多压电陶瓷反对称式微位移放大机构
阅读说明：本技术 多压电陶瓷反对称式微位移放大机构 (Multiple piezoelectric ceramic antisymmetric micro-displacement amplifying mechanism ) 是由 张腾 张士军 孟繁勋 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多压电陶瓷反对称式微位移放大机构,包括基座、非对称放大单元、运动平台,非对称放大单元用于微位移放大。第一级非对称放大机构在输入端分为左、右输入端,第一级非对称放大单元分别通过柔性铰链与第二级非对称放大机构串接,第二级放大机构上通过柔性铰链与输出端连接,两个相接处的基座反对称固定连接。本发明还公开了一种多压电陶瓷反对称式微位移放大机构微位移的放大方法。本发明能够实现多种放大倍数、误差小、精度高且结构紧凑的特点,同时有效地避免了传统轴对称方式中占用空间过大,单一机构放大倍数固定的缺陷。(The invention discloses a multi-piezoelectric ceramic antisymmetric micro-displacement amplification mechanism which comprises a base, an asymmetric amplification unit and a motion platform, wherein the asymmetric amplification unit is used for micro-displacement amplification. The first-stage asymmetric amplification mechanism is divided into a left input end and a right input end at the input end, the first-stage asymmetric amplification unit is connected with the second-stage asymmetric amplification mechanism in series through a flexible hinge, the second-stage asymmetric amplification mechanism is connected with the output end through the flexible hinge, and the two bases at the joint are fixedly connected in an anti-symmetric manner. The invention also discloses a method for amplifying the micro displacement of the multi-piezoelectric ceramic antisymmetric micro displacement amplification mechanism. The invention can realize the characteristics of multiple amplification factors, small error, high precision and compact structure, and effectively avoids the defects of overlarge occupied space and fixed amplification factor of a single mechanism in the traditional axial symmetry mode.)
技术领域
本发明涉及一种微位移放大装置，尤其是一种多压电陶瓷反对称微位移放大装置。
背景材料
近年来，随着微电子技术的发展，压电陶瓷以其分辨率高、响应速度快、输出力大的优点而被广泛应用于微位移驱动和精密仪器定位系统。但是压电陶瓷的输出位移有限，范围从几微米到几十微米，不能达到应用的要求。为了能使压电陶瓷有更大的运动驱动行程。需要设计位移的放大机构现存的微位移放大机构的构型多采用轴对称式设计。但是，此结构的设计只有一半的有效放大结构，想要实现更大的放大比，只能扩大机构的体积，无法同时兼顾体积小，大位移的特点。
柔性铰链具有无摩擦、无间隙、运动精度高的特点，是一种可逆的弹性结构。在微位移领域得到了广泛的应用。
发明内容
：本发明所解决的技术问题是提供一种二级微位移放大机构及其放大方法，具有大位移、高精度、占用空间小、改变位移放大的倍数的优点。
技术方案如下：
一种多压电陶瓷反对称式微位移放大机构，包括两组非对称放大单元，非对称式放大单元用于微位移的放大，每组非对称放大单元分别包括两级放大机构，第一级放大机构在输入端分为左、右输入端，每个输入端对应左、右放大机构，左、右放大机构通过柔性铰链分别与第二级放大机构串联，输入端通过柔性铰链、顶杆、推杆固定连接非对称放大单元，输出端通过柔性铰链固定连接非对称放大单元，输入端通过压电陶瓷给非对称放大单元输入微位移，输出端运动平台用于输出放大后的位移，压电陶瓷用预紧装置固定，两个相接处的基座反对称固定连接，运动平台通过柔性铰链与两个输出端固定连接。
进一步，非对称放大单元包括：基座、左侧输入杆、右侧输入杆、左侧输入端柔性铰链、右侧输入端柔性铰链、左侧固定端柔性铰链、右侧固定端柔性铰链、右侧输入杆上侧柔性铰链、左侧推杆、右侧推杆、左侧顶杆、右侧顶杆、过渡柔性铰链、输出杆、输出杆输入端柔性铰链、输出杆固定端柔性铰链、输出杆输出端柔性铰链、运动平台、工作台。
进一步，基座呈“U”字型，左高右低，左侧输入杆通过左侧固定端柔性铰链固定连接在基座“U”型左侧上方，左侧固定端柔性铰链固定连接在左侧输入杆靠近左侧端部下方的位置，左侧输入端柔性铰链固定连接在左侧固定端柔性铰链内侧，右侧输入杆通过右侧固定端柔性铰链固定连接在基座“U”型右侧上方，右侧输入端柔性铰链固定连接在右侧输入杆靠近左侧端部的下方位置，右侧固定端柔性铰链在右侧输入端柔性铰链内侧，左侧输入杆和右侧输入杆横向布置，左侧输入杆在右侧输入杆上侧，左侧推杆固定连接在左侧输入端柔性铰链下方，左侧顶杆上方固定连接左侧推杆下方，右侧顶杆上方连接右侧输入端柔性铰链下方。
进一步，输出杆在左侧输入杆上侧，输出杆输入端柔性铰链固定连接在输出杆靠近右侧端部下方的位置，输出杆固定端柔性铰链固定连接在靠近左侧端部左侧输出杆上方的位置且位于输出杆输入端柔性铰链的内侧，输出杆输出端柔性铰链固定连接在靠近左侧端部输出杆输出杆上方的位置，输入端柔性铰链下方固定连接右侧推杆，右侧推杆与右侧输入杆上侧柔性铰链固定连接，右侧输入杆上侧柔性铰链固定连接在靠近右侧端部放大输入杆上方的位置。
进一步，输入端有左侧放大机构和右侧放大机构。
进一步，压电陶瓷输出端分别连接左侧顶杆和右侧顶杆。
进一步，输出端有输出平台。
进一步，通过调节输入端或者输出端的柔性铰链的位置，可以获得不同的微位移放大比。
进一步，当左侧压电陶瓷单独运动时，可以获得16倍的放大比；当右侧压电陶瓷单独运动时，可以获得6倍的放大比；当左侧压电陶瓷和右侧压电陶瓷同时运动时，可以获得64倍的放大比。
进一步，两组非对称放大单元在基座“L”型槽处反对称固定连接。
进一步，压电陶瓷需要用细牙螺纹螺栓预紧装置固定。
多压电陶瓷反对称式微位移放大机构微位移的放大方法，包括：
两个压电陶瓷分别安装在基座“U”型中间的内部左侧和右侧槽内，两个压电陶瓷输出端分别紧密连接左侧和右侧推杆，两个螺栓通过细牙螺纹孔把压电陶瓷另一端预紧固定在基座“U”型中间的左侧和右侧槽内，左侧压电陶瓷的输入位移传递至左侧顶杆，左侧顶杆将位移传至过渡柔性铰链，过渡柔性铰链将位移传至左侧推杆，左侧推杆将位移传递给左侧输入端柔性铰链，左侧输入端柔性铰链将位移传递至左侧输入杆，右侧压电陶瓷的输入位移传递至右侧顶杆，右侧顶杆将位移传至右侧输入端柔性铰链，右侧输入端柔性铰链将位移传递至右侧输入杆。
左侧压电陶瓷单独工作时：左侧输入杆发生偏转，右端部向上移动，左侧输入杆将位移传递给输出杆固定端柔性铰链，输出杆发生偏转，左端向上移动，输出杆输出端柔性铰链将向上的位移传递给平台；右侧压电陶瓷工作时：右侧输入杆发生偏转，右端部向下移动，右侧输入杆将位移传递给输出杆输入端柔性铰链，输出杆发生偏转，左端向上移动，输出杆输出端柔性铰链将向上的位移传递给平台；左侧压电陶瓷和右侧压电陶瓷同时工作时：左侧输入杆发生偏转，右端部向上移动，右侧输入杆发生偏转，右端部向下移动，左侧输入杆将位移传递给输出杆固定端柔性铰链，右侧输入杆将位移传递给输出杆输入端柔性铰链，输出杆发生偏转，左端向上移动，输出杆输出端柔性铰链将向上的位移传递给平台；运动平台向上移动。
本发明技术效果包括：
本发明采取了将两组非对称放大单元反对称固定安装，两个位移输出端上方有平台，通过抵消的方式消除横向位移。
本发明采取了非对称式放大单元，包括两级放大机构水平上下放置，实现更大的放大比例且大幅度减少机构体积。
本发明采取了四个压电陶瓷驱动，两个压电陶瓷为一组，在同一个微位移机构可以实现不同的放大倍数。
本发明采取了四个压电陶瓷驱动和两级放大机构，左侧和右侧一级放大机构有4倍的放大比，二级放大机构分别有1.5倍和4倍的放大比；当两组的非对称放大单元左侧压电陶瓷单独运动时，只有左侧放大机构和二级4倍放大机构工作，可以获得16倍的放大比；当两组的非对称放大单元右侧压电陶瓷单独运动时，只有右侧放大机构和二级1.5倍放大机构工作，可以获得6倍的放大比；当两组的非对称放大单元左侧压电陶瓷和右侧压电陶瓷同时运动时，左侧和右侧放大机构工作，二级4倍放大机构工作，可以获得64倍的放大比。
本发明的预紧装置的预紧螺母采用细牙螺纹，采用细牙螺纹防松防振效果好、可以精确微调预紧力，避免压电陶瓷在安装过程中的间隙所造成的运动误差和压电陶瓷的损坏。
本发明采用了柔性铰接的方式进行连接，各杆件之间的间隙和摩擦力较小，能降低误差,提高精度。
附图说明
图1为本发明中非对称放大单元部分一的结构示意图；
图2为本发明中非对称放大单元部分二的结构示意图；
图3为本发明中整体机构的立体结构示意图；
图4为本发明中整体机构的正面就结构示意图；
图5为本发明中基座的局部结构示意图；
图中，1、非对称放大单元部分一，101、基座一，1011、基座“L”型槽，102、左侧压电陶瓷，103、左侧顶杆，104、过渡柔性铰链，105、左侧推杆，106、左侧输入端柔性铰链，107、左侧固定端柔性铰链，108、左侧输入杆，109、输出杆、110、输出杆输出端柔性铰链，111、输出杆固定端柔性铰链，112、输出杆输入端柔性铰链，113、右侧推杆，114、右侧输入杆上侧柔性铰链，115、右侧输入杆，116、右侧输入杆柔性铰链，117、右侧输入端柔性铰链，118、右侧顶杆，119、右侧压电陶瓷，120、螺栓三，121、螺栓四；2、非对称放大单元部分二，201、基座二，202、左侧压电陶瓷，203、左侧顶杆，204、过渡柔性铰链，205、左侧推杆，206、左侧输入端柔性铰链，207、左侧固定端柔性铰链，208、左侧输入杆，209、输出杆、210、输出杆输出端柔性铰链，211、输出杆固定端柔性铰链，212、输出杆输入端柔性铰链，213、右侧推杆，214、右侧输入杆上侧柔性铰链，215、右侧输入杆，216、右侧输入杆柔性铰链，217、右侧输入端柔性铰链，218、右侧顶杆，219、右侧压电陶瓷，220、螺栓三，221、螺栓四；3、运动平台，4、工作台。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
本发明为二级微位移放大机构，包括非对称放大单元部分一1和非对称放大单元部分二2，非对称放大单元部分一1和非对称放大单元部分二2在基座“L”型槽1011处反对称固定安装在工作台4上。
非对称放大单元部分一1为二级微位移放大机构，第一级微位移放大机构包括：基座一101、左侧顶杆103、过渡柔性铰链104、左侧推杆105、左侧输入端柔性铰链106、左侧固定端柔性铰链107、左侧输入杆108、右侧输入杆115、右侧固定端柔性铰链116、右侧输入端柔性铰链117、右侧顶杆118。
左侧输入杆108通过左侧固定端柔性铰链107固定连接在基座一101“U”型左侧上方，左侧固定端柔性铰链107固定连接左侧输入杆108靠近左侧端部下方的位置，左侧输入端柔性铰链106固定连接在左侧输入杆108下部，并位于左侧固定端柔性铰链107内侧；右侧输入杆115通过右侧固定端柔性铰链116固定连接在基座101“U”型右侧上方，右侧输入端柔性铰链117固定连接在右侧输入杆115靠近左侧端部的下方位置，右侧固定端柔性铰链116在右侧输入端柔性铰链117内侧；左侧输入杆108和右侧输入杆115横向布置。左侧输入杆108在右侧输入杆115上侧，左侧推杆105固定连接连接在左侧输入端柔性铰链106下方，左侧顶杆103上方由过渡柔性铰链104固定连接左侧推杆105下方。
利用杠杆原理，左侧顶杆103通过过渡柔性铰链104、左侧推杆105及左侧输入端柔性铰链106对左侧输出杆108的输入位移的作用，左侧固定端柔性铰链107起固定支撑作用，右侧顶杆118通过右侧输入端柔性铰链117对右侧输出杆115的输入位移的作用，右侧固定端柔性铰链116起固定支撑作用。
非对称放大单元部分一1为二级微位移放大机构，第二级微位移放大机构包括：输出杆109、输出杆输出端柔性铰链110、输出杆固定端柔性铰链111、输出杆输入端柔性铰链112、右侧推杆113、右侧输入杆上侧柔性铰链114。
输出杆109在左侧输入杆108上侧。输出杆输入端柔性铰链112固定连接在输出杆109靠近右侧端部下方的位置，输出杆固定端柔性铰链111固定连接在输出杆输入端柔性铰链112的内侧；输出杆输出端柔性铰链110固定连接靠近左侧端部输出杆输出杆109上方的位置，输出杆输入端柔性铰链112下方固定连接右侧推杆113，右侧推杆113与右侧输入杆上侧柔性铰链114固定连接；右侧输入杆上侧柔性铰链114固定连接在靠近右侧端部右侧输入杆115上方的位置，输出杆固定端柔性铰链111固定连接靠近左侧端部左侧输出杆108上方的位置。
利用杠杆原理，右侧输入杆115通过右侧输入杆上侧柔性铰链114、、右侧推杆113及输出杆输入端柔性铰链112对输出杆109的输入位移的作用，输出杆固定端柔性铰链111起固定支撑作用，输出杆固定端柔性铰链111通过左侧输出杆108起固定和运动的作用。
非对称放大单元部分一1的输出杆输出端柔性铰链110固定连接到平台3上，非对称放大单元部分二2的输出杆输出端柔性铰链210固定连接到平台3上，由于非对称放大单元部分一1和非对称放大单元部分二2的位移输出端上方有共同的平台3，采用这种方式可以消除输出杆109和输出杆209带来的横向位移。
如图3所示，是本发明中整体机构的立体结构示意图；如图4所示，是本发明中整体机构的正面就结构示意图；如图5所示，是本发明基座一101的局部结构示意图。
本发明为二级微位移放大机构，包括非对称放大单元部分一1和非对称放大单元部分二2，非对称放大单元部分一1和非对称放大单元部分二2在基座“L”型槽1011处反对称固定安装在工作台4上。
二级微位移放大机构的放大方法，具体步骤包括：
步骤一：压电陶瓷102和压电陶瓷119分别安装在基座一101“U”型中间的内部左侧和右侧槽内，压电陶瓷102和压电陶瓷119输出端分别固接左侧推杆103和右侧推杆118上，并用螺栓120和螺栓121通过细牙螺纹孔把压电陶瓷另一端预紧固定在基座一101“U”型中间的左侧和右侧槽内；同时，压电陶瓷202和压电陶瓷219分别安装在基座二201“U”型中间的内部左侧和右侧槽内，压电陶瓷202和压电陶瓷219输出端分别紧密连接左侧推杆203和右侧推杆218，并用螺栓220和螺栓221通过细牙螺纹孔把压电陶瓷另一端预紧固定在基座一201“U”型中间的左侧和右侧槽内；左侧顶杆103、右侧顶杆118、左侧顶杆203及右侧顶杆218分别与压电陶瓷102、压电陶瓷119、压电陶瓷202及压电陶瓷219输出端紧密连接。
步骤二：左侧顶杆103将位移传递给过渡柔性铰链104，过渡柔性铰链104将位移传递给左侧推杆105，左侧推杆105将位移传递给左侧输入端柔性铰链106，左侧输入端柔性铰链106将位移传递给左侧输出杆108；同时，左侧顶杆203将位移传递给过渡柔性铰链204，过渡柔性铰链204将位移传递给左侧推杆205，左侧推杆205将位移传递给左侧输入端柔性铰链206，左侧输入端柔性铰链206将位移传递给左侧输出杆208。
左侧顶杆103、过渡柔性铰链104、左侧推杆105，左侧顶杆203、过渡柔性铰链204、左侧推杆205，向上运动。
右侧顶杆118将位移传递给右侧输入端柔性铰链117，右侧输入端柔性铰链117将位移传递给右侧输入杆115；同时，右侧顶杆218将位移传递给右侧输入端柔性铰链217，右侧输入端柔性铰链217将位移传递给右侧输入杆215；
右侧顶杆118向上运动。
基座一101和基座二201固定不动；利用杠杆原理，基座一101左侧对通过左侧固定端柔性铰107对左侧输出杆108起拉的作用，输入端左侧顶杆103通过过渡柔性铰链104、左侧推杆105及左侧输入端柔性铰链106对左侧输出杆108起到顶的作用，左侧输入杆108发生偏转，右端向上移动；同时，基座201左侧对通过左侧固定端柔性铰链207对左侧输出杆208起拉的作用，输入端左侧顶杆203通过过渡柔性铰链204、左侧推杆205及左侧输入端柔性铰链206对左侧输出杆208起到顶的作用，左侧输入杆208发生偏转，左端向上移动。
基座一101和基座二201固定不动；利用杠杆原理，基座一101右侧对通过右侧固定端柔性铰链116对右侧输出杆108起拉的作用，右侧顶杆118通过右侧输入端柔性铰链117对右侧输出杆115起到顶的作用，右侧输入杆115发生偏转，右端向下移动；同时，基座201右侧对通过右侧固定端柔性铰链216对右侧输出杆208起拉的作用，右侧顶杆218通过右侧输入端柔性铰链217对右侧输出杆215起到顶的作用，右侧输入杆215发生偏转，右端向下移动。
步骤三：输出杆109在左侧输入杆108上侧。左侧输出杆108将位移传递给输出杆固定端柔性铰链111；同时，输出杆209位于左侧输入杆208上侧。左侧输出杆208将位移传递给输出杆固定端柔性铰链211；
右侧输出杆115将位移传递给右侧输出杆上侧柔性铰链114，右侧输出杆上侧柔性铰链114将位移传递给右侧推杆113，右侧推杆113将位移传递给输出杆输入端柔性铰链112；同时，右侧输出杆215将位移传递给右侧输出杆上侧柔性铰链214，右侧输出杆上侧柔性铰链214将位移传递给右侧推杆213，右侧推杆213将位移传递给输出杆输入端柔性铰链212。
左侧输出杆108和输出杆固定端柔性铰链111没有发生相对位移的变化，右侧输入杆115、右侧输入杆上侧柔性铰链114、右侧推杆113及输出杆输入端柔性铰链112，没有发生相对位移的变化；同时，左侧输出杆208和输出杆固定端柔性铰链211没有发生相对位移的变化，右侧输入杆215、右侧输入杆上侧柔性铰链214、右侧推杆213及输出杆输入端柔性铰链212，没有发生相对位移的变化。
步骤四：当压电陶瓷102、压电陶瓷202、压电陶瓷119及压电陶瓷219同时运动时：左侧输出杆108通过输出杆固定端柔性铰链111对输出杆109起顶的作用；右侧输入杆115通过右侧输入杆上侧柔性铰链114、右侧推杆113及输出杆输入端柔性铰链112对输出杆109起拉的作用，输出杆109发生偏转，右端向上移动，右侧输入杆上侧柔性铰链114、右侧推杆113及输出杆输入端柔性铰链112向下移动；同时，左侧输出杆208通过输出杆固定端柔性铰链211对输出杆209起顶的作用；右侧输入杆215通过右侧输入杆上侧柔性铰链214、右侧推杆213及输出杆输入端柔性铰链212对输出杆209起拉的作用，输出杆209发生偏转，右端向上移动，右侧输入杆上侧柔性铰链214、右侧推杆213及输出杆输入端柔性铰链212向下移动，可以获得64倍的放大倍数。
当压电陶瓷102和压电陶瓷202不工作时、压电陶瓷121及压电陶瓷221同时工作时：左侧输出杆108通过输出杆固定端柔性铰链111对输出杆109起顶的作用；右侧输入杆115通过右侧输入杆上侧柔性铰链114、右侧推杆113及输出杆输入端柔性铰链112对输出杆109起拉的作用，输出杆109发生偏转，右端向上移动；同时，左侧输出杆208通过输出杆固定端柔性铰链211对输出杆209起顶的作用；右侧输入杆215通过右侧输入杆上侧柔性铰链214、右侧推杆213及输出杆输入端柔性铰链212对输出杆209起拉的作用，输出杆209发生偏转，右端向上移动，可以获得16倍的放大倍数。
当压电陶瓷120和压电陶瓷220同时工作时、压电陶瓷121及压电陶瓷221不工作时：左侧输出杆108通过输出杆固定端柔性铰链111对输出杆109起拉的作用；右侧输入杆115通过右侧输入杆上侧柔性铰链114、右侧推杆113及输出杆输入端柔性铰链112对输出杆109起顶的作用，输出杆109发生偏转，右端向上移动；同时，左侧输出杆208通过输出杆固定端柔性铰链211对输出杆209起拉的作用；右侧输入杆215通过右侧输入杆上侧柔性铰链214、右侧推杆213及输出杆输入端柔性铰链212对输出杆209起顶的作用，输出杆209发生偏转，右端向上移动，可以获得6倍的放大倍数。
运动平台3通过输出杆输出端柔性铰链110和输出杆输出端柔性铰链210与输出杆109及输出杆209固定连接，当压电陶瓷工作时，输出杆109左端向上移动，把位移传递给输出杆输出端柔性铰链110，输出杆输出端柔性铰链110向右上方移动；同时，输出杆209左端向上移动，把位移传递给输出杆输出端柔性铰链210，输出杆输出端柔性铰链210向右上方移动；输出杆输出端柔性铰链110及输出杆输出端柔性铰链210把向上的位移传递给运动平台3，向右的横向位移通过输出杆输出端柔性铰链110及输出杆输出端柔性铰链210相互抵消。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
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