一种单自由度偏摆平台

1.本发明涉及机械加工技术领域，具体为一种单自由度偏摆平台。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.高精度偏摆平台是现代精密运动定位平台中常见的一类重要部件，广泛应用于图像处理、扫描探测显微镜、光学捕获、激光扫描、光束稳定等众多领域。
4.而现有的高精度偏摆机构存在很多不足，例如整体结构不够紧凑导致体积较大，占有更多的安装空间；实现偏摆运动采用缺口型柔性铰链的设计，应力集中现象明显，易造成损坏；平台偏摆角度较小，难以满足大角度的偏摆运动；整体结构采用减材制造方式，加工比较困难。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种单自由度偏摆平台，采用放大机构和缩小机构并联放置于压电陶瓷两侧，偏摆平台置于结构的正上方，使其结构在空间上分布于压电陶瓷的四周空间，从而使整体结构更加紧凑，且柔性放大单元和柔性缩小单元形成的推拉式运动方式，使其偏摆角度更大。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种单自由度偏摆平台，包括通过预紧机构连接的驱动机构和偏摆机构，偏摆机构包括平行布置的顶板和底板，驱动机构位于顶板和底板之间的空间，驱动机构两端与驱动固定单元连接，驱动机构两侧设有柔性放大单元和柔性缩小单元，两柔性单元分别位于两组驱动固定单元之间；
8.柔性放大单元和柔性缩小单元均具有至少两组，每一组柔性放大单元和柔性缩小单元均包括两组倾斜布置形成开口的弹性梁和纵向布置位于开口中部的中梁，两弹性梁均与对应的驱动固定单元连接；
9.通过驱动机构带动两驱动固定单元相互远离或靠近，通过两弹性梁使柔性放大单元的中梁推动或拉动顶板，同时柔性缩小单元的中梁拉动或推动顶板，从而实现顶板的偏摆运动。
10.其中一组柔性放大单元具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向顶板且形成v型，垂直布置的中梁一端与顶板连接，另一端与v型弹性梁的底端连接。
11.另一组柔性放大单元具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向底板且形成倒v型，垂直布置的中梁一端与底板连接，另一端与倒v型弹性梁的底端连接。
12.其中一组柔性缩小单元具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向底板且形成倒v型，垂直布置的中梁一端与顶板连接，另一端与倒v型弹性梁的底端连接。
13.另一组柔性缩小单元具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向顶板且形成
v型，垂直布置的中梁一端与底板连接，另一端与v型弹性梁的底端连接。
14.柔性放大单元和柔性缩小单元同时运动。
15.柔性放大单元和柔性缩小单元分别位于驱动机构相对的两侧。
16.驱动机构为压电陶瓷驱动器，产生水平轴向方向的位移，通过驱动固定单元作用于柔性放大单元和柔性缩小单元上。
17.底板上设有下模态调整单元，下模态调整单元分别与底板和驱动固定单元连接，下模态调整单元用于提升偏摆平台的固有频率。
18.顶板上设有上模态调整单元，上模态调整单元分别与顶板和驱动固定单元连接，上模态调整单元用于提升偏摆平台的固有频率。
19.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
20.1、采用柔性的放大机构和缩小机构放置于驱动机构两侧，偏摆平台置于驱动机构的正上方，使偏摆平台在空间上分布于驱动机构的四周空间，从而使整体结构更加紧凑，利用柔性放大单元和柔性缩小单元形成的推拉式运动方式，使其偏摆角度更大。
21.2、柔性放大单元和柔性缩小单元利用空间错位分布，整体结构避免了传统缺口型柔性铰链的面积突变，避免了应力集中。
22.3、柔性放大单元和柔性缩小单元分别将驱动机构水平方向的位移转化为顶板垂直方向的上升或下降位移，从而使顶板运动，实现了顶板大角度的偏摆运动。
23.4、所有结构均匀的分布在驱动机构空间的六个方向上，大幅减小了偏摆平台的整体尺寸，结构更加紧凑，降低了偏摆平台对空间的要求。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1是本发明一个或多个实施例提供的偏摆平台整体结构示意图；
26.图2是本发明一个或多个实施例提供的偏摆平台中偏摆机构的结构示意图；
27.图3是本发明一个或多个实施例提供的偏摆平台中偏摆机构的侧视视角结构示意图；
28.图4是本发明一个或多个实施例提供的偏摆平台中偏摆机构的剖视结构示意图；
29.图中：1-预紧机构，101-预紧螺母，102-预紧螺钉，2-驱动机构，3-偏摆机构，301-底板，302-下模态调整单元，303-上模态调整单元，304-顶板，305-柔性放大单元，306-驱动固定单元，307-柔性缩小单元。
具体实施方式
30.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
31.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.正如背景技术中所描述的，现有的高精度偏摆机构存在很多不足，例如整体结构不够紧凑导致体积较大，占有更多的安装空间；实现偏摆运动采用缺口型柔性铰链的设计，
应力集中现象明显，易造成损坏；平台偏摆角度较小，难以满足大角度的偏摆运动；整体结构采用减材制造方式，加工比较困难。
33.因此，以下实施例给出了一种单自由度偏摆平台，采用放大机构和缩小机构并联放置于压电陶瓷两侧，偏摆平台置于结构的正上方，使其结构在空间上分布于压电陶瓷的四周空间，从而使整体结构更加紧凑，且柔性放大单元和柔性缩小单元形成的推拉式运动方式，使其偏摆角度更大。
34.实施例一：
35.如图1-4所示，一种单自由度偏摆平台，包括通过预紧机构1连接的驱动机构2和偏摆机构3，偏摆机构3包括平行布置的顶板304和底板301，驱动机构2位于顶板304和底板301之间的空间，驱动机构2两端与驱动固定单元306连接，驱动机构2两侧设有柔性放大单元305和柔性缩小单元307，两柔性单元分别位于两组驱动固定单元306之间；
36.柔性放大单元305和柔性缩小单元307均具有至少两组，每一组柔性放大单元305和柔性缩小单元307均包括两组倾斜布置形成开口的弹性梁和纵向布置位于开口中部的中梁，两弹性梁均与对应的驱动固定单元306连接；
37.通过驱动机构2带动两驱动固定单元306相互远离或靠近，使柔性放大单元305的中梁推动或拉动顶板304，同时柔性缩小单元307的中梁拉动或推动顶板304，从而实现顶板304的偏摆运动。
38.柔性放大单元305和柔性缩小单元307各自成对布置且分别位于驱动机构2的两侧，本实施例中，驱动机构2为压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器能够在电场作用下产生机械变形。
39.本实施例中，相互平行的顶板304和底板301以及两端具有的驱动固定单元306形成内部带有空腔的结构，驱动机构2置于该内部空腔中。通过调整驱动机构2的电压，可以产生水平轴向方向的位移。该位移通过驱动固定单元306作用于柔性放大单元305和柔性缩小单元307上，该两个单元将水平轴向位移转化为垂直方向的位移，并分别作用于顶板304的两侧，对顶板304两侧分别产生推力和拉力的效果，实现顶板304的偏转运动，最终实现偏摆。
40.如图2所示，柔性放大单元305具有两组，本实施例中两组柔性放大单元305均位于顶板304前侧(以图2视角为例)；
41.其中一组柔性放大单元305具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向顶板304，中梁垂直布置，该中梁一端与顶板304连接，另一端与两弹性梁连接，两弹性梁形成v型，在驱动单元2产生水平轴向方向的位移时，以两驱动固定单元306相互远离为例，形成开口的两弹性梁在相互远离的运动作用下推动中梁顶起顶板304的一侧；
42.而另一组柔性放大单元305具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向底板301，中梁垂直布置，该中梁一端与底板301连接，另一端与两弹性梁连接，两弹性梁形成倒v型，在驱动单元2产生水平轴向方向的位移时，以两驱动固定单元306相互远离为例，形成开口的两弹性梁在相互远离的运动作用下中梁推动底板301，配合前一组柔性放大单元305的中梁，使顶板304一侧被顶起从而远离底板301。
43.如图3所示，柔性缩小单元307具有两组，本实施例中两组柔性缩小单元307均位于顶板304后侧(图3的侧视视角为图2后侧，即柔性放大单元305和柔性缩小单元307分别位于
顶板304相对的两侧)；
44.其中一组柔性缩小单元307具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向底板301，中梁垂直布置，该中梁一端与顶板304连接，另一端与两弹性梁连接，两弹性梁形成倒v型，在驱动单元2产生水平轴向方向的位移时，以两驱动固定单元306相互远离为例，形成开口的两弹性梁在相互远离的运动作用下，中梁拉动底板301的一侧；
45.而另一组柔性缩小单元307具有的两倾斜布置的弹性梁，其形成的开口朝向顶板304，中梁垂直布置，该中梁一端与底板301连接，另一端与两弹性梁连接，两弹性梁形成v型，在驱动单元2产生水平轴向方向的位移时，以两驱动固定单元306相互远离为例，形成开口的两弹性梁在相互远离的运动作用下，使中梁拉动底板301的一侧，配合前一组柔性缩小单元307的中梁，使顶板304一侧被拉向底板301。
46.柔性放大单元305和柔性缩小单元307同时运动，当驱动机构2带动两驱动固定单元306相互远离或靠近时，柔性放大单元305的中梁推动或拉动顶板304，同时柔性缩小单元307的中梁拉动或推动顶板304，两柔性单元中的中梁运动方向相反，从而实现顶板304的偏摆运动。
47.如图1和4所示，本实施例中的预紧机构1采用平端紧钉螺钉102和六角薄螺母101组合的形式，螺母放置于一体化的偏摆机构3中驱动固定单元306的凹槽内，利用螺钉对驱动机构2进行固定与预紧。驱动机构2为压电陶瓷驱动器。
48.本实施例中，驱动机构通过底板301中部的空间进入一体化偏摆机构3中部，利用左右两端的预紧机构1进行预紧。底板上由四个螺钉通孔，用于固定整体结构。
49.本实施例中，柔性缩小单元307和柔性放大单元305分别置于驱动机构2左右两侧，每种柔性单元成对存在，放置于一侧，且柔性单元中梁的尺寸均匀。柔性单元的输出端分别于顶板和底板连接，两端均连接在驱动固定单元306中。驱动机构2的驱动作用力下，经过柔性单元的变形，分别实现柔性放大单元305竖直方向的膨胀变形和柔性缩小单元307竖直方向的收缩变形，从而对顶板实现推和拉的作用效果，从而实现带动顶板的偏摆运动。
50.本实施例中，下模态调整单元302分别与底板301和驱动固定单元306连接，上模态调整单元303分别与顶板304和驱动固定单元306连接。上模态调整单元302和下模态调整单元303分别采用往复回转的梁结构，在尽量减小对输出位移的影响的情况下，实现对结构固有频率的提升。
51.上述结构利用顶板平面左右两侧柔性单元一推一拉的效果，实现较大的偏摆角度；利用空间分布的特性，将各部分结构分布在压电陶瓷的四周，使其整体结构非常紧凑；运动结构采用一体化成型，利用增材制造的方式进行制造，具有高刚度、无摩擦等特性，且简化了制造工艺；柔性单元采用均衡尺寸设计，避免了柔性铰链的应力集中现象。因而整体偏摆平台具有结构紧凑、输出行程大、应力集中现象小等优点，可以在众多领域中得到应用。
52.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。