具有柔性铰链的差式微位移放大机构

    1　引言

    压电陶瓷驱动器是近年来发展起来的一种新型微位移驱动器件,它具有结构紧凑,体积小,分辨率高和易于控制等优点^[1]。但由于其驱动位移非常微小,通常应辅以合适的微位移放大机构,以实现较大行程范围内的精密位移驱动。

    具有柔性铰链的差式微位移放大机构不仅可以实现几百微米的驱动位移,极大地扩大压电陶瓷驱动器的应用领域,而且因采用了柔性铰链代替普通铰链,消除了间隙、摩擦,保证了机构的精密性。

     所谓差式微位移放大机构就是采用差动式杠杆机构,对微小位移进行相加放大,这种结构形式可以在相对较小的结构下获得较大的位移输出比^[1～4]。

    2　差动式机械杠杆机构

    图1是差动式机械杠杆机构示意图。图中A,A′分别为杠杆Ⅰ,Ⅱ的输入端;B,C分别为杠杆Ⅱ,Ⅰ的输出端;杠杆Ⅲ为终端输出杠杆;D点为最终输出点;各杠杆长短臂尺寸为l₁～l₆如图1所示。在A,A′两点同时输入大小为x0的输入位移,在B,C两个一级输出点得到的位移

    因此机构的最终输出位移是由杠杆Ⅰ,Ⅲ组成的串联复合式二极杠杆放大和杠杆Ⅱ,Ⅲ组成的串联复合式二级杠杆放大相加得到。在实际设计中可以通过改变杠杆的结构形式,使这一微小的输入位移同时作用于两根杠杆,实现差式位移放大的目的。

    3　差式微位移放大机构的基本设计方法

    3.1　基本设计方法^[4]

    设计这种放大机构必须首先解决以下两个问题:

    (1)如何构造两组二级放大杠杆,并将压电陶瓷驱动器的输出位移同时加到两组杠杆的输入端;

    (2)两组放大杠杆的一级杠杆输出能否形成反向位移,并同时加到同一个二级杠杆上,实现第二级的差式放大。

    根据图1可以设计出多种结构形式的差式杠杆机构。例如可以象图1那样将三根杠杆通过柔性铰链连接成的差式微位移放大机构,完全可以实现差动式位移放大的目的。但是这种结构的几何尺寸较大,且狭长,又因位移驱动源——层叠压电驱动器的位置也不好布置,因此无法得到实际应用。

    图2是根据图1设计的一种差动式二级微位移放大机构。图2中各杆件及铰支点与图1相对应。压电陶瓷驱动器的驱动位移通过杆件E,经过柔性铰链A,A′传递,同时加到杠杆Ⅰ,Ⅱ上,O₁,O₂为固定柔性铰支点,杆件F为支撑杆件。输入位移x0同时经过杠杆Ⅰ,Ⅱ放大得到方向相反的两个输出位移xB,xC,它们又同时加到杠杆Ⅲ上,实现了差式位移放大,得到输出位移xD。该机构充分利用了基体纵向尺寸较大的特点,使一级杠杆输出臂较长,从而大大提高了机构的第一级放大比,而且机构的整体尺寸在横向和纵向同时稍有增加,整体效果比较匀称。