CN110323964A - 一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置及其驱动方法,包括固定座,固定座底面与杠杆臂通过弯曲铰链铰接,杠杆臂为L型沿顺时针旋转90°后的结构,固定座固接压电陶瓷执行器的固定端,压电陶瓷执行器的驱动端连接在杠杆臂上,杠杆臂正上方设置有预弯曲薄板,杠杆臂的长臂远离短臂的末端与预弯曲薄板固定相连,基于杠杆原理将压电陶瓷执行器的触发位移和触发力先通过杠杆臂放大,再经过与杠杆臂末端固定相连的预弯曲薄板两步放大来获得所需的位移范围,结构简单紧凑,便于安装和控制,耗能低,位移放大效果好。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷位移放大机构技术领域,涉及一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,还涉及该装置的驱动方法。
背景技术
压电陶瓷执行器具有较宽的驱动频率带宽、高阻挡力、尺寸紧凑、位移分辨率高、响应速度快、不受磁场干扰、结构简单等优点,其中压电陶瓷能直接将输入的电能转换成机械位移。然而压电陶瓷伸长量有限,压电陶瓷执行器位移范围较小,对于在微米级别的运动范围,压电陶瓷执行器可单独完成运动,无需借助其他设备,但是在执行系统输出要达到毫米甚至厘米级的位移要求时,单纯依靠压电陶瓷执行器是没法实现的。
为了满足毫米级位移要求,需要设计和组装一种机械装置来放大压电陶瓷执行器的位移。通过调节支点的位置,通常应用杠杆机构来放大施加的力,一旦具有足够高的输入力和来自枢轴的短力矩臂,具有较长力矩臂的杠杆另一端的输出位移将会放大,以抵消支点处施加的力矩。弯曲铰链具有较好的运动特性和输出效果,然而现有的弯曲铰链越多的位移放大机构,输出性能越难以控制,同时系统的动态响应速度也越慢,控制复杂,结构复杂安装不便,功耗高,成本高。现有的单级放大机构具有较好的输入输出线性关系,同时响应速度也快,但是结构不够紧凑,机构占地面积大,放大效应弱。
因此,如何设计一种结构简单紧凑、便于安装、控制成本低又响应速度快的压电陶瓷位移放大装置及如何实现驱动压电陶瓷位移放大装置,是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,解决了现有技术中存在的放大机构成本高,控制复杂的问题。
本发明的另一目的是提供上述位移放大装置的驱动方法。
本发明所采用的技术方案是,一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,包括固定座,固定座上两边平行固定安装有上端平齐的立柱;固定座的上端面与杠杆臂通过弯曲铰链铰接,杠杆臂位于立柱之间,杠杆臂为L型沿顺时针旋转90°后的结构,杠杆臂包括短臂和长臂,短臂与固定座的上端面通过弯曲铰链铰接,长臂的长度小于立柱之间的间距;固定座固接压电陶瓷执行器的固定端,压电陶瓷执行器的驱动端连接在杠杆臂的短臂上,压电陶瓷执行器的外接口设置在固定座上;立柱之间杠杆臂正上方设置有预弯曲薄板,预弯曲薄板两端分别固接立柱,预弯曲薄板两个固定端之间的距离小于预弯曲薄板的长度,杠杆臂的长臂远离短臂的末端与预弯曲薄板固定相连。
本发明的特点还在于:
固定座上设置有嵌装压电陶瓷执行器的固定端的卡槽。
压电陶瓷执行器的外接口共有两个,底端设置在卡槽内,上端伸出卡槽,且位于长臂末端、预弯曲薄板和右侧立柱之间。
杠杆臂的长臂远离短臂的末端与预弯曲薄板之间通过锁扣固定相连。
本发明的另一技术方案是,上述基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置的驱动方法,具体步骤如下:
步骤1、根据所需的位移范围和触发力大小选取预弯曲薄板,并通过机械性能实验得出所选预弯曲薄板发生弯曲所需的触发力和触发位移的具体数值,然后对带弯曲铰链的杠杆臂进行计算,保证带弯曲铰链的杠杆臂末端处的输出力F2和竖向位移dt大于预弯曲薄板发生弯曲所需的触发力和触发位移,根据杠杆平衡原理,杠杆臂的末端竖向位移dt和压电陶瓷执行器的输出位移dPSA之间的计算公式如下:
dt/l3=dPSA/l2
杠杆臂的末端输出力F2和压电陶瓷执行器的输出力F1之间的计算公式如下:
其中,l1为杠杆臂的短臂的长度,l2为压电陶瓷执行器作用点距杠杆臂短臂下端固定点的长度,l3为杠杆臂的长臂的长度,α是具有弯曲铰链的杠杆臂的短臂在压电陶瓷执行器驱动下的旋转角,
得出压电陶瓷执行器的输出力F1和输出位移dPSA,从而选择符合要求的压电陶瓷执行器型号;
步骤2、压电陶瓷执行器的输出位移dPSA和输出力F1,经过具有弯曲铰链的杠杆臂放大到杠杆臂的末端竖向位移dt和输出力F2,具有弯曲铰链的杠杆臂在杠杆臂的末端产生的位移放大率为dt/dPSA;
步骤3、然后具有弯曲形变位移d的预弯曲薄板的预弯曲形状可以通过固定边界点之间的距离(li-lp)来调节,其中li为预弯曲薄板两个固定端之间的间距即立柱的间距,lp为预弯曲薄板伸直段的长度即长臂末端到右侧立柱的距离,触发位移dt通过杠杆臂传递到预弯曲薄板,位移放大率为d/dt。
本发明的有益效果是:
1.结构简单,开环控制,结构紧凑,便于安装。
2.由于采用电流脉冲驱动,发热少,能够有效避免焦耳效应。
3.使用锁扣使得预弯曲薄板具有双稳态弯曲结构,方便调节。
4.采用结合杠杆臂与弯曲铰链和预弯曲薄板结构的两步放大机构,可以实现压电陶瓷执行器毫米级线性位移,可以获得大的放大率而不会损失执行力,可以满足诸如触发力和双稳态结构的位移之类的要求。
附图说明
图1是本发明一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置结构示意图;
图2是本发明一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置中的预弯曲薄板向上弯曲时的工作状态图;
图3是本发明一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置中的预弯曲薄板向下弯曲时的工作状态图;
图4是本发明一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置中的杠杆臂分析图;
图5是本发明一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置中的压电陶瓷执行器与杠杆臂连接部分的放大图。
图中,1.立柱,2.杠杆臂,3.预弯曲薄板,4.压电陶瓷执行器的外接口,5.固定座,6.压电陶瓷执行器,7.锁扣。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,如图1,2,3和5所示,包括固定座5,固定座5上左侧设置有凹槽,固定座5上两边平行固定安装有上端平齐的立柱1;固定座5上的凹槽底面与杠杆臂2通过弯曲铰链铰接,杠杆臂2位于立柱1之间,杠杆臂2为L型沿顺时针旋转90°后的结构,杠杆臂2包括短臂和长臂,短臂与凹槽底面通过弯曲铰链铰接,长臂的长度小于立柱1之间的间距;凹槽的右侧固接压电陶瓷执行器6的固定端,压电陶瓷执行器6的驱动端连接在杠杆臂2的短臂上,压电陶瓷执行器的外接口4设置在固定座5上,具有弯曲铰链的杠杆臂2可以将压电陶瓷执行器6的输入位移放大到杠杆臂2的末端位移;立柱1之间杠杆臂2正上方设置有预弯曲薄板3,预弯曲薄板3两端分别固接立柱1,预弯曲薄板3两个固定端之间的距离小于预弯曲薄板3的长度,杠杆臂2的长臂远离短臂的末端与预弯曲薄板3固定相连,可以进一步将压电陶瓷执行器6的输入位移放大到杠杆臂2的末端位移加上预弯曲薄板3中心处的形变量位移,通过两步放大来获得所需较大的位移范围。
固定座5上左侧设置的凹槽为前、后、左、上四面开口的开口槽,短臂与开口槽底面通过弯曲铰链铰接,开口槽的右侧固接压电陶瓷执行器6的固定端,结构简单紧凑,便于加工和安装。
固定座5上设置有嵌装压电陶瓷执行器6的固定端的卡槽,结构简单紧凑。
压电陶瓷执行器的外接口4共有两个,底端设置在卡槽内,上端伸出卡槽,且位于长臂末端、预弯曲薄板3和右侧立柱1之间。
杠杆臂2的长臂远离短臂的末端与预弯曲薄板3之间通过锁扣7固定相连,方便调节预弯曲薄板3可产生弯曲形变段的长度,使得具有固定边界的预弯曲薄板3可以在中心处具有两个稳定的弯曲形状,即预弯曲薄板3向上或向下弯曲在中心处产生最大的形变量,鉴于薄板结构的后屈曲行为,在没有连续电源的情况下,预弯曲薄板3也可以获得大的形状变化。
本发明上述基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置的驱动方法,具体步骤如下:
步骤1、根据所需的位移范围和触发力大小选取预弯曲薄板3,并通过机械性能实验得出所选预弯曲薄板3发生弯曲所需的触发力和触发位移的具体数值,然后对带弯曲铰链的所述杠杆臂2进行计算,保证带弯曲铰链的所述杠杆臂2末端处的输出力F2和竖向位移dt大于所述预弯曲薄板3发生弯曲所需的触发力和触发位移,如图4所示,根据杠杆平衡原理,所述杠杆臂2的末端竖向位移dt和所述压电陶瓷执行器6的输出位移dPSA之间的计算公式如下:
dt/l3=dPSA/l2
所述杠杆臂2的末端输出力F2和所述压电陶瓷执行器6的输出力F1之间的计算公式如下:
其中,l1为杠杆臂2的短臂的长度,l2为压电陶瓷执行器6作用点距杠杆臂2短臂下端固定点的长度,l3为杠杆臂2的长臂的长度,α是具有弯曲铰链的杠杆臂2的短臂在压电陶瓷执行器6驱动下的旋转角,触发后在杠杆臂2的末端处产生竖向位移dt和横向位移V,l3和l2之间的比率主要影响触发后产生的位移,
得出压电陶瓷执行器6的输出力F1和输出位移dPSA,从而选择符合要求的压电陶瓷执行器6型号;
步骤2、所述压电陶瓷执行器6的输出位移dPSA和输出力F1,经过具有弯曲铰链的杠杆臂2放大到杠杆臂2的末端竖向位移dt和输出力F2,具有弯曲铰链的杠杆臂2在杠杆臂2的末端产生的位移放大率为dt/dPSA;
步骤3、然后具有弯曲形变位移d的所述预弯曲薄板3的预弯曲形状可以通过固定边界点之间的距离li-lp来调节,其中li为预弯曲薄板3两个固定端之间的间距即立柱1的间距,lp为预弯曲薄板3伸直段的长度即长臂末端到右侧立柱的距离,触发位移dt通过杠杆臂2传递到预弯曲薄板3,位移放大率为d/dt。
本发明一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置及其驱动方法,其有益效果在于:解决了现有的压电陶瓷放大机构结构复杂不够紧凑,安装不便,控制复杂,高功耗,成本高,放大效应弱的问题,将压电陶瓷执行器6的触发位移和触发力先通过杠杆臂2放大,再经过与杠杆臂2末端固定相连的预弯曲薄板3两步放大来获得所需的位移范围,结构简单紧凑,便于安装和控制,耗能低,位移放大效果好。
Claims (5)
1.一种基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,包括固定座(5),其特征在于,所述固定座(5)上两边平行固定安装有上端平齐的立柱(1);所述固定座(5)的上端面与杠杆臂(2)通过弯曲铰链铰接,所述杠杆臂(2)位于所述立柱(1)之间,所述杠杆臂(2)为L型沿顺时针旋转90°后的结构,所述杠杆臂(2)包括短臂和长臂,所述短臂与所述固定座(5)的上端面通过所述弯曲铰链铰接,所述长臂的长度小于所述立柱(1)之间的间距;所述固定座(5)固接压电陶瓷执行器(6)的固定端,所述压电陶瓷执行器(6)的驱动端连接在所述杠杆臂(2)的短臂上,压电陶瓷执行器的外接口(4)设置在所述固定座(5)上;所述立柱(1)之间所述杠杆臂(2)正上方设置有预弯曲薄板(3),所述预弯曲薄板(3)两端分别固接所述立柱(1),所述预弯曲薄板(3)两个固定端之间的距离小于所述预弯曲薄板(3)的长度,所述杠杆臂(2)的长臂远离短臂的末端与所述预弯曲薄板(3)固定相连。
2.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,其特征在于,所述固定座(5)上设置有嵌装所述压电陶瓷执行器(6)的固定端的卡槽。
3.根据权利要求2所述的基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,其特征在于,所述压电陶瓷执行器的外接口(4)共有两个,底端设置在所述卡槽内,上端伸出所述卡槽,且位于所述长臂末端、预弯曲薄板(3)和右侧立柱(1)之间。
4.根据权利要求3所述的基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置,其特征在于,所述杠杆臂(2)的长臂远离短臂的末端与所述预弯曲薄板(3)之间通过锁扣(7)固定相连。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于杠杆原理的压电陶瓷位移放大装置的驱动方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤1、根据所需的位移范围和触发力大小选取预弯曲薄板(3),并通过机械性能实验得出所选预弯曲薄板(3)发生弯曲所需的触发力和触发位移的具体数值,然后对带弯曲铰链的所述杠杆臂(2)进行计算,保证带弯曲铰链的所述杠杆臂(2)末端处的输出力F2和竖向位移dt大于所述预弯曲薄板(3)发生弯曲所需的触发力和触发位移,根据杠杆平衡原理,所述杠杆臂(2)的末端竖向位移dt和所述压电陶瓷执行器(6)的输出位移dPSA之间的计算公式如下:
dt/l3=dPSA/l2
所述杠杆臂(2)的末端输出力F2和所述压电陶瓷执行器(6)的输出力F1之间的计算公式如下:
其中,l1为杠杆臂(2)的短臂的长度,l2为压电陶瓷执行器(6)作用点距杠杆臂(2)短臂下端固定点的长度,l3为杠杆臂(2)的长臂的长度,α是具有弯曲铰链的杠杆臂(2)的短臂在压电陶瓷执行器(6)驱动下的旋转角,
得出压电陶瓷执行器(6)的输出力F1和输出位移dPSA,从而选择符合要求的压电陶瓷执行器(6)型号;
步骤2、所述压电陶瓷执行器(6)的输出位移dPSA和输出力F1,经过具有弯曲铰链的杠杆臂(2)放大到杠杆臂(2)的末端竖向位移dt和输出力F2,具有弯曲铰链的杠杆臂(2)在杠杆臂(2)的末端产生的位移放大率为dt/dPSA;
步骤3、然后具有弯曲形变位移d的所述预弯曲薄板(3)的预弯曲形状可以通过固定边界点之间的距离(li-lp)来调节,其中li为预弯曲薄板(3)两个固定端之间的间距即立柱(1)的间距,lp为预弯曲薄板(3)伸直段的长度即长臂末端到右侧立柱的距离,触发位移dt通过杠杆臂(2)传递到预弯曲薄板(3),位移放大率为d/dt。
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