超磁致伸缩致动器的位移放大机构的制作方法

本发明涉及一种位移放大机构，具体是一种利用差动式杠杆原理、结合柔性铰链，设计的一种超磁致伸缩致动器的位移放大机构。

背景技术：

超磁致伸缩材料是20世纪70年代出现的新型稀土功能材料，该材料是继稀土永磁、稀土发光、稀土高温超导材料之后被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的一种新型战略性功能材料。磁致伸缩效应是该材料的重要物理特性之一，磁致伸缩效应是指铁磁材料或亚铁磁材料受到外加磁场作用后，由于其磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小变化的现象。同时由于该材料具有大磁致伸缩系数、能量密度高、响应快、磁机转换效率高及抗压等特性，所以利用超磁致伸缩材料和磁致伸缩效应可以制作微位移驱动装置，即超磁致伸缩致动器。超磁致伸缩致动器具有输出位移范围大、漂移小、结构简单、易于驱动、工作频率范围宽等优点，因此其在声纳系统中得到了广泛的应用，并且在精密加工、超精密加工、流体机械等工程领域显示出了良好的应用前景。

在生物工程、微电子加工、显微手术及航空航天等诸多微细作业领域中，对其执行系统(如操作手)一般要求有纳米级的分辨率和毫米甚至厘米级的工作行程。对驱动器而言，尽管部分驱动器如超磁致伸缩致动器等具有运动分辨率高等优点，但其运动范围仅限制在在几微米到几十微米范围。而采用普通的交直流电机又很难达到所要求的精度。这种相对大行程、高精度的驱动系统仍然是目前精密工程领域的一个瓶颈问题。随着精密制造和精密定位技术对机械设备提出了越来越高的要求，新材料技术的发展，由于超磁致伸缩致动器驱动位移较小，超磁致伸缩致动器的输出位移往往不能满足工作要求。在应用时，必须要有相应的位移放大装置，而传统的机构无法避免机械间的间隙和摩擦，无法实现理想的放大效果。

目前，在微位移放大领域中，主要利用柔性桥式微位移机构和两级对称式柔性铰链等方法对机构进行位移放大。例如，在2011年1月机器人第33卷252-256页，发表的柔性桥式微位移机构位移放大比特性研究中，叶果等人提出了一种利用柔性桥式微位移机构进行位移放大的方法。在2006年10月机械设计与研究第22卷第5期，发表的两级对称式柔性铰链位移放大机构的设计与分析研究中，周志平等人提出了一种基于两级对称式柔性铰链对位移进行放大的方法。但是，利用差动式原理进行位移放大的研究，尤其将其应用在超磁致伸缩致动器中进行位移放大却鲜有报道。

技术实现要素：

发明目的

本发明针对超磁致伸缩致动器输出位移较小的问题，提出一种应用在超磁致伸缩致动器上的差动式位移放大机构，利用差动式杠杆原理，通过柔性铰链弹性变形来实现在超磁致伸缩致动器工作过程中对输出的微小位移进行放大，来满足工作要求，从而实现理想的放大效果。

技术方案

一种超磁致伸缩致动器的位移放大机构，包括超磁致伸缩致动器、位移放大机构、夹板和支座，超磁致伸缩致动器固定在底部，超磁致伸缩致动器的顶盖上方固定有四个支座；位移放大机构安装在超磁致伸缩致动器输出轴的上端；两个夹板通过螺栓固定安装在位移放大机构的两侧；支座通过螺栓两两对称的固定在夹板的两侧；位移放大机构和夹板通过四个支座与超磁致伸缩致动器的上盖通过螺栓固定。

超磁致伸缩致动器中间是圆筒状，上下两侧顶盖与底盖为圆型的铁盖，并且顶盖带有四个周向的通孔。

位移放大机构为两侧轴对称结构，下端有三个形状大小相同的平键型通孔；位移放大机构的上端为中心带有圆形通孔的输出端，输出端下部具有两个互相对称的柔性铰链第一柔性铰链，在第一柔性铰链下方设置四个柔性铰链，左侧的两个柔性铰链与右侧的两个柔性铰链相互对称，其中左侧两个柔性铰链从左至右分别为第五柔性铰链与第四柔性铰链，右侧两个柔性铰链从左至右分别为第四柔性铰链与第五柔性铰链；在第四柔性铰链与第五柔性铰链下方设置了六个柔性铰链，其中左侧的三个柔性铰链与右侧的三个柔性铰链相互对称，左侧三个柔性铰链从左至右分别为第六柔性铰链、第三柔性铰链和第二柔性铰链，右侧三个柔性铰链从左至右分别为第二柔性铰链、第三柔性铰链和第六柔性铰链；在第二柔性铰链、第三柔性铰链和第六柔性铰链下方设置了四个柔性铰链，左侧的两个柔性铰链与右侧的两个柔性铰链相互对称，其中左侧两个柔性铰链从左至右分别为第七柔性铰链与第八柔性铰链，右侧两个柔性铰链从左至右分别为第八柔性铰链与第七柔性铰链；在第一柔性铰链与第五柔性铰链之间为第一杠杆；在第五柔性铰链与第六柔性铰链之间为第二杠杆；在第六柔性铰链和第七柔性铰链之间为第三杠杆；在第七柔性铰链与第八柔性铰链之间为第四杠杆；在第二柔性铰链与第三柔性铰链之间为第五杠杆；在第五柔性铰链与第二柔性铰链之间为第六杠杆；上述柔性铰链均为倒圆角型。

夹板为下端带有一个矩形孔的正方形的薄板，夹板与位移放大机构接触的一侧表面带有三个矩形凸台，并且每个矩形凸台都带有两个形状大小都相等的圆形通孔。

支座为字母L形，支座的下端带有一个圆形的通孔，支座上端带有两个圆形的通孔。

优点及效果

本发明是一种超磁致伸缩致动器的位移放大机构，具有如下优点和有益效果：

(1)本机构可以解决超磁致伸缩致动器输出位移较小的问题，是一种应用在超磁致伸缩致动器上的差动式位移放大机构，该装置可实现在超磁致伸缩致动器工作过程中对输出的微小位移进行放大，来满足工作要求，从而实现理想的放大效果。

(2)该机构材料采用合金弹簧钢(60Si2Mn)，具有高弹性，高强度的特点。

(3)该机构采用柔性铰链机构，具有结构紧凑、无间隙、无摩擦、免装配或少装配、易于控制、运动精度高(可达到亚纳米甚至纳米级定位精度)的特点。

(4)该结构采用对称式，输入位移可以通过两侧放大链将位移传递出去，同时有效的减小了机构自身的纵向耦合的位移误差。

(5)该结构采用线切割一体化加工，避免了装配误差。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是位移放大机构示意图，图2(a)为位移放大机构主视图，图2(b)为位移放大机构的俯视图。

图3是夹板结构示意图，图3(a)为夹板主视图，图3(b)为夹板俯视图。

图4是支座结构示意图，图4(a)为支座主视图，图4(b)为支座俯视图。

图5是差动式杠杆放大原理图，其中图5(a)为同向驱动原理图，图5(b)为反向驱动原理图。

附图标记说明：

1.支座，2.位移放大机构，3.夹板，4.超磁致伸缩致动器，5.螺栓，6.输出轴；111.第一柔性铰链，112.第二柔性铰链，113.第三柔性铰链，114.第四柔性铰链，115.第五柔性铰链，116.第六柔性铰链，117.第七柔性铰链，118.第八柔性铰链，221.第一杠杆，222.第二杠杆，223.第三杠杆，224.第四杠杆，225.第五杠杆，226.第六杠杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明针对超磁致伸缩致动器输出位移较小，提出一种应用在超磁致伸缩致动器上的差动式位移放大机构，利用差动式杠杆原理，通过柔性铰链弹性变形来实现在超磁致伸缩致动器工作过程中对输出的微小位移进行放大，来满足工作要求，从而实现理想的放大效果。本发明的工作原理：利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性，首先给与超磁致伸缩动器通入交变电流，使超磁致伸缩致动器内的超磁致伸缩棒产生磁致伸缩变形，使超磁致伸缩致动器输出轴产生轴向位移；然后通过输出轴将超磁致伸缩致动器输出的位移传递到位移放大机构，利用差动式杠杆原理，通过柔性铰链的弹性变形，从而实现输出的微小位移进行放大，来满足工作要求，从而实现理想的放大效果。

图1是本发明的结构示意图，当工作时，首先给与超磁致伸缩致动器4通入交变电流，使超磁致伸缩致动器4内的超磁致伸缩棒产生磁致伸缩变形，该变形推动超磁致伸缩致动器4中的输出轴6产生轴向位移。然后通过输出轴6将超磁致伸缩致动器4输出的位移传递到位移放大机构2。位移放大机构2为差动式位移放大机构，实现差动式杠杆放大是将差动式原理和杠杆放大原理相结合，能够实现较大的位移放大倍数的机构，与普通的二级杠杆放大机构相比，差动式杠杆放大可以在有限的空间尺寸内实现更大的放大倍数。差动式杠杆放大原理如图5所示，根据输入方向的不同分为同向驱动和反向驱动两种类型，它们的放大效果是一样的，可以根据输入的方向选择相应的类型。为了合理布置结构，本发明中采用同向驱动类型。

假定超磁致伸缩致动器4的输入位移为δ_in，经过差动式位移放大机构放大，输出端输出位移δ_out为：

理论放大倍数为：

由此可见，位移放大机构2是一种能够实现较大的位移放大倍数的机构，从理论上，输出位移δ_out是输入位移为δ_in的倍，因此能够实现对超磁致伸缩致动器4输出的微小位移进行放大。

本发明针对超磁致伸缩致动器输出位移较小,提出一种应用在超磁致伸缩致动器上的差动式位移放大机构，如图1-图4中所示，超磁致伸缩致动器的位移放大机构，包括超磁致伸缩致动器4、位移放大机构2、夹板3和支座1，超磁致伸缩致动器4固定在底部，超磁致伸缩致动器4的顶盖上方固定有四个支座1；位移放大机构2安装在超磁致伸缩致动器输出轴6的上端；两个夹板3通过螺栓5固定安装在位移放大机构2的两侧；支座1通过螺栓5两两对称的固定在夹板3的两侧；位移放大机构2和夹板3通过四个支座1与超磁致伸缩致动器的上盖通过螺栓固定。位移放大机构2安装在超磁致伸缩致动器输出轴6的上端能够将超磁致伸缩致动器4输出的位移精确的传递到位移放大机构2上，从而将超磁致伸缩致动器4传递的输出位移进行放大；两个夹板3固定在位移放大机构2的两侧是为了固定位移放大机构2，从而增加位移放大机构2在工作中的稳定性；支座1两两对称的固定在夹板3两侧可以固定夹板3与位移放大机构2，同时也是为了将位移放大机构2和夹板3与超出伸缩致动器4进行连接固定，从而保证整个装置工作在稳定的环境中。

超磁致伸缩致动器4中间是圆筒状，上侧的顶盖与下侧的底盖为圆型的铁盖，并且顶盖带有四个周向的通孔。超磁致伸缩致动器4设置为圆筒状能够更加方便的放置线圈；顶盖留有通孔可以将支座1与超磁致伸缩致动器4进行螺纹连接。

位移放大机构2为两侧轴对称结构，位移放大机构下端有三个形状大小相同的平键型通孔；位移放大机构的上端为中心带有圆形通孔的输出端，输出端下部具有两个互相对称的柔性铰链第一柔性铰链111，在第一柔性铰链111下方设置四个柔性铰链，左侧的两个柔性铰链与右侧的两个柔性铰链相互对称，其中左侧两个柔性铰链从左至右分别为第五柔性铰链115与第四柔性铰链114，右侧两个柔性铰链从左至右分别为第四柔性铰链114与第五柔性铰链115；在第四柔性铰链114与第五柔性铰链115下方设置了六个柔性铰链，其中左侧的三个柔性铰链与右侧的三个柔性铰链相互对称，左侧三个柔性铰链从左至右分别为第六柔性铰链116、第三柔性铰链113和第二柔性铰链112，右侧三个柔性铰链从左至右分别为第二柔性铰链112、第三柔性铰链113和第六柔性铰链116；在第二柔性铰链112、第三柔性铰链113和第六柔性铰链116下方设置了四个柔性铰链，左侧的两个柔性铰链与右侧的两个柔性铰链相互对称，其中左侧两个柔性铰链从左至右分别为第七柔性铰链117与第八柔性铰链118，右侧两个柔性铰链从左至右分别为第八柔性铰链118与第七柔性铰链117；在第一柔性铰链111与第五柔性铰链115之间为第一杠杆221；在第五柔性铰链115与第六柔性铰链116之间为第二杠杆222；在第六柔性铰链116和第七柔性铰链117之间为第三杠杆223；在第七柔性铰链117与第八柔性铰链118之间为第四杠杆224；在第二柔性铰链112与第三柔性铰链113之间为第五杠杆225；在第五柔性铰链115与第二柔性铰链112之间为第六杠杆226；上述柔性铰链均为倒圆角型。位移放大机构2设置为两侧对称结构，能够使其具有较高的整体刚性，同时使得加工方便；柔性铰链与杠杆两侧对称设置，是为了使超磁致伸缩致动器4的输入位移可以通过左右两条放大链向输出端传递，理论上可以完全消除位移放大机构2的侧向附加位移，有效地减小了位移放大机构2自身的纵向耦合位移误差；柔性铰链为倒圆角型，是为了使运动精度和运动范围达到最高。

位移放大机构2上的下端有三个形状大小相同的平键型通孔，中间的平键型通孔位于位移放大机构2的轴线上，其下方还设有圆形通孔；另外两个平键型通孔位于位移放大机构2底部左右两侧，左右对称。三个形状相同的平键型通孔设置在位移放大机构2上，是为了用螺栓将支座1、夹板3和位移放大机构2固定住；圆形通孔是为了将输入位移更加容易地传递到位移放大机构2上。

夹板3为下端带有一个矩形孔的正方形的薄板，夹板3与位移放大机构2接触的一侧表面带有三个矩形凸台，并且每个矩形凸台都带有两个形状大小都相等的圆形通孔。夹板3一侧的矩形凸台是为了让夹板3与位移放大机构2不完全接触，减少在位移放大机构2在夹板3之间的摩擦力，使位移放大机构2能够放大更大的位移。

支座1为字母L形，支座1的下端带有一个圆形的通孔，支座1上端带有两个圆形的通孔。支座1设置成L形，是为了将夹板3和位移放大机构2与超磁致伸缩致动器4进行固定；支座1下端圆形通孔是为了与超磁致伸缩致动器4进行固定；上端的两个圆形通孔是为了能够利用螺栓将夹板3与位移放大机构2固定住。