CN114155908B - 具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构 - Google Patents

具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构，包括用于供输入力作用的两个刚性输入结构，以及两组桥位；两个刚性输入结构上下相对设置；两组桥位的两端分别与两个刚性输入结构连接；两组桥位均包括刚性输出结构和设置在刚性输出结构上下两侧的两个变截面梁；两个变截面梁分别包括等截面连接梁、V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二；等截面连接梁通过V字型柔顺铰链一与刚性输入结构连接，等截面连接梁通过V字型柔顺铰链二与刚性输出结构连接。该桥式位移放大机构可以输出更大位移，有效提升桥式位移放大机构的性能，有利于提升精密定位与操作的灵活性。

Description

具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构
技术领域
本发明涉及柔顺位移放大机构技术领域，更具体地说，涉及一种具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构。
背景技术
在精密定位、细胞操作、微电子装配等精密工程领域，具有纳米级运动分辨率的压电叠堆驱动器被广泛使用，但其输出行程仅为自身长度的约千分之一，不利于精密定位与操作的灵巧性。而无间隙、免装配的柔顺位移放大机构(例如，三角放大机构、杠杆放大机构等)可以扩大压电叠堆驱动器的有限行程，有利于提升精密定位与操作的灵活度。其中，基于三角放大原理的桥式位移放大机构因结构紧凑、位移放大倍数大等优点而受到广泛关注。
桥式位移放大机构大多属于集中柔度柔顺机构。柔顺铰链是集中柔度柔顺机构的主要弹性单元，承担了机构的大部分变形。柔顺铰链结构与尺寸对桥式位移放大机构的性能有重要影响作用。但现有桥式位移放大机构的柔顺铰链结构存在很大的改进空间。
发明内容
为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构；该桥式位移放大机构可以输出更大位移，有效提升桥式位移放大机构的性能，有利于提升精密定位与操作的灵活性。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种具有柔顺铰链优化拓扑优化构型的集中柔度桥式位移放大机构，其特征在于：包括用于供输入力作用的两个刚性输入结构，以及两组桥位；两个刚性输入结构上下相对设置；两组桥位的两端分别与两个刚性输入结构连接；
两组桥位均包括刚性输出结构和设置在刚性输出结构上下两侧的两个变截面梁；两个变截面梁分别包括等截面连接梁、V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二；等截面连接梁通过V字型柔顺铰链一与刚性输入结构连接，等截面连接梁通过V字型柔顺铰链二与刚性输出结构连接；V字型柔顺铰链一比V字型柔顺铰链二更靠近竖直中心线。
本发明针对传统桥式位移放大机构进行改进，其工作原理是：输入力分别作用于两个刚性输入结构表面，将两个刚性输入结构沿着两个刚性输入结构中心连线方向上向外移动；两个桥位在轴向力主导下向内挠曲，刚性输出结构向内移动；由于三角放大原理，刚性输出结构向内移动的位移大于刚性输入结构向外移动的位移，从而实现位移放大。
在柔顺铰链拓扑结构未知的条件下，分析桥式位移放大机构的内力分布特性；结合内力分布特性与变密度法，以最大化柔度为目标函数，对柔顺铰链进行拓扑优化设计，在不同体积约束条件下，桥式位移放大机构柔顺铰链的拓扑优化结果均呈V字形结构。因此，本发明采用V字型柔顺铰链一/V字型柔顺铰链二连接等截面梁与刚性输入结构/刚性输出结构，在同等尺寸条件下本发明可以输出更大位移，有效提升桥式位移放大机构的性能，有利于提升精密定位与操作的灵活性。
优选地，两组桥位以竖直中心线为对称轴对称设置。
优选地，两组桥位中，两个变截面梁以刚性输出结构为对称轴对称布设。
优选地，各个V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二均是由两个等截面梁并联组成，两个等截面梁之间形成V形夹角。
优选地，两个等截面梁以竖直方向对称设置。
优选地，各个V字型柔顺铰链一中，两个等截面梁之间的V形夹角开口朝向刚性输入结构；各个V字型柔顺铰链二中，两个等截面梁之间的V形夹角开口朝向刚性输出结构。
优选地，所述V字型柔顺铰链一的惯性矩IA1、V字型柔顺铰链二的惯性矩IA2与等截面连接梁的惯性矩IL满足以下条件：
IL>10IA1且IL>10IA2。
该设计可对V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二进行尺寸优化，可保证变形集中于V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二处。
优选地，两个刚性输入结构和两组桥位为一体式结构。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明基于桥式位移放大机构内力分析，采用V字型柔顺铰链一/V字型柔顺铰链二连接等截面梁与刚性输入结构/刚性输出结构，在同等尺寸条件下本发明可以输出更大位移，有效提升桥式位移放大机构的性能，有利于提升精密定位与操作的灵活性；
2、本发明可对V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二进行尺寸优化，可保证变形集中于V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二处，进一步提升桥式位移放大机构的性能。
附图说明
图1是本发明集中柔度桥式位移放大机构的结构示意图之一；
图2是本发明集中柔度桥式位移放大机构的结构示意图之二；
图3是本发明集中柔度桥式位移放大机构施加输入力的示意图；
图4是本发明集中柔度桥式位移放大机构在施加输入力后发生挠曲的示意图；
图5是本发明1/4集中柔度桥式位移放大机构的惯性矩示意图；
图6(a)是有限元仿真的边界条件；
图6(b)和图6(c)分别是有限元仿真结果对比示意图；
其中，1为刚性输入结构、2为刚性输出结构、3为等截面连接梁、4为V字型柔顺铰链一、5为V字型柔顺铰链二、6为驱动器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1和图2所示，本实施例一种具有柔顺铰链优化拓扑优化构型的集中柔度桥式位移放大机构，包括用于供输入力作用的两个刚性输入结构1，以及两组桥位。两个刚性输入结构1和两组桥位优选为一体式结构。两个刚性输入结构1上下相对设置；两组桥位的两端分别与两个刚性输入结构1连接。两组桥位以竖直中心线为对称轴对称设置。
两组桥位均包括刚性输出结构2和设置在刚性输出结构2上下两侧的两个变截面梁；两个变截面梁以刚性输出结构2为对称轴对称布设。两个变截面梁分别包括等截面连接梁3、V字型柔顺铰链一4和V字型柔顺铰链二5。等截面连接梁3通过V字型柔顺铰链一4与刚性输入结构1连接，等截面连接梁3通过V字型柔顺铰链二5与刚性输出结构2连接。
各个V字型柔顺铰链一4和V字型柔顺铰链二5均是由两个等截面梁并联组成，两个等截面梁之间形成V形夹角。两个等截面梁以竖直方向对称设置。各个V字型柔顺铰链一4中，两个等截面梁之间的V形夹角开口朝向刚性输入结构1；各个V字型柔顺铰链二5中，两个等截面梁之间的V形夹角开口朝向刚性输出结构2。V字型柔顺铰链一4比V字型柔顺铰链二5更靠近竖直中心线。
本发明针对传统桥式位移放大机构进行改进，其工作原理是：驱动器6工作，输入力分别作用于两个刚性输入结构1表面，将两个刚性输入结构1沿着两个刚性输入结构1中心连线方向上向外移动，如图3所示；两个桥位在轴向力主导下向内挠曲，刚性输出结构2向内移动，如图4所示(图4中右侧桥位的刚性输出结构固定，左侧桥位的刚性输出结构向右平移)；由于三角放大原理，刚性输出结构2向内移动的位移大于刚性输入结构1向外移动的位移，从而实现位移放大。
在柔顺铰链拓扑结构未知的条件下，分析桥式位移放大机构的内力分布特性；结合内力分布特性与变密度法，以最大化柔度为目标函数，对柔顺铰链进行拓扑优化设计，在不同体积约束条件下，桥式位移放大机构柔顺铰链的拓扑优化结果均呈V字形结构。因此，本发明采用V字型柔顺铰链一4/V字型柔顺铰链二5连接等截面梁与刚性输入结构1/刚性输出结构2，在同等尺寸条件下本发明可以输出更大位移，有利于提升精密定位与操作的灵活性。
如图5所示，V字型柔顺铰链一4的惯性矩IA1、V字型柔顺铰链二5的惯性矩IA2与等截面连接梁3的惯性矩IL满足以下条件：
IL>10IA1且IL>10IA2。
该设计可对V字型柔顺铰链一4和V字型柔顺铰链二5进行尺寸优化，可保证变形集中于V字型柔顺铰链一4和V字型柔顺铰链二5处。
下面采用有限元仿真软件ANSYS Workbench验证拓扑优化结果。
在已有的关于桥式位移放大机构的研究中，采用直梁型柔顺铰链的桥式位移放大机构一般被视为具有最大输出位移。为验证拓扑优化结果的有效性，将本发明桥式位移放大机构作为初始组，直梁型柔顺铰链的桥式位移放大机构(其中，直梁型柔顺铰链的宽度等于b1cosθ1+b2cosθ2)作为对照组，进行小变形静力学有限元仿真验证。
边界条件如图6(a)所示，初始组的有限元仿真结果如图6(b)所示，对照组的有限元仿真结果如图6(c)所示；采用三组不同尺寸的初始组和对照组进行比较，有限元仿真定量结果对比如表1所示。
表1初始组与对照组位移的有限元仿真定量结果对比
Figure BDA0003325832850000051
相比对照组，初始组1-3的输出位移平均提升26.45％。因此，本发明的柔顺铰链拓扑优化结果具备有效性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构，其特征在于：包括用于供输入力作用的两个刚性输入结构，以及两组桥位；两个刚性输入结构上下相对设置；两组桥位的两端分别与两个刚性输入结构连接；
两组桥位均包括刚性输出结构和设置在刚性输出结构上下两侧的两个变截面梁；两个变截面梁分别包括等截面连接梁、V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二；等截面连接梁通过V字型柔顺铰链一与刚性输入结构连接，等截面连接梁通过V字型柔顺铰链二与刚性输出结构连接；V字型柔顺铰链一比V字型柔顺铰链二更靠近竖直中心线；
各个V字型柔顺铰链一和V字型柔顺铰链二均是由两个等截面梁并联组成，两个等截面梁之间形成V形夹角；
各个V字型柔顺铰链一中，两个等截面梁之间的V形夹角开口朝向刚性输入结构；各个V字型柔顺铰链二中，两个等截面梁之间的V形夹角开口朝向刚性输出结构。
2.根据权利要求1所述的具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构，其特征在于：两组桥位以竖直中心线为对称轴对称设置。
3.根据权利要求2所述的具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构，其特征在于：两组桥位中，两个变截面梁以刚性输出结构为对称轴对称布设。
4.根据权利要求1所述的具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构，其特征在于：两个等截面梁以竖直方向对称设置。
5.根据权利要求1所述的具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构，其特征在于：所述V字型柔顺铰链一的惯性矩IA1、V字型柔顺铰链二的惯性矩IA2与等截面连接梁的惯性矩IL满足以下条件：
IL>10IA1且IL>10IA2。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的具有柔顺铰链优化拓扑构型的集中柔度桥式位移放大机构，其特征在于：两个刚性输入结构和两组桥位为一体式结构。
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