压电驱动微位移放大机构的设计

　　压电陶瓷驱动器是近几年发展起来的新型微位移器件,它以体积小、驱动力大、分辨率高、易于控制等优点,作为驱动元件在精密机械当中得到广泛的应用。但由于其驱动位移较小,在100 V电压下,输出位移只有10μm左右,使其应用范围受到限制。要想扩大其应用领域,必须要对其输出位移进行放大,即需要开发其相应的放大机构。

　　弹性铰链是一种带圆弧或矩形切口的一体化结构的新型铰链,如图1所示,可以用于绕轴作复杂运动的有限角位移,并且其弹性变形是可逆的。它具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏性高等优点并且可实现机构一体化,广泛地应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴、形波导管天线等仪器仪表中,并获得了前所未有的高精度和稳定性[1]。

　　根据杠杆等各种放大原理,利用弹性铰链构造的位移放大机构,能够对压电陶瓷的微位移进行有效的放大,从而使其应用领域大为拓宽。

　　1　位移放大原理

　　1.1　杠杆放大原理

　　杠杆位移放大原理如图2a所示,采用杠杆原理进行位移放大,结构简单,因需要弹性铰链数目最少,所以运动再现性高,放大效率较高,应用也最为广泛[2]。调整压电驱动的位置便可使杠杆末端得到不同的位移放大倍数,越靠近铰链放大倍数越大,但放大倍数越大,杠杆的弹性变形对放大倍数的影响也就越大,所以在为得到较高的位移放大率应提高杠杆的刚度。

　　1.2　三角放大原理

　　三角位移放大原理如图2b所示,三角位移放大机构的放大倍数,只与斜杆的倾斜角度有关,而与斜杆的杆长等因素无关,倾角越大则放大倍数越小。虽然选择较小的倾角,能获得较大的位移放大倍数,但弹性铰链的应力亦随之增大,所以易造成铰链的疲劳破坏。

　　1.3　压曲放大原理

　　压曲放大原理如图2c所示[3],一般用于薄板及较薄的壳体的变形放大,其放大倍数为非线性规律,薄板的初始曲率越小或输入位移越小则其放大倍数越大,在输入位移非常小的情况下(输入位移远远小于压曲构件的跨度),输入位移和输出位移近似呈线性关系。此种放大机构由于反力很大,故此应做的很薄(一般小于1 mm),其由于压曲产生的反力,与薄板所选材料的弹性模量及薄板的宽度和厚度成正比,即弹性薄板所选材料弹性模量越大,薄板越宽越厚,则产生的反力就越大。

　　2　放大机构的设计

　　2.1　放大机构的设计原则

　　微位移放大机构的设计,应遵循以下原则:

　　(1)结构简单,所以弹性铰链数目应尽量少,尽量减少放大级数。