本發(fā)明屬于微動裝置，具體涉及一種基于人字結(jié)構(gòu)的平面三自由度微動裝置。

背景技術(shù)：

壓電陶瓷的逆電效應(yīng)，是指當(dāng)壓電陶瓷在極化方向加上相同方向的電場，壓電陶瓷會沿極化方向伸長，故人們用壓電陶瓷代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑軌齒輪等實(shí)現(xiàn)精密移動，利用這樣的驅(qū)動方式不但增加移動的精密性，還廣泛地?cái)U(kuò)展了精密微動裝置的工作環(huán)境。但目前已有的平面微動裝置，無論是平動或轉(zhuǎn)動，都會受到結(jié)構(gòu)的限制，很難實(shí)現(xiàn)三自由度的微動，否則，為了實(shí)現(xiàn)三自由度的微動，其結(jié)構(gòu)和控制都會極其復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于人字結(jié)構(gòu)的平面三自由度微動裝置，利用三對壓電陶瓷和電磁鐵的相互配合實(shí)現(xiàn)平面上三自由度的微動，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，具有鎖止功能，作動精準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在平面內(nèi)的自由平動和轉(zhuǎn)動。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于人字結(jié)構(gòu)的平面三自由度微動裝置，包括柔性鉸鏈3、第一壓電陶瓷1-1、第二壓電陶瓷1-2、第三壓電陶瓷1-3、第一電磁鐵2-1、第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3，其中，第一壓電陶瓷1-1一端和第一電磁鐵2-1緊固連接，另一端被固定于柔性鉸鏈3上形成第一個機(jī)構(gòu)，第二壓電陶瓷1-2一端和第二電磁鐵2-2緊固連接，另一端被固定于柔性鉸鏈3上形成第二個機(jī)構(gòu)，第三壓電陶瓷1-3一端和第三電磁鐵2-3緊固連接，另一端被固定于柔性鉸鏈3上形成第三個機(jī)構(gòu)；三個機(jī)構(gòu)呈兩兩中軸夾角120°分布，中心點(diǎn)即為柔性鉸鏈3的中心點(diǎn)。

所述第一壓電陶瓷1-1、第二壓電陶瓷1-2、第三壓電陶瓷1-3提供輸入位移，并對柔性鉸鏈3施加力；第一電磁鐵2-1、第二電磁鐵2-2、第三電磁鐵2-3在通電后產(chǎn)生磁性，在磁力的作用下固定于金屬底面，起到鎖止的作用。

通過控制第一電磁鐵2-1、第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3的通斷電狀態(tài)，能夠控制每個機(jī)構(gòu)末端的鎖止?fàn)顟B(tài)；通過控制第一壓電陶瓷1-1、第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3兩端的電壓，能夠控制每個機(jī)構(gòu)的伸長位移，在一定情況下輸出的力會作用于柔性鉸鏈，使其發(fā)生變形；由此，通過對電壓的控制，各機(jī)構(gòu)和柔性鉸鏈相互配合，整個裝置能夠在金屬底面上產(chǎn)生想要的平動微位移和轉(zhuǎn)動微角位移。

所述的一種基于人字結(jié)構(gòu)的平面三自由度微動裝置的平面三自由度微動方法，當(dāng)以柔性鉸鏈3的中心為圓心，并以此點(diǎn)為微動輸出的參考點(diǎn)，以第一壓電陶瓷1-1的中心軸為y軸，在這個平面坐標(biāo)系中，所述裝置能夠完成三個自由度的微動，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)參考點(diǎn)在x、y方向的平動，還能夠?qū)崿F(xiàn)參考點(diǎn)繞任意一個機(jī)構(gòu)的中軸上某個固定位置點(diǎn)即中軸上電磁鐵與壓電陶瓷的交接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動；

該裝置最基本的作動原理如下：在初始位置，若鎖止本裝置的一個機(jī)構(gòu)，以給第一電磁鐵2-1通電鎖止為例，鎖止后，給第一壓電陶瓷1-1通電使其伸長，然后給第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3通電使其鎖止，再給第一電磁鐵2-1斷電解除鎖止，給第一壓電陶瓷1-1斷電使其恢復(fù)原長，此時整個機(jī)構(gòu)向y軸負(fù)方向平移；

若鎖止本裝置的兩個機(jī)構(gòu)，以給第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3通電鎖止為例，鎖止后，給第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3通電使其分別伸長一個位移量，兩個位移量相同或不同，于是第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3分別給予柔性鉸鏈3兩個力，柔性鉸鏈3在兩個力的作用下發(fā)生形變，中心參考點(diǎn)產(chǎn)生向某個角度的平移；此后，有兩種控制方式：

其一，若要使參考點(diǎn)停留在該處并保持輸出，給第一電磁鐵2-1通電使其鎖止，給第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3斷電使其解除鎖止，這時柔性鉸鏈3恢復(fù)原始狀態(tài)，對第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3斷電，使整個裝置恢復(fù)原始形狀，此時參考點(diǎn)輸出了上述某個角度上的的平移；當(dāng)?shù)诙弘娞沾?-2和第三壓電陶瓷1-3的伸長量相同時，此時參考點(diǎn)向y軸正方向平移；

其二，若要使參考點(diǎn)繞第三壓電陶瓷1-3的末端點(diǎn)順時針轉(zhuǎn)動一個角度，給第二電磁鐵2-2斷電解除鎖止，第三電磁鐵2-3仍處于鎖止?fàn)顟B(tài)，這時柔性鉸鏈3恢復(fù)原始狀態(tài)，對第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3斷電，使整個裝置恢復(fù)原始形狀，此時參考點(diǎn)繞第三壓電陶瓷1-3的末端點(diǎn)順時針轉(zhuǎn)動了一個角度；

根據(jù)上述原理，調(diào)整三個機(jī)構(gòu)的鎖止?fàn)顟B(tài)、作動順序和伸長量，能夠?qū)崿F(xiàn)參考點(diǎn)繞第一壓電陶瓷1-1、第二壓電陶瓷1-2或第三壓電陶瓷1-3的末端點(diǎn)的轉(zhuǎn)動，以及在平面內(nèi)不同角度的平移，如果要實(shí)現(xiàn)x軸正方向的平移，則首先鎖止第一電磁鐵2-1和第二電磁鐵2-2，再對第一壓電陶瓷1-1和第二壓電陶瓷1-2通電使其分別伸長即可，當(dāng)兩者的伸長量滿足一定數(shù)值關(guān)系時，能夠使實(shí)現(xiàn)參考點(diǎn)在x軸正方向上的平移；同理，再次改變鎖止與作動順序，能夠?qū)崿F(xiàn)參考點(diǎn)在x軸負(fù)方向上的平移。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)裝置在x、y軸上的平動和繞任意一個壓電陶瓷末端點(diǎn)的轉(zhuǎn)動，故本裝置的工作方式能夠設(shè)置為步進(jìn)式、大行程的平動或轉(zhuǎn)動。

2)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)參考點(diǎn)在偏離某個機(jī)構(gòu)中軸的小角度上的平移，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和對每個機(jī)構(gòu)的伸長量與鎖止?fàn)顟B(tài)的鎖止，理論上經(jīng)過多次作動，能夠?qū)崿F(xiàn)參考點(diǎn)在平面內(nèi)的自由移動。

3)本發(fā)明采用人字形、兩兩中軸夾角120°分布的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高，精度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明立體示意圖。

圖2為本發(fā)明右視圖。

圖3為本發(fā)明裝置在y軸負(fù)方向平移的示意圖。

圖4為本發(fā)明在其中兩個壓電陶瓷伸長后，原中心位置的參考點(diǎn)的位移狀態(tài)。

圖5為本發(fā)明裝置繞第三壓電陶瓷末端點(diǎn)轉(zhuǎn)動的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1和圖3所示，在初始位置，給第一電磁鐵2-1通電鎖止，給第一壓電陶瓷1-1通電使其伸長，然后給第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3通電使其鎖止，再給第一電磁鐵2-1斷電，給第一壓電陶瓷1-1斷電使其恢復(fù)原長，此時整個機(jī)構(gòu)向y軸負(fù)方向平移。

如圖1和圖4所示，在初始位置，給第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3通電鎖止，給第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3通電使其伸長相同的位移量，即l1＝l2，于是第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3分別給予柔性鉸鏈3兩個力，這兩個力大小相同，柔性鉸鏈3在兩個力的作用下發(fā)生形變，此時參考點(diǎn)向y軸正方向平移，給第一電磁鐵2-1通電使其鎖止，給第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3斷電解除鎖止，給第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3斷電使其恢復(fù)原長，此時，整個裝置向y軸正方向平移。

如圖1和圖4所示，在初始位置，給第一電磁鐵2-1和第二電磁鐵2-2通電鎖止，給第一壓電陶瓷1-1和第二壓電陶瓷1-2通電使其伸長，如圖4，可以列出參考點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角β、位移a與l(中心到壓電陶瓷末端點(diǎn)的長度)、伸長量l1與l2的數(shù)值關(guān)系，當(dāng)l一定時，β、a與l1、l2有確定的數(shù)值關(guān)系：

當(dāng)兩者的伸長量滿足一定數(shù)值關(guān)系時，能夠使實(shí)現(xiàn)參考點(diǎn)在x軸正方向上的平移；類似的，在初始位置，給第一電磁鐵2-1和第三電磁鐵2-3通電鎖止，給第一壓電陶瓷1-1和第三壓電陶瓷1-3通電使其伸長，當(dāng)兩者的伸長量滿足一定數(shù)值關(guān)系時，能夠使實(shí)現(xiàn)參考點(diǎn)在x軸負(fù)方向上的平移；要實(shí)現(xiàn)在x軸正方向的平移，只需令β＝30°，要實(shí)現(xiàn)x軸負(fù)方向的平移，只需令β＝-30°，已知目標(biāo)平移量為a和原始長度l，代入上述方程組，可解出兩個伸長量l1和l2。

如圖1和圖5所示，在初始位置，給第二電磁鐵2-2和第三電磁鐵2-3通電鎖止，給第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3通電使其分別伸長一個位移量，兩個位移量不同，于是第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3分別給予柔性鉸鏈3兩個力，柔性鉸鏈3在兩個力的作用下發(fā)生形變，中心參考點(diǎn)產(chǎn)生向某個角度上的平移；給第二電磁鐵2-2斷電解除鎖止，第三電磁鐵2-3仍處于鎖止?fàn)顟B(tài)，這時柔性鉸鏈3恢復(fù)原始狀態(tài)，對第二壓電陶瓷1-2和第三壓電陶瓷1-3斷電，使整個裝置恢復(fù)原始形狀，此時參考點(diǎn)繞第三壓電陶瓷1-3的末端點(diǎn)順時針轉(zhuǎn)動了一個角度。