[发明专利]两级微位移放大机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种微位移放大机构，属于机械量精密驱动领域，适用于微位移驱动机构输出位移的无摩擦无迟滞的放大，尤其适用于压电和磁致等智能微位移驱动元件的微位移输出的放大。

背景技术

微位移驱动元件，如基于压电和磁致等智能材料的驱动元件，因其优越的精密驱动和定位性能，而被广泛的应用于仪器仪表和精密机床等机械电子领域。但是这类驱动元件只能提供微米级的工作行程，这往往不能够满足实际应用的需求。为了克服这一缺点，实际应用中经常采用位移放大机构对其进行位移放大。为避免间隙和摩擦等有害因素影响，如图1和图2所示，传统的微位移放大机构多采用以柔性铰链为基础的单级杠杆或多级位移放大机构来实现。其基本原理就是杠杆原理，即当驱动元件有微小位移输出时，通过杠杆的放大作用可以在输出端获得放大的位移输出。

这种基于杠杆机构的微位移放大机构，其结构可以通过使用片状柔性铰链来减小反力过大的问题，但同时也造成了结构反力预估的困难和位移放大比非线性的问题。当目标位移量偏大时，机构难以获得固定比例的放大输出位移，且由于结构的不对称性，输出点将位置发生偏移，从而难以准确实现目标动作。

图3显示了另外一种常用的基于弹性变形原理的对称式微位移放大机构，但该放大机构的设计在输入输出连接处没有设置铰链，从而不能避免较大的结构变形反力（反力随位移的增大呈非线性急剧增大）的影响，并且，单纯利用该机构原理能实现的位移放大倍数有限，一般不大于4。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的两级微位移放大机构，这种新型的微位移放大机构来改进传统放大机构的上述缺点，力求能够通过简单的原理和结构来方便地实现微位移的放大，并尽可能使此种新型微位移放大机构的设计及其原理的应用领域更为广泛。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种两级微位移放大机构，设有两个三角形位移缩放器，分别为第一级三角形位移缩放器与第二级三角形位移缩放器；每个三角形位移缩放器由四条斜边组成；第一级三角形位移缩放器的输入端与驱动元件联接；第一级三角形位移缩放器的输出端与第二级三角形位移缩放器的输入端联接。

本发明有以下优化方案：

1、所述三角形位移缩放器的四条斜边与位移输入端的连接处，及四条斜边与位移输出端的连接处，均设置有柔性铰链；

2、每个三角形位移缩放器的位移输入端设置有定位台阶。第一级三角形位移缩放器输入端的定位台阶与驱动元件接口尺寸相匹配。

3、三角形位移缩放器的输出端中的至少一个设有螺孔，该螺孔中设有螺杆（也可以同时设有螺母），所述的定位台阶固定在螺杆顶端。通过螺杆的旋进旋出，可以调节两个定位台阶之间的距离；即，可以是两侧的输出端都设有螺孔和螺杆；也可以是一侧的输出端设有螺孔和螺杆，另一个输出端采用螺钉联接；

4、所述的定位台阶设计成对驱动元件的夹持端；

5、所述的驱动元件的夹持端与驱动元件之间，采用直接胶接或设置螺纹孔采用螺纹固联。

本发明的工作原理是：首先应用图4所示三角形位移缩放原理，提出对图3所示的基于弹性变形原理的对称式微位移放大机构的改进设计，即在位移输入和输出的连接处设置柔性铰链。如图5所示，对输入和输出的连接处对称地进行适当的圆弧缩颈，形成柔性铰链，从而真正实现三角形位移缩放原理，避免了结构变形时的产生很大的结构弹性反力，并保持了该机构简洁明了的设计原理、简单易行的加工工艺和位移输入输出的对称性，以及弹性位移放大机构的无摩擦无间隙无迟滞等优点。另外，为便于驱动元件的安装定位，在位移输入接口处设置了与驱动元件接口尺寸匹配的定位台阶；为便于对外联接，可在输出接口处与其它构件进行直接胶接或设置螺纹孔采用螺纹固联。

为提高位移放大倍率，并保持该机构的上述原理明了和工艺简单等优点，本发明进一步提出了一种两级微位移放大机构。

参见图6，本发明使用两个同类型的上述图5所示的单级位移放大机构，正交联接放置，实现两级位移放大。通过设当的设计，可以采用两个完全一样的上述单级位移放大机构来实现这种两级位移放大机构，即，使得安装驱动元件的位移输入处的开档尺寸正好等于位移输出处跨度尺寸，这样，将两个完全相同的单级位移放大机构正交嵌套并固联，即可实现两级位移放大，从而大大提供位移放大倍率，即，为单级放大倍率的平方，可实现达10倍的位移放大率。这种采用完全相同的单级位移放大机构进行级联实现两级放大的方法，便于建立类似于标准件的标准来简化工艺，降低成本，提高本发明的实用性。

为了增大实施例的适用范围，本发明进一步提出了如下的连接方案改进措施：