CN109215730A - 一种基于柔性铰链的位移换向放大机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，包括关于y轴对称设置的左刚体和右刚体、连接于左刚体和右刚体之间的柔性部分，所述柔性部分关于y轴对称设置，包括左三角放大区、右三角放大区、顶端三角放大区、左杠杆放大区和右杠杆放大区，所述顶端三角放大区两底端分别连接于左三角放大区和右三角放大区两顶端，所述左三角放大区两底端分别连接于左刚体上端和左杠杆放大区输出端，所述右三角放大区两底端分别连接于右刚体上端和右杠杆放大区输出端。本发明综合了基于柔性铰链的三角形放大原理和杠杆放大原理的结构性能优点，实现了输入位移的换向及放大功能，兼具结构紧凑、运动平稳、精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微纳精密微定位驱动技术领域，尤其涉及一种基于柔性铰链的位移换向放大机构。
背景技术
随着微纳精密微定位驱动技术的发展，微位移技术在精密定位系统与精密制造工艺中变得尤为重要。近几年来，由压电陶瓷驱动器作为微定位平台的驱动元件在精密机械当中得到了广泛的应用，但由于其驱动位移较小，在100V电压下，输出位移只有10um左右，使其应用范围受到限制，传统的微位移放大机构存在如下缺陷：一、放大倍数比较小，且放大机构除了放大驱动器的误差外，本身的精度也比较低；二、针对某些场合由于空间有限或工作要求既需要放大又需要换向的情况，传统的微位移传递机构无法同时实现。因此，设计出位移换向放大机构就变得极其重要。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，研发出一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，使得位移传递机构更加一体化，简化了整体结构尺寸，解决了位移同时放大与换向的问题，另外利用圆弧型柔性铰链结构中的圆弧部位发生弹性变形，且弹性变形是可逆的，它具有无间隙、无机械摩擦、运动灵敏性高等优点，保证了驱动系统的高精度，避免了传动环节的误差放大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，包括关于y轴对称设置的左刚体和右刚体、连接于左刚体和右刚体之间的柔性部分，所述柔性部分关于y轴对称设置，包括左三角放大区、右三角放大区、顶端三角放大区、左杠杆放大区和右杠杆放大区，所述顶端三角放大区两底端分别连接于左三角放大区和右三角放大区两顶端，所述左三角放大区两底端分别连接于左刚体上端和左杠杆放大区输出端，所述右三角放大区两底端分别连接于右刚体上端和右杠杆放大区输出端，所述左杠杆放大区的支点连接于左刚体下端，且左杠杆放大区的输入端与受力杆的左端相连接，所述右杠杆放大区的支点连接于右刚体下端，且右杠杆放大区的输入端与受力杆的右端相连接；所述柔性部分各连接处均是由相同尺寸大小的圆弧型柔性铰链构成，所述圆弧型柔性铰链由杆部和圆弧穿孔构成，所述圆弧穿孔的侧面均向内凹，所述左刚体和右刚体的上部和下部分别对称设有用于本机构定位的定位孔。
优选的，所述左刚体和右刚体、左三角放大区、右三角放大区、顶端三角放大区、左杠杆放大区、右杠杆放大区、受力杆和圆弧型柔性铰链为一体式结构。
优选的，所述左三角放大区、右三角放大区和顶端三角放大区均是等腰三角结构，且三个角采用的圆弧型柔性铰链均是由一个圆弧穿孔构成。
优选的，所述圆弧穿孔的圆弧半径为R，所述杆部的宽度为d，满足2R<d，所述圆弧穿孔的圆心角为90°。
优选的，所述圆弧型柔性铰链采用45号钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明采用圆弧型柔性铰链构成柔性换向放大机构，利用柔性铰链的无机械摩擦、无间隙、免装配、免润滑、体积小、运动灵敏性高等优点，保证了驱动系统的高精度，避免了传动环节的误差放大。
2.本发明将微位移的放大机构与换向机构融为一体，同时实现了位移放大和换向功能，简化了整体结构尺寸，另外柔性部分对称设置，避免了横向位移损失，减小纵向耦合误差。
3.本发明同时采用杠杆放大原理和三角放大原理，使得位移进行多级放大，合理设计三角形放大区斜杆的倾斜角度和杠杆的支点位置，可以得到不同的放大倍数。
4.整个机构的加工采用数控电火花线切割机床一体化加工而成，加工精度高，避免装配引入的误差。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为本发明圆弧型柔性铰链的结构示意图；
图4为本发明的等效结构变形示意图。
图中：1-左刚体；2-右刚体；3-左三角放大区；4-右三角放大区；5-顶端三角放大区；6-左杠杆放大区；7-右杠杆放大区；8-受力杆；9-圆弧型柔性铰链；10-定位孔；11-杆部；12-圆弧穿孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，包括关于y轴对称设置的左刚体1和右刚体2、连接于左刚体1和右刚体2之间的柔性部分，所述柔性部分关于y轴对称设置，包括左三角放大区3、右三角放大区4、顶端三角放大区5、左杠杆放大区6和右杠杆放大区7，所述顶端三角放大区5两底端分别连接于左三角放大区3和右三角放大区4两顶端，所述左三角放大区3两底端分别连接于左刚体1上端和左杠杆放大区6输出端，所述右三角放大区4两底端分别连接于右刚体2上端和右杠杆放大区7输出端，所述左杠杆放大区6的支点连接于左刚体1下端，且左杠杆放大区6的输入端与受力杆8的左端相连接，所述右杠杆放大区7的支点连接于右刚体2下端，且右杠杆放大区7的输入端与受力杆8的右端相连接；所述柔性部分各连接处均是由相同尺寸大小的圆弧型柔性铰链9构成，所述圆弧型柔性铰链9由杆部11和圆弧穿孔12构成，所述圆弧穿孔12的侧面均向内凹，所述左刚体1和右刚体2的上部和下部分别对称设有用于本机构定位的定位孔10。
所述左刚体1和右刚体2、左三角放大区3、右三角放大区4、顶端三角放大区5、左杠杆放大区6、右杠杆放大区7、受力杆8和圆弧型柔性铰链9为一体式结构，整个机构的加工采用数控电火花线切割机床一体化加工而成，加工精度高，避免装配引入的误差。
所述左三角放大区3、右三角放大区4和顶端三角放大区5均是等腰三角结构，且三个角采用的圆弧型柔性铰链9均是由一个圆弧穿孔12构成，使得左三角放大区3、右三角放大区4和顶端三角放大区5的放大倍数只与斜杆的倾斜角度有关。
所述圆弧穿孔12的圆弧半径为R，所述杆部11的宽度为d，满足2R<d，使得柔性铰链的变形集中在圆弧部分，实现机构的高灵敏度，所述圆弧穿孔12的圆弧半角为90°，在设计、分析以及制造方面变得简单。
所述圆弧型柔性铰链9采用45号钢，具有较高的强度、韧性和耐磨性。
工作原理：位移换向放大机构在工作时，由压电陶瓷驱动输出的微小位移△y作用在受力杆8上，分别通过左杠杆放大区6和右杠杆放大区7进行1级放大，并经过左杠杆放大区6和右杠杆放大区7的输出端输出1级放大位移－△y1，然后1级放大位移－△y1传导给左三角放大区3和右三角放大区4，并对1级放大位移－△y1进行三角形原理放大，由此得到2级对称放大位移－△x和△x，同时左三角放大区3和右三角放大区4的顶端均下移一定的距离，然后2级对称放大位移－△x和△x传导给顶端三角放大区5进行三角形原理放大，最后得到的3级放大位移-△y'沿着y轴输出，位移放大比B＝－△y'/△y负号表示换向。在设计时，通过改变斜杆倾斜角度和杠杆支点位置，可以使机构得到不同的放大倍数。
由此可知，本发明综合了基于柔性铰链的三角形放大原理和杠杆放大原理的结构性能优点，实现了输入位移的换向及放大功能，位移呈直线输出，兼具结构紧凑、运动平稳、精度高等优点。适用于高精度、大行程、变方向微定位平台。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，包括关于y轴对称设置的左刚体(1)和右刚体(2)、连接于左刚体(1)和右刚体(2)之间的柔性部分，其特征在于：所述柔性部分关于y轴对称设置，包括左三角放大区(3)、右三角放大区(4)、顶端三角放大区(5)、左杠杆放大区(6)和右杠杆放大区(7)，所述顶端三角放大区(5)两底端分别连接于左三角放大区(3)和右三角放大区(4)两顶端，所述左三角放大区(3)两底端分别连接于左刚体(1)上端和左杠杆放大区(6)输出端，所述右三角放大区(4)两底端分别连接于右刚体(2)上端和右杠杆放大区(7)输出端，所述左杠杆放大区(6)的支点连接于左刚体(1)下端，且左杠杆放大区(6)的输入端与受力杆(8)的左端相连接，所述右杠杆放大区(7)的支点连接于右刚体(2)下端，且右杠杆放大区(7)的输入端与受力杆(8)的右端相连接；所述柔性部分各连接处均是由相同尺寸大小的圆弧型柔性铰链(9)构成，所述圆弧型柔性铰链(9)由杆部(11)和圆弧穿孔(12)构成，所述圆弧穿孔(12)的侧面均向内凹，所述左刚体(1)和右刚体(2)的上部和下部分别对称设有用于本机构定位的定位孔(10)。
2.根据权利要求书1所述的一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，其特征在于：所述左刚体(1)和右刚体(2)、左三角放大区(3)、右三角放大区(4)、顶端三角放大区(5)、左杠杆放大区(6)、右杠杆放大区(7)、受力杆(8)和圆弧型柔性铰链(9)为一体式结构。
3.根据权利要求书1所述的一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，其特征在于：所述左三角放大区(3)、右三角放大区(4)和顶端三角放大区(5)均是等腰三角结构，且三个角采用的圆弧型柔性铰链(9)均是由一个圆弧穿孔(12)构成。
4.根据权利要求书1所述的一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，其特征在于：所述圆弧穿孔(12)的圆弧半径为R，所述杆部(11)的宽度为d，满足2R<d，所述圆弧穿孔(12)的圆心角为90°。
5.根据权利要求书1所述的一种基于柔性铰链的位移换向放大机构，其特征在于：所述圆弧型柔性铰链(9)采用45号钢。
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