一种基于柔性放大和约束机构的二维微位移扫描装置 专利技术说明

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明属于光电成像技术领域，采用并联且非完全对称的结构形式和压电驱动的作动方式，具体涉及一种基于柔性放大和约束机构的二维微位移扫描装置。背景技术：2.在军事、航空航天等领域中，图像信息作为战争、空间中获取情报的重要技术手段，图像质量就成为关系到关键技术发展的重要因素。而成像过程通常会受到外部环境，例如振动环境、姿态变化的影响，这将会影响成像的清晰度。因此，就需要在成像过程中引入稳像技术来提高成像质量。3.光学稳像系统具有体积小、易于实现、成本低等优点，在高精度的小型设备中得到了广泛的应用。利用微位移扫描装置对光学系统中的稳像元件进行微位移调整，以补偿成像设备与目标物之间的光轴偏差，可以实现稳定图像的输出。4.在成像过程中，除了利用稳像技术，还可以利用微扫描技术得到较高分辨率的图像。微扫描技术是通过对同一场景进行多次采样，将多幅相互之间有微小位移的低分辨率图像重建，最终得到一幅具有高分辨率的图像。基于机械平移法的微扫描技术是通过利用微位移扫描装置对透镜或其他光学元件进行可控的平移实现的。5.由于微位移扫描装置既可以用于光学稳像，又可以用于微扫描成像，所以在军用设备、卫星遥感、数字航空相机、手机等需要提高成像分辨率的领域中得到了广泛的应用，其中二维微位移扫描装置的应用场合最为广泛。6.二维微位移扫描装置在作动方式方面，通常采用叠堆式压电陶瓷进行作动，因为其具有高精度、高带宽等优点；在传动方式方面，通常采用柔性机构进行传动，因为相较于机械传动等传统传动方式，利用材料的弹性变形来传递运动和力的柔性机构具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等优点，非常适合用于对运动精度要求较高的二维微位移扫描装置中。但是叠堆式压电陶瓷同时还具有输出位移较小的固有特性，为了使二维微位移扫描装置获得较大的输入位移，需要利用放大机构对其小输出位移进行放大。但是目前广泛采用单一形式的放大机构，例如仅采用杠杆放大机构的这类二维微位移扫描装置，其可以通过采用二级杠杆放大机构获得较大的位移放大倍数，但这类装置的外形尺寸通常较大，具有结构不够紧凑的缺点；又如仅采用菱形放大机构的这类二维微位移扫描装置，虽然其结构较为紧凑，但位移放大倍数相较于采用杠杆放大机构的装置而言不够理想。另外，二维微位移扫描装置通常采用完全对称的结构形式来限制其在工作过程中产生的耦合误差和寄生旋转，从而使整个装置具有较高的运动精度，但是同样存在外形尺寸较大的问题，在实际应用中受到了一定的限制。7.除此之外，目前二维微位移扫描装置的相关技术还主要掌握在法国和德国的公司手中。8.因此设计结构简单紧凑、工作行程大、运动精度高、带宽高的二维微位移扫描装置具有较大的工程现实意义。技术实现要素：9.为解决现有技术中存在的一些问题，本发明提供一种基于柔性放大和约束机构的二维微位移扫描装置，用于在xy平面上实现两个自由度的平动，具有结构简单紧凑、工作行程大、无需润滑、运动精度高、响应速度快等特点，可应用在多种场合，为二维微位移扫描装置的发展提供了一种新的思路。10.本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：11.一种基于柔性放大和约束机构的二维微位移扫描装置，采用整体式的并联且非完全对称的结构形式，包括运动平台、两个压电作动机构、菱形柔性约束机构、第一、第二、第三波纹状柔性梁和第一、第二柔性铰链，其中：12.所述运动平台为八边形框状结构，布置在二维微位移扫描装置的中间位置。在运动平台中心处有一个较大的通孔，用来创造较好的光学路径条件。在运动平台厚度方向上，沿四周布置有加强筋，用来减小运动平台在工作过程中产生的变形，同时还可以提高整个二维微位移扫描装置的固有频率，进而获得更高的工作带宽。在运动平台内侧还均匀布置了四个凸台，在每个凸台的中心设有螺纹孔，可以通过螺钉连接不同类型的外部负载，具有便于拆卸安装，应用范围广等优点；13.所述每个压电作动机构包括复合柔性放大机构、叠堆式压电陶瓷和楔块组件，其中复合柔性放大机构由菱形放大机构和杠杆放大机构组成，用于放大叠堆式压电陶瓷的小输出位移。在运动平台x轴和y轴的负方向上分别布置了一个压电作动机构，用来使运动平台实现两个自由度的平动。复合柔性放大机构中菱形放大机构的一端通过第二波纹状柔性梁连接杠杆放大机构，另一端通过第三波纹状柔性梁与固定端相连接；杠杆放大机构的输出端通过第一波纹状柔性梁与运动平台相连接。菱形放大机构和杠杆放大机构分别用来对叠堆式压电陶瓷的输出位移进行一级和二级放大，从而给运动平台提供较大的输入位移。叠堆式压电陶瓷和楔块组件安装在菱形放大机构中，楔块组件主要用于给叠堆式压电陶瓷施加预紧力。14.所述菱形柔性约束机构布置在与x轴正方向成45°的位置处，其一端通过第一柔性铰链与运动平台相连接，另一端通过第二柔性铰链与固定端相连接。在二维微位移扫描装置的工作过程中，菱形柔性约束机构用来限制运动平台产生的耦合和寄生运动，从而实现较高的运动精度。15.其中，所述复合柔性放大机构利用二级放大原理对叠堆式压电陶瓷的小输出位移进行放大，用来使运动平台获得较大的输入位移。与采用二级杠杆放大机构进行位移放大的二维微位移扫描装置相比，采用菱形放大机构和杠杆放大机构组合而成的复合柔性放大机构的二维微位移扫描装置具有更小的外形尺寸，结构更为紧凑。与仅采用菱形放大机构的二维微位移扫描装置相比，采用复合柔性放大机构可以获得较大的位移放大倍数，使运动平台获得更大的输入位移，进而实现更大的工作空间。与国内外现有的位移放大机构相比，所述菱形放大机构去掉了内侧与叠堆式压电陶瓷接触的凸台，增大了内侧圆角处的半径，较为明显的改善了菱形放大机构在该处受到的应力集中。另外，菱形放大机构柔性臂的内侧和外侧的倾斜角度不同，柔性臂内侧的倾斜角度大于外侧的倾斜角度，即柔性臂为变截面结构，其横截面高度是随柔性臂长度变化而发生变化的，将柔性臂设计成变截面结构可以使其在工作过程中受到的应力分布更为均匀，进而获得较好的力学性能。16.其中，所述叠堆式压电陶瓷一端通过环氧树脂粘合到菱形放大机构的内侧，另一端通过环氧树脂粘合楔块组件中的一个楔块，楔块组件中的另一个楔块通过过盈配合与菱形放大机构内侧直接接触。菱形放大机构与叠堆式压电陶瓷和楔块组件之间采取过盈配合，以给叠堆式压电陶瓷施加一定大小的预紧力，从而避免叠堆式压电陶瓷在工作过程中因受到拉力而造成损坏。采用叠堆式压电陶瓷作为作动元件，可以使二维微位移扫描装置获得高位移分辨率、高响应速度等优点。17.其中，所述楔块组件由两个完全相同的倾斜角为5°的楔块组成，通过微调两个楔块斜面之间的接触面积可以给叠堆式压电陶瓷提供不同大小的预紧力。两个楔块之间的接触面积越大，整个楔块组件的厚度就越小，即提供给叠堆式压电陶瓷的预紧力就越小。反之，两个楔块之间的接触面积越小，整个楔块组件的厚度就越大，叠堆式压电陶瓷受到的预紧力就越大。另外，由于叠堆式压电陶瓷和菱形放大机构之间采取的是过盈配合，利用楔块组件除了起到便于给叠堆式压电陶瓷施加不同大小预紧力的作用外，同时还便于叠堆式压电陶瓷和菱形放大机构之间的装配。18.其中，所述第一、第二、第三波纹状柔性梁均是由椭圆曲线段构造出的变厚度单元首尾相连构成的，四个变厚度单元组成一个波纹状柔性梁，用于压电作动机构、运动平台和固定端之间的柔性连接，其中压电作动机构中的杠杆放大机构通过第一波纹状柔性梁与运动平台相连接、菱形放大机构与杠杆放大机构之间通过第二波纹状柔性梁相连接、菱形放大机构通过第三波纹状柔性梁与固定端相连接。与其他形状的柔性梁相比，由椭圆曲线段构成的波纹状柔性梁具有运动范围大，应力低等特点，可以使二维微位移扫描装置在运动过程中具有更好的性能。19.其中，所述菱形柔性约束机构为中空的薄壁结构，在二维微位移扫描装置的工作过程中，其利用弹性变形对运动平台产生的耦合误差和寄生旋转进行限制，进而实现较高的运动精度。相较于通常采用的矩形柔性约束机构，采用形状均匀过渡变化的菱形柔性约束机构可以改善出现在二维微位移扫描装置柔性约束机构上的应力集中。20.其中，所述柔性铰链采用双切口的结构形式，具有结构简单、便于加工等优点，用于菱形柔性约束机构与运动平台和固定端之间的连接。与采用螺钉进行刚性连接的方式相比，采用柔性铰链进行柔性连接可以避免运动平台与另外布置的柔性机构之间的装配误差，同时无间隙产生，可以提高二维微位移扫描装置整体的运动精度和响应速度。21.本发明的工作过程为：22.通过给布置在x轴方向上的菱形放大机构中的叠堆式压电陶瓷施加驱动电压，可以使叠堆式压电陶瓷沿y轴方向伸长，菱形放大机构沿x轴方向收缩。菱形放大机构对叠堆式压电陶瓷的输出位移进行一级放大后，通过两个第二波纹状柔性梁将输出位移传递给杠杆放大机构，该位移作为杠杆放大机构的输入位移经过二级放大后通过两个第一波纹状柔性梁传递给运动平台，进而驱动运动平台沿x轴方向运动。同理，当给布置在y轴方向上的菱形放大机构中的叠堆式压电陶瓷施加驱动电压时，可以使运动平台产生沿y轴方向上的运动，进而实现运动平台在x轴和y轴方向上两个自由度的平动。通过改变施加给叠堆式压电陶瓷驱动电压的幅值，可以改变运动平台的运动范围。23.本发明的优点在于：24.(1)本发明采用整体式的并联结构，具有运动精度高、响应速度快、惯性低等优点。与串联式结构相比，并联式结构沿x轴和y轴方向上的运动相互独立、互不干扰，可对每个工作轴进行独立的控制，控制策略相对简单，并且并联式结构还便于将测量传感器与机械结构集成到一起进行并行测量，从而使整个系统更为紧凑；25.(2)本发明采用非完全对称的结构形式，在运动平台的x和y方向上均仅布置了一个压电作动机构。与完全对称的结构相比，其简化了二维微位移扫描装置的结构形式，减小了装置的整体尺寸，具有更为简单紧凑的结构；26.(3)本发明采用基于菱形放大和杠杆放大两种放大形式的复合柔性放大机构来对叠堆式压电陶瓷的小输出位移进行二级放大，相较于仅采用菱形放大机构的二维微位移扫描装置，其可以在获得较为紧凑结构的同时，还具有较大的位移放大倍数；相较于仅采用杠杆放大机构进行二级放大的二维微位移扫描装置，其可以在获得较大位移放大倍数的同时，还具有更为紧凑的结构。本发明中的复合柔性放大机构正是结合了菱形放大机构和杠杆放大机构各自的优点，使其可以在紧凑的结构中获得较大的位移放大倍数，从而使运动平台获得较大的工作空间；27.(4)本发明采用由椭圆曲线段构成的波纹状柔性梁连接压电作动机构、运动平台以及固定端，与其他形状的柔性梁相比，其具有轴向刚度与横向刚度之比大、运动范围大，可以改善应力集中等优点，丰富了柔性梁的结构形式；28.(5)本发明在杠杆放大机构与运动平台之间、菱形放大机构与杠杆放大机构之间、菱形放大机构与固定端之间均分别布置了两个波纹状柔性梁。采用由两个波纹状柔性梁构成的平行四边形导向机构，首先可以用来限制运动平台在工作过程中产生的寄生旋转，获得高运动精度；其次，还可以通过布置在菱形放大机构两侧的两组波纹状柔性梁，提高放大机构的扭转刚度，避免叠堆式压电陶瓷因受到弯矩而造成损坏；最后，还可以提高二维微位移扫描装置的整体刚度，获得高固有频率，进而实现高工作带宽；29.(6)为了避免运动平台在工作过程中产生较大的耦合误差和寄生旋转，在与x轴正方向成45°的位置处布置了一个菱形柔性约束机构，利用其弹性变形对耦合和寄生运动进行限制，从而使二维微位移扫描装置在具有紧凑结构的同时，还具有较高的运动精度。另外，由于菱形柔性约束机构的形状是均匀变化的，所以通过采用菱形柔性约束机构可以改善出现在二维微位移扫描装置中柔性约束机构上的应力集中现象；30.(7)本发明结构简单紧凑，便于加工装配。附图说明31.图1为本发明的等轴测视图；32.图2a为本发明的俯视图；33.图2b为图2a中a-a剖视图，也即本发明中压电作动机构的剖视图；34.图3为本发明中波纹状柔性梁的结构示意图。35.图1～3中附图标记含义为：36.1-运动平台2-第一波纹状柔性梁3-第二波纹状柔性梁37.4-第三波纹状柔性梁5-固定端6-菱形放大机构38.7-杠杆放大机构8-楔块组件9-叠堆式压电陶瓷39.10-第一柔性铰链11-菱形柔性约束机构12-第二柔性铰链具体实施方式40.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。41.本发明的基于柔性放大和约束机构的二维微位移扫描装置，采用并联且非完全对称的结构形式，包括运动平台、压电作动机构、菱形柔性约束机构、波纹状柔性梁和柔性铰链。运动平台布置在二维微位移扫描装置的中间位置。压电作动机构由复合柔性放大机构，叠堆式压电陶瓷和楔块组件组成，其中复合柔性放大机构又包含菱形放大机构和杠杆放大机构；叠堆式压电陶瓷和楔块组件安装在菱形放大机构中，楔块组件用来给叠堆式压电陶瓷施加预紧力，菱形放大机构用来对叠堆式压电陶瓷的输出位移进行一级放大；与菱形放大机构相连接的杠杆放大机构用来对叠堆式压电陶瓷的输出位移进行二级放大；压电作动机构通过波纹状柔性梁布置在运动平台的x和y方向上，利用叠堆式压电陶瓷的伸长和缩短给运动平台提供作动力，进而使运动平台产生沿x轴和y轴两个自由度的微位移。菱形柔性约束机构与运动平台之间通过柔性铰链进行连接，布置在与x轴正方向成45°的方向上，用来限制运动平台在工作过程中产生的耦合误差和寄生旋转。本发明具有结构简单紧凑、工作行程大、运动精度高、带宽高等优点。42.如图1，图2a，图2b，图3所示，本发明的一种基于柔性放大和约束机构的二维微位移扫描装置包括运动平台1、两个压电作动机构、菱形柔性约束机构11、第一波纹状柔性梁2，第二波纹状柔性梁3，第三波纹状柔性梁4和第一柔性铰链10，第二柔性铰链12。压电作动机构由复合柔性放大机构、叠堆式压电陶瓷9和楔块组件8组成，其中复合柔性放大机构又由菱形放大机构6和杠杆放大机构7组成。43.运动平台1布置在二维微位移扫描装置的中间位置。运动平台1通过第一波纹状柔性梁2与复合柔性放大机构中的杠杆放大机构7的输出端相连接，杠杆放大机构7的输入端通过第二波纹状柔性梁3与菱形放大机构6输出端的一侧相连接，菱形放大机构6输出端的另一侧通过第三波纹状柔性梁4与固定端5进行连接。布置在与x轴正方向成45°方向上的菱形柔性约束机构11的一端通过第一柔性铰链10和运动平台1相连接，另一端通过第二柔性铰链12与固定端5相连接。另外，运动平台的x轴和y轴之间相互垂直，且由这两轴构成的xy平面平行于水平面。在xy平面中，x轴垂直布置，其正方向指向下方；y轴水平布置，其正方向指向右方。z轴垂直于xy平面，其正方向根据x轴和y轴的正方向由右手定则确定。44.运动平台1是一个八边形框状结构，在中心处有一个较大的通孔，用来创造较好的光学路径条件。本发明沿z向，也即沿运动平台1的厚度方向，在八边形框状结构的中间位置设计了加强筋，用来减小运动平台1在工作过程中产生的变形。同时，由于增加了刚度，还提高了二维微位移扫描装置的固有频率，进而可以使装置整体具有较高的工作带宽。另外，在运动平台1内侧还均匀布置了四个凸台，在每个凸台中心设有m3的螺纹孔，用来连接外部负载。45.两个由复合柔性放大机构，叠堆式压电陶瓷9和楔块组件8组成的压电作动机构分别布置在运动平台1的x和y方向上，用来给运动平台1提供两个自由度的平动位移。复合柔性放大机构中的菱形放大机构6与叠堆式压电陶瓷9和楔块组件8之间采用过盈配合。如图2b所示，叠堆式压电陶瓷9的右端面利用环氧树脂与菱形放大机构6的内侧进行粘合，楔块组件8由两个完全相同且倾斜角度为5°的楔块组成，其中右侧的楔块利用环氧树脂将垂直面与叠堆式压电陶瓷9的左端面进行粘合，倾斜面与左侧楔块的倾斜面接触，左侧楔块的垂直面利用过盈配合与菱形放大机构6内侧直接接触。由于叠堆式压电陶瓷9不能受到拉力，所以通过楔块组件8给叠堆式压电陶瓷9提供一定大小的预紧力，使得叠堆式压电陶瓷9在工作过程中始终受到的均是压力，避免因为惯性力的影响而受到拉力，从而发生损坏。同时，通过微调楔块组件8中两个楔块倾斜面的接触面积，可以给叠堆式压电陶瓷9提供不同大小的预紧力，用来满足不同场合下对预紧力的要求。46.第一波纹状柔性梁2，第二波纹状柔性梁3，第三波纹状柔性梁4具有周期性波纹结构，是通过由椭圆曲线段构造出的四个变厚度单元连续连接构成的，包括用于连接杠杆放大机构7和运动平台1的第一波纹状柔性梁2、连接菱形放大机构6和杠杆放大机构7的第二波纹状柔性梁3、连接菱形放大机构6和固定端5的第三波纹状柔性梁4。两个由第一波纹状柔性梁2构成的平行四边形导向机构具有良好的运动性能和导向精度，可以用来限制运动平台在工作过程中产生的寄生旋转；布置在菱形放大机构6两侧的两组波纹状柔性梁，分别由两个第二波纹状柔性梁3和两个第三波纹状柔性梁4组成，所构成的平行四边形导向机构可以提高菱形放大机构6的扭转刚度，进而避免叠堆式压电陶瓷9因受到弯矩而造成损坏。47.菱形柔性约束机构11采用中空的薄壁结构，利用其弹性变形限制运动平台1在工作过程中产生的耦合误差和寄生旋转，从而使二维微位移扫描装置获得较高的运动精度。菱形柔性约束机构11整体的形状是均匀变化的，没有出现形状急剧变化的地方，如尖角。从而采用菱形柔性约束机构11可以减小出现在二维微位移扫描装置柔性约束机构上的集中应力，改善力学性能。48.第一柔性铰链10和第二柔性铰链12均采用双切口的结构形式，具有结构简单、便于加工等优点，用于菱形柔性约束机构11与运动平台1和固定端5之间进行柔性连接，与采用螺钉进行刚性连接的方式相比，本发明简化了结构，并且通过采用整体式结构避免了与另外布置的柔性机构之间的装配误差，同时无间隙产生，提高了二维微位移扫描装置的运动精度和响应速度。49.本发明的装配过程为：50.首先完成叠堆式压电陶瓷9与楔块的粘接，即将楔块组件8中的一个楔块的垂直面利用环氧树脂与叠堆式压电陶瓷9的一端进行粘合；其次，再利用环氧树脂将已经粘合好一个楔块的叠堆式压电陶瓷9的另一端与菱形放大机构6内侧进行粘合；最后，采用过盈配合安装楔块组件8中的另一个楔块，根据所在应用场合对叠堆式压电陶瓷9预紧力的要求调整两个楔块斜面的接触面积，完成二维微位移扫描装置的装配。51.本发明的工作过程为：52.通过布置在x和y方向上的两个压电作动机构给运动平台1提供输入位移，进而实现运动平台1在xy平面内两个自由度的平动。给布置在x轴方向上的菱形放大机构6中的叠堆式压电陶瓷9施加驱动电压，叠堆式压电陶瓷9伸长，菱形放大机构6对叠堆式压电陶瓷9的输出位移进行一级放大，将菱形放大机构6的输出位移作为杠杆放大机构7的输入位移，并通过第二波纹状柔性梁3完成位移的传递，再通过杠杆放大机构7对位移进行二级放大后，利用第一波纹状柔性梁2将杠杆放大机构7的输出位移传递给运动平台1，此时运动平台1沿x轴方向运动。在运动平台沿x轴方向运动时，位于y轴方向上第一波纹状柔性梁2、第二波纹状柔性梁3、第三波纹状柔性梁4发生弹性变形，均起到导向作用。同时，菱形柔性约束机构11发生弹性变形，起到限制运动平台1产生沿y向的耦合误差和绕z轴的寄生旋转的作用。同理，当给布置在y轴方向上菱形放大机构6中的叠堆式压电陶瓷9施加驱动电压时，可以使得运动平台1沿y轴方向运动，位于x轴方向上第一波纹状柔性梁2，第二波纹状柔性梁3，第三波纹状柔性梁4发生弹性变形，起到导向作用。此时，菱形柔性约束机构11发生弹性变形，起到限制运动平台1产生沿x向的耦合误差和绕z轴的寄生旋转的作用。综上，通过给叠堆式压电陶瓷9施加驱动电压，运动平台1可以实现在xy平面上两个自由度的运动。另外，通过改变施加给叠堆式压电陶瓷9驱动电压的幅值，可以改变运动平台1的运动范围。驱动电压的幅值越大，运动平台1的运动范围越大，反之，则越小。53.本发明采用并联且非完全对称的整体式结构，利用叠堆式压电陶瓷9进行作动，柔性机构进行传动，使得二维微位移扫描装置在产生沿x轴和y轴两个自由度运动的同时，能够在紧凑的结构中实现大工作行程、高运动精度和高带宽。54.本发明未详细公开技术属于本领域技术人员公知常识。55.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。









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