压电-电磁混合驱动的XYθz三自由度柔性作动器及方法技术

本发明专利技术一种压电‑电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器及方法，该作动器包括上平台、底座、音圈电机和压电堆；所述上平台包括U形移动块、分别与移动块的内部和外部通过H形柔性铰链和双平行板柔性铰链连接的动平台、分设在四个角部的固定体以及与动平台嵌套式设计的变截面梁；所述变截面梁包括中间的输出质量块和与之两端相连接的偏转梁；动平台由音圈电机驱动，变截面梁用压电陶瓷驱动，从而可实现质量块在低电压下进行较大行程的XY平动和一定范围的绕Z轴偏转；双平行板柔性铰链和H形柔性铰链的弹性元件设计提供了相应自由度的移动副，使得运动解耦；故本发明专利技术作动器位移分辨率高、响应快、功耗低、且驱动构件可一体化加工，可实现目标物的XYθZ三自由度高精度独立调节。

Piezoelectric electromagnetic hybrid driving XY 6 Z three degree of freedom flexible actuator and method

The invention relates to a piezoelectric electromagnetic hybrid driving XY 6 Z three degree of freedom flexible actuator and method, the actuator comprises an upper platform, a base, a voice coil motor and piezoelectric stack; the platform comprises a U shaped mobile block, respectively with the moving block inside and outside through the H shaped flexible hinge and double parallel plate flexure hinges of the moving platform and the fixed body is divided into four corners and moving platform nested design of variable cross section beam; the tapered beam including the output quality of block in the middle of the deflection and connected with the two ends of the beam; the movable platform driven by voice coil motor, with pressure PZT variable section beams, which can realize mass around Z axis deflection under low voltage large stroke XY translation and to some extent; the elastic element design of double parallel plate flexure hinge and flexure hinge H provides mobile side corresponding degrees of freedom, the Motion decoupling. Therefore, the actuator has high resolution, fast response and low power consumption, and the driving components can be processed integrally. The XY theta Z three degree of freedom of objects can be independently adjusted with high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
压电-电磁混合驱动的XYθz三自由度柔性作动器及方法
本专利技术涉及XYθz三自由度作动
，具体涉及一种压电-电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器及其作动方法。
技术介绍
近年来，随着微纳米定位技术、微机电系统技术(MEMS)和航天通讯技术等高新技术的迅速发展，多自由度微位移定位平台在天文望远镜、图像稳定控制以及卫星成像等方面成为不可或缺的部件。目前情况下，已有的XYθZ三自由度压电型驱动机构虽然重量轻、响应快和作动精度高，但由于线位移作动行程小，驱动电压高，限制了其应用范围。而由于其应用环境的特殊性，往往还要求作动机构在低驱动电压下具有较大的平动位移和一定范围的角位移。音圈电机具有结构简单、体积小、高精度、力控制精确、急速响应、寿命长以及驱动行程大等卓越特性。因此音圈电机也被广泛应用于精密作动领域中。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种压电-电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器及方法，该作动器基于压电和电磁混合驱动，结合了压电和音圈电机各自的优点，在具有体积小、响应快、高的位移分辨率等特点的同时，还能在低电压下实现较大的XY平动位移和满足应用需求的绕Z轴角位移；并且驱动构件可一体化加工而成，避免了多个驱动构件安装带来的不可控误差，可实现XYθZ三自由度高精度独立调节。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种压电-电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器，包括上平台1和底座2；所述上平台1包括四个两两开口相对的U形移动块3、与U形移动块3的内部通过H形柔性铰链12连接的动平台4、与动平台4之间通过柔性铰链连接的居中设置的变截面梁5以及与U形移动块3的外部通过双平行板柔性铰链13连接的分设在四个角部的固定体11，位于变截面梁5两端异侧的动平台4上开有凹槽，凹槽内设置有带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10；所述底座2的四角设置有四个支撑体2-1，相邻边设置有固定基座2-2；所述变截面梁5包括位于中心的输出质量块5-1以及分别与输出质量块5-1两端通过直圆柔性铰链连接的第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3；还包括设置在位于上平台1相邻侧面的连接块7与底座2的固定基座2-2之间的第一音圈电机6和第二音圈电机8；所述第一音圈电机6包括第一磁缸6-2和置于第一磁缸6-2内的第一线圈6-1；所述第二音圈电机8与第一音圈电机6组成和规格均相同；所述的输出质量块5-1的上表面粘接控制目标，用于实现目标物的XYθZ三自由度作动调节。所述的第一音圈电机6和第二音圈电机8的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与连接块7和位于底座2上的固定基座2-2固定连接；所述带预压力的第一压电堆9和第二压电堆(10)安装在上平台1内，一端嵌入动平台4的凹槽内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3连接的凹槽内；所述分设在上平台1四个角部的固定体11分别于底座2设置的四个支撑体2-1通过螺钉固定连接。所述的上平台1和底座2均分别采用精密慢走丝线切割工艺一体化加工。上述所述的一种压电-电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器的作动方法：当对第一音圈电机6输入控制电信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿X轴正方向运动，同时对U形移动块3产生一个推力；通过克服相应双平行板柔性铰链13和H形柔性铰链12的弹性力，实现动平台4沿X轴正方向输出位移；从而带动输出质量块5-1沿X轴正方向产生一个线位移；反之，当对第一音圈电机6输入相反的控制电信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿X轴负方向运动，同时对U形移动块3产生一个拉力；从而实现输出质量块5-1沿X轴负方向产生一个线位移；基于与X轴方向相同的作动方法，通过第二音圈电机8能够实现输出质量块5-1沿Y轴方向产生双向输出位移；当安装在上平台1内的带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10在一对大小相等方向相同的电压作用下，基于压电材料的逆压电效应，压电堆产生大小相等方向相反的一对输出力和位移，分别通过柔性铰链推动相连的第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3沿伸长方向产生偏转，进而通过柔性铰链驱动位于中间的输出质量块5-1产生绕Z轴角位移。所述X轴和Y轴方向上的线位移作动调节，以及绕Z轴方向上的角位移作动调节均为独立驱动；双平行板柔性铰链13和H形柔性铰链12的设计不仅作为弹性约束元件提供了相应自由度的移动副，也使得动平台4沿X轴和Y轴方向上的运动解耦，避免了附加位移的产生；且由于动平台4与变截面梁5的嵌套式设计，使得输出质量块5-1沿X、Y轴线位移输出与绕Z轴角位移输出独立；整个作动器无机械摩擦，能够实现目标物的XYθZ三自由度高精度独立调节。本专利技术与现有技术相比较，具有如下优点：1)本专利技术采用压电和电磁混合作动，具有体积小、响应快、高的位移分辨率等特点的同时，还能在低电压下实现较大的XY平动位移和满足应用需求的绕Z轴角位移，从而具有功耗小、行程大等特点。2)本专利技术的上平台驱动构件可一体化加工而成，避免了多个驱动构件安装带来的不可控误差，可实现XYθZ三自由度高精度独立调节。3)本专利技术采用的柔性铰链利用弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦；且双平行板柔性铰链和H形柔性铰链的设计不仅作为弹性约束元件提供了相应自由度的移动副，也使得运动解耦，使机构具有高位移分辨率、高精度等特点。附图说明图1为本专利技术立体结构示意图。图2为上平台结构俯视图。图3为部分结构构件示意图，其中图3A为底座结构示意图，图3B为变截面梁结构示意图，图3C为音圈电机结构示意图。图4为本专利技术沿X轴直线位移驱动原理示意图。图5为本专利技术绕Z轴角位移驱动原理示意图。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，图2和图3所示，本专利技术一种压电-电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器，包括上平台1、底座2、位于上平台1相邻侧面的连接块7与底座2之间的第一音圈电机6和第二音圈电机8以及位于上平台1内部凹槽中的带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10；所述上平台1包括U形移动块3、与U形移动块3的内部通过H形柔性铰链12连接的动平台4、与动平台4之间通过柔性铰链连接的居中设置的变截面梁5以及与U形移动块3的外部通过双平行板柔性铰链13连接的分设在四个角部的固定体11，位于变截面梁5两端异侧的动平台4上开有凹槽，凹槽内设置有带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10；所述底座2的四角设置有四个支撑体2-1，相邻边设置有固定基座2-2；所述变截面梁5包括位于中心的输出质量块5-1以及分别与输出质量块5-1两端通过直圆柔性铰链连接的第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3；所述第一音圈电机6包括第一磁缸6-2和置于第一磁缸6-2内的第一线圈6-1；所述第二音圈电机8与第一音圈电机6组成和规格均相同。所述的输出质量块5-1的上表面可粘接控制目标，用于实现目标物的XYθZ三自由度作动调节。作为本专利技术的优选实施方式，所述的第一音圈电机6和第二音圈电机8的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与连接块7和位于底座2上的固定基座2-2固定连接；所述带预压力的第一压电堆9和第二压电堆(10)安装在上平台1内，一端嵌入动平台4的凹槽内，另一端分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电‑电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器，其特征在于：包括上平台(1)和底座(2)；其特征在于：所述上平台(1)包括四个两两开口相对的U形移动块(3)、与U形移动块(3)的内部通过H形柔性铰链(12)连接的动平台(4)、与动平台(4)之间通过柔性铰链连接的居中设置的变截面梁(5)以及与U形移动块(3)的外部通过双平行板柔性铰链(13)连接的分设在四个角部的固定体(11)，位于变截面梁(5)两端异侧的动平台(4)上开有凹槽，凹槽内设置有带预压力的第一压电堆(9)和第二压电堆(10)；所述底座(2)的四角设置有四个支撑体(2‑1)，相邻边设置有固定基座(2‑2)；所述变截面梁(5)包括位于中心的输出质量块(5‑1)以及分别与输出质量块(5‑1)两端通过直圆柔性铰链连接的第一偏转梁(5‑2)和第二偏转梁(5‑3)；还包括设置在位于上平台(1)相邻侧面的连接块(7)与底座(2)的固定基座(2‑2)之间的第一音圈电机(6)和第二音圈电机(8)；所述第一音圈电机(6)包括第一磁缸(6‑2)和置于第一磁缸(6‑2)内的第一线圈(6‑1)；所述第二音圈电机(8)与第一音圈电机(6)组成和规格均相同；所述的输出质量块(5‑1)的上表面粘接控制目标，用于实现目标物的XYθZ三自由度作动调节。...

【技术特征摘要】
1.一种压电-电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器，其特征在于：包括上平台(1)和底座(2)；其特征在于：所述上平台(1)包括四个两两开口相对的U形移动块(3)、与U形移动块(3)的内部通过H形柔性铰链(12)连接的动平台(4)、与动平台(4)之间通过柔性铰链连接的居中设置的变截面梁(5)以及与U形移动块(3)的外部通过双平行板柔性铰链(13)连接的分设在四个角部的固定体(11)，位于变截面梁(5)两端异侧的动平台(4)上开有凹槽，凹槽内设置有带预压力的第一压电堆(9)和第二压电堆(10)；所述底座(2)的四角设置有四个支撑体(2-1)，相邻边设置有固定基座(2-2)；所述变截面梁(5)包括位于中心的输出质量块(5-1)以及分别与输出质量块(5-1)两端通过直圆柔性铰链连接的第一偏转梁(5-2)和第二偏转梁(5-3)；还包括设置在位于上平台(1)相邻侧面的连接块(7)与底座(2)的固定基座(2-2)之间的第一音圈电机(6)和第二音圈电机(8)；所述第一音圈电机(6)包括第一磁缸(6-2)和置于第一磁缸(6-2)内的第一线圈(6-1)；所述第二音圈电机(8)与第一音圈电机(6)组成和规格均相同；所述的输出质量块(5-1)的上表面粘接控制目标，用于实现目标物的XYθZ三自由度作动调节。2.根据权利要求1所述的一种压电-电磁混合驱动的XYθZ三自由度柔性作动器，其特征在于：所述的第一音圈电机(6)和第二音圈电机(8)的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与连接块(7)和位于底座(2)上的固定基座(2-2)固定连接；所述带预压力的第一压电堆(9)和第二压电堆(10)安装在上平台(1)内，一端嵌入动平台(4)的凹槽内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第一偏转梁(5-2)和第二偏转梁(5-3)连接的凹槽内；所述分设在上平台(1)四个角部的固定体(11)分别于底座(2)设置的四个支撑体(2-1)通过螺钉固定连接。3.根据权利要求1所述的一种压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖瑞江，徐明龙，田征，韩文文，王源，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61