一种微位移多级放大机构 |
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| 申请号 | CN201710830626.9 | 申请日 | 2017-09-08 | 公开(公告)号 | CN107492396A | 公开(公告)日 | 2017-12-19 |
| 申请人 | 渤海大学; | 发明人 | 张博; 王树山; 李雄; 曹梦雨; 姚琳; 王东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种放大机构，具体提供了一种微位移多级放大机构，包括壳体和设于壳体内的放大机构，放大机构由杠杆机构和两个位移滑 块 组成，杠杆机构位于上下两个位移滑块之间，且杠杆机构由两个转块和两个 转轴 组成，两个转块并排设置且中间留有间隙，两个转块分别转动设置在两个转轴上，两个转轴相互平行设置，且转轴的两端分别固定在壳体上；所述转块的底部、顶部分别与上下两个位移滑块相 接触 。该微位移多级放大机构，将输入位移通过转块按照杠杆原理进行放大，经过多级机构的 串联 最终放大位移，该结构有效解决了体积最小化情况下微位移的放大问题，同时克服了传动放大机构承受 载荷 小、抗冲击能 力 差、对材料 刚度 及加工 精度 要求高的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种微位移多级放大机构，其特征在于：包括壳体和设于壳体内的放大机构，所述放大机构由杠杆机构和两个位移滑块组成，所述杠杆机构位于上下两个位移滑块之间，且杠杆机构由两个转块和两个转轴组成，两个转块并排设置且中间留有间隙，两个转块分别转动设置在两个转轴上，两个转轴相互平行设置，且转轴的两端分别固定在壳体上；所述转块的底部、顶部分别与上下两个位移滑块相接触，所述位移滑块的长度小于两个转轴的中心距。 |
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| 说明书全文 | 一种微位移多级放大机构技术领域[0001] 本发明涉及一种放大装置，具体涉及一种应用杠杆原理进行微位移放大的多级放大机构。 背景技术[0002] 随着科学技术的发展，航天技术、微电子工程、光电子工程、测量技术、精密加工技术、医学生物工程以及目前蓬勃发展的微机电系统(MEMS)等技术领域都迫切需要高放大倍数、小体积、抗高过载的微位移放大机构，用以直接进行工作或配合其它设备完成微位移的放大。 [0003] 在实际应用中一般需要较大的输出位移，通常需要上百微米的位移，但是，传统的微位移放大机构，位移改变量小，一般最大为微米数量级，所以只能应用在位移有限的情况，不能用作大行程高精度位移。另外，传统微位移放大机构存在承受载荷小、抗冲击能力差、对材料刚度及加工精度要求高的问题。 发明内容[0005] 为此，本发明提供了一种微位移多级放大机构，包括壳体和设于壳体内的放大机构，所述放大机构由杠杆机构和两个位移滑块组成，所述杠杆机构位于上下两个位移滑块之间，且杠杆机构由两个转块和两个转轴组成，两个转块并排设置且中间留有间隙，两个转块分别转动设置在两个转轴上，两个转轴相互平行设置，且转轴的两端分别固定在壳体上；所述转块的底部、顶部分别与上下两个位移滑块相接触，所述位移滑块的长度小于两个转轴的中心距。 [0006] 进一步地，所述壳体由左右对称的第一半壳、第二半壳形成中空结构，所述转轴的两端分别固定在第一半壳、第二半壳内。 [0007] 进一步地，所述壳体顶部、底部设有相对的开口，所述放大机构在上下两开口间上下移动，所述位移滑块大小与开口相适配，同一放大机构中两并排设置的转块的长度之和大于开口大小。 [0008] 进一步地，所述放大机构为4级，4级放大机构由上到下依次串联在一起。 [0009] 进一步地，所述4级放大机构中的第一级放大机构的下位移滑块滑动设于壳体底部的开口且该下位移滑块顶部与第一级放大机构的两转块相接触，第一级放大机构的上位移滑块分别与第一级放大机构的两转块顶部、第二级放大机构的两转块底部相接触，所述第一级放大机构的上位移滑块为第二级放大机构的下位移滑块； [0010] 所述第二级放大机构的上位移滑块分别与第二级放大机构的两转块顶部、第三级放大机构的两转块底部相接触，第三级放大机构的下位移滑块为第二级放大机构的上位移滑块； [0011] 所述第三级放大机构的上位移滑块分别与第三级放大机构的两转块顶部、第四级放大机构的两转块底部相接触，第四级放大机构的下位移滑块为第三级放大机构的上位移滑块；所述第四级放大机构的上位移滑块在壳体顶部的开口内滑动。 [0012] 本发明的有益效果：本发明提供的这种微位移多级放大机构，将输入位移通过转块按照杠杆原理进行放大，经过多级机构的串联最终放大位移，该结构有效解决了体积最小化情况下微位移的放大问题，同时克服了传动放大机构承受载荷小、抗冲击能力差、对材料刚度及加工精度要求高的问题。附图说明 [0013] 图1是本发明所提供的微位移多级放大机构的剖视图； [0014] 图2是本发明所提供的微位移多级放大机构的立体图； [0015] 图3是本发明所提供的微位移多级放大机构的原理框图； [0016] 图4是本发明实施例所提供的单级放大机构几何关系示意图； [0017] 图5是单级放大机构的两个计算式对比图； [0018] 图6是单级位移放大机构及其放大倍数曲线图。 [0019] 附图标记说明：1、壳体；2、转轴；3、转块；4、位移滑块。 具体实施方式[0020] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。 [0021] 本实施例提供了一种微位移多级放大机构，参阅图1和2，包括壳体和设于壳体内的放大机构，所述放大机构由杠杆机构和两个位移滑块组成，所述杠杆机构位于上下两个位移滑块之间，且杠杆机构由两个转块和两个转轴组成，两个转块并排设置且中间留有间隙，两个转块分别转动设置在两个转轴上，两个转轴相互平行设置，且转轴的两端分别固定在壳体上；所述转块的底部、顶部分别与上下两个位移滑块相接触，所述位移滑块的长度小于两个转轴的中心距。 [0022] 本实施例中，壳体由左右对称的第一半壳、第二半壳形成中空结构，转轴的两端分别固定在第一半壳、第二半壳内。壳体顶部、底部设有相对的开口，所述放大机构在上下两开口间上下移动，所述位移滑块大小与开口相适配，同一放大机构中两并排设置的转块的长度之和大于开口大小。 [0023] 在本实施例中，作为优选，放大机构为4级，4级放大机构由上到下依次串联在一起。所述4级放大机构中的第一级放大机构的下位移滑块滑动设于壳体底部的开口且该下位移滑块顶部与第一级放大机构的两转块相接触，第一级放大机构的上位移滑块分别与第一级放大机构的两转块顶部、第二级放大机构的两转块底部相接触，所述第一级放大机构的上位移滑块为第二级放大机构的下位移滑块；所述第二级放大机构的上位移滑块分别与第二级放大机构的两转块顶部、第三级放大机构的两转块底部相接触，第三级放大机构的下位移滑块为第二级放大机构的上位移滑块；所述第三级放大机构的上位移滑块分别与第三级放大机构的两转块顶部、第四级放大机构的两转块底部相接触，第四级放大机构的下位移滑块为第三级放大机构的上位移滑块；所述第四级放大机构的上位移滑块在壳体顶部的开口内滑动。 [0024] 参阅图1、2和3，本实施例所提供的微位移多级放大机构，壳体支撑和固定整个机构，并对转轴提供支持，转块绕固定于壳体的转轴旋转，推动位移滑块在竖直方向上运动。将输入位移通过转块按照杠杆原理进行放大，经过多级机构的串联最终放大位移，有效解决了体积最小化情况下微位移的放大问题，转块与滑块接触，并能推动滑块运动，滑块在外壳约束下，只能沿一个方向运动，通过多级放大机构，将输入位移最大化地放大。为了更好地实现杠杆原理且实现较大的输出位移，转轴的轴线位于转块中心线的偏外侧。 [0025] 当微位移驱动器沿竖直方向伸长，推动第一级放大机构的下位移滑块竖直向上运动，下位移滑块推动绕转轴转动的转块转动，接着转块推动第二级放大机构的下位移滑块(第一级放大机构的上位移滑块)竖直向上运动，完成第一级位移放大；以此类推，完成多级放大，最终由第四级放大机构的上位移滑块输出位移和力，四级放大机构中各位移滑块与转块连接，避免位移滑块发生错位脱离现象。 [0026] 下面以单级放大机构为例分析本实施例所提供放大机构的位移放大原理： [0027] 由于每一级位移放大完全相同，四级位移放大机构的研究，先从单级位移放大机构着手。各部分几何尺寸及其位移放大原理如图4所示： [0028] 单级放大机构几何关系如下： [0029] [0030] 式中输入位移Δx是输入位移，Δh是输出位移，L1竖直滑块长度，L2是转块长度，h1转块高度，h2是竖直滑块高度，a是转块旋转半径到转块侧边距离，b是旋转半径与竖直滑块之间距离，β是转块中心侧边中点和顶点连线的夹角，θ是转块旋转的角度。 [0031] 单级位移放大后的位移输出量Δh与输入位移量Δx的关系式为： [0032] [0033] 其中： [0034] [0035] θ实际范围为： [0036] [0037] 取设计实际几何尺寸： [0038] L1＝12.4mm，L2＝11mm，H1＝6mm，H2＝5mm， [0039] a＝4mm，b＝2.8mm， [0040] 也即， [0041] 0deg＜θ＜66.801deg， [0042] 而输入位移： [0043] 0mm＜Δx＜1.918mm， [0044] 输入位移Δx取0.2毫米，经MSC Adams对放大机构进行建模，分析刚体运动特性，并仿真计算，得到单级放大后位移输出量Δh为0.58520572毫米。而根据式5.4计算得到位移输出量Δh为0.58515222。式5.4与仿真误差为0.009％，可以认为计算有效，计算式5.4可行，能用于计算输出位移。 [0045] 按照目前设计尺寸，对式5.4整合将位移输出量Δh表示为输入位移Δx的函数： [0046] [0047] 进一步对式5.5在区间0到1毫米上进行分析，拟合得到输出位移与输入位移的线性关系式Δh＝3.13Δx-0.0386，其对比如图5所示；通过式5.4可以等到单级位移放大及其放大倍数随着输入位移变化的规律，如图6所示，从图中可以看出，输出位移随着输入位移的增加而增加，并且几乎以比例函数的趋势线性增大。 [0048] 以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。 |
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