一种同时具有高固有频率和位移放大比的菱形柔性机构

摘要

一种同时具有高固有频率和位移放大比的菱形柔性机构，包括由四条斜边柔性梁、刚性输入端、驱动元件、固定面和位移输出端连接成的菱形柔性机构，四条斜边柔性梁在厚度方向上均采用两层以上的柔性梁的叠层结构，柔性梁叠层间存在间隙，另外菱形柔性机构的长对角线方向上设有受力面并与驱动元件刚性连接，菱形柔性机构短对角线方向上一端设有固定面，另一端设有位移输出端，固定面和位移输出端相互平行，并与长对角线方向平行，与短对角线方向垂直，本发明在位移放大比基本不变的情况下明显提高菱形柔性机构在输出位移方向上的刚度和固有频率，改善菱形位移放大机构的动态性能。

说明书

技术领域

本发明涉及菱形柔性机构技术领域，具体涉及一种同时具有高固有频率和位移放大比的菱形柔性机构。

背景技术

菱形柔性机构由于其较高的位移放大比、紧凑的结构而被广泛作为微位移放大机构和导向机构应用于精密定位平台、振动控制、形状主动控制等技术领域。但是，传统的菱形柔性机构仍然存在一些问题：由于柔性机构的工作原理是通过机构的弹性变形来实现位移输出和放大，因此位移放大比与固有频率之间总是存在制约关系，即大位移放大比的菱形柔性机构，其动态性能往往比较差。主要是由于柔性机构的输出位移方向上的刚度不足，固有频率较低。

随着扫描电镜、原子力显微镜、精密定位平台等对运动速度要求越来越高，学术界和工程界一直在寻找具有大的位移放大比同时又具备高固有频率的菱形位移放大机构，然而目前公知的位移放大机构效果有限。为了提高柔性机构在输出位移方向上的固有频率，传统的方法是通过减小柔性机构中柔性部分的厚度或通过增加约束，牺牲一部分位移放大比，从而提高柔性机构的固有频率，也就是在位移放大比和固有频率之间进行折中选择。

目前的应用中还对菱形柔性机构输出方向上的刚度提出要求。中国专利CN103022339中，提出采用两个或多个菱形柔性机构并联来提高菱形柔性机构的输出刚度，但是这种方法只提高了输出刚度而并不能提高机构的固有频率。中国专利CN102394270中提出了用两级微位移放大机构来提高位移放大比，但是为了减小第二级柔性机构对第一级柔性机构位移放大比的影响，柔性机构的第二级输出刚度也很低。所以现在菱形柔性机构的位移放大比、输出刚度和固有频率之间的制约关系仍然是一个有待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种同时具有高固有频率和位移放大比的菱形柔性机构，在位移放大比基本不变的情况下明显提高菱形柔性机构在输出位移方向上的刚度和固有频率，改善菱形位移放大机构的动态性能。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种同时具有高固有频率和位移放大比的菱形柔性机构，包括由四条斜边柔性梁、刚性输入端4、驱动元件1、固定面9和位移输出端3连接成的菱形柔性机构，四条斜边柔性梁在厚度方向上均采用两层以上的柔性梁的叠层结构，柔性梁叠层间存在间隙7，另外菱形柔性机构的长对角线方向上设有受力面并与驱动元件1刚性连接，菱形柔性机构短对角线方向一端设有固定面9，另一端设有位移输出端3，固定面9和位移输出端3相互平行，并与长对角线方向平行，与短对角线方向垂直。

所述的菱形柔性机构的四条斜边柔性梁与刚性输入端4的连接处，以及四条斜边柔性梁与位移输出端3的连接处，均设置柔性铰链。

所述柔性铰链是圆形、直角形或椭圆形的柔性铰链。

所述菱形柔性机构的四条斜边柔性梁的间隙根据输出位移大小和固有频率大小选择。

所述的驱动元件1采用叠层型压电陶瓷，菱形柔性机构与压电陶瓷的连接采用预压力压紧并以粘结剂连接，并且要求叠层压电陶瓷始终受到预压力，保持接触面无缝隙。

所述的固定面9和位移输出端3均设有螺纹孔2，用于机构与固定面联接以及与输出平台联接，菱形柔性机构的固定面9和位移输出端3分别采用螺栓与固定面以及输出平台刚性连接。

本发明的有益效果在于：

本发明相比于公知的菱形柔性机构，由于四条斜边柔性梁在厚度方向上均采用两层以上的柔性梁的叠层结构，柔性梁叠层间存在间隙7，其位移放大比基本相同，但是其输出刚度与固有频率得到很大提高，通过优化柔性梁和间隙7参数，固有频率可以是公知的商业化的菱形柔性机构的两倍，在实现高的位移放大比的同时实现高的输出刚度与高的固有频率。因此，作为位移放大装置应用于精密定位以及测量装置中可以有更好的动态位移输出和测量性能。

附图说明

图1是本发明菱形柔性机构的双层结构立体示意图。

图2是本发明菱形柔性机构的双层结构平面示意图。

图3是本发明菱形柔性机构的三层结构立体示意图。

图4是本发明菱形柔性机构的三层结构平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1和图2所示，一种同时具有高固有频率和位移放大比的菱形柔性机构，包括由四条斜边柔性梁、刚性输入端4、驱动元件1、固定面9和位移输出端3连接成的菱形柔性机构，四条斜边柔性梁在厚度方向上均采用相同的第一柔性梁5和第二柔性梁6组成的叠层结构，第一柔性梁5和第二柔性梁6的叠层间存在间隙7，另外菱形柔性机构的长对角线方向上设有受力面并与驱动元件1刚性连接，菱形柔性机构短对角线方向一端设有固定面9，另一端设有位移输出端3，固定面9和位移输出端3相互平行，并与长对角线方向平行，与短对角线方向垂直。

所述的菱形柔性机构的四条斜边第一柔性梁5和第二柔性梁6与刚性输入端4的连接处，以及四条斜边第一柔性梁5和第二柔性梁6与位移输出端3的连接处，均设置柔性铰链。

所述柔性铰链是圆形、直角形或椭圆形的柔性铰链。

所述菱形柔性机构的四条斜边第一柔性梁5和第二柔性梁6采用的叠层结构，两层叠间隙7根据输出位移大小和固有频率大小选择。

由于压电陶瓷具有高分辨率、高刚度和出力大等优点，广泛应用于精密驱动与控制，所述的驱动元件1采用叠层型压电陶瓷，菱形柔性机构与压电陶瓷的连接采用预压力压紧并以粘结剂连接，并且要求叠层压电陶瓷始终受到预压力，保持接触面无缝隙。

所述的固定面9和位移输出端3均设有螺纹孔2，用于机构与固定面联接以及与输出平台联接，菱形柔性机构的固定面9和位移输出端3分别采用螺栓与固定面以及输出平台刚性连接。

实施例2：如图3和图4所示，一种同时具有高固有频率和位移放大比的菱形柔性机构，菱形柔性机构的四条斜边柔性梁在厚度方向上均采用相同的三个第一柔性梁5、第二柔性梁6和第三柔性梁8组成的叠层结构，叠层间存在间隙7，本实施例相对实施例1中的菱形柔性机构，具有更大的输出刚度和固有频率，同时保持一致的位移放大比。为了得到大的位移输出，需要采用更大出力和更大刚度的驱动元件，驱动元件1采用叠层型压电陶瓷，市场上有各种出力和刚度的压电陶瓷可供选择，目前商业堆叠型压电陶瓷的最大出力是数万牛顿，完全能够满足一般应用需求。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。