一种二维大行程高负载解耦偏摆装置
阅读说明：本技术 一种二维大行程高负载解耦偏摆装置 (Two-dimensional large-stroke high-load decoupling deflection device ) 是由 王海涛 王耿 毛同宇 闫勇刚 赵彦如 陈国强 张博 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种二维大行程高负载解耦偏摆装置,包括：放大机构、偏转支撑杆、底座、偏摆台,放大机构和偏转支撑杆设置在底座上,且放大机构与偏转支撑杆连接,偏摆台的两端分别与放大机构的顶部和偏转支撑杆的顶部连接；放大机构包括一级放大组件、二级放大组件、三级放大组件,一级放大组件内设置有放置腔,放置腔内放置有压电陶瓷。通过放置腔内的压电陶瓷对一级放大组件施加等量的双向位移,一级放大组件对压电陶瓷的输入位移进行放大产生相反方向的横向位移,并将横向位移作用到二极放大组件上,二极放大组件将一级放大组件的横向位移转变成竖直方向的位移,最后作用于三级放大组件,三级放大组件减小最终输出位移耦合误差。(The invention discloses a two-dimensional large-stroke high-load decoupling deflection device, which comprises: the device comprises an amplifying mechanism, a deflection supporting rod, a base and a deflection table, wherein the amplifying mechanism and the deflection supporting rod are arranged on the base, the amplifying mechanism is connected with the deflection supporting rod, and two ends of the deflection table are respectively connected with the top of the amplifying mechanism and the top of the deflection supporting rod; the amplifying mechanism comprises a first-stage amplifying assembly, a second-stage amplifying assembly and a third-stage amplifying assembly, wherein a placing cavity is arranged in the first-stage amplifying assembly, and piezoelectric ceramics are placed in the placing cavity. The equal bidirectional displacement is applied to the first-stage amplification assembly through the piezoelectric ceramics in the placing cavity, the first-stage amplification assembly amplifies the input displacement of the piezoelectric ceramics to generate transverse displacement in the opposite direction, the transverse displacement is applied to the two-stage amplification assembly, the transverse displacement of the first-stage amplification assembly is converted into the displacement in the vertical direction by the two-stage amplification assembly, and finally the displacement is applied to the third-stage amplification assembly, and the final output displacement coupling error is reduced by the third-stage amplification assembly.)
技术领域
本发明涉及压电陶瓷驱动精密仪器技术领域，具体涉及一种二维大行程高负载解耦偏摆装置。
背景技术
现有偏摆台使用的柔性铰链放大机构只是单侧多级杠杆原理的利用没有考虑高负载这方面，并且单侧柔性铰链放大结构输出的位移还会产生其他方向的分量，在偏摆台工作过程中会发生耦合，影响偏摆的角度精度。偏摆台在位移消失时需要恢复初始状态利用两个相同结构放在同一方向或弹簧恢复初始状态，对于二维偏摆台来说，在同一维度对称摆放，不仅受来自同一方向的反作用力，同时受另一个方向双倍的反作用力，在不考虑高负载的情况下克服反作用力并使偏摆台发生偏摆受到很大的局限性，同时对空间大小与偏摆台面上的负载也会受到很大的局限性。弹簧用在偏摆中心，在多次使用后弹簧的弹力会减弱并且产生的抖动无法使偏摆台立即使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维大行程高负载解耦偏摆装置，以解决现有技术中偏摆台工作过程中会发生耦合，影响偏摆的角度的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种二维大行程高负载解耦偏摆装置，包括：放大机构、偏转支撑杆、底座、偏摆台，放大机构和偏转支撑杆设置在底座上，且放大机构与偏转支撑杆连接，偏摆台的两端分别与放大机构的顶部和偏转支撑杆的顶部连接；
放大机构包括一级放大组件、二级放大组件、三级放大组件，一级放大组件内设置有放置腔，放置腔内放置有压电陶瓷，二级放大组件设置在一级放大组件的上端，三级放大组件设置在二级放大组件的上端，三级放大组件通过连接部件与偏摆台连接。
采用上述技术方案的有益效果为：通过放置腔内的压电陶瓷将电能转化为机械能对一级放大组件施加等量的双向位移，一级放大组件对压电陶瓷输入的位移进行放大产生相反方向的横向位移，通过位移放大，并将左右两端的放大的位移作用对二极放大组件位移输入，二极放大组件使一级放大组件的横向位移转变成竖直方向的位移同时进行放大，然后二级放大组件将竖直方向的放大位移作用于三级放大组件上，三级放大组件最后进行减小最终输出位移的耦合误差，进行解耦并放大输入位移，通过连接部件作用到偏摆台上。
进一步地，三级放大组件包括连接框、第一平铰链、平行杆、第一直圆柱柔性铰链、第一连接块，连接框通过第一平铰链与平行杆连接，平行杆通过第一直圆柱柔性铰链与第一连接块连接。
采用上述技术方案的有益效果为：第一平铰链、第一直圆柱柔性铰链增大输出的变形量，减少输出位移的消耗；通过设置平行杆、第一直圆柱柔性铰链的参数，来实现位移放大，实现消除的输出位移耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的位移与力的输出。
进一步地，一级放大组件包括一级放大杠杆、第二平铰链、第二直圆柱柔性铰链、支撑杆，一级放大杠杆的一端通过第二平铰链与连接框连接，一级放大杠杆的另一端通过第二直圆柱柔性铰链与支撑杆连接，第二平铰链和第二直圆柱柔性铰链的中心线在同一水平线上。
采用上述技术方案的有益效果为：通过第二平铰链、第二直圆柱柔性铰链增加了偏摆台的稳定性，通过一级放大杠杆、支撑杆的位置与定位，来实现位移放大，寻找最佳比例，以达到最佳的位移与力的输出，从而对二级放大组件最佳输入。
进一步地，二级放大组件包括第一半圆铰链、桥臂、第二半圆铰链、输出杆、第三直圆柱柔性铰链，第一半圆铰链设置在一级放大杠杆的上端，桥臂倾斜放置在第一半圆铰链与第二半圆铰链之间，输出杆设置在第二半圆铰链的上端，输出杆通过第三直圆柱柔性铰链与平行杆连接。
采用上述技术方案的有益效果为：通过桥臂与一级放大组件输入端相连，半圆铰链在输入端，第一半圆铰链在输出顶端，扩大半圆柔性铰链的半径，提高在发生形变过程中第一半圆柔性铰链受输入位移产生变形的形变量。桥臂倾斜放置形成倾斜角，倾斜角决定了放大位移量与负载，输出杆与第三直圆柱柔性铰链连接，通过调整第三直圆柱柔性铰链连接的位置决定输出位移放大倍数，从而提高偏摆角范围、提高结构的负载能力。
进一步地，连接部件包括第四直圆柱柔性铰链、第五直圆柱柔性铰链、第二连接块，第四直圆柱柔性铰链设置在第一连接块的上端，第四直圆柱柔性铰链通过第五直圆柱柔性铰链与第二连接块连接，且第五直圆柱柔性铰链与第四直圆柱柔性铰链的铰链方向垂直，第二连接块顶部与偏摆台连接。
采用上述技术方案的有益效果为：通过第四直圆柱柔性铰链、第五直圆柱柔性铰链，两个铰链方向垂直组合成双向柔性铰链，减少各结构间产生的反作用力，连接块用于连接偏摆台与放大机构。
进一步地，偏转支撑杆支柱、第六直圆柱柔性铰链、第七直圆柱柔性铰链、第三连接块、定位连接杆，支柱通过定位连接杆与支撑杆连接，支柱分别通过第六直圆柱柔性铰链、第七直圆柱柔性铰链与第三连接块连接，第七直圆柱柔性铰链设置在第六直圆柱柔性铰链的上端，且铰链方向垂直，第三连接块与偏转台连接。
采用上述技术方案的有益效果为：通过设置支柱、第三连接块、定位连接杆，用于相互定位和固定，通过第六直圆柱柔性铰链、第七直圆柱柔性铰链，两个铰链方向垂直组合成双向柔性铰链用于各结构间产生的反作用力。
进一步地，底座的上方设置有壳体，壳体包括连接板、壳体连接块、过线框、凹槽，连接板设置在过线框的两侧，壳体连接块设置在过线框上，壳体连接块与支撑杆连接，凹槽为过线框与连接板形成的空间结构，连接板与连接框连接。
采用上述技术方案的有益效果为：通过设置连接板，使放大机构定位精准，过线框用于压电陶瓷接线，壳体连接块与支撑杆连接，凹槽防止与放大机构接触，对位移输出产生影响，从而提高精度和稳定性。
进一步地，底座包括外固定框、限位块、第一定位槽、第二定位槽，第一定位槽分别设置在外固定框的相邻两侧，限位块设置在相邻第一定位槽之间的夹角处，连接框配合连接在第一定位槽内，支柱的底部配合连接在第二定位槽内。
采用上述技术方案的有益效果为：通过在底座上设置外固定框以及第一定位槽，使三级放大组件上的连接框与之连接，通过设置第二定位槽方便偏转支撑杆的定位，通过相互之间定位，提高定位精度，从而减小因定位误差造成偏摆角度误差。
进一步地，一级放大杠杆与支撑杆的下表面形成放置腔，放置腔的侧壁设置有预紧垫片。
采用上述技术方案的有益效果为：通过设置有预紧垫片预紧压电陶瓷，防止在预紧过程中造成阻力，无法对压电陶瓷预紧，造成压电陶瓷输出位移的损失，消除加工过程中存在的误差。
进一步地，第一平铰链、第二平铰链上设置有应变片传感器。
采用上述技术方案的有益效果为：通过设置的应变片传感器方便对三级放大组件、一级放大组件进行数据采集，减小对位移输入的损失，可以直接采集输入位移的产生的形变数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的二维大行程高负载解耦偏摆装置，通过将一级放大组件与二级放大组件位移放大，同时增加承受载荷的能力与三级放大组件位移放大的同时解耦的优势互补，形成多级放大高负载解耦偏摆台。通过放置腔内的压电陶瓷将电能转化为机械能横向输出对一级放大组件施加等量的双向位移，一级放大组件对压电陶瓷输入的位移进行放大产生相反方向的横向位移，通过位移放大，并将一级放大组件左右两端的放大的位移作用对二极放大组件位移输入，二极放大组件使一级放大组件的横向位移转变成竖直方向的位移同时进行放大，然后二级放大组件将竖直方向的放大位移作用于三级放大组件上，三级放大组件上的第一平铰链、第一直圆柱柔性铰链增大输出的变形量，减少输出位移的消耗，通过设置平行杆、第一直圆柱柔性铰链的参数，来实现位移放大，消除的输出位移耦合误差，寻找最佳耦合比，以达到最佳的位移与力的输出，最后经过放大的位移作用到偏摆台偏摆角度，在减小反作用力造成影响的同时位移消失偏摆台回到原来的位置，实现偏摆的目的。
附图说明
图1为二维大行程高负载解耦偏摆装置整体结构示意图；
图2为放大机构结构示意图；
图3为偏转支撑杆结构示意图；
图4为壳体结构示意图；
图5位底座结构示意图。
图1至图5中所示附图标记分别表示为：1-放大机构、2-偏转支撑杆、201-支柱、202-第六直圆柱柔性铰链、203-第七直圆柱柔性铰链、204-第三连接块、205-定位连接杆、3-底座、301-外固定框、302-限位块、303-第一定位槽、304-第二定位槽、4-偏摆台、5-一级放大组件、501-一级放大杠杆、502-第二平铰链、503-第二直圆柱柔性铰链、504-支撑杆、6-二级放大组件、601-第一半圆铰链、602-桥臂、603-第二半圆铰链、604-输出杆、605-第三直圆柱柔性铰链、7-三级放大组件、701-连接框、702-第一平铰链、703-平行杆、704-第一直圆柱柔性铰链、705-第一连接块、8-放置腔、801-预紧垫片、9-连接部件、901-第四直圆柱柔性铰链、902-第五直圆柱柔性铰链、903-第二连接块、10-壳体、1001-连接板、1002-壳体连接块、1003-过线框、1004-凹槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参照图1-2，一种二维大行程高负载解耦偏摆装置，包括：放大机构1，放大机构用于解耦、位移放大。还包括偏转支撑杆2，放大机构1与支撑杆2连接。还包括底座3，底座3设置在放大机构1的下方，底座3用于固定放大机构1，底座3与偏转支撑杆2的底部连接。还包括偏摆台4，偏摆台4的一端与放大机构1的顶部连接，偏转支撑杆2顶部与偏摆台4的另一端连接，经过放大的位移作用到偏摆台偏摆角度。
放大机构1包括一级放大组件5、二级放大组件6、三级放大组件7，一级放大组件5内设置有放置腔8，放置腔8内放置有压电陶瓷，压电陶瓷通过将接收到的电能转化为机械能，将位移与力输入到一级放大组件5上。二级放大组件6设置在一级放大组件5的上端，一级放大组件5将位移与力输出到二级放大组件6上，使二级放大组件6继续进行位移与力的放大。三级放大组件7设置在二级放大组件6的上端，二级放大组件6将放大后的位移与力输出到三级放大组件7上，三级放大组件7通过连接部件9与偏摆台4连接，三级放大组件7减小最终输出位移的耦合误差，寻找最佳耦合比，将最佳的位移与力输出到偏摆台4上。通过放置腔8内的压电陶瓷左右两端横向输出对一级放大组件5施加等量的双向位移，一级放大组件5对压电陶瓷输入的位移进行放大并产生相反方向的横向位移，对二极放大组件6进行位移输入，二极放大组件6使一级放大组件5的横向位移转变成竖直方向的位移同时进行放大，然后二级放大组件6竖直方向的放大位移作用于三级放大组件7，三级放大组件7最终输出位移的耦合误差，进行解耦，三级放组件9的通过连接部件9与偏摆台4的一端连接，最后经过放大的位移作用到偏摆台4偏摆角度，在减小反作用力造成影响的同时位移消失偏摆台4回到原来的位置，实现偏摆目的。
请参照图1-2，三级放大组件7包括连接框701、第一平铰链702、平行杆703、第一直圆柱柔性铰链704、第一连接块705，连接框701通过第一平铰链702与平行杆703连接，平行杆703通过第一直圆柱柔性铰链704与第一连接块705连接。第一连接块705用于进行解耦输出，采用单输入双输出的机构方式对三级放大组件7进行位移输入，第一平铰链702作为转动副，第一平铰链702、第一直圆柱柔性铰链704用于增加形变量提高位移输出和解耦，通过调整平行杆702的长度、厚度和平行杆702之间的间距，以及第一直圆柱柔性铰链704的大小、形状、圆度、厚度、位置等参数，来实现位移放大，实现消除的输出位移耦合，寻找最佳耦合比，以达到最佳的位移与力的输出，以及减少反作用力。
请参照图1-2，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置中一级放大组件5包括：一级放大杠杆501、第二平铰链502、第二直圆柱柔性铰链503、支撑杆504，一级放大杠杆501的一端通过第二平铰链502与连接框701连接，一级放大杠杆501的另一端通过第二直圆柱柔性铰链503与支撑杆504连接，第二平铰链502和第二直圆柱柔性铰链503的中心线在同一水平线上。一级放大杠杆501以杠杆原理进行位移放大，通过调整一级放大杠杆501的结构、放大比例、杠杆的形状和宽度，以及第二直圆柱柔性铰链503的大小、形状、圆度、厚度，和支撑杆504的位置与定位，来实现位移放大，寻找最佳比例，以达到最佳的位移与力的输出，从而对二级放大组件6最佳输入。
请参照图1-2，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置中二级放大组件6包括：第一半圆铰链601、桥臂602、第二半圆铰链603、输出杆604、第三直圆柱柔性铰链605，第一半圆铰链601设置在一级放大杠杆501的上端，桥臂602倾斜放置在第一半圆铰链601与第二半圆铰链603之间，输出杆604设置在第二半圆铰链603的上端，输出杆604通过第三直圆柱柔性铰链605与平行杆703连接。通过调整桥臂602的长度和宽度、桥臂602的倾斜度，以及第三直圆柱柔性铰链605的大小、形状、圆度、厚度、位置，为了提高二级放大组件6的位移放大效率，使用第一半圆铰链601、第二半圆铰链603的结构，增大结构的变形量。通过调整桥臂602、第三直圆柱柔性铰链605、第一半圆铰链601、第二半圆铰链603的结构参数来实现位移放大，以达到对三级放大组件7最佳的位移与力的输出。
请参照图1-2，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置中连接部件9包括：第四直圆柱柔性铰链901、第五直圆柱柔性铰链902、第二连接块903，第四直圆柱柔性铰链901设置在第一连接块705的上端，第四直圆柱柔性铰链901通过第五直圆柱柔性铰链902与第二连接块903连接，且第五直圆柱柔性铰链902与第四直圆柱柔性铰链901的铰链方向垂直，第二连接块903顶部与偏摆台4连接。通过将第五直圆柱柔性铰链902与第四直圆柱柔性铰链901的铰链方向垂直设置，其垂直组合成双向柔性铰链用于减少各结构间产生的反作用力，最后将位移输出到偏摆台4上，实现偏摆目的。
请参照图3，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置中偏转支撑杆2包括：支柱201、第六直圆柱柔性铰链202、第七直圆柱柔性铰链203、第三连接块204、定位连接杆205，支柱201通过定位连接杆205与支撑杆504连接，支柱201分别通过第六直圆柱柔性铰链202、第七直圆柱柔性铰链203与第三连接块204连接，第七直圆柱柔性铰链203设置在第六直圆柱柔性铰链202的上端，且铰链方向垂直，第三连接块204与偏摆台4连接。通过第六直圆柱柔性铰链202、第七直圆柱柔性铰链203，两个铰链方向垂直组合成双向柔性铰链，双向柔性铰链结构同时起到弹簧的作用，双向柔性铰链机构对偏摆台4进行偏转和恢复初始状态，用于减少各结构间产生的反作用力；当放大机构1输出位移时，第六直圆柱柔性铰链202、第七直圆柱柔性铰链203随偏摆台4发生偏转。
请参照图4，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置还包括：底座3的上方设置有壳体10，壳体10包括连接板1001、壳体连接块1002、过线框1003、凹槽1004，连接板1001设置在过线框1003的两侧，壳体连接块1002设置在过线框1003上，壳体连接块1002与支撑杆504连接，凹槽1004为过线框1003与连接板1001形成的空间结构，连接板1001与连接框701连接。过线框1003用于与放置腔8内的压电陶瓷接线，凹槽1004防止与放大机构1接触，对位移输出产生影响。通过连接板1001连接放大机构1上的支撑杆504，使装置更稳固；通过壳体连接块1002与支撑杆504连接，使一级放大组件5与壳体10连接，使其更稳固，从而减小因定位误差造成偏摆角度误差。
请参照图5，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置中底座3包括：外固定框301、限位块302、第一定位槽303、第二定位槽304，第一定位槽303分别设置在外固定框301的相邻两侧，限位块302设置在相邻第一定位槽303之间的夹角处，限位块302用于限制放大机构1的位置；连接框701配合连接在第一定位槽303内，支柱201的底部配合连接在第二定位槽304内。外固定框301以及第一定位槽303与连接框701连接，用于固定放大机构1，第二定位槽304与偏转支撑杆2中支柱201的底部连接，用于固定偏转支撑杆2，方便偏转支撑杆2的定位，提高定位精度，从而减小因定位误差造成偏摆角度误差。
请参照图2，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置还包括：一级放大杠杆501与支撑杆504的下表面形成放置腔8，放置腔8的侧壁设置有预紧垫片801。压电陶瓷放置在放置腔8内，放置腔8的一侧开设有与预紧垫片801匹配的内螺纹孔，预紧垫片801上有与内螺纹孔匹配的预紧平底螺钉，从而可以对放置腔内的压电陶瓷进行预紧，防止在预紧过程中造成阻力，造成压电陶瓷输出位移损失，以及消除加工过程中存在的误差。
优选地，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置还包括：第一平铰链702、第二平铰链502上设置有应变片传感器，应变片传感器的具体型号为YHD-10，通过设置应变片传感器，方便采集位移产生的形变数据。
优选地，本发明二维大行程高负载解耦偏摆装置还包括：放大机构1设置有两个，两个放大机构中心点的延长线与支柱201之间形成等腰三角形结构。通过等腰三角形结构相互制约定位，使偏转支撑杆2在等腰三角形结构的中心线移动，当设置为钝角等腰三角形结构时，缩小偏摆范围；当设置为锐角等腰三角形结构时，扩大偏摆范围，通过调整偏转支撑杆2的位置，调整偏摆范围，提高机构的灵活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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