基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析

　　0 引言

　　随着工业技术的发展， 目前越来越多的伺服系统中要求使用高压、大流量、高响应的伺服阀。 射流管伺服阀前置级采用射流放大器，射流喷嘴大，喷嘴与接受孔之间的距离大，不易堵塞，抗污染能力强，在此基础上，提出了射流管力反馈两级阀作为前置级、功率级阀芯位移电反馈的 CSTD1 型三级伺服阀， 但由于其第三级滑阀阀芯行程只有十几微米， 阀芯位移信号较难检测，需对阀芯位移进行放大，以提高三级伺服阀的响应速度和控制精度，降低成本。

　　柔性铰链是近年来发展起来的一种新型的传动、支撑机构，具有常规运动副无可比拟的运动平稳、无需润滑、零迟滞、高精度、无装配误差等优点，能够满足位移放大，同时能够实现系统的精密定位[1]。

　　1 柔性铰链位移放大机构的结构特征

　　图1a 是一种柔性铰链位移放大器的结构特征，采用单轴圆弧形柔性铰链基于三角形放大原理来实现输出位移的放大和传递， 同时提供机构运动所需的回弹拉力，消除了附加位移，实现了精密位移和定位，具有运动平稳、无间隙、无摩擦及高精度的优点，可有效的解决三级电反馈射流管电液伺服阀第三级滑阀阀芯行程较小的问题。 图1b 为微位移放大机构的原理图，在杆EF 的中点H处施加一个微小位移δ，经过放大机构在输出 S 处产生一个位移β，左右四连杆机构产生一个转角θ。

　　因为整个机构是封闭的，刚性也有较大的提高，另外由于该机构的对称性， 输入的位移同时通过左右两个四连机构向输出S 传递，理论上完全可以消除输出S在y 方向上的附加位移，这样输出S 就只有x 方向上的位移[2]。 该机构的位移放大倍数为

　　2 微位移放大机构的输入刚度计算和位移损失计算

　　2.1微位移放大机构的输入刚度计算

　　在直圆柔性铰链在最小厚度t 远小于铰链的高度h 和切割半径R 时，转角刚度的简化式可表达为[3]：

　　阀芯移动推动柔性铰链放大机构产生弹性变形，该机构对阀芯产生反作用力，阻止阀芯的移动。 如果柔性铰链机构的弹簧刚度 K 是无穷大，则变形为 0。 在此情形下对驱动器的最大反作用力为[4]

　　式中K_a———第三级滑阀阀芯行程阀芯刚度;

　　δ_max———第三级滑阀阀芯最大位移。

　　而柔性铰链的刚度K 大于Ka， 这样实际放大机构的最大输出力为

　　放大机构弹簧刚度K 的计算。 令q 为各柔性铰链沿 y 轴的等效位移， 而L 为各柔性铰链关于y 轴等效距离，则整个机构的能量E 为