CN110957938A - 基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构，包括菱形放大结构，位于菱形放大结构中间，与其一体化加工成型的上位移输入端与下位移输入端，能够固定两个剪切压电陶瓷的四块压电堆夹片3，放置在上位移输入端与下位移输入端之间的一个或多个圆柱滚子；本发明还公开了该放大柔性机构的位移放大方法，基于菱形放大结构，使用两个剪切型压电陶瓷实现正负双向微位移放大，具有结构简单紧凑，体积小，可实现一体化加工，放大倍数可变的特点。
Description
技术领域
本发明涉及微型精密机械技术领域，是一种利用d31剪切型压电陶瓷实现正负微位移放大的柔性机构，具体为一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构及位移放大方法。
背景技术
近年来，随着微电子技术、微机械技术、宇航、生物工程等学科的快速发展，微位移技术已成为精密运动系统和精密制造工艺中的关键技术之一。而压电陶瓷以其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高等优点，得到了国内外广泛的研究和应用。
由于压电陶瓷其本身输出位移太小，在应用范围上受到了限制，因此设计一种微位移放大机构得到了广泛研究。而现有技术中研究的较多的是针对直线型压电陶瓷的柔性微位移放大机构，但这些研究的机构都过于复杂，并且只能实现单向的微位移放大。与此同时，剪切型压电陶瓷由于其更高的位移分辨率，和可实现正负位移的优势得到人们重视。因此迫切需要一种结构简单，利用剪切型压电陶瓷实现正负双向的微位移放大柔性机构。
发明内容
为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构及方法，使用两个剪切型压电陶瓷实现正负双向微位移放大，具有结构简单，体积小，可实现一体化加工的优点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构，包括菱形放大结构1，位于菱形放大结构1中间，与其一体化加工成型的上位移输入端1-3与下位移输入端1-4，分别位于菱形放大结构1上部和下部并与菱形放大结构1一体化加工成型的上位移输出端1-1和下位移输出端1-2；对称布置在菱形放大结构1内具有完全相同几何尺寸的两个剪切压电陶瓷2，并且一个位于上位移输出端1-1和上位移输入端1-3间，另一个位于下位移输出端1-2和下位移输入端1-4间；还包括四个具有完全相同几何尺寸用于固定两个剪切压电陶瓷2的压电堆夹片3两两对称放置在菱形放大结构1中上位移输出端1-1和下位移输出端1-2两侧；两个剪切压电陶瓷2的输出面分别与上位移输入端1-3和下位移输入端1-4固连，输出面的相对面分别与压电堆夹片3固连，并与菱形放大结构1无接触；压电堆夹片3通过螺纹孔与外界固连，且与菱形放大结构1无接触；还包括放置在上位移输入端1-3与下位移输入端1-4之间的一个或多个圆柱滚子4；圆柱滚子4与上位移输入端1-3和下位移输入端1-4滚动摩擦接触，用于限制上位移输入端1-3与下位移输入端1-4的纵向位移，提高菱形放大结构1的输出刚度。
设菱形角度θ为菱形放大结构1中靠近上位移输入端1-3的侧梁与上位移输入端1-3之间的夹角，菱形放大结构1的放大系数A同菱形角度θ有关，具体关系为A＝cotθ，菱形放大结构1根据实际应用需求更改菱形角度θ，获得期待的放大比例。
所述圆柱滚子4放置于上位移输入端1-3与下位移输入端1-4位置相对的槽中，与上位移输入端1-3、下位移输入端1-4滚动摩擦接触。
所述的一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构的位移放大方法，能够实现剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大，当放大柔性机构正向位移放大时采用如下步骤：第一步，通过螺栓固定四块压电堆夹片3，且使菱形放大结构1中上位移输出端1-1和下位移输出端1-2保持自由；第二步，同时给两个剪切压电陶瓷2通相同的正电压，由于两个剪切压电陶瓷2输出面的相对面被压电堆夹片3固定，而其输出面产生正向剪切位移，从而带动菱形放大结构1中上位移输入端1-3和下位移输入端1-4产生相互靠近的位移，最终通过菱形放大结构的位移传递，上位移输出端1-1和下位移输出端1-2产生相互远离的正向位移放大；当放大柔性机构负向位移放大时采用如下步骤：第一步，通过螺栓固定四块压电堆夹片3，且使菱形放大结构1中上位移输出端1-1和下位移输出端1-2保持自由；第二步，同时给两个剪切压电陶瓷2通相同的负电压，由于两个剪切压电陶瓷2输出面的相对面被压电堆夹片3固定，而其输出面产生负向剪切位移，从而带动菱形放大结构1中上位移输入端1-3和下位移输入端1-4产生相互远离的位移，最终通过菱形放大结构的位移传递，上位移输出端1-1和下位移输出端1-2产生相互靠近的负向位移放大。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、与现有的微位移放大机构相比，本发明通过剪切型压电陶瓷推动驱动，能够实现高精度正负双向微位移放大输出。
2、本发明放大机构的主体菱形放大结构具有结构简单对称的特点，柔性铰链分布均匀，便于机械加工。同时各零件在结构上布置合理有序，结构紧凑，充分利用了有限空间。此外利用对称结构的变形传递运动，能够消除寄生运动。且结构基频高，可满足压电陶瓷的高频作动。
3、本发明所设计放置的圆柱滚子保证菱形放大结构两位移输入端沿直线运动，提高位移传递效率，同时又增加了输出轴向刚度，可有效提高输出力。
附图说明
图1为放大柔性机构爆炸示意图。
图2a为放大柔性机构装配图。
图2b为放大柔性机构侧面图。
图3为放大柔性机构中菱形放大结构示意图。
图4为放大柔性机构正向放大原理图。
图5为放大柔性机构负向放大原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2a、图2b和图3所示，本发明一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构，包括菱形放大结构1，位于菱形放大结构1中间，与其一体化加工成型的上位移输入端1-3与下位移输入端1-4，分别位于菱形放大结构1上部和下部并与菱形放大结构1一体化加工成型的上位移输出端1-1和下位移输出端1-2；对称布置在菱形放大结构1内具有完全相同几何尺寸的两个剪切压电陶瓷2，并且一个位于上位移输出端1-1和上位移输入端1-3间，另一个位于下位移输出端1-2和下位移输入端1-4间；还包括四个具有完全相同几何尺寸用于固定两个剪切压电陶瓷2的压电堆夹片3两两对称放置在菱形放大结构1中上位移输出端1-1和下位移输出端1-2两侧；两个剪切压电陶瓷2的输出面分别与上位移输入端1-3和下位移输入端1-4固连，输出面的相对面分别与压电堆夹片3固连，并与菱形放大结构1无接触；压电堆夹片3通过螺纹孔与外界固连，且与菱形放大结构1无接触；还包括放置在上位移输入端1-3与下位移输入端1-4之间的两个圆柱滚子4；圆柱滚子4与上位移输入端1-3和下位移输入端1-4滚动摩擦接触，用于限制上位移输入端1-3与下位移输入端1-4的纵向位移，提高菱形放大结构1的输出刚度。
如图4和图5所示，上述基于菱形结构的正负微位移放大柔性机构，能够实现剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大；当放大柔性机构正向位移放大时采用如下步骤：第一步，通过螺栓固定四块压电堆夹片3，且使菱形放大结构1中上位移输出端1-1和下位移输出端1-2保持自由；第二步，同时给两个剪切压电陶瓷2通相同的正电压，由于两个剪切压电陶瓷2输出面的相对面被压电堆夹片3固定，而其输出面产生正向剪切位移，从而带动菱形放大结构1中上位移输入端1-3和下位移输入端1-4产生相互靠近的位移，最终通过菱形放大结构的位移传递，上位移输出端1-1和下位移输出端1-2产生相互远离的正向位移放大。当放大柔性机构负向位移放大时采用如下步骤：第一步，通过螺栓固定四块压电堆夹片3，且使菱形放大结构1中上位移输出端1-1和下位移输出端1-2保持自由；第二步，同时给两个剪切压电陶瓷2通相同的负电压，由于两剪切压电陶瓷2输出面的相对面被压电堆夹片3固定，而其输出面产生负向剪切位移，从而带动菱形放大结构1中上位移输入端1-3和下位移输入端1-4产生相互远离的位移，最终通过菱形放大结构的位移传递，上位移输出端1-1和下位移输出端1-2产生相互靠近的负向位移放大。
如图3所示，菱形角度θ为菱形放大结构1中靠近上位移输入端1-3的侧梁与上位移输入端1-3之间的夹角，该菱形放大结构1的放大系数A同菱形角度θ有关，具体关系为A＝cotθ，该菱形放大结构1可根据实际应用需求更改菱形角度θ，获得期待的放大比例。
如图3、图4和图5所示，当设置菱形角度θ＝30°时，放大系数A为1.73。当放大机构正向位移放大时：单个压电陶瓷输入正向位移X，该放大机构单侧输出正向位移为1.73X，总输出正向位移为3.46X；当放大机构负向位移放大时：单个压电陶瓷输入负向位移X，该放大机构单侧输出负向位移为1.73X，总输出负向位移为3.46X。故单个压电陶瓷总行程为2X，放大机构双向总位移行程为6.92X，放大倍数为1.73倍。
Claims (4)
1.一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构，其特征在于：包括菱形放大结构(1)，位于菱形放大结构(1)中间，与其一体化加工成型的上位移输入端(1-3)与下位移输入端(1-4)，分别位于菱形放大结构(1)上部和下部并与菱形放大结构(1)一体化加工成型的上位移输出端(1-1)和下位移输出端(1-2)；对称布置在菱形放大结构(1)内具有完全相同几何尺寸的两个剪切压电陶瓷(2)，并且一个位于上位移输出端(1-1)和上位移输入端(1-3)间，另一个位于下位移输出端(1-2)和下位移输入端(1-4)间；还包括四个具有完全相同几何尺寸用于固定两个剪切压电陶瓷(2)的压电堆夹片(3)两两对称放置在菱形放大结构(1)中上位移输出端(1-1)和下位移输出端(1-2)两侧；两个剪切压电陶瓷(2)的输出面分别与上位移输入端(1-3)和下位移输入端(1-4)固连，输出面的相对面分别与压电堆夹片(3)固连，并与菱形放大结构(1)无接触；压电堆夹片(3)通过螺纹孔与外界固连，且与菱形放大结构(1)无接触；还包括放置在上位移输入端(1-3)与下位移输入端(1-4)之间的一个或多个圆柱滚子(4)；圆柱滚子(4)与上位移输入端(1-3)和下位移输入端(1-4)滚动摩擦接触，用于限制上位移输入端(1-3)与下位移输入端(1-4)的纵向位移，提高菱形放大结构(1)的输出刚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构，其特征在于：设菱形角度θ为菱形放大结构(1)中靠近上位移输入端(1-3)的侧梁与上位移输入端(1-3)之间的夹角，菱形放大结构(1)的放大系数A同菱形角度θ有关，具体关系为A＝cotθ，菱形放大结构(1)根据实际应用需求更改菱形角度θ，获得期待的放大比例。
3.根据权利要求1所述的一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构，其特征在于：所述圆柱滚子4放置于上位移输入端1-3与下位移输入端1-4位置相对的槽中，与上位移输入端1-3、下位移输入端1-4滚动摩擦接触。
4.权利要求1至3任一项所述的一种基于剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大柔性机构的位移放大方法，其特征在于：能够实现剪切型压电陶瓷的正负双向微位移放大，当放大柔性机构正向位移放大时采用如下步骤：第一步，通过螺栓固定四块压电堆夹片(3)，且使菱形放大结构(1)中上位移输出端(1-1)和下位移输出端(1-2)保持自由；第二步，同时给两个剪切压电陶瓷(2)通相同的正电压，由于两个剪切压电陶瓷(2)输出面的相对面被压电堆夹片(3)固定，而其输出面产生正向剪切位移，从而带动菱形放大结构(1)中上位移输入端(1-3)和下位移输入端(1-4)产生相互靠近的位移，最终通过菱形放大结构的位移传递，上位移输出端(1-1)和下位移输出端(1-2)产生相互远离的正向位移放大；当放大柔性机构负向位移放大时采用如下步骤：第一步，通过螺栓固定四块压电堆夹片(3)，且使菱形放大结构(1)中上位移输出端(1-1)和下位移输出端(1-2)保持自由；第二步，同时给两个剪切压电陶瓷(2)通相同的负电压，由于两个剪切压电陶瓷(2)输出面的相对面被压电堆夹片(3)固定，而其输出面产生负向剪切位移，从而带动菱形放大结构(1)中上位移输入端(1-3)和下位移输入端(1-4)产生相互远离的位移，最终通过菱形放大结构的位移传递，上位移输出端(1-1)和下位移输出端(1-2)产生相互靠近的负向位移放大。
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