CN109713937A - 一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器，属于航空航天的精密器件领域，本发明的微位移放大器为一体化的对称结构，微位移放大器顶端为输出端；输出端下端设置有三级杠杆放大部件；三级杠杆放大部件下端左右对称设置有二级杠杆放大部件；二级杠杆放大部件下端中部设置有一级菱形放大部件，一级菱形放大部件中心部位放置压电叠堆作为驱动器，一级菱形放大部件的一侧设置有压电叠堆预紧通孔，微位移放大器一体化结构底部，在一级菱形放大部件两侧设置有结构定位孔；本发明的微位移放大器结合了三角放大原理和杠杆放大原理，三级放大过程使得放大效果更好，可作为振动主动控制、精密驱动等领域的有效放大器件。

Description

一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器

技术领域

本发明属于航空航天的精密器件领域，具体是指一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器。

背景技术

随着科学技术的发展，微位移技术已成为前沿科学、工程技术领域的关键技术，在光学、电子、微机电系统、航空航天、机械制造、生物医学等领域内有极为重要的地位。近年来，智能材料的兴起推动了微位移技术的发展，压电陶瓷等微位移器件是近几年来发展起来的新型微位移器件，它们具有体积小、输出力大、分辨率高和频响快等优点，并且不发热、无噪声、易于控制，是纳米驱动／定位技术中的理想微位移器件。然而，压电陶瓷等微位移器件也存在着位移输出过小的缺点，因此，对微位移进行放大是微位移技术的关键。

传统的微位移放大技术中，常采用各种刚性机构进行位移放大，但由于存在着摩擦、间隙、润滑、装配等方面的问题，这种系统运动灵敏度和定位精度都很难达到很高的要求，因此严重影响了微纳米精密机械的性能，制约了微纳米精密机械的发展。

柔顺机构是一种依靠构件自身弹性变形来输出全部运动、力和能量的新型装置，其最早可以追溯到旧石器时代人类应用弓箭开始。从20世纪80年代后期，柔顺机构逐渐引起了机械科学家和工程师的高度重视，其研究成果已经开始在日常生活或特殊的工业工程上应用。不同于刚性机构，柔性机构的运动并不是来源于运动副，而是由多个柔性构件或刚性构件组合而成的系统，也可以是单片的连续体。除此之外，刚性结构的运动轨迹主要取决于运动链的拓扑结构和各构件的长度尺寸，而柔性机构需要考虑构件的材料属性、截面尺寸、载荷性质、作用位置等因素。

在众多柔顺机构中，柔性铰链是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，是微位移放大机构的良好选择。柔性铰链机构以其结构紧凑、无间隙、无摩擦、易于控制、运动精度高等特点，受到了高校及工业界精微操控领域的广泛关注，并被作为精密驱动系统中的位移放大机构广泛用于微细作业领域。根据自由度，可将柔性铰链分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链；根据形状，可将其大致分为弓形、直梁形、椭圆形柔性铰链；根据运放原理不同，可将柔性铰链位移放大机构分为以下几种：1）杠杆原理放大机构：采用杠杆放大原理，能够在原理上使输入输出间保持线性运动关系，具有结构简单、整体刚性较好的特点，但是其一级放大倍数有限，为达到理想的放大倍数必须采用两级甚至多级放大，这样势必会使机构整体尺寸较大；2）压曲放大原理放大机构：一般用于薄板及较薄的壳体的变形放大，薄板的初始曲率越小则其放大倍数越大，但是当频率较高时结构不稳定；3）三角形放大原理放大机构：机构位移放大比在理论上可以达到很大，且具有较高的共振频率和很好的动态特性，近年来被广泛地用作精密驱动系统中的运放机构。

在现有的柔性铰链微位移放大器中，大多仅利用上述原理中的其中一种，运用上述原理中一种其压电叠堆输出位移放大倍数有限并且限制了微位移放大器的应用领域。结合上述原理中多种原理的微位移放大器还缺乏研究。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种用于放大压电叠堆驱动位移的单轴椭圆形微位移放大器，该微位移放大器结合了三角放大原理和杠杆放大原理，可作为振动主动控制、精密驱动等领域的有效放大器件。

本发明是这样实现的：

本发明公开的一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器为一体化的对称结构，所述的微位移放大器顶端为输出端；所述的输出端下端设置有三级杠杆放大部件；所述的三级杠杆放大部件下端左右对称设置有二级杠杆放大部件；所述的二级杠杆放大部件下端中部设置有一级菱形放大部件，所述的一级菱形放大部件中心部位放置压电叠堆作为驱动器，所述的一级菱形放大部件的一侧设置有压电叠堆预紧通孔，所述的微位移放大器一体化结构底部，在一级菱形放大部件两侧设置有结构定位孔。以上利用压电叠堆作为输出元件，结合三角形放大原理和杠杆放大原理，通过三级放大，能有效放大压电叠堆驱动器的输出位移，放大效果更好；由于采用了只能压电材料作为驱动器，具有频率范围大，响应快等优点。整个微位移放大器结构一体化，设计和加工简单，能有效运用于振动主动控制，精密驱动等领域。

进一步，所述的微位移放大器的材料采用弹簧钢，具体指60Si2CrVA。

进一步，所述的二级杠杆放大部件、三级杠杆放大部件的连接处以及二级杠杆放大部件与一级菱形放大部件的连接处均采用椭圆形柔性铰链，所述的柔性铰链椭圆弧的部分，中间厚度小于1毫米。

进一步，所述的一级菱形放大部件中心的菱形部件尺寸为18mmx16mmx16mm。在叠堆选型时，应保证压电叠堆三维尺寸小于18mmx16mmx16mm，以确保叠堆与结构间的匹配吻合。

进一步，所述的一级菱形放大部件内部放置压电叠堆，所述的压电叠堆作为输出元件，横向置放一级菱形放大部件内，通过螺栓进行预紧；所述的压电叠堆三维尺寸小于18mmx16mmx16mm。

进一步，所述的压电叠堆预紧通孔的直径为3mm。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

1）与传统的微位移放大器相比，本发明的微位移放大器中采用智能压电材料作为驱动器，体积小，灵敏度更高，响应更快；利用柔性铰链结构进行力传递，摩擦小，精度高，保证了输出的有效性；

2）本发明的微位移放大器为一整体结构，不需要配合其他结构，易于加工和装配，可靠性较好，且其质量轻，体积小，便于保存；同时与其他基于柔性铰链的微位移放大器相比，本发明充分结合了三角放大原理和杠杆放大原理，三级放大过程使得放大效果更好，能将压电叠堆输出位移放大28.4倍，且在直流和交流过程工作稳定，可靠性强，可作为振动主动控制、精密驱动等领域的有效放大器件。

附图说明

图1为本发明一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器的等轴测视图；

图2为本发明一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器的正视图；

图3为本发明一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器的具体尺寸图；

其中，1-一级菱形放大部件，2-二级杠杆放大部件，3-三级杠杆放大部件，4-输出端，5-结构定位孔，6-压电叠堆预紧通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~2所示，微位移放大器的整体结构为轴对称结构，主要包括以下三个部分：一级菱形放大部件、二级杠杆放大部件、三级杠杆放大部件。

微位移放大器顶端为输出端4；所述的输出端4下端设置有三级杠杆放大部件3；所述的三级杠杆放大部件3下端左右对称设置有二级杠杆放大部件2；所述的二级杠杆放大部件2下端中部设置有一级菱形放大部件1，所述的一级菱形放大部件1中心部位放置压电叠堆作为驱动器，所述的一级菱形放大部件1的一侧设置有压电叠堆预紧通孔6，所述的微位移放大器一体化结构底部，在一级菱形放大部件1两侧设置有结构定位孔5。

如图3所示，三级杠杆放大部件3与二级杠杆放大部件2在竖直方向上距离为6mm，三级杠杆放大部件3轴向长度为39.14mm，厚度为2.3mm；相比而言，二级放大部件2轴向长度仅为三级杠杆放大部件3的三分之二，为26.81mm，但其厚度更大，为6.4mm。二级放大部件2的一端与一级菱形放大部件1的输出端相连，另一端连接三级杠杆放大部件3，以保证位移能够逐级传递。菱形放大部件中空部分近似一个长为18mm的正方形，足够安装一个小型的压电叠堆驱动器。

本发明的微位移放大器严格来说，除一级菱形放大部件1一侧加工3mm压电叠堆预紧通孔6外，左右两边完全对称。微位移放大器的材料采用弹簧钢60Si2CrVA。由于结构本身就比较小，特别是柔性铰链椭圆弧的部分，中间厚度很小，小于1毫米，加工时应尽量保证加工精度。加工完之后进行退火处理，以去除加工过程中产生的残余应力。

整个一级菱形放大部件1的尺寸为18mmx16mmx16mm，在叠堆选型时，应保证压电叠堆三维尺寸小于这个数值，以确保叠堆与结构间的匹配吻合。

工作中，应首先通过底部的结构定位孔5将整个结构固支。将适应结构大小的压电叠堆置于一级菱形放大部件1内，通过后端预紧通孔进行预紧，安装时应注意保持压电叠堆的水平以防止出现剪应力。

具体的工作过程中，当压电叠堆通电时，由于逆压电效应，压电叠堆在极化方向伸展产生位移，该位移作用在一级菱形放大部件1两端，在部件的顶部产生向下的一级放大位移。进而通过椭圆形柔性铰链带动二级杠杆放大部件2，三级杠杆放大部件3进行二，三级放大，最终在结构顶端产生向上的放大位移。

在使用本发明时应注意以下几点：结构加工时应严格保证结构的对称性以保证顶端输出力方向始终垂直于压电叠堆的输出方向；在叠堆选型时，应尽量选择三维尺寸均小于一级菱形放大部件1的叠堆，以防止叠堆因外界因素受损。由于叠堆输出端不能承受切向力，叠堆安装时应严格保持叠堆的水平放置，以防叠堆输出段产生切应力而损坏；结构应尽量避免冲击载荷，在压电叠堆通电时应逐级加载。

本发明的微位移放大器利用基于三角形放大原理的菱形放大部件和基于杠杆放大原理的部件，设计了能有效放大压电叠堆输出位移的微位移放大器。该发明质量轻，摩擦小，结构紧凑，能有效应用于振动主动控制、精密驱动等领域。

将压电叠堆安装在本发明上对压电叠堆通电使其产生位移并由此带动本发明顶端位移。通过贴应变片测试压电叠堆的应变可以换算得到压电叠堆的位移，通过激光位移传感器可以测得顶端放大位移。试验发现顶端放大位移是压电叠堆输出位移的28.4倍，且在直流和交流过程工作稳定，可靠性强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器，其特征在于，所述的微位移放大器为一体化的对称结构，所述的微位移放大器顶端为输出端（4）；所述的输出端（4）下端设置有三级杠杆放大部件（3）；所述的三级杠杆放大部件（3）下端左右对称设置有二级杠杆放大部件（2）；所述的二级杠杆放大部件（2）下端中部设置有一级菱形放大部件（1），所述的一级菱形放大部件（1）中心部位放置压电叠堆作为驱动器，所述的一级菱形放大部件（1）的一侧设置有压电叠堆预紧通孔（6），所述的微位移放大器一体化结构底部，在一级菱形放大部件（1）两侧设置有结构定位孔（5）。

2.根据权利要求1所述的一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器，其特征在于，所述的微位移放大器的材料采用弹簧钢，具体指60Si2CrVA。

3.根据权利要求1所述的一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器，其特征在于，所述的二级杠杆放大部件（2）、三级杠杆放大部件（3）的连接处以及二级杠杆放大部件（2）与一级菱形放大部件（1）的连接处均采用椭圆形柔性铰链，所述的柔性铰链椭圆弧的部分，中间厚度小于1毫米。

4.根据权利要求1所述的一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器，其特征在于，所述的一级菱形放大部件（1）中心的菱形部件尺寸为18mmx16mmx16mm。

5.根据权利要求4所述的一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器，其特征在于，所述的一级菱形放大部件（1）内部放置压电叠堆，所述的压电叠堆作为输出元件，横向置放一级菱形放大部件（1）内，通过螺栓进行预紧；所述的压电叠堆三维尺寸小于18mmx16mmx16mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于单轴椭圆形柔性铰链的微位移放大器，其特征在于，所述的压电叠堆预紧通孔（6）的直径为3mm。