基于柔性铰链放大的压电微动平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压电叠堆驱动的微动平台。 技术背景
[0002] 作为微机电系统的关键组成部分，微动平台广泛应用于装载精密仪器或其关键部 件如常见的光学镜头、精密微操终杆和微夹持器。因此，微动平台需要具有多维运动和极高 的分辨率。
[0003] 与静电梳齿驱动、电热驱动和形状记忆合金驱动等相比，压电叠堆驱动具有分辨 率高、驱动力大、频响范围宽、响应速度快和动态特性好等优点，因而特别适合用于驱动微 动平台。在微装配技术领域，经常需要使用微动平台带动微夹持器进行微米级别到毫米级 别的运动，因此，微动平台应该具有大行程，此外，为了更好的进行高精度的装配，需要对微 动平台的位置进行在线监测，并进行反馈控制。
[0004] 现有的关于微动平台的检测，多采用视觉检测、激光传感器检测或者电容检测等 方法来检测平台的位置，检测成本较高，也难以集成到微操作系统中去。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术存在的微动平台行程不够大的缺点，本发明提供了一种能够放 大微驱动器的驱动位移的基于柔性铰链放大的压电微动平台。
[0006] 基于柔性铰链放大的压电微动平台，包括机架和载物平台； 机架上安装微驱动器和放大微驱动器的驱动位移的放大机构； 放大机构为安装于机架上的双摇杆机构；双摇杆机构的主动摇杆远离连杆的一端设延 伸段，主动摇杆延伸段的自由端抵住微驱动器；主动摇杆及其延伸段以主动摇杆与机架的 铰接点为支点形成放大杠杆；连杆远离主动摇杆的一端设延伸段； 载物平台与使其沿指定方向平动的解親机构连接，解親机构由至少一对解親单元组 成，两个解耦单元关于载物平台中心对称；每个解耦单元由连接臂和一对柔性臂组成，每个 柔性臂一端与机架铰接，另一端与连接臂铰接，连接臂的另一端与载物平台铰接； 连杆延伸段与任一解親单元铰接。
[0007] 进一步，微驱动器为压电叠堆驱动器，每个柔性臂对应位移传感器。
[0008] 进一步，位移传感器为一对位置检测应变片，一对位移检测应变片分别粘接固定 于柔性臂的两侧面上，每对解耦单元的位置检测应变片组成桥接电路，桥接电路通过应 变放大器放大后、由A/D 口通过PCI板卡传输到工控机上，工控机计算获得平台的位移， x = |X为平台的位移，U1为桥接电路经应变放大器放大后的输出电压，先为比例系数。 k
[0009] 桥接电路是由每个柔性臂上选取一个位置检测应变片，四个柔性臂上的4个位置 检测应变片组成一个全桥模式的桥接电路，一对解耦单元组成2个全桥模式的桥接电路。 或者，桥接电路由每个解耦单元选择1个位置检测应变片与另一个解耦单元的1个位置检 测应变片组成半桥模式的桥接电路，一对解耦单元组成4个半桥模式的桥接电路。
[0010] 本发明在使用前，需要先校准获得比例系数I具体做法是：先用激光传感器检测 出当前平台的位移4，位置检测应变片的输出电压U1，即可得到
[0011] 进一步，连杆延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸。连杆呈L形。
[0012] 进一步，解耦机构包含沿X轴向设置的一对解耦单元和沿Y轴向设置的一对解耦 单元；每对解耦单元分别连接一个放大机构，每个放大机构分别对应一个微驱动器。
[0013] 进一步，每个解耦单元中，连接臂由平行的一对支臂组成；连接臂、柔性臂以及放 大机构的连杆延伸段均铰接于一连接件。
[0014] 进一步，四个解耦单元以载物平台的中心为圆心阵列分布，相邻柔性臂铰接于机 架上的同一铰链，所有柔性臂围成一个平行四边形。
[0015] 进一步，载物平台呈正方形，解耦单元分别位于载物平台各边的中点，所有柔性臂 等长，柔性臂围成一个正方形。
[0016] 进一步，机架、双摇杆机构和平行四边形机构经线切割获得，机架和主动摇杆之间 为第一切割缝隙，第一切割区域与压电叠堆驱动器间隙配合，主动摇杆延伸段与机架之间 有间隙，压电叠堆驱动器通过预紧螺钉与主动摇杆延伸段接触；机架、主动摇杆、被动摇杆 围成的区域为第二切割缝隙；机架、被动摇杆、连杆和柔性臂围成的区域为第三切割缝隙； 柔性臂和铰链支臂之间的区域为第四切割缝隙；铰链支臂、载物平台和连接件之间的区域 为第五切割间隙；被动摇杆与机架的铰链、被动摇杆与连杆的铰链、主动摇杆与连杆的铰 链、主动摇杆与机架的铰链、连杆延伸段与连接件的铰链均为双切口柔性铰链，铰链支臂 与载物平台和连接件的铰接为单切口柔性铰链。
[0017] 本发明在使用时，对压电叠堆驱动器施加通过功率放大器放大后的电压，压电叠 堆驱动器伸长，压电叠堆驱动器将主动摇杆延伸段向外推，主动摇杆以其与机架的铰链为 支点、使主动摇杆的另一端向外摆动；在连杆与主动摇杆的铰链的作用下，连杆的一端也向 外运动，连杆以其与被动摇杆的铰链为支点、使连杆延伸段向内摆动；在连杆与连接件的铰 链的作用下，解耦机构以柔性臂与机架的铰链为支点，向Z方向平动，从而带动载物平台沿 Z方向平动。
[0018] 由此可知，主动摇杆作为第一个杠杆，当主动摇杆延伸段尺寸小于主动摇杆不含 延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第一次放大；连杆作为第二个杠杆， 当连杆延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第 二次放大；解耦机构则对位移放大机构传递过来的形变量进行解耦，使其只沿一个方向平 动。主动摇杆和连杆均为刚性件，因此他们对压电叠堆驱动器的形变量是成比例的放大，通 过初始化校准即可获得压电叠堆驱动器输出的形变量与载物平台的实际位移之间的比例 系数。将比例系数预存于工控机内，即可实现实施检测平台Z方向的位移的目的了。对于 方向的位移，也同理可得。
[0019] 当压电叠堆驱动器失去电压时，主动摇杆、连杆和平行四边形机构复位，载物平台 回到初始位置。
[0020] 本发明的优点在于： 1.通过双摇杆机构和平行四边形机构实现对压电叠堆驱动器的输出位移的放大和解 耦，使得微动平台具有两个维度方向上的大行程。
[0021] 2.放大机构采用柔性铰链，并通过线切割加工而成，整个柔性铰链放大机构为一 个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点。
[0022] 3.集成了位置检测，便于进行高精度的操作和控制。
[0023] 4.重量轻、操作方便，适用于微操作机器人系统和微机电系统。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明结构示意图。
[0025] 图2是柔性铰链放大机构运动示意图。
[0026] 图3是本发明控制结构示意图。
[0027] 图4是柔性铰链放大机构结构示意图。
【具体实施方式】
[0028] 如图1所示，基于柔性铰链放大的压电微动平台，包括机架1和载物平台16 ;机架 1上安装微驱动器5和放大微驱动器5的驱动位移的放大机构。
[0029] 如图2所示，放大机构为安装于机架1上的双摇杆机构；双摇杆机构的主动摇杆 12远离连杆17的一端设延伸段，主动摇杆延伸段11的自由端抵住微驱动器5 ;主动摇杆12 及其延伸段11以主动摇杆12与机架1的铰接点为支点形成放大杠杆；主动摇杆12延伸段 的长度小于主动摇杆12不含延伸段的长度，因此，主动摇杆12利用杠杆放大效应第一次放 大微驱动器5的位移。连杆17远离主动摇杆12的一端设延伸段。载物平台16与使其沿 指定方向平动的解耦机构连接，解耦机构由至少一对解耦单元组成，两个解耦单元关于载 物平台16中心对称；每个解耦单元由连接臂13和一对柔性臂14组成，每个柔性臂14 一端 与机架1铰接，另一端与连接臂13铰接，连接臂13的另一端与载物平台16铰接；连杆17 延伸段与任一解耦单元铰接。
[0030] 驱动微驱动器5形变，以微驱动器5将主动摇杆12延伸段向外推为例，主动摇杆 12以其与机架1的铰链为支点、使主动摇杆12的另一端向外摆动；主动摇杆12作为第一 个杠杆对微驱动器5的形变量进行第一次放大；在连杆17与主动摇杆12的铰链的作用下， 连杆17的一端也向外运动，连杆17以其与被动摇杆18的铰链为支点、使连杆17延伸段向 内摆动；在连杆17与连接件15的铰链的作用下，平行四边形机构以其与机架1的铰链为支 点，向Z方向平动，从而带动载物平台16沿z方向平动。当微驱动器5恢复形变时，主动摇 杆12、连杆17和解耦机构复位，载物平台16回到初始位置。
[0031] 微驱动器5为压电叠堆驱动器，每个柔性臂14对应一个位移传感