压电驱动的二维微动成像平台
阅读说明：本技术 压电驱动的二维微动成像平台 (Piezoelectric-driven two-dimensional micro-motion imaging platform ) 是由 高禹 王亮 张安悌 金家楣 原路生 张世宇 于 2021-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种压电驱动的二维微动成像平台,包含瞄准镜和调节模块,瞄准镜设置在调节模块上,通过调节模块调节瞄准镜移动进而成像,调节模块包含壳体和四个驱动单元；驱动单元均包含连杆、压电叠堆和两个顶锥,能够自由伸缩。壳体包含两个固定板和四个立柱；四个驱动单元分别设置在四个立柱之间,且四个立柱上设置凹槽形成柔铰,通过驱动四个驱动单元使得两个固定板之间发生二维微动位移。本发明结构简单、布置灵活,解决了现有航空瞄准镜控制平台的结构复杂、精度不足等问题。(The invention discloses a piezoelectric-driven two-dimensional micro-motion imaging platform which comprises a sighting telescope and an adjusting module, wherein the sighting telescope is arranged on the adjusting module and is adjusted by the adjusting module to move for imaging, and the adjusting module comprises a shell and four driving units; the driving units comprise connecting rods, piezoelectric stacks and two tip cones and can freely stretch and retract. The shell comprises two fixed plates and four upright posts; four drive unit set up respectively between four stands, and set up the recess on four stands and form gentle hinge, make two-dimentional fine motion displacement take place between two fixed plates through four drive unit of drive. The control platform of the aerial sighting telescope is simple in structure and flexible in arrangement, and solves the problems of complex structure, insufficient precision and the like of the existing control platform of the aerial sighting telescope.)
技术领域
本发明涉及压电驱动技术领域，尤其涉及一种压电驱动的二维微动成像平台。
背景技术
目前，世界各先进的火控系统几乎都配有驱动控制装置，从地炮和高炮的瞄准仪，坦克的夜视瞄准具，海军用的反导系统等等，它们都是现代战争的宠儿。随着上述领域的进一步发展，可以实现大尺度和纳米级定位精度的驱动装置成为制约上述
技术领域
进一步发展的瓶颈，并受到了广泛的关注和研究。在现代空战中，航空瞄准镜的快速并且精准地定位已成为满足“先敌开火，首发命中”的新型战机战机要求和提高新型战机战斗性能的有效手段。传统的电磁驱动技术虽然已经十分成熟，但机载跟踪瞄准系统在用其定位时仍存在着定位精度不足、响应速度较慢以及电磁干扰严重等难以解决的问题，因此新型驱动原理尤其是压电驱动技术在机载跟瞄系统上有着极大应用。压电驱动技术主要利用压电材料的逆压电效应实现电能向机械能的转换，由于压电驱动技术的原理特点，它具有结构设计灵活多样、无电磁干扰、响应速度快、定位精度高等优势。
在诸如机载跟踪瞄准系统、光纤对接、细胞操作、微电子器件加工等应用场合中，可以实现二维移动的平台具有广泛的应用需求。但是现有的电磁驱动的两自由度载物台普遍存在定位精度较低、动态特性较差的问题，因此一种可以实现大尺度和纳米级定位精度的压电驱动的二维微动成像平台具有十分广泛的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电驱动的二维微动成像平台。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
压电驱动的二维微动成像平台，包含瞄准镜和调节模块，所述瞄准镜设置在调节模块上，通过调节模块调节瞄准镜移动进而成像，所述调节模块包含壳体、以及第一至第四驱动单元；
所述第一至第四驱动单元均包含第一顶锥、第二顶锥、连杆和压电叠堆，其中，所述第一顶锥、第二顶锥结构相同，均为圆锥；所述压电叠堆为柱体，其沿轴线设有供所述连杆穿过通孔，且压电叠堆的一端和所述第二顶锥的端面同轴固连；所述连杆一端和所述第一顶锥的端面同轴固连，另一端从压电叠堆远离第二顶锥的一端伸入压电叠堆的通孔中；所述连杆和所述压电叠堆间隙配合，能够相互自由滑动；
所述壳体包含第一固定板、第二固定板、以及第一至第四立柱，其中，所述第一固定板、第二固定板为大小相同的矩形板；所述第一至第四立柱的两端分别和第一固定板、第二固定板在其四个角处一一对应垂直固连，使得壳体呈长方体状；所述第一至第四立柱均采用弹性材料制成，第一立柱、第三立柱在第一固定板的一根对角线上，第二立柱、第四立柱在第一固定板的另一根对角线上；第一至第四立柱均包含依次首尾相连的第一至第四侧壁；
所述第一固定板中心设有用于安装瞄准镜的安装孔，所述第二固定板中心设有用于供瞄准镜中光线穿过成像的透视孔；
令第一立柱轴线和第一固定板的交点为原点，第一立柱、第二立柱在第一固定板上连线所在直线为X轴，第一立柱、第四立柱在第一固定板上连线所在直线为Y轴；第一固定板位于第二固定板上方；
所述第一至第四立柱的第一、第三侧壁平行于X轴，第一至第四立柱的第二、第四侧壁平行于Y轴；第一立柱的第二侧壁、第二立柱的第四侧壁相对，第二立柱的第三侧壁、第三立柱的第一侧壁相对，第三立柱的第四侧壁、第四立柱的第二侧壁相对，第四立柱的第一侧壁、第一粒珠的第三侧壁相对；
所述第一立柱在其第一至第四侧壁的上部均设有呈半圆柱状且在同一平面的凹槽，使得第一立柱在其上部形成能够沿X轴、Y轴弯曲的柔铰；
所述第三立柱在其第一至第四侧壁的下部均设有呈半圆柱状且在同一平面的凹槽，使得第三立柱在其下部形成能够沿X轴、Y轴弯曲的柔铰；
所述第二立柱在其第一侧壁、第三侧壁上部设有和第一立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆柱状凹槽，且第二立柱在其第二侧壁、第四侧壁下部设有和第三立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆柱状凹槽，使得第二立柱在其上部形成能够沿Y轴弯曲的柔铰、在其下部形成能够沿X轴弯曲的柔铰；
所述第四立柱在其第一侧壁、第三侧壁上部设有和第三立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆柱状凹槽，且第二立柱在其第二侧壁、第四侧壁上部设有和第一立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆状凹槽，使得第二立柱在其上部形成能够沿Y轴弯曲的柔铰、在其下部形成能够沿X轴弯曲的柔铰；
所述第一立柱第二侧壁的下部、第二立柱的第四侧壁的上部均设有圆锥状凹槽，所述第一驱动单元的第一顶锥顶在所述第一立柱第二侧壁下部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第二立柱的第四侧壁上部的圆锥状凹槽；
所述第二立柱第三侧壁的下部、第三立柱第一侧壁的上部均设有圆锥状凹槽，所述第二驱动单元的第一顶锥顶在所述第二立柱第三侧壁下部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第三立柱第一侧壁上部的圆锥状凹槽；
所述第三立柱第四侧壁的上部、第四立柱第二侧壁的下部均设有圆锥状凹槽，所述第三驱动单元的第一顶锥顶在所述第三立柱第四侧壁上部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第三立柱第一侧壁下部的圆锥状凹槽；
所述第四立柱第一侧壁的上部、第一立柱第三侧壁的下部均设有圆锥状凹槽，所述第四驱动单元的第一顶锥顶在所述第四立柱第一侧壁上部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第一立柱第三侧壁下部的圆锥状凹槽。
作为本发明压电驱动的二维微动成像平台进一步的优化方案，所述第一至第四立柱均采用弹性刚制成。
作为本发明压电驱动的二维微动成像平台进一步的优化方案，所述第一顶锥、第二顶锥端面中心均设有螺纹孔；所述压电叠堆一端设有外螺纹，和所述第二顶锥端面的螺纹孔通过螺纹连接固连；所述连杆一端设有外螺纹，和所述第一顶锥端面的螺纹孔通过螺纹连接固连。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明利用四个方向相互垂直的压电叠堆通电之后伸长的特性，通过压电叠堆的压力使四周开有柔铰的外壳进行变形，使瞄准镜的位置随着外壳发生移动，进而精确地改变瞄准镜位置的一种二维移动平台，主要用于飞机上的机载跟踪瞄准系统，可以使飞机在跟踪瞄准过程中精确地定位敌方的位置并进行打击，具有结构简单，运行稳定，可靠性好，制造容易，使用舒适方便等优点，解决了现有相机镜头控制平台结构复杂、形式单一和精度不足等问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中连杆和第一顶锥相配合的结构示意图；
图3是本发明中壳体的结构示意图；
图4是本发明沿X轴变形的示意对比图；
图5是本发明驱动时X轴方向和Y轴方向电压信号随时间变化示意图。
图中，1-瞄准镜，2-第一固定板，3-第二固定板，4-第一立柱的第一侧壁，5-第一立柱的第四侧壁，6-第二立柱的第一侧壁，7-第四驱动单元，8第一驱动单元，9-第一顶锥，10-连杆，11-安装孔，12-透视孔，13-第三立柱第二侧壁上的半圆柱状凹槽，14-第二立柱第三侧壁上的半圆柱状凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种压电驱动的二维微动成像平台，包含瞄准镜和调节模块，所述瞄准镜设置在调节模块上，通过调节模块调节瞄准镜移动进而成像，所述调节模块包含壳体、以及第一至第四驱动单元；
所述第一至第四驱动单元均包含第一顶锥、第二顶锥、连杆和压电叠堆，其中，所述第一顶锥、第二顶锥结构相同，均为圆锥；所述压电叠堆为柱体，其沿轴线设有供所述连杆穿过通孔，且压电叠堆的一端和所述第二顶锥的端面同轴固连；所述连杆一端和所述第一顶锥的端面同轴固连，如图2所示，另一端从压电叠堆远离第二顶锥的一端伸入压电叠堆的通孔中；所述连杆和所述压电叠堆间隙配合，能够相互自由滑动；
如图3所示，所述壳体包含第一固定板、第二固定板、以及第一至第四立柱，其中，所述第一固定板、第二固定板为大小相同的矩形板；所述第一至第四立柱的两端分别和第一固定板、第二固定板在其四个角处一一对应垂直固连，使得壳体呈长方体状；所述第一至第四立柱均采用弹性材料制成，优先采用弹性刚制成，第一立柱、第三立柱在第一固定板的一根对角线上，第二立柱、第四立柱在第一固定板的另一根对角线上；第一至第四立柱均包含依次首尾相连的第一至第四侧壁；
所述第一固定板中心设有用于安装瞄准镜的安装孔，所述第二固定板中心设有用于供瞄准镜中光线穿过成像的透视孔；
令第一立柱轴线和第一固定板的交点为原点，第一立柱、第二立柱在第一固定板上连线所在直线为X轴，第一立柱、第四立柱在第一固定板上连线所在直线为Y轴；第一固定板位于第二固定板上方；
所述第一至第四立柱的第一、第三侧壁平行于X轴，第一至第四立柱的第二、第四侧壁平行于Y轴；第一立柱的第二侧壁、第二立柱的第四侧壁相对，第二立柱的第三侧壁、第三立柱的第一侧壁相对，第三立柱的第四侧壁、第四立柱的第二侧壁相对，第四立柱的第一侧壁、第一粒珠的第三侧壁相对；
所述第一立柱在其第一至第四侧壁的上部均设有呈半圆柱状且在同一平面的凹槽，使得第一立柱在其上部形成能够沿X轴、Y轴弯曲的柔铰；
所述第三立柱在其第一至第四侧壁的下部均设有呈半圆柱状且在同一平面的凹槽，使得第三立柱在其下部形成能够沿X轴、Y轴弯曲的柔铰；
所述第二立柱在其第一侧壁、第三侧壁上部设有和第一立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆柱状凹槽，且第二立柱在其第二侧壁、第四侧壁下部设有和第三立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆柱状凹槽，使得第二立柱在其上部形成能够沿Y轴弯曲的柔铰、在其下部形成能够沿X轴弯曲的柔铰；
所述第四立柱在其第一侧壁、第三侧壁上部设有和第三立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆柱状凹槽，且第二立柱在其第二侧壁、第四侧壁上部设有和第一立柱侧壁上凹槽在同一平面的半圆状凹槽，使得第二立柱在其上部形成能够沿Y轴弯曲的柔铰、在其下部形成能够沿X轴弯曲的柔铰；
所述第一立柱第二侧壁的下部、第二立柱的第四侧壁的上部均设有圆锥状凹槽，所述第一驱动单元的第一顶锥顶在所述第一立柱第二侧壁下部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第二立柱的第四侧壁上部的圆锥状凹槽；
所述第二立柱第三侧壁的下部、第三立柱第一侧壁的上部均设有圆锥状凹槽，所述第二驱动单元的第一顶锥顶在所述第二立柱第三侧壁下部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第三立柱第一侧壁上部的圆锥状凹槽；
所述第三立柱第四侧壁的上部、第四立柱第二侧壁的下部均设有圆锥状凹槽，所述第三驱动单元的第一顶锥顶在所述第三立柱第四侧壁上部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第三立柱第一侧壁下部的圆锥状凹槽；
所述第四立柱第一侧壁的上部、第一立柱第三侧壁的下部均设有圆锥状凹槽，所述第四驱动单元的第一顶锥顶在所述第四立柱第一侧壁上部的圆锥状凹槽、第二顶锥顶在所述第一立柱第三侧壁下部的圆锥状凹槽。
所述第一顶锥、第二顶锥端面中心均设有螺纹孔；所述压电叠堆一端设有外螺纹，和所述第二顶锥端面的螺纹孔通过螺纹连接固连；所述连杆一端设有外螺纹，和所述第一顶锥端面的螺纹孔通过螺纹连接固连。
令第一驱动单元、第三驱动单元为横向驱动单元，第二驱动单元、第四驱动单元为纵向驱动单元，所述相机镜头移动分为以下步骤：
步骤一、对横向驱动单元的压电叠堆、纵向驱动单元的压电叠堆施加直流电压信号，以此调整压电叠堆和弹性外壳之间的预压力；
步骤二、对横向驱动单元的压电叠堆、纵向驱动单元的压电叠堆施加缓慢上升的直流激励电压信号，压电叠堆伸长，在推力的作用下带动外壳偏上方的位置向X轴正方向、Y轴正方向变形，外壳上方的变形进而带动瞄准镜沿着X轴、Y轴正方向缓慢移动至极限位置，沿正方向产生直线位移输出，如图4所示；
步骤三、对横向驱动单元的压电叠堆、纵向驱动单元的压电叠堆施加快速下降的激励电压信号，其会逐渐恢复到初始形状，外壳在塑性的作用下形状会变回到初始位置，进而瞄准镜也会随着外壳回到初始位置，瞄准镜在惯性的作用下最后保持静止。
步骤四、重复步骤二至步骤三实现瞄准镜沿着X轴、Y轴正向做超精密直线运动。
图5是本发明驱动时X轴方向和Y轴方向电压信号随时间变化示意图。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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