实现XYZ坐标系下的X方向的位移调节；所述Z方向驱动机构包括Z方向位移旋转平台、Z方向固支结构和Z方向位移定位调节平台，以实现XYZ坐标系下的Z方向的位移调节。

Description

一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台
技术领域
本实用新型属于光电精密驱动定位领域，适用于非接触式精密驱动定位，具体涉及一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台。
背景技术
随着高新技术产业的快速发展，基于智能材料的新型驱动方法将精密驱动定位领域的发展推向了更高的水平。其中光电智能材料PLZT陶瓷凭借其光致伸缩效应在实际应用中表现出了优异的性能。而在精密驱动定位技术领域，响应速度快、控制精度高的光电驱动器被广泛使用，但其一直受到输出位移不大的限制。如CN105563465A一种光电-静电复合驱动微平台装置，通过梳齿致动器+刚性位移放大机构+机械滑块的方式实现位移调节。然而，该装置在位移输出中存在摩擦、间隙等缺陷，使得位移放大比低，从而降低精密平台的定位精度。
而桥式放大机构利用结构的弹性形变来实现无摩擦无间隙的精密位移输出，与其他放大机构相比，桥式放大机构具有位移放大比高、结构紧凑、承载力大、固有频率高、便于机械加工等优点，适合应用在光电柔顺精密定位平台上。因此，有必要设计一种基于桥式放大机构的多自由度光电柔顺精密定位平台。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，该平台可以在XYZ三自由度下输出更大的位移，有效地提升柔顺定位平台的位移输出特性和定位精度。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：
一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，该平台包括粗动台，X方向驱动器、Y方向驱动器和Z方向驱动器，以及X方向驱动机构、Y方向驱动机构和Z方向驱动机构；
所述X方向驱动机构包括X方向桥式位移放大机构、X方向直线导轨机构和X方向位移定位调节平台，所述Y方向驱动机构包括Y方向桥式位移放大机构、Y方向直线导轨机构和Y方向位移定位调节平台，所述Z方向驱动机构包括Z方向位移旋转平台、Z方向固支结构和Z方向位移定位调节平台；
所述Y方向驱动器、所述Y方向桥式位移放大机构和所述Y方向直线导轨机构设置在所述粗动台上，所述Y方向位移定位调节平台设置在所述Y方向直线导轨机构上；所述Y方向驱动器与所述Y方向桥式位移放大机构驱动连接，所述Y方向桥式位移放大机构通过Y方向柔性铰链结构与所述Y方向位移定位调节平台连接，以实现XYZ坐标系下的Y方向的位移调节；
所述X方向驱动器、所述X方向桥式位移放大机构和所述X方向直线导轨机构设置在所述Y方向位移定位调节平台上，所述X方向位移定位调节平台设置在所述X方向直线导轨机构上；所述X方向驱动器与所述X方向桥式位移放大机构驱动连接，所述X方向桥式位移放大机构通过X方向柔性铰链结构与所述X方向位移定位调节平台连接，以实现XYZ坐标系下的X方向的位移调节；
所述Z方向驱动器和所述Z方向位移定位调节平台设置在所述X方向位移定位调节平台上；所述Z方向驱动器与所述Z方向位移定位调节平台驱动连接，所述Z方向位移定位调节平台通过Z方向固支结构与所述Z方向位移旋转平台连接，以实现XYZ坐标系下的Z方向的位移调节。
基于上述，所述X方向驱动器包括分别设置在所述X方向桥式位移放大机构两端的PLZT陶瓷片，以及对称贴设在所述X方向桥式位移放大机构两臂的压电薄膜；其中，同端的PLZT陶瓷片和压电薄膜电连接；
所述Y方向驱动器包括分别设置在所述Y方向桥式位移放大机构两端的PLZT陶瓷片，以及对称贴设在所述Y方向桥式位移放大机构两臂的压电薄膜；其中，同端的PLZT陶瓷片和压电薄膜电连接。
基于上述，所述Z方向固支结构包括两个立柱和两条悬臂梁；
两个立柱对称分布在所述Z方向位移定位调节平台两侧；两条悬臂梁相对两个立柱的对称中心对称；每条悬臂梁的一端固定在其中一条立柱的上端，另一端用于固定所述Z方向位移旋转平台的一侧；
所述Z方向驱动器包括设置在所述X方向位移定位调节平台上的一PLZT陶瓷片，以及分别贴设在每条悬臂梁上的两压电薄膜；PLZT陶瓷片分别与两压电薄膜电连接。
基于上述，所述X方向桥式位移放大机构和所述Y方向桥式位移放大机构采用相同的桥式位移放大机构；
所述桥式位移放大机构为由两条桥式机构柔性输入臂连接两条桥式机构柔性输出梁构成的长方形框架结构。
基于上述，所述桥式机构柔性输出梁由两个对称的第一柔性铰链运动副单轴串联连接构成；
所述第一柔性铰链运动副由两个中心对称的单轴不对称直圆型柔性铰链运动副串联连接构成。
基于上述，所述X方向柔性铰链结构和所述Y方向柔性铰链结构均采用直圆型单轴柔性铰链。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：
1.本实用新型基于桥式放大机构对多自由度下的位移进行精密柔顺定位，通过光电驱动器与桥式放大机构的结合，能够有效利用桥式放大机构的弹性形变来实现无摩擦无间隙的精密位移输出。同其他放大机构相比，桥式放大机构具有位移放大比高、承载力大、便于机械加工等优点，而通过柔性铰链连接驱动位移定位调节平台，进一步保证了精准柔顺性能，因此适合应用在光电柔顺精密定位平台领域。
2.本实用新型的基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，利用高能紫外光源照射下的PLZT陶瓷片的光生电压效应以及压电薄膜的逆压电效应，使光能直接转化为机械能，减少了能量损耗，同时可实现远程非接触操作，无需外接激励电源，无电磁干扰，无线能量传输，适用于各种介质环境工作。
附图说明
图1为本实用新型的平面结构示意图。
图2为本实用新型的立体结构示意图。
图3为X/Y方向位移定位放大部分的结构示意图。
图4为Z方向位移定位放大部分的结构示意图。
图5为X/Y方向桥式位移放大机构的结构示意图。
图中标号所代表的含义为：
1.粗动台；2.Y方向驱动器；3.PLZT陶瓷片；4.Y方向柔性铰链结构；5.Y方向桥式位移放大机构；5-1.桥式机构柔性输入臂；5-2.桥式机构柔性输出梁；5-2-1.第一柔性铰链运动副；5-2-2.单轴不对称直圆型柔性铰链运动副；6.Y方向驱动器；7.压电薄膜；8.X方向驱动器；9.PLZT陶瓷片；10.X方向柔性铰链结构；11.X方向桥式位移放大机构；12.压电薄膜；13.X方向驱动器；14.Y方向位移定位调节平台；15.Y方向直线导轨机构；16.X方向位移定位调节平台；17.Z方向位移旋转平台；18.Z方向位移定位调节平台；19.Z方向固支结构；19-1.立柱；19-2.悬臂梁；20.Z方向驱动器；20-1.PLZT陶瓷片；20-2压电薄膜；21.X方向直线导轨机构。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，该平台包括粗动台1，X方向驱动器（8、13）、Y方向驱动器（2、6）和Z方向驱动器20，以及X方向驱动机构、Y方向驱动机构和Z方向驱动机构；
所述X方向驱动机构包括X方向桥式位移放大机构11、X方向直线导轨机构21和X方向位移定位调节平台16，所述Y方向驱动机构包括Y方向桥式位移放大机构5、Y方向直线导轨机构15和Y方向位移定位调节平台14，所述Z方向驱动机构包括Z方向位移旋转平台17、Z方向固支结构19和Z方向位移定位调节平台18；
所述Y方向驱动器（2、6）、所述Y方向桥式位移放大机构5和所述Y方向直线导轨机构15设置在所述粗动台1上，所述Y方向位移定位调节平台14设置在所述Y方向直线导轨机构15上；所述Y方向驱动器（2、6）与所述Y方向桥式位移放大机构5驱动连接，所述Y方向桥式位移放大机构5通过Y方向柔性铰链结构4与所述Y方向位移定位调节平台14连接，以实现XYZ坐标系下的Y方向的位移调节；
所述X方向驱动器（8、13）、所述X方向桥式位移放大机构11和所述X方向直线导轨机构21设置在所述Y方向位移定位调节平台14上，所述X方向位移定位调节平台16设置在所述X方向直线导轨机构21上；所述X方向驱动器（8、13）、与所述X方向桥式位移放大机构11驱动连接，所述X方向桥式位移放大机构11通过X方向柔性铰链结构10与所述X方向位移定位调节平台16连接，以实现XYZ坐标系下的X方向的位移调节；
所述Z方向驱动器20和所述Z方向位移定位调节平台18设置在所述X方向位移定位调节平台16上；所述Z方向驱动器20与所述Z方向位移定位调节平台18驱动连接，所述Z方向位移定位调节平台18通过Z方向固支结构19与所述Z方向位移旋转平台17连接，以实现XYZ坐标系下的Z方向的位移调节。
本实用新型工作原理为：
在接到定位指令后，粗动台1上的Y方向驱动器（2、6）产生驱动力传输至Y方向桥式位移放大机构5，驱动Y方向桥式位移放大机构5沿法向输出相应的放大位移，然后通过Y方向柔性铰链机构4推动Y方向位移定位调节平台14来达到Y方向的柔顺精密定位作用；
同理，X方向同样可以达到相应的柔顺精密定位作用；
Z方向的定位是通过Z方向驱动器20驱动Z方向位移反转平台17进行定位翻转实现的。
优选的，为驱动X、Y方向最终放大过后的位移，采用直线导轨机构，负载渠道平顺，适用于输出高精度线性运动，定位精度高，且便于组装并具有互换性。
优选的，所述X方向柔性铰链结构10和所述Y方向柔性铰链结构4可以均采用直圆型单轴柔性铰链。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，如图3和图4所示，提供了具体的XYZ三个方向位移驱动的实现方案。
所述X方向驱动器（8、13）包括分别设置在所述X方向桥式位移放大机构11两端的PLZT陶瓷片9，以及对称贴设在所述X方向桥式位移放大机构11两臂的压电薄膜12；其中，同端的PLZT陶瓷片9和压电薄膜12电连接。
所述Y方向驱动器2包括分别设置在所述Y方向桥式位移放大机构5两端的PLZT陶瓷片3，以及对称贴设在所述Y方向桥式位移放大机构5两臂的压电薄膜7；其中，同端的PLZT陶瓷片3和压电薄膜7电连接。
所述Z方向固支结构19包括两个立柱19-1和两条悬臂梁19-2；两个立柱19-1对称分布在所述Z方向位移定位调节平台18两侧；两条悬臂梁19-2相对两个立柱19-1的对称中心对称；每条悬臂梁19-2的一端固定在其中一条立柱19-1的上端，另一端用于固定所述Z方向位移旋转平台17的一侧；
所述Z方向驱动器20包括设置在所述X方向位移定位调节平台16上的一PLZT陶瓷片20-1，以及分别贴设在每条悬臂梁19-2上的两压电薄膜20-2；PLZT陶瓷片20-1分别与两压电薄膜20-2电连接。
本实施例中，X、Y、Z方向均采用在高能紫外光源照射下会产生光电压的PLZT陶瓷片作为驱动源；
其中在X、Y方向上，在接到定位指令后，PLZT陶瓷片会受到高能紫外光源的照射从而产生光电压，电压通过导线传输至层合在桥式位移放大机构上的压电薄膜上，此时压电薄膜会产生逆压电效应沿横向产生驱动力，而桥式位移放大机构会将横向驱动力放大并输出纵向驱动力，再通过柔性铰链结构输出放大过后的相应位移进行X、Y方向的柔顺精密定位；
在Z方向上，在PLZT陶瓷片受到高能紫外光源的照射产生光电压并经导线传输至Z方向固支结构上，最终致使贴设有压电薄膜的悬臂梁上的Z方向位移旋转平台进行相应的定位翻转动作。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于，如图5所示，提供了具体的桥式位移放大机构的实现方案。
所述X方向桥式位移放大机构11和所述Y方向桥式位移放大机构5采用相同的桥式位移放大机构；所述桥式位移放大机构为由两条桥式机构柔性输入臂5-1连接两条桥式机构柔性输出梁5-2构成的长方形框架结构。所述桥式机构柔性输出梁5-2由两个对称的第一柔性铰链运动副5-2-1单轴串联连接构成；所述第一柔性铰链运动副5-2-1由两个中心对称的单轴不对称直圆型柔性铰链运动副5-2-2串联连接构成。
本实施例所设计的桥式位移放大机构是具有8个直圆型柔性铰链且相互对称的新型桥式放大机构，能把水平输入转化为竖直输出，可以很好的消除耦合运动，增加放大倍数和提高定位精度，整个桥式放大机构的放大率为10左右。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，其特征在于：
该平台包括粗动台，X方向驱动器、Y方向驱动器和Z方向驱动器，以及X方向驱动机构、Y方向驱动机构和Z方向驱动机构；
所述X方向驱动机构包括X方向桥式位移放大机构、X方向直线导轨机构和X方向位移定位调节平台，所述Y方向驱动机构包括Y方向桥式位移放大机构、Y方向直线导轨机构和Y方向位移定位调节平台，所述Z方向驱动机构包括Z方向位移旋转平台、Z方向固支结构和Z方向位移定位调节平台；
所述Y方向驱动器、所述Y方向桥式位移放大机构和所述Y方向直线导轨机构设置在所述粗动台上，所述Y方向位移定位调节平台设置在所述Y方向直线导轨机构上；所述Y方向驱动器与所述Y方向桥式位移放大机构驱动连接，所述Y方向桥式位移放大机构通过Y方向柔性铰链结构与所述Y方向位移定位调节平台连接，以实现XYZ坐标系下的Y方向的位移调节；
所述X方向驱动器、所述X方向桥式位移放大机构和所述X方向直线导轨机构设置在所述Y方向位移定位调节平台上，所述X方向位移定位调节平台设置在所述X方向直线导轨机构上；所述X方向驱动器与所述X方向桥式位移放大机构驱动连接，所述X方向桥式位移放大机构通过X方向柔性铰链结构与所述X方向位移定位调节平台连接，以实现XYZ坐标系下的X方向的位移调节；
所述Z方向驱动器和所述Z方向位移定位调节平台设置在所述X方向位移定位调节平台上；所述Z方向驱动器与所述Z方向位移定位调节平台驱动连接，所述Z方向位移定位调节平台通过Z方向固支结构与所述Z方向位移旋转平台连接，以实现XYZ坐标系下的Z方向的位移调节。
2.根据权利要求1所述的基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，其特征在于：
所述X方向驱动器包括分别设置在所述X方向桥式位移放大机构两端的PLZT陶瓷片，以及对称贴设在所述X方向桥式位移放大机构两臂的压电薄膜；其中，同端的PLZT陶瓷片和压电薄膜电连接；
所述Y方向驱动器包括分别设置在所述Y方向桥式位移放大机构两端的PLZT陶瓷片，以及对称贴设在所述Y方向桥式位移放大机构两臂的压电薄膜；其中，同端的PLZT陶瓷片和压电薄膜电连接。
3.根据权利要求1所述的基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，其特征在于：
所述Z方向固支结构包括两个立柱和两条悬臂梁；
两个立柱对称分布在所述Z方向位移定位调节平台两侧；两条悬臂梁相对两个立柱的对称中心对称；每条悬臂梁的一端固定在其中一条立柱的上端，另一端用于固定所述Z方向位移旋转平台的一侧；
所述Z方向驱动器包括设置在所述X方向位移定位调节平台上的一PLZT陶瓷片，以及分别贴设在每条悬臂梁上的两压电薄膜；PLZT陶瓷片分别与两压电薄膜电连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，其特征在于：
所述X方向桥式位移放大机构和所述Y方向桥式位移放大机构采用相同的桥式位移放大机构；
所述桥式位移放大机构为由两条桥式机构柔性输入臂连接两条桥式机构柔性输出梁构成的长方形框架结构。
5.根据权利要求4所述的基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，其特征在于：所述桥式机构柔性输出梁由两个对称的第一柔性铰链运动副单轴串联连接构成；
所述第一柔性铰链运动副由两个中心对称的单轴不对称直圆型柔性铰链运动副串联连接构成。
6.根据权利要求1-3任一项所述的基于桥式放大机构的三自由度光电柔顺精密定位平台，其特征在于：所述X方向柔性铰链结构和所述Y方向柔性铰链结构均采用直圆型单轴柔性铰链。
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