一种基于人字结构的平面三自由度微动装置的微动方法制造方法及图纸

一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，由柔性铰链、三个相同的压电陶瓷、三个相同的电磁铁分别组成三个机构，其中每一个机构中，压电陶瓷一端和电磁铁紧固连接，另一端被固定于柔性铰链上；三个机构呈三等分圆周角分布，是一个轴对称结构；当该装置放置于金属底面上时，电磁铁起到锁止的作用，压电陶瓷提供输入位移，柔性铰链产生形变，经过对电磁铁和压电陶瓷两端电压的控制，能够实现该装置在金属平面上的三自由度的微小平动和转动；本发明专利技术结构简单，具有锁止功能，作动精准，能够实现在平面内的自由平动和转动。

A planar three degree of freedom micro motion device based on herringbone structure

A planar three DOF micro device herringbone structure based on flexible hinge, consists of three identical piezoelectric ceramics, the same three electromagnets were composed of three institutions, each of which in the piezoelectric ceramic end and an electromagnet fixedly connected, the other end is fixed on the flexible hinge; three institutions in three equal circular angle distribution is a symmetric structure; when the device is placed on the metal bottom surface, an electromagnet to lock function, provide the input displacement of piezoelectric ceramics, the deformation of the flexible hinge, after control of the piezoelectric ceramic pressure electromagnet and two terminal voltage, can realize the micro translation device in the metal plane with three degrees of freedom and rotation; the invention has the advantages of simple structure, and has a lock function, operating precision, can be achieved in the plane of the free translation and rotation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于人字结构的平面三自由度微动装置
本专利技术属于微动装置，具体涉及一种基于人字结构的平面三自由度微动装置。
技术介绍
压电陶瓷的逆电效应，是指当压电陶瓷在极化方向加上相同方向的电场，压电陶瓷会沿极化方向伸长，故人们用压电陶瓷代替传统的滑轨齿轮等实现精密移动，利用这样的驱动方式不但增加移动的精密性，还广泛地扩展了精密微动装置的工作环境。但目前已有的平面微动装置，无论是平动或转动，都会受到结构的限制，很难实现三自由度的微动，否则，为了实现三自由度的微动，其结构和控制都会极其复杂。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，利用三对压电陶瓷和电磁铁的相互配合实现平面上三自由度的微动，本专利技术结构简单，具有锁止功能，作动精准，能够实现在平面内的自由平动和转动。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，包括柔性铰链3、第一压电陶瓷1-1、第二压电陶瓷1-2、第三压电陶瓷1-3、第一电磁铁2-1、第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3，其中，第一压电陶瓷1-1一端和第一电磁铁2-1紧固连接，另一端被固定于柔性铰链3上形成第一个机构，第二压电陶瓷1-2一端和第二电磁铁2-2紧固连接，另一端被固定于柔性铰链3上形成第二个机构，第三压电陶瓷1-3一端和第三电磁铁2-3紧固连接，另一端被固定于柔性铰链3上形成第三个机构；三个机构呈两两中轴夹角120°分布，中心点即为柔性铰链3的中心点。所述第一压电陶瓷1-1、第二压电陶瓷1-2、第三压电陶瓷1-3提供输入位移，并对柔性铰链3施加力；第一电磁铁2-1、第二电磁铁2-2、第三电磁铁2-3在通电后产生磁性，在磁力的作用下固定于金属底面，起到锁止的作用。通过控制第一电磁铁2-1、第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3的通断电状态，能够控制每个机构末端的锁止状态；通过控制第一压电陶瓷1-1、第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3两端的电压，能够控制每个机构的伸长位移，在一定情况下输出的力会作用于柔性铰链，使其发生变形；由此，通过对电压的控制，各机构和柔性铰链相互配合，整个装置能够在金属底面上产生想要的平动微位移和转动微角位移。所述的一种基于人字结构的平面三自由度微动装置的平面三自由度微动方法，当以柔性铰链3的中心为圆心，并以此点为微动输出的参考点，以第一压电陶瓷1-1的中心轴为y轴，在这个平面坐标系中，所述装置能够完成三个自由度的微动，不仅能够实现参考点在x、y方向的平动，还能够实现参考点绕任意一个机构的中轴上某个固定位置点即中轴上电磁铁与压电陶瓷的交接点的转动；该装置最基本的作动原理如下：在初始位置，若锁止本装置的一个机构，以给第一电磁铁2-1通电锁止为例，锁止后，给第一压电陶瓷1-1通电使其伸长，然后给第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3通电使其锁止，再给第一电磁铁2-1断电解除锁止，给第一压电陶瓷1-1断电使其恢复原长，此时整个机构向y轴负方向平移；若锁止本装置的两个机构，以给第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3通电锁止为例，锁止后，给第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3通电使其分别伸长一个位移量，两个位移量相同或不同，于是第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3分别给予柔性铰链3两个力，柔性铰链3在两个力的作用下发生形变，中心参考点产生向某个角度的平移；此后，有两种控制方式：其一，若要使参考点停留在该处并保持输出，给第一电磁铁2-1通电使其锁止，给第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3断电使其解除锁止，这时柔性铰链3恢复原始状态，对第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3断电，使整个装置恢复原始形状，此时参考点输出了上述某个角度上的的平移；当第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3的伸长量相同时，此时参考点向y轴正方向平移；其二，若要使参考点绕第三压电陶瓷1-3的末端点顺时针转动一个角度，给第二电磁铁2-2断电解除锁止，第三电磁铁2-3仍处于锁止状态，这时柔性铰链3恢复原始状态，对第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3断电，使整个装置恢复原始形状，此时参考点绕第三压电陶瓷1-3的末端点顺时针转动了一个角度；根据上述原理，调整三个机构的锁止状态、作动顺序和伸长量，能够实现参考点绕第一压电陶瓷1-1、第二压电陶瓷1-2或第三压电陶瓷1-3的末端点的转动，以及在平面内不同角度的平移，如果要实现x轴正方向的平移，则首先锁止第一电磁铁2-1和第二电磁铁2-2，再对第一压电陶瓷1-1和第二压电陶瓷1-2通电使其分别伸长即可，当两者的伸长量满足一定数值关系时，能够使实现参考点在x轴正方向上的平移；同理，再次改变锁止与作动顺序，能够实现参考点在x轴负方向上的平移。和现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1)本专利技术能够实现装置在x、y轴上的平动和绕任意一个压电陶瓷末端点的转动，故本装置的工作方式能够设置为步进式、大行程的平动或转动。2)本专利技术能够实现参考点在偏离某个机构中轴的小角度上的平移，通过坐标系转换和对每个机构的伸长量与锁止状态的锁止，理论上经过多次作动，能够实现参考点在平面内的自由移动。3)本专利技术采用人字形、两两中轴夹角120°分布的结构，稳定性高，精度高。附图说明图1为本专利技术立体示意图。图2为本专利技术右视图。图3为本专利技术装置在y轴负方向平移的示意图。图4为本专利技术在其中两个压电陶瓷伸长后，原中心位置的参考点的位移状态。图5为本专利技术装置绕第三压电陶瓷末端点转动的示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。如图1和图3所示，在初始位置，给第一电磁铁2-1通电锁止，给第一压电陶瓷1-1通电使其伸长，然后给第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3通电使其锁止，再给第一电磁铁2-1断电，给第一压电陶瓷1-1断电使其恢复原长，此时整个机构向y轴负方向平移。如图1和图4所示，在初始位置，给第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3通电锁止，给第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3通电使其伸长相同的位移量，即L1＝L2，于是第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3分别给予柔性铰链3两个力，这两个力大小相同，柔性铰链3在两个力的作用下发生形变，此时参考点向y轴正方向平移，给第一电磁铁2-1通电使其锁止，给第二电磁铁2-2和第三电磁铁2-3断电解除锁止，给第二压电陶瓷1-2和第三压电陶瓷1-3断电使其恢复原长，此时，整个装置向y轴正方向平移。如图1和图4所示，在初始位置，给第一电磁铁2-1和第二电磁铁2-2通电锁止，给第一压电陶瓷1-1和第二压电陶瓷1-2通电使其伸长，如图4，可以列出参考点的偏转角β、位移a与L(中心到压电陶瓷末端点的长度)、伸长量L1与L2的数值关系，当L一定时，β、a与L1、L2有确定的数值关系：当两者的伸长量满足一定数值关系时，能够使实现参考点在x轴正方向上的平移；类似的，在初始位置，给第一电磁铁2-1和第三电磁铁2-3通电锁止，给第一压电陶瓷1-1和第三压电陶瓷1-3通电使其伸长，当两者的伸长量满足一定数值关系时，能够使实现参考点在x轴负方向上的平移；要实现在x轴正方向的平移，只需令β＝30°，要实现x轴负方向的平移，只需令β＝-30°，已知目标平移量为a和原始长度L，代入上述方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，其特征在于：包括柔性铰链(3)、第一压电陶瓷(1‑1)、第二压电陶瓷(1‑2)、第三压电陶瓷(1‑3)、第一电磁铁(2‑1)、第二电磁铁(2‑2)和第三电磁铁(2‑3)，其中，第一压电陶瓷(1‑1)一端和第一电磁铁(2‑1)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第一个机构，第二压电陶瓷(1‑2)一端和第二电磁铁(2‑2)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第二个机构，第三压电陶瓷(1‑3)一端和第三电磁铁(2‑3)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第三个机构；三个机构呈两两中轴夹角120°分布，中心点即为柔性铰链(3)的中心点。

【技术特征摘要】
1.一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，其特征在于：包括柔性铰链(3)、第一压电陶瓷(1-1)、第二压电陶瓷(1-2)、第三压电陶瓷(1-3)、第一电磁铁(2-1)、第二电磁铁(2-2)和第三电磁铁(2-3)，其中，第一压电陶瓷(1-1)一端和第一电磁铁(2-1)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第一个机构，第二压电陶瓷(1-2)一端和第二电磁铁(2-2)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第二个机构，第三压电陶瓷(1-3)一端和第三电磁铁(2-3)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第三个机构；三个机构呈两两中轴夹角120°分布，中心点即为柔性铰链(3)的中心点。2.根据权利要求1所述的一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，其特征在于：所述第一压电陶瓷(1-1)、第二压电陶瓷(1-2)、第三压电陶瓷(1-3)提供输入位移，并对柔性铰链(3)施加力；第一电磁铁(2-1)、第二电磁铁(2-2)、第三电磁铁(2-3)在通电后产生磁性，在磁力的作用下固定于金属底面，起到锁止的作用。3.根据权利要求1所述的一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，其特征在于：通过控制第一电磁铁(2-1)、第二电磁铁(2-2)和第三电磁铁(2-3)的通断电状态，能够控制每个机构末端的锁止状态；通过控制第一压电陶瓷(1-1)、第二压电陶瓷(1-2)和第三压电陶瓷(1-3)两端的电压，能够控制每个机构的伸长位移，在一定情况下输出的力会作用于柔性铰链，使其发生变形；由此，通过对电压的控制，各机构和柔性铰链相互配合，整个装置能够在金属底面上产生想要的平动微位移和转动微角位移。4.权利要求1所述的一种基于人字结构的平面三自由度微动装置的平面三自由度微动方法，其特征在于：当以柔性铰链(3)的中心为圆心，并以此点为微动输出的参考点，以第一压电陶瓷(1-1)的中心轴为y轴，在这个平面坐标系中，所述装置能够完成三个自由度的微动，不仅能够实现参考点在x、y方向的平动，还能够实现参考点绕任意一个机构的中轴上某个固定位置点即中轴上电磁铁与压电陶瓷的交接点的转动；该装置最基本的作动原理如下：在初始位置，若...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷俊琪，徐明龙，宋思扬，邵恕宝，张丰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61