一种无轴漂的压电驱动微转台的制作方法

1.本发明涉及小型精密设备的机械要素或光学要素等的微驱动机构技术领域，具体是指一种无轴漂的压电驱动微转台。


背景技术：

2.微纳定位可以实现微米级或者纳米级别的定位，随着科技越来越发达，微纳定位系统的应用也越来越广泛，在航空航天、机械电子、医疗卫生领域以及日常生活中都有所体现。微纳定位平台作为微纳定位系统的重要部件，一般分为驱动机构与导向机构两部分，同时微纳定位平台也是连接宏观与微观的重要一环，因此对其的研究尤为重要。但是随着扫描探针显微镜、生物医疗方向、精密制造技术以及芯片的高速发展，人们对微纳定位平台的定位精度及行程等性能也逐渐提升。
3.目前针对微纳定位平台的研究基本上平动的居多，因为平动的定位平台没有柔性铰链寄生运动而产生的误差，平动的微纳定位平台误差较小，有利于研究和保证精度。而做旋转运动的定位平台有轴漂运动产生的误差，没有一个准确的旋转中心，微旋转定位平台的设计要考虑这方面带来的误差；因此对于单自由度微旋转定位转台的研究较少。
4.而在针对微旋转定位平台的设计中，现有微转动平台多是多自由度的微动平台，通过两个对称式压电陶瓷驱动，或三个夹角为120
°
排列的压电陶瓷的联动控制实现微转动功能，控制比较复杂，对于需要纯转动的场合，采用多个压电陶瓷驱动，造成运动冗余，系统体积增大，成本较高，且普遍存在轴向漂移。现有技术针对单个压电陶瓷驱动的微旋转定位平台少之又少。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种采用单个压电陶瓷驱动的无轴漂的压电驱动微转台，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无轴漂的压电驱动微转台仅采用一压电陶瓷驱动器作为驱动源，其包括一体结构的：固定部，具有平台空间；输出平台，绕其微转中心转动，位于固定部的平台空间内；驱动机构，用于将其输入量进行单轴方向的直线位移输出，与固定部柔性连接；斜柔性梁，与驱动机构连接，用于与驱动机构协同作用以在输出平台上产生至少两个不同方向的切向分力，斜柔性梁和与其输入端连接的驱动机构的位移输出线形成驱动角a，0＜a≤45
°
，并偏离微转中心设置，以对输出平台施加偏心致动力。
7.可替代地，驱动机构为两个，对称设置于微转中心的左右两侧，驱动机构呈t形结构，包括驱动部和导向部，导向部两端对称于位移输出线，并与固定部柔性连接，压电陶瓷驱动器安装于两个驱动部端面之间，经两个驱动机构传递输出两对称相反并沿微转中心的
直线位移，且两个直线位移对称于微转中心，一驱动部的前侧面与输出平台通过斜柔性梁连接，另一驱动部的后侧面与输出平台通过斜柔性梁连接，两个斜柔性梁旋转对称设置，且同为受拉柔性梁或受压柔性梁，记为第一斜柔性梁。
8.优选地，一驱动部的后侧面与输出平台通过平行于第一斜柔性梁的第二斜柔性梁连接，另一驱动部的前侧面与输出平台通过平行于第一斜柔性梁的第二斜柔性梁连接，第一斜柔性梁和第二斜柔性梁相错布置于各自的驱动部上，两个第二斜柔性梁旋转对称设置，第二斜柔性梁与第一斜柔性梁的受力形式相反，且第二斜柔性梁和第一斜柔性梁的驱动角均为a=45
°
。
9.进一步优选地，输出平台的两侧通过对称设置的两根微转导向梁分别与固定部柔性连接，两根微转导向梁与微转中心共线。
10.进一步优选地，两根第一斜柔性梁和两根第二斜柔性梁分别与输出平台的连接点分布于同一个驱动圆上，驱动圆的圆心即为微转中心。
11.进一步优选地，固定部上对称设有两个预紧螺钉，驱动机构上沿驱动部贯穿设置有驱动螺纹孔，两个预紧螺钉分别穿过驱动螺纹孔并分别与压电陶瓷驱动器连接。
12.可替代地，驱动机构包括呈正交布置的主动驱动机构和从动驱动机构，主动驱动机构偏离设置于微转中心的一侧并横向布置，其两端与固定部柔性连接以导向驱动，压电陶瓷驱动器与主动驱动机构的后侧面连接，主动驱动机构前侧面连接输出平台以输入纵向致动力，斜柔性梁一端与主动驱动机构的后侧面连接，另一端与从动驱动机构连接，从动驱动机构两端与固定部柔性连接，从动驱动机构连接输出平台以输入横向致动力，斜柔性梁与主动驱动机构的位移输出线间的驱动角a=45
°
，固定部包括主体框架和圆形的中部固定平台，中部固定平台沿微转中心线设置，输出平台设置有沿微转中心线的导向轴孔，导向轴孔通过环形均匀分布的数个内绕心导向梁与中部固定平台外周面柔性连接。
13.优选地，输出平台上沿径向面分别设置位于纵向方向上的第一从动连接平面和位于横向方向上的第二从动连接平面，从动驱动机构通过第一双平行柔性驱动梁垂直连接第一从动连接平面，主动驱动机构后侧面通过第二双平行柔性驱动梁垂直连接第二从动连接平面。
14.进一步优选地，输出平台为圆形结构，且主体框架为环形结构，输出平台的外周面通过环形均匀分布的数个外绕心导向梁与主体框架的内环面柔性连接。
15.进一步优选地，主体框架上设有预紧螺钉，用于螺纹连接压电陶瓷驱动器以产生预紧压力。
16.与现有技术相比，本发明的压电驱动微转台具有以下的有益效果：1、该微转台采用单一压电陶瓷驱动器进行驱动，通过线切割形成的驱动机构和斜柔性梁的协同作用下将压电陶瓷驱动器的线性输入量转化为输出平台的微转角位移，因驱动机构和斜柔性梁均为线切割形成的柔性件，其具有运动无间隙、无摩擦、无需润滑、结构紧凑、精度高的特点，利用其对单一动力源进行转化后向输出平台输出微角转移动力，与现有技术的多个联动输入实现微转动相比，其具有易于控制，运动简单可靠，输出精度高，微转台整体结构简单小巧，性价比高，利于光学设备的小型化设计；2、实施例一中的微转台采用对称并沿微转径向线布置的两个驱动机构驱动输出平台微转，通过四个斜柔性梁同步进行拉伸和推压，四个斜柔性梁的径向力相互抵消，并产
生四个切向力同步驱转输出平台绕自微转中心动态微转，该微转台具有自定心功能，不需中心约束，在动态微转过程中始终具有准确的旋转中心，轴漂运动相对较小，动态微角位移输出的偏心误差小；3、实施例二中的微转台采用正交布置的主动驱动机构和从动驱动机构共同驱动，通过斜柔性梁将偏离微转中心布置的压电陶瓷驱动器的输入进行传递，同步产生两个正交的切向驱动力，在中部固定平台的旋转中心约束和导向下，绕约束微转中心转动，因此压电陶瓷驱动器的输出能量经分散均衡输入后，有效提高输入效率并有利于减小轴漂，输出平台的动态微角位移输出偏心误差小；
附图说明
17.图1为本发明实施例一的压电驱动微转台装配立体图；图2为本发明实施例一的压电驱动微转台装配爆炸图图3为本发明实施例一的压电驱动微转台的正视图；图4为本发明实施例一的压电驱动微转台的下轴测视图；图5为本发明实施例二的压电驱动微转台的正视图；图6为本发明实施例一的压电驱动微转台微转状态下的形变仿真图；图7为本发明实施例二的压电驱动微转台微转状态下的形变仿真图。
18.图中：101、201、主体框架；111、预紧螺钉安装孔；102、202、输出平台；121、第一从动足；122、微转导向梁；123、第二从动足；124、陶瓷体容置槽；103、第一驱动机构；131、导向部；131a、231、261、双平行柔性导向梁；132、驱动部；132a、驱动螺纹孔；104、204、压电陶瓷驱动器；105、第一斜柔性梁；106、第二斜柔性梁；107、第二驱动机构；108、盖板；109、底板；110、211、预紧螺钉；203、主动驱动机构；232、第二双平行柔性驱动梁； 205、第三斜柔性梁；206、从动驱动机构；262、第一双平行柔性驱动梁；207、内绕心导向梁；208、外绕心导向梁；209、中部固定平台；209a、导向平台；o—自微转中心；p—约束微转中心。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明最佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.实施例一，如图1-4所示的无轴漂压电驱动微转台的一种实施方式，微转台主体固装于盖板108和底板109中间，其通过底板109固定至光学平台上，盖板108上切割形成与输出平台102相适应的形状，使得输出平台102伸出盖板108，以便放置被测物体，该实施方式中，微转台主体的微转中心位于压电陶瓷驱动器104中部；该实施方式中，微转台主体包括固定部、输出平台102、驱动机构和斜柔性梁，其采用硬铝合金通过电火花线切割一体化加工而成，斜柔性梁两端分别连接驱动机构和输出平台102，斜柔性梁偏心且与驱动机构位移输出线呈驱动角a，a定义为斜柔性梁和与其输入端连接的驱动机构的位移输出线形成的锐角，斜柔性梁的驱动角a具有对输出平台102转角进行放大的作用，输出平台102转角θ=δl*cota/2r，（δl为压电陶瓷驱动器104的伸长量，如
图3所示，r为斜柔性梁与输出平台102的连接点到微转中心的距离），斜柔性梁可在输出平台102旋转的切向方向产生分力，将驱动机构沿微转中心的直线输入转化为动态微角位移，为了保持输出平台102持续输出微转动，在具体实施时，若采用单一驱动机构，需配合设置微转中心的约束方可达到目的，但由于斜柔性梁产生径向方向的耦合力，使得输出平台102微转时发生轴漂，因此，为了平衡径向方向的耦合力，该实施方式优选设置两个对称位于输出平台102两侧的驱动机构，为了实现同步等量输出，两个驱动机构由同一压电陶瓷驱动器104驱动，两个驱动机构分别记为第一驱动机构103和第二驱动机构107；具体地，第一驱动机构103和第二驱动机构107均呈t型结构，包括驱动部132和导向部131，驱动部132即t形头，用于连接压电陶瓷驱动器104，导向部131用于约束导向直线位移的输出，固定部包括内部具有平台空间的主体框架101，可为方形框架结构或环形框架结构，该实施方式中优选方形框架结构的主体框架101，为了导向沿微转中心的直线位移输出，驱动部132为对称平行四边形柔性梁，即其两端为对称于微转中心的双平行柔性导向梁131a，驱动部132两端与主体框架101内侧面连接；主体框架101内具有位于输出平台102底部的驱动空间，用于安装压电陶瓷驱动器104，同样地，输出平台102可为圆盘形结构也可为方形板块结构，与主体框架101相适应，该实施方式优选方形板块结构，为了便于连接斜柔性梁，方形板块结构的输出平台102一端偏离微转中心延伸形成位于第一驱动机构103驱动部132前侧的第一从动足121，另一端同样偏离微转中心延伸形成位于第二驱动机构107驱动部132后侧的第一从动足121，第一驱动机构103驱动部132的前侧面与第一从动足121通过第一斜柔性梁105（受拉柔性梁）连接，第二驱动机构107驱动部132的后侧面与第一从动足121通过第一斜柔性梁105连接，以对输出平台102进行支撑与驱动，第一斜柔性梁105与驱动部132位移输出线呈驱动角a，0＜a≤45
°
，因此，在驱动部132直线输入下两个第一斜柔性梁105可产生偏心致动力（即拉伸力）产生的径向分力可进行抵消，而其切向分力同向且对称，可驱动输出平台102进行自定心并绕自微转中心o态微角位移，本实施例中，将第一斜柔性梁105（受拉柔性梁）替换成第二斜柔性梁106（受压柔性梁）亦可；本实施例中，作为最佳实施方案，为了对输出平台102进行均衡支撑和驱动，输出平台102两端均形成与各自端部的第一从动足121相对于自微转中心o对称的第二从动足123， 第一驱动机构103驱动部132的后侧面与第二从动足123通过第二斜柔性梁106连接，第二驱动机构107驱动部132的前侧面与第二从动足123通过第二斜柔性梁106连接，第一斜柔性梁105和第二斜柔性梁106的受力形式相反，即第一斜柔性梁105若为拉伸梁，则第二斜柔性梁106为推压梁，反之亦可，两个第一斜柔性梁105和两个第二斜柔性梁106均为旋转对称设置，且驱动角a=45
°
，以保持微转动态过程中动态变形的平衡，输出平台102转角θ=δl /2r，因此，驱动部132通过两侧的第一斜柔性梁105和第二斜柔性梁106同时输出拉伸驱动和推压驱动，另外两根第一斜柔性梁105和两根第二斜柔性梁106与输出平台102的连接点分布于同一个驱动圆上，产生四个分布于驱动圆上并同向等值切向分力可自动确定微转中心，即驱动圆的圆心，驱动输出平台102绕该自微转中心o动态输出微转角；为进一步地对输出平台102的微转进行导向，以从另一个方向导向输出平台102的转动，输出平台的两侧通过对称设置的两根微转导向梁分别与固定部柔性连接，两根微转导向梁与微转中心共线，即两根微转导向梁沿纵向径向面设置；如图6所示的最佳实施例的形变仿真图，等量微转形变环圆度高，各形变环的偏心误差小，在无中心约束下，其自动定心精度高，轴漂误差小，如
图6中所示，在输出平台102圆度高偏心误差小的区域呈矩形点阵分布设置连接孔，以向放置被测物体的外接平台输出无轴漂的高精微转运动。
21.此外，为了减小压电陶瓷驱动器104的响应时间，使用预紧螺钉110施加预紧压力对其进行预紧，两个预紧螺钉110可转动安装于主体框架101的两端，分别穿过并螺纹连接贯穿设置于第一驱动机构103和第二驱动机构107上的驱动螺纹孔132a，并与压电陶瓷驱动器104两端固定连接，两个驱动螺纹孔132a共线并沿驱动部132设置。
22.实施例二：如图5所示的无轴漂压电驱动微转台的又一种实施方式，该实施方式用于压电陶瓷驱动器204偏离微转中心布置的微转台中；在实施时，第三斜柔性梁205两端分别连接主动驱动机构203和从动驱动机构206，主动驱动机构203和从动驱动机构206呈正交布置，且均为对称平行四边形柔性梁，在输出平台202上沿微转中心径向方向设第一从动连接平面和第二从动连接平面，第一从动连接平面和第二从动连接平面相互垂直并均为径向面，主动驱动机构203两端与固定部柔性连接，并平行于第二从动连接平面，其通过垂直两者的第二双平行柔性驱动梁232柔性连接第二从动连接平面；从动驱动机构206两端与固定部柔性连接，在压电陶瓷驱动器204驱动及柔性导向下输出单轴方向的直线位移，第三斜柔性梁205与主动驱动机构203间具有驱动角a=45
°
，第三斜柔性梁205拉伸力可分解成切向分力和径向分力，由于从动驱动机构206通过第一双平行柔性驱动梁262垂直连接，并通过两端的双平行柔性导向梁231的单轴方向导向作用，将第三斜柔性梁205的输入量进行垂直于第一从动连接平面单轴输出，驱动输出平台202绕约束微转中心p微转角位移输出，寄生于从动驱动机构206的径向分力经对称平行四边形柔性梁与中部固定平台209之间的支撑力抵消，因此，第三斜柔性梁205、主动驱动机构203和从动驱动机构206协同变形将压电陶瓷驱动器204的偏离输入转化为输出平台202的微转动输出，压电陶瓷驱动器204的输出量通过主动驱动机构203纵向切向力的推动和从动驱动机构206横向切向力的拉动，将压电陶瓷驱动器204的输出能量分散均衡输入，有效提高输入效率并有利于减小轴漂运动，第三柔性斜梁的驱动角a=45
°
，可保持微转动态过程中动态变形的平衡，最佳实施方案的形变仿真图如图7所示，结果表明，等量微转形变环圆度高，各形变环的同轴度高，其中中部微转形变环的圆度误差和偏心误差较小，因此被测物体可通过连接件设置于中部环上，如图7中所示的环形分布于输出平台202的连接孔；为了进一步减小输出平台202轴漂误差，固定部包括主体框架201和圆形的中部固定平台209，中部固定平台209沿约束微转中心p线设置，输出平台202设置有沿微转中心线的导向轴孔，导向轴孔通过环形均匀分布的数个内绕心导向梁207与中部固定平台209外周面柔性连接，以导向输出平台202动态微转，当然同样地，输出平台202的外周面可通过环形均匀分布的数个外绕心导向梁208与外框架的内环面柔性连接，以进一步提高导向效果，增强轴漂阻力，减小动态微转角输出误差，内绕心导向梁207和外绕心导向梁208为直圆柔性铰链；为了适应该实施例的结构，输出平台202为圆形结构，同时，外框架为环形结构，输出平台202上切割形成容设驱动机构和压电陶瓷驱动器204的变形空间，如图5所示，中部固定平台209还延伸形成一位于变形空间内的导向平台209a，以便更好地柔性支撑及导向主动驱动机构203和从动驱动机构206；此外，压电陶瓷驱动器204安装于主体框架201内部平台空间内的，其一端与主动驱动机构203连接以输出，为了减小压电陶瓷驱动器204的响应时间，与实施例一相同，本实
施例使用预紧螺钉211螺纹连接压电陶瓷驱动器204另一端以施加预紧压力，预紧螺钉211螺纹可调设置于外框架上。
23.本文中所提及的“前”、“后”、“左”、“右”、“端”、“横向”、“纵向”等方位词，是以图3、图5所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”、“内”等在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
24.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种无轴漂的压电驱动微转台，其特征在于:仅采用一压电陶瓷驱动器作为驱动源，其包括一体结构的：固定部，具有平台空间；输出平台，绕其微转中心转动，位于所述固定部的所述平台空间内；驱动机构，用于将输入量进行单轴方向的直线位移输出，与所述固定部柔性连接；斜柔性梁，与所述驱动机构连接，用于与所述驱动机构协同作用以在所述输出平台上产生至少两个不同方向的切向分力，所述斜柔性梁和与其输入端连接的所述驱动机构的位移输出线形成驱动角a ，0＜a≤45
°
，并偏离所述微转中心设置，以对所述输出平台施加偏心致动力。2.根据权利要求1所述的压电驱动微转台，其特征在于：所述驱动机构为两个，对称设置于所述微转中心的左右两侧，所述驱动机构呈t形结构，包括驱动部和导向部，所述导向部两端对称于所述位移输出线，并与所述固定部柔性连接，所述压电陶瓷驱动器安装于两个所述驱动部端面之间，经两个所述驱动机构传递输出两对称相反并沿所述微转中心的所述直线位移，且两个所述直线位移对称于所述微转中心，一所述驱动部的前侧面与所述输出平台通过所述斜柔性梁连接，另一所述驱动部的后侧面与所述输出平台通过所述斜柔性梁连接，两个所述斜柔性梁为旋转对称设置，且同为受拉柔性梁或受压柔性梁，记为第一斜柔性梁。3.根据权利要求2所述的压电驱动微转台，其特征在于：一所述驱动部的后侧面与所述输出平台通过平行于所述第一斜柔性梁的第二斜柔性梁连接，另一所述驱动部的前侧面与所述输出平台通过平行于所述第一斜柔性梁的第二斜柔性梁连接，所述第一斜柔性梁和所述第二斜柔性梁相错布置于各自的所述驱动部上，两个所述第二斜柔性梁同样为旋转对称设置，所述第二斜柔性梁与所述第一斜柔性梁的受力形式相反，且所述第二斜柔性梁和所述第一斜柔性梁的驱动角均为a=45
°
。4.根据权利要求3所述的压电驱动微转台，其特征在于：两根所述第一斜柔性梁和两根所述第二斜柔性梁与所述输出平台连接的连接点分布于同一个驱动圆上，所述驱动圆的圆心即为所述微转中心。5.根据权利要求2至4中任一项所述的压电驱动微转台，其特征在于：所述输出平台的两侧通过对称设置的两根微转导向梁分别与所述固定部柔性连接，两根所述微转导向梁与所述微转中心共线。6.根据权利要求5所述的压电驱动微转台，其特征在于：所述固定部上对称设有两个预紧螺钉，所述驱动机构上沿驱动部贯穿设置有驱动螺纹孔，两个所述预紧螺钉分别穿过所述驱动螺纹孔并分别与所述压电陶瓷驱动器连接。7.根据权利要求1所述的压电驱动微转台，其特征在于：所述驱动机构包括呈正交布置的主动驱动机构和从动驱动机构，所述主动驱动机构偏离设置于所述微转中心的一侧并横向布置，其两端与所述固定部柔性连接以导向驱动，所述压电陶瓷驱动器与所述主动驱动机构的后侧面连接，所述主动驱动机构前侧面连接所述输出平台以输入纵向致动力，所述斜柔性梁一端与所述主动驱动机构的后侧面连接，另一端与所述从动驱动机构连接，所述从动驱动机构两端与所述固定部柔性连接，所述从动驱动机构连接所述输出平台以输入横向致动力，所述斜柔性梁与所述主动驱动机构的所述位移输出线间的驱动角a=45
°
，所述固
定部包括主体框架和圆形的中部固定平台，所述中部固定平台沿微转中心线设置，所述输出平台设置有所述沿微转中心线的导向轴孔，所述导向轴孔通过环形均匀分布的数个内绕心导向梁与所述中部固定平台外周面柔性连接。8.根据权利要求7所述的压电驱动微转台，其特征在于：所述输出平台上沿径向面分别设置位于纵向方向上的第一从动连接平面和位于横向方向上的第二从动连接平面，所述从动驱动机构通过第一双平行柔性驱动梁垂直连接所述第一从动连接平面，所述主动驱动机构后侧面通过第二双平行柔性驱动梁垂直连接所述第二从动连接平面。9.根据权利要求7或8所述的压电驱动微转台，其特征在于：所述输出平台为圆形结构，且所述主体框架为环形结构，所述输出平台的外周面通过环形均匀分布的数个外绕心导向梁与所述主体框架的内环面柔性连接。10.根据权利要求9所述的压电驱动微转台，其特征在于：所述主体框架上设有预紧螺钉，用于螺纹连接所述压电陶瓷驱动器以产生预紧压力。

技术总结
本发明公开了一种无轴漂的压电驱动微转台，仅采用一压电陶瓷驱动器作为驱动源，其包括一体结构的固定部、输出平台、驱动机构及斜柔性梁，输出平台绕其微转中心转动并位于固定部的平台空间内，驱动机构与固定部柔性连接，用于将压电陶瓷驱动器的输入量进行单轴方向的直线位移输出，斜柔性梁和与其输入端连接的驱动机构的位移输出线形成驱动角a，并偏离微转中心设置，用于与驱动机构协同变形将压电陶瓷驱动器的线性输入量转化为输出平台的微转角位移；该微转台采用单一压电陶瓷驱动器进行驱动，通过驱动机构和斜柔性梁的协同作用将线性输入量转化为微转角位移，其具有易于控制，运动简单可靠，输出精度高，微转台整体结构简单小巧，性价比高。性价比高。性价比高。


技术研发人员：崔良玉 韩建鑫 马鹏飞 钟俊杰
受保护的技术使用者：天津纳微机器人科技有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/6