本發(fā)明具體涉及一種剛性加強(qiáng)的混合鉸鏈?zhǔn)蕉墭蚴椒糯笃鳌?/p>

背景技術(shù)：

隨著柔性機(jī)構(gòu)的發(fā)展，壓電陶瓷驅(qū)動器在工業(yè)上得到越來越多的應(yīng)用。一般情況下，壓電陶瓷驅(qū)動器的行程只有自身長度的0.1％～0.2％，這么短的行程使得壓電陶瓷驅(qū)動器在大多數(shù)情況下都無法滿足柔順機(jī)構(gòu)的使用要求。為了解決這個矛盾，各種各樣的行程放大器被提了出來。其中橋式放大器由于其結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)簡單，對稱性好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在工程上得到了越來越多的應(yīng)用。但是帶有柔性鉸鏈的橋式放大器由于自身特性，存在著一個放大極限，也就是說，對于特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，橋式放大器的放大倍數(shù)是受限的，這一缺點(diǎn)大大限制了橋式放大器應(yīng)用范圍。

另一方面，理想的橋式放大機(jī)構(gòu)是只存在柔性鉸鏈的形變，不存在其他結(jié)構(gòu)的形變。換句話說，其他結(jié)構(gòu)都被看作剛性體。但現(xiàn)實(shí)情況是其他結(jié)構(gòu)在放大器工作時也會存在形變，這些形變會造成放大器的位移損失，降低放大器的位移放大倍數(shù)。這一問題一直沒有得到很好的解決。同時還存在單一鉸鏈形式的二級橋式放大器的實(shí)際放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種剛性加強(qiáng)的混合鉸鏈?zhǔn)蕉墭蚴椒糯笃鳎越鉀Q由于橋式放大器自身放大倍數(shù)的局限性導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受限，同時放大器中部分結(jié)構(gòu)因形變造成放大器的位置損失，降低了放大器的位移放大倍數(shù)的問題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

一種剛性加強(qiáng)的混合鉸鏈?zhǔn)蕉墭蚴椒糯笃?，它包括第一級橋式放大機(jī)構(gòu)、第二級橋式放大機(jī)構(gòu)和壓電陶瓷驅(qū)動器，所述第二級橋式放大機(jī)構(gòu)設(shè)置在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)上，所述第二級橋式放大機(jī)構(gòu)和第一級橋式放大機(jī)構(gòu)之間設(shè)置有壓電陶瓷驅(qū)動器；

所述第一級橋式放大機(jī)構(gòu)包括兩個輸入端頭、兩個輸出端頭和兩個第一柔性鉸鏈和兩個第二柔性鉸鏈，所述兩個輸入端頭并列設(shè)置，兩個輸出端頭并列設(shè)置在兩個輸入端頭之間，一個所述輸出端頭的兩端分別通過兩個第一柔性鉸鏈與兩個輸入端頭連接，另一個所述輸出端頭的兩端分別通過兩個第二柔性鉸鏈與兩個輸入端頭相連接；

第二級橋式放大機(jī)構(gòu)固定套裝在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)上，第二級橋式放大機(jī)構(gòu)的兩個輸入端分別與第一級橋式放大機(jī)構(gòu)的兩個輸出端頭相貼緊，所述壓電陶瓷驅(qū)動器設(shè)置在兩個輸入端頭之間，所述壓電陶瓷驅(qū)動器的一端與一個所述輸入端頭可拆卸連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端穿過第二級橋式放大機(jī)構(gòu)與另一個所述輸入端頭可拆卸連接。

每個輸入端頭對應(yīng)設(shè)置有一個剛性梁，每個剛性梁可拆卸連接在其對應(yīng)的輸入端頭中遠(yuǎn)離第二級橋式放大機(jī)構(gòu)的端面上。

第一柔性鉸鏈和第二柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)相同，所述第一柔性鉸鏈包括第一柔性鉸頭、中部剛性塊和第二柔性鉸頭，所述第一柔性鉸頭通過中部剛性塊與第二柔性鉸頭固定連接制為一體，中部剛性塊的一端通過第一柔性鉸頭與輸入端頭相連接，中部剛性塊的另一端通過第二柔性鉸頭與輸出端頭相連接，第一柔性鉸頭和第二柔性鉸頭均為V型柔性鉸頭。

V型柔性鉸鏈中尖端的錐角的取值范圍為45°～90°。

第二級橋式放大機(jī)構(gòu)包括二級柔性鉸鏈圈、兩個連接端和多個連接式剛性塊，二級柔性鉸鏈圈套裝在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)上，所述兩個連接端和多個連接式剛性塊均設(shè)置在二級柔性鉸鏈圈上，連接端與輸出端頭一一對應(yīng)設(shè)置，每個連接端貼緊在其對應(yīng)的輸出端頭上且該連接端可拆卸連接在其對應(yīng)的輸出端頭上。

二級柔性鉸鏈圈為簧片式柔性鉸鏈圈。

壓電陶瓷驅(qū)動器的一端穿過一個所述輸入端頭且與該輸入端頭對應(yīng)的剛性梁可拆卸連接，壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端穿過另一個所述輸入端頭且與該輸入端頭對應(yīng)的剛性梁可拆卸連接。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)置簡單且合理，通過第一級橋式放大機(jī)構(gòu)和第二級橋式放大機(jī)構(gòu)之間相互配合設(shè)置有效剛性部件形變對位置損失的影響，從而有效提升本發(fā)明的放大倍數(shù)。

2、本發(fā)明中剛性梁為加強(qiáng)第一級橋式放大機(jī)構(gòu)輸入端頭剛性的梁體，剛性梁采用彈性模量比結(jié)構(gòu)材料彈性模量高的材料制作的梁體。將加強(qiáng)剛性梁固定在易變形的輸入端頭上，使得該處變形大大減小，進(jìn)而使得放大器的位移損失也大大減小。

3、本發(fā)明中第一級放大機(jī)構(gòu)中的兩個第一柔性鉸鏈和兩個第二柔性鉸鏈均為V型柔性鉸鏈，第二級放大機(jī)構(gòu)中的二級柔性鉸鏈圈為簧片式柔性鉸鏈圈。V型柔性鉸鏈與簧片式柔性鉸鏈圈的設(shè)置大大提高二級放大機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)，通過樣品測試以及理論計(jì)算得出本發(fā)明的實(shí)際放大倍數(shù)與理想放大倍數(shù)近似相等。

附圖說明

圖1示意了本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖2示意了第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1的主視結(jié)構(gòu)圖；

圖3示意了剛性梁1-5的主視結(jié)構(gòu)圖；

圖4示意了圖3的俯視結(jié)構(gòu)圖；

圖5示意了第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的主視結(jié)構(gòu)圖；

圖6示意了第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的俯視結(jié)構(gòu)圖；

圖7示意了圖6中A-A處的剖面圖；

圖8示意了第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1、第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2、壓電陶瓷驅(qū)動器3和兩個剛性梁1-5之間連接關(guān)系的立體圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1、第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2、壓電陶瓷驅(qū)動器3和剛性組件，所述第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2設(shè)置在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1上，所述第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2和第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1之間設(shè)置有壓電陶瓷驅(qū)動器3；

所述第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1包括兩個輸入端頭1-1、兩個輸出端頭1-2和兩個第一柔性鉸鏈1-3和兩個第二柔性鉸鏈1-4，所述兩個輸入端頭1-1并列設(shè)置，兩個輸出端頭1-2并列設(shè)置在兩個輸入端頭1-1之間，一個所述輸出端頭1-2的兩端分別通過兩個第一柔性鉸鏈1-3與兩個輸入端頭1-1相連接，另一個所述輸出端頭1-2的兩端分別通過兩個第二柔性鉸鏈1-4與兩個輸入端頭1-1相連接；

第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2固定套裝在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1上，第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的兩個輸入端分別與第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1的兩個輸出端頭1-2相貼緊，所述壓電陶瓷驅(qū)動器3設(shè)置在兩個輸入端頭1-1之間，所述壓電陶瓷驅(qū)動器3的一端與一個所述輸入端頭1-1可拆卸連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動器3的另一端穿過第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2與另一個所述輸入端頭1-1可拆卸連接。

本發(fā)明的第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1為一體式結(jié)構(gòu)，即兩個輸入端頭1-1、兩個輸出端頭1-2和兩個第一柔性鉸鏈1-3和兩個第二柔性鉸鏈1-4之間固定連接制為一體。

本發(fā)明中第一柔性鉸鏈1-3與輸入端頭1-1一一對應(yīng)設(shè)置，第二柔性鉸鏈1-4與輸入端頭1-1一一對應(yīng)設(shè)置。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖3、圖4和圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式中每個輸入端頭1-1對應(yīng)設(shè)置有一個剛性梁1-5，每個剛性梁1-5可拆卸連接在其對應(yīng)的輸入端頭1-1中遠(yuǎn)離第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的端面上。

本實(shí)施方式中輸入端頭1-1的形狀為條形，剛性梁1-5的設(shè)置是為了加強(qiáng)輸入端頭1-1的剛性，剛性梁1-5的形狀與其對應(yīng)的輸入端頭1-1的形狀相配合，剛性梁1-5的長度與其對應(yīng)的輸入端頭1-1的長度相等。其他未提及的結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式中第一柔性鉸鏈1-3和第二柔性鉸鏈1-4的結(jié)構(gòu)相同，所述第一柔性鉸鏈1-3包括第一柔性鉸頭1-3-1、中部剛性塊1-3-2和第二柔性鉸頭1-3-3，所述第一柔性鉸頭1-3-1通過中部剛性塊1-3-2與第二柔性鉸頭1-3-3固定連接制為一體，中部剛性塊1-3-2的一端通過第一柔性鉸頭1-3-1與輸入端頭1-1相連接，中部剛性塊1-3-2的另一端通過第二柔性鉸頭1-3-3與輸出端頭1-2相連接，第一柔性鉸頭1-3-1和第二柔性鉸頭1-3-3均為V型柔性鉸頭。

本實(shí)施方式中第一柔性鉸頭1-3-1和第二柔性鉸頭1-3-3均為V型柔性鉸頭是根據(jù)樣品多次實(shí)驗(yàn)確定的，第一柔性鉸鏈1-3和第二柔性鉸鏈1-4的形狀為最佳類型的柔性鉸鏈，V型柔性鉸鏈由第一柔性鉸頭1-3-1、中部剛性塊1-3-2和第二柔性鉸頭1-3-3固定連接制為一體形成，第一柔性鉸頭1-3-1和第二柔性鉸頭1-3-3分別設(shè)置在中部剛性塊1-3-2的上端面和下端面上，第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1中的每個輸入端頭1-1上加工有與第一柔性鉸頭1-3-1相對應(yīng)的第一凸起部，第一凸起部的形狀與第一柔性鉸頭1-3-1的形狀相配合。第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1中的每個輸出端頭1-2上加工有與第二柔性鉸頭1-3-3相對應(yīng)的第二凸起部，第二凸起部的形狀與第二柔性鉸頭1-3-3的形狀相配合。其他未提及的結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式中V型柔性鉸鏈中尖端的錐角的取值范圍為45°～90°。

本實(shí)施方式中V型柔性鉸鏈中尖端的錐角的取值范圍為45°～90°，該角度范圍內(nèi)能夠使第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1具有更高的輸出剛度，進(jìn)而能夠更好的驅(qū)動第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2。

本實(shí)施方式中V型柔性鉸鏈中尖端的錐角的最佳取值為90°，當(dāng)V型柔性鉸鏈中尖端的錐角為90°時，由于每個輸入端頭1-1上的第一凸起部的形狀與尖端的形狀相配合，每個輸出端頭1-2的第二凸起部的形狀與尖端的形狀相配合，即第一凸起部與尖端之間的夾角α為90°。夾角α的最佳角度值是考慮鉸鏈形變剛度、設(shè)計(jì)、加工難度以及放大效果的因素綜合得出的。同理第二凸起部與尖端之間的夾角β為90°。其他未提及的結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式中第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2包括二級柔性鉸鏈圈2-1、兩個連接端2-2和多個連接式剛性塊2-3，二級柔性鉸鏈圈2-1套裝在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1上，所述兩個連接端2-2和多個連接式剛性塊2-3均設(shè)置在二級柔性鉸鏈圈2-1上，連接端2-2與輸出端頭1-2一一對應(yīng)設(shè)置，每個連接端2-2貼緊在其對應(yīng)的輸出端頭1-2上且該連接端2-2可拆卸連接在其對應(yīng)的輸出端頭1-2上。

本實(shí)施方式中二級柔性鉸鏈圈2-1、兩個連接端2-2和多個連接式剛性塊2-3為一體式結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施方式中兩個連接端2-2與其各自對應(yīng)的輸出端頭1-2相連接處為第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的輸入端，即第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2具有兩個輸入端。第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2具有一個輸出端9。其他未提及的結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一或四相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式為具體實(shí)施五的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中二級柔性鉸鏈圈2-1為簧片式柔性鉸鏈圈?；善饺嵝糟q鏈圈的設(shè)置是根據(jù)多次樣品實(shí)驗(yàn)得出的，能夠有效配合兩個連接端2-2最大程度地減小第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的位置損失。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式為具體實(shí)施二的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中壓電陶瓷驅(qū)動器3的一端穿過一個所述輸入端頭1-1且與該輸入端頭1-1對應(yīng)的剛性梁1-5可拆卸連接，壓電陶瓷驅(qū)動器3的另一端穿過另一個所述輸入端頭1-1且與該輸入端頭1-1對應(yīng)的剛性梁1-5可拆卸連接。

本發(fā)明經(jīng)過多次樣品實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)如下表：

本發(fā)明的樣品經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后的對比結(jié)果如下表二：

第一種實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)為第一級放大機(jī)構(gòu)1和第二級放大機(jī)構(gòu)2均采用的簧片式鉸鏈結(jié)構(gòu)。第一種實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)為5.84。第二種實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)為第一級放大機(jī)構(gòu)1采用V型鉸鏈結(jié)構(gòu)，第二級放大機(jī)構(gòu)2采用簧片式鉸鏈結(jié)構(gòu)，即為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的放大倍數(shù)為31.98，明顯優(yōu)于第一種實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。

通過上述實(shí)驗(yàn)對比可以說明，當(dāng)?shù)谝患壏糯髾C(jī)構(gòu)1采用V型鉸鏈結(jié)構(gòu)，第二級放大機(jī)構(gòu)2采用簧片式鉸鏈結(jié)構(gòu)時，其放大倍數(shù)與第一種實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)相比得到了極大的提高。

本發(fā)明的裝配過程：

兩個剛性梁1-5分別通過兩個螺釘5固定安裝在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1的兩個輸入端頭1-1，其中兩個剛性梁1-5中的一個剛性梁1-5上加工有螺紋孔，螺紋孔內(nèi)設(shè)置有預(yù)緊螺釘6，兩個剛性梁1-5中的另一個剛性梁1-5上加工有外螺紋7；在第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1的兩個輸出端頭1-2分別通過緊固螺釘8與第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的兩個連接端2-2相連接，壓電陶瓷驅(qū)動器3的一端通過一個剛性梁1-5上加工有外螺紋7相連接，壓電陶瓷驅(qū)動器3的另一端通過預(yù)緊螺釘6與第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1的另一個剛性梁1-5相連接，從而實(shí)現(xiàn)有效預(yù)緊。

本發(fā)明的工作過程：

當(dāng)壓電陶瓷驅(qū)動器3通電后，壓電陶瓷驅(qū)動器3伸長，輸出原始位移，該位移通過第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1的兩個輸入端頭1-1實(shí)現(xiàn)第一次放大，而后位移通過第一級橋式放大機(jī)構(gòu)1的兩個輸出端頭1-2傳遞到第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的兩個連接端2-2處，從而實(shí)現(xiàn)第二級橋式放大機(jī)構(gòu)2的第二次放大，兩次放大后的位移通過第二級放大機(jī)構(gòu)的一個輸出端9輸出。