一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構的制作方法

本實用新型涉及精密驅動與控制領域，尤其涉及一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構。

背景技術：

近年來，隨著精密機械技術的發展，尤其是微納米技術的出現，科學技術正式進入了“亞微米-納米”時代。掃描電鏡、光學儀器、精密加工等等電子、光學、機械、和航天領域，迫切需要高精度、高分辨率、高速率的驅動與定位平臺。由于壓電陶瓷具有高分辨率、高剛度和出力大等優點，廣泛應用于精密驅動與控制，但是壓電陶瓷的輸出位移極小，即使是堆疊型壓電陶瓷，其輸出位移一般也不超過自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多數壓電陶瓷驅動的精密定位平臺均是采用壓電陶瓷和柔性鉸鏈來組成柔性機構，實現高精度的位移和力輸出。

柔性機構的工作原理是通過機構的彈性變形來實現位移輸出和放大，國內外公知的典型柔性機構有：基于三角形放大原理的菱形柔性機構、橋式柔性機構，基于杠桿放大原理的柔性機構，等等。目前公知的這些壓電驅動柔性機構，其共同特點是普遍采用壓電疊堆。不管哪一種柔性機構，其輸出位移、輸出剛度以及固有頻率之間總是互相約束，即：要實現大位移輸出必然要以損失固有頻率為代價，要獲得高固有頻率，勢必需要設計結構上厚而短的柔性鉸鏈或者柔性梁，其結果是柔性機構的位移放大比受到限制。

隨著掃描電鏡、原子力顯微鏡、精密定位平臺等對運動速度要求越來越高，學術界和工程界一直在尋找具有大的位移放大比同時又具備高固有頻率的柔性機構，例如專利號為CN103022339中，提出采用兩個或多個菱形柔性機構并聯來提高菱形柔性機構的固有頻率和輸出剛度。專利號為CN102394270中提出了用兩級微位移放大機構來提高位移放大比。這些專利的共同特點是從結構上進行柔性機構的性能改進和提高，但是效果有限。因此，目前的各種壓電柔性機構的實際設計中，普遍做法是在機構的位移放大比和固有頻率之間進行折中選擇。

技術實現要素：

本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構。

本實用新型通過以下技術方案來實現上述目的：

一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構，包括菱形柔性機構和壓電疊堆，所述菱形柔性機構包括柔性梁、位移輸入端、剛性固定端和剛性輸出端，兩個所述位移輸入端對稱設置，所述剛性固定端和所述剛性輸出端對稱設置，兩個所述位移輸入端之間的連線與所述剛性輸入端和所述剛性輸出端之間的連線垂直，四個所述柔性梁依次連接所述位移輸入端、所述剛性固定端和所述剛性輸出端并組成菱形結構，所述壓電疊堆設置在所述位移放大機構內，且所述壓電疊堆的兩端分別與兩個所述位移輸入端連接；

所述提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構還包括壓電片、位移傳感器、數據采集系統、功率放大器和控制器，所述位移傳感器設置在所述剛性輸出端上，多個所述壓電片分別固定設置在所述柔性梁的兩端，所述位移傳感器的信號輸出端與所述數據采集系統的信號輸入端連接，所述數據采集系統的信號輸出端與所述控制器的信號輸入端連接，所述控制器的信號輸出端與所述功率放大器的信號輸入端連接，所述功率放大器的信號輸出端與所述壓電疊堆/所述壓電片的驅動信號輸入端連接。

優選地，所述壓電片分別設置在所述柔性梁的上表面和下表面，且位于所述柔性梁的兩端，所述柔性梁的同一位置可設置多個所述壓電片，多個所述壓電片在其厚度方向上重疊粘合。

具體地，所述提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構還包括柔性鉸鏈，所述柔性梁與所述位移輸入端、所述剛性固定端和所述剛性輸出端之間均通過所述柔性鉸鏈連接。

本實用新型的有益效果在于：

本實用新型一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構通過粘貼壓電片產生附加的彎矩，使菱形柔性機構的輸出位移得到增大，同時由于壓電片的質量比較輕，厚度比較薄，不會降低柔性機構的固有頻率；另外可以設計更厚的柔性梁和柔性鉸鏈來提高柔性機構的固有頻率，由此損失的位移放大比由附加的壓電片提供的彎矩得以補償，因此，本機構應用于精密定位以及測量裝置中可以有更大位移輸出和頻響性能。

附圖說明

圖1是本實用新型所述一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構的立體結構示意圖；

圖2是本實用新型所述一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構的主視圖，圖中僅示出了部分壓電片；

圖3是本實用新型所述壓電片的粘接方式；

圖4是本實用新型所述壓電片的重疊粘接方式；

圖5是本實用新型所述一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構的電氣連接圖。

圖中：1-壓電疊堆，2-壓電片，3-菱形柔性機構，4-柔性梁，5-位移輸入端，6-剛性固定端，7-剛性輸出端，8-柔性鉸鏈，9-位移傳感器，10-功率放大器，11-控制器，12-數據采集系統。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步說明：

如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本實用新型一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構，包括菱形柔性機構3、壓電疊堆1、壓電片2、位移傳感器9、柔性鉸鏈8、數據采集系統12、功率放大器10和控制器11，菱形柔性機構3包括柔性梁4、位移輸入端5、剛性固定端6和剛性輸出端7，兩個位移輸入端5對稱設置，剛性固定端6和剛性輸出端7對稱設置，兩個位移輸入端5之間的連線與剛性輸入端和剛性輸出端7之間的連線垂直，四個柔性梁4通過柔性鉸鏈8依次連接位移輸入端5、剛性固定端6和剛性輸出端7并組成菱形結構，壓電疊堆1設置在位移放大機構內，且壓電疊堆1的兩端分別與兩個位移輸入端5連接；

位移傳感器9設置在剛性輸出端7上，多個壓電片2分別固定設置在柔性梁4的兩端，位移傳感器9的信號輸出端與數據采集系統12的信號輸入端連接，數據采集系統12的信號輸出端與控制器11的信號輸入端連接，控制器11的信號輸出端與功率放大器10的信號輸入端連接，功率放大器10的信號輸出端與壓電疊堆1/壓電片2的驅動信號輸入端連接，壓電片2分別設置在柔性梁4的上表面和下表面，且位于柔性梁4的兩端，柔性梁4的同一位置可設置多個壓電片2，多個壓電片2在其厚度方向上重疊粘合。

同時為了控制輸入至不同壓電片2的電壓信號，各個壓電片2和壓電疊堆1均設置有獨立的功率放大器10，各個功率放大器10均與控制器11的信號輸出端連接。

本實用新型一種提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構的工作原理如下：

如圖4所示，通過將多個壓電片2重疊粘貼，可以有效的增加菱形柔性機構3的位移輸出能力。

該提高壓電柔性機構輸出位移和固有頻率的結構的實現方法采用壓電疊堆1和壓電片2混合驅動，其本質是通過壓電片2對柔性梁4產生附加彎矩，從而在不降低機構的固有頻率下實現位移的增大，根據其具體機構，包括下述三種實現方法：

1、位于柔性梁4下表面的壓電片2不工作，即僅位于柔性梁4上表面的壓電片2工作，此時通過控制器11和功率放大器10對壓電疊堆1和壓電片2的輸入電壓波形一致、相位相同，根據實際設計選型，壓電疊堆1和壓電片2對應的功率放大器10的放大倍數也不相同。

2、位于柔性梁4上表面的壓電片2不工作，即僅位于柔性梁4下表面的壓電片2工作，此時通過控制器11和功率放大器10對壓電疊堆1和壓電片2的輸入電壓波形一致，相位相差180度，根據實際設計選型，壓電疊堆1和壓電片2對應的功率放大器10的放大倍數也不相同。

3、位于柔性梁4上表面和柔性梁4下表面的壓電片2均工作，位于上表面的壓電片2和位于下表面的壓電片2的輸入電壓信號波形一致，相位相差180度，位于柔性梁4的同一端的上下表面上的壓電片2組成一組壓電片組，該壓電片組與壓電疊堆1對應的功率放大器10的放大倍數不相同。

本實用新型的技術方案不限于上述具體實施例的限制，凡是根據本實用新型的技術方案做出的技術變形，均落入本實用新型的保護范圍之內。