CN109412459B - 一种柔性放大机构 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例中提供了一种柔性放大机构，该机构包括：一级放大结构和二级放大结构；所述二级放大结构位于一级放大结构的中部，且与一级放大结构垂直设置；所述一级放大结构与二级放大结构之间设有压电陶瓷叠堆。本申请所述技术方案利用对称布置柔性结构的变形传递运动消除寄生运动的同时，采用两级放大的结构，能够将总位移放大倍数扩大至20倍。本方案结构简单，能够避免机械摩擦所导致的设备损耗，且无需润滑，节省维护成本。
Description
技术领域
本申请涉及柔性传动领域，特别涉及一种基于材料变形的高精度、无摩擦的柔性精微放大机构。
背景技术
传统的机械结构多为刚性机构，而自然界中的万物则是刚柔并济的。刚性机构结构稳定，控制简单，可以满足绝大多数的工程应用。但是刚性传动受限于传动链的固有误差，如电机减速器空回误差，齿轮齿隙误差，以及摩擦导致的误差，使其无法达到精微定位系统所需要的微米甚至纳米级分辨率。若在柔性机构在传动过程中装载纳米级压电陶瓷促动器可实现微纳定位。不过，虽然压电促动器精度高，但缺点在于行程小，目前市面上非定制产品单片位移约1.5um，能放大5到8倍。此量级在精密工程应用中受限较严重，如扫描隧道显微镜(STM)，超精机床刀具伺服系统中，往往需要将位移放大20倍，实现500um左右的单轴行程。这对于直驱结构和单级放大机构是很难实现的。
发明内容
为解决上述问题之一，本申请提供了一种柔性放大机构。
根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种柔性放大机构，该机构包括：一级放大结构1和二级放大结构2；
所述二级放大结构2位于一级放大结构1的中部，且与一级放大结构1垂直设置；
所述一级放大结构1与二级放大结构2之间设有压电陶瓷叠堆3。
优选地，所述一级放大结构1为椭圆环形结构；
所述一级放大结构1沿长轴方向的两端为与短轴平行的平面。
优选地，所述一级放大结构1的内侧，在椭圆长轴的两端，以平行于椭圆环形结构的开口方向的椭圆长轴所在平面为对称面开有一对缺口。
优选地，所述缺口的内圆切线和长轴平行的平面之间的夹角为13°。
优选地，所述二级放大结构2为椭圆环形结构；
所述二级放大结构沿长轴方向的两端为与短轴平行的平面。
优选地，所述二级放大结构2的内侧，在椭圆长轴的两端，以平行于椭圆环形结构的开口方向的椭圆长轴所在平面为对称面开有一对缺口。
优选地，所述缺口的内圆切线和长轴平行的平面之间的夹角为11°。
优选地，所述一级放大结构1与二级放大结构2交接处的四周设有安装座4。
优选地，所述一级放大结构1内部通过预紧应力固定有压电陶瓷叠堆3；
所述压电陶瓷叠堆3的两端与所述一级放大结构1内壁抵接。
优选地，所述一级放大结构1的放大倍数为4.16；所述二级放大结构2的放大倍数为4.98。
本申请所述技术方案利用对称结构的变形传递运动，能够消除寄生运动；同时，采用两级放大的结构，能够将总位移放大倍数扩大至20倍。
本方案结构简单，能够避免机械摩擦所导致的设备损耗，且无需润滑，节省维护成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出本方案所述柔性放大机构的示意图；
图2示出本方案所述一级放大结构的截面图；
图3示出本方案所述二级放大结构的截面图；
图4示出本方案所述一级放大结构中缺口的示意图；
图5示出本方案所述二级放大结构中缺口的示意图。
附图标号
1、一级放大结构，2、二级放大结构，3、压电陶瓷叠堆，4、安装座，5、螺栓。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本方案的核心思路是利用两个椭圆形放大结构相互配合对总位移进行放大，在此基础上，保持结构的对称性，使变形传递运动更加稳定，从而消除寄生运动。
如图1所示，本实例公开了一种柔性放大机构，该机构能够实现最高20倍的放大倍数，能够满足精密工程中形成控制的需求。该机构具体包括：一级放大结构1和二级放大结构；所述二级放大结构2位于一级放大结构1的中部，且与一级放大结构1垂直设置；所述一级放大结构1与二级放大结构2之间设有压电陶瓷叠堆3。
本方案中，所述一级放大结构1和二级放大结构2均采用规则几何结构，以保证放大结构本身的对称性；在装配时，需要保证两个放大结构装配完毕后的整体机构的对称性，通过保证机构的对称性，使变形传递运动更加均匀稳定，从而消除寄生运动。
如图2所示，本方案中所述一级放大结构1采用椭圆环形结构；为了保证结构的稳定性和刚度需求，将所述一级放大结构1沿长轴方向的两端设计为与短轴平行的平面；优选地，所述一级放大结构1的内侧，在椭圆长轴的两端，以平行于椭圆环形结构的开口方向的椭圆长轴所在平面为对称面开有一对缺口。所述一级放大结构1具有4个缺口，如图4所示，每个缺口α的内圆切线和长轴平行的平面之间的夹角为13°。通过此设计，所述一级放大结构1的最大放大倍数可以提升至4.16。其中，一级放大结构1两侧的平面通过刮研、修磨等工艺加工而成，其加工成精密反射面，作为后续放大机构标定基准面。
如图3所示，本方案中所述二级放大结构2也采用椭圆环形结构；为了保证结构的稳定性和刚度需求，将所述二级放大结构2沿长轴方向的两端设计为与短轴平行的平面；所述二级放大结构2的内侧，在椭圆长轴的两端，以平行于椭圆环形结构的开口方向的椭圆长轴所在平面为对称面开有一对缺口。所述二级放大结构2具有4个缺口β，如图5所示，每个缺口β的内圆切线和长轴平行的平面之间的夹角为11°。通过此设计，所述一级放大结构1的最大放大倍数可以提升至4.98。
本方案中，一级放大结构1和二级放大结构2的形状不仅限于椭圆形，且两个放大结构可以采用不同结构，例如，一级放大结构1采用椭圆形，二级放大结构2采用圆形。在满足一级放大结构1和二级放大结构2性能指标的前提下，两个放大结构的外形可以灵活组合搭配。
如图1所示，本方案中，所述一级放大结构1内部通过预紧应力固定有压电陶瓷叠堆3；所述压电陶瓷叠堆3的两端与所述一级放大结构1内壁抵接。本实例中，压电陶瓷叠堆3是由11枚压电陶瓷促动单元组成。
如图1所示，所述一级放大结构1与二级放大结构2交接处的四周设有安装座4；所述安装座4设有细牙内螺纹。利用四颗高强度螺栓5，可将一级放大结构1内框扩大，将压电陶瓷叠堆3放置其中，松开螺栓5，即可使压电陶瓷叠堆3预压缩于内框中，完成两个放大结构的装配。其中，所述压电陶瓷叠堆3水平设置在一级放大结构1内部。
本方案所述柔性放大结构工作时，压电陶瓷叠堆3的微变形运动产生微位移，且带动一节放大结构和二级放大结构2运行，一节放大结构和二级放大结构2相互配合，使总位移增大，最大放大倍数可达20倍。
综上所述，本申请所述技术方案利用对称结构的变形传递运动，能够消除寄生运动；同时，采用两级放大的结构，能够将总位移放大倍数扩大至20倍。本方案结构简单，能够避免机械摩擦所导致的设备损耗，且无需润滑，节省维护成本。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种柔性放大机构，其特征在于，该机构包括：一级放大结构(1)和二级放大结构(2)；
所述二级放大结构(2)位于一级放大结构(1)的中部，且与一级放大结构(1)垂直设置；
所述一级放大结构(1)与二级放大结构(2)之间设有压电陶瓷叠堆(3)；
所述一级放大结构(1)为椭圆环形结构；所述一级放大结构(1)沿长轴方向的两端为与短轴平行的平面；
所述一级放大结构(1)的内侧，在椭圆长轴的两端，以平行于椭圆环形结构的开口方向的椭圆长轴所在平面为对称面开有一对缺口；
在椭圆长轴的端部的两个表面分别开设有第一缺口和第二缺口，所述第一缺口与所述第二缺口沿与所述二级放大结构(2)垂直的平面对称，
所述一级放大结构(1)所述二级放大结构(2)垂直的平面
所述缺口的内圆切线和长轴平行的平面之间的夹角为13°；
所述二级放大结构(2)为椭圆环形结构；
所述二级放大结构(2)沿长轴方向的两端为与短轴平行的平面；
所述二级放大结构(2)的内侧，在椭圆长轴的两端，以平行于椭圆环形结构的开口方向的椭圆长轴所在平面为对称面开有一对缺口；
所述缺口的内圆切线和长轴平行的平面之间的夹角为11°。
2.根据权利要求1所述的柔性放大结构，其特征在于，所述一级放大结构(1)与二级放大结构(2)交接处的四周设有安装座(4)。
3.根据权利要求1所述的柔性放大结构，其特征在于，所述一级放大结构(1)内部通过预紧应力固定有压电陶瓷叠堆(3)；
所述压电陶瓷叠堆(3)的两端与所述一级放大结构(1)内壁抵接。
4.根据权利要求3所述的柔性放大结构，其特征在于，所述一级放大结构(1)的放大倍数为4.16；所述二级放大结构(2)的放大倍数为4.98。
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