基于菱形柔性机构的二级位移放大机构的制作方法

本实用新型涉及机构学领域，尤其涉及一种基于菱形柔性机构的二级位移放大机构。

背景技术：

菱形柔性机构以及由其衍生出来的桥形柔性机构由于较高的位移放大比、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：由于菱形柔性机构的工作原理是通过固定菱形柔性机构的一个输出端，在两个输入端输入位移，而在另一个输出端实现位移输出和放大，这种约束条件下的菱形柔性机构的输出刚度和固有频率较小，即大位移放大比的菱形柔性机构，其动态性能往往比较差。

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。专利号为 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。专利号为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。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于菱形柔性机构的二级位移放大机构。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于菱形柔性机构的二级位移放大机构，包括初级菱形柔性机构、固定框和次级柔性机构，所述初级菱形柔性机构固定设置在所述固定框内，且所述初级菱形柔性机构的两个初级刚性输入端均通过导向机构与所述固定框的两个相对内侧面连接，所述初级菱形柔性机构的刚性输出端均通过定中机构与所述固定框的另外两个内侧面连接，所述次级柔性机构的两个次级刚性输入端分别与所述初级菱形柔性机构的两个初级刚性输出端固定连接，所述次级柔性机构的次级刚性输出端为位移输出端口。

具体地，所述初级菱形柔性机构包括柔性臂和驱动元件，四个所述柔性臂通过所述初级刚性输入端和所述初级刚性输出端首尾相连组成菱形结构，所述初级刚性输入端位于所述初级菱形柔性机构的长对角线方向上，所述驱动元件与所述初级菱形柔性机构的长对角线重合，且所述驱动元件的两端分别与两个所述初级刚性输入端的内侧面固定连接，所述初级刚性输出端位于所述初级菱形柔性机构的短对角线方向上。

优选地，所述初级菱形柔性机构的四个所述柔性臂与所述初级刚性输入端和所述初级刚性输出端之间均通过柔性铰链连接。

具体地，所述导向机构包括导向板，所述固定框的内侧面设置有导向槽，所述导向板的两端分别与所述导向槽的两端固定连接，所述导向板的外侧面与所述导向槽之间设置有间隙，所述初级刚性输入端的外侧面与所述导向板的内侧面固定连接。

具体地，所述定中机构包括两个定中板，所述固定框的内侧面设置有定中槽，两个所述定中板的第一端均与所述初级刚性输出端固定连接，所述定中板的第二端分别与所述定中槽的两端固定连接。

优选地，所述初级菱形柔性机构所在的平面与所述次级柔性机构所在的平面垂直。

具体地，所述次级柔性机构包括两个半菱形柔性机构，两个所述半柔性机构分别设置在所述初级柔性机构的两侧，所述半菱形柔性机构的末级刚性输入端与所述初级刚性输出端固定连接，所述半菱形柔性机构的末级刚性输出端为位移输出端口。

所述半菱形柔性机构包括柔性杆和末级刚性输出端，两个所述柔性杆均与所述末级刚性输出端连接组成V型结构，所述V型结构的两端为所述末级刚性输入端。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型基于菱形柔性机构的二级位移放大机构与传统的菱形柔性机构相比，其为二级放大，输出刚度与固有频率得到很大提高，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是本实用新型所述的初级菱形柔性机构的结构示意图；

图2是本实用新型所述的初级菱形柔性机构的主视图；

图3是本实用新型所述的基于菱形柔性机构的二级位移放大机构的结构示意图；

图4是本实用新型所述的基于菱形柔性机构的二级位移放大机构的结构示意图；

图5是本实用新型所述的次级柔性机构的结构示意图；

图6是本实用新型所述的半菱形柔性机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图3和图4所示，本实用新型涉及一种基于菱形柔性机构的二级位移放大机构，包括初级菱形柔性机构1、固定框4和次级柔性机构10，初级菱形柔性机构1固定设置在固定框4内，且初级菱形柔性机构1的两个初级刚性输入端6均通过导向机构与固定框4的两个相对内侧面连接，初级菱形柔性机构1 的初级刚性输出端7均通过定中机构与固定框4的另外两个内侧面连接，次级柔性机构10的两个次级刚性输入端11分别与初级菱形柔性机构1的两个初级刚性输出端7固定连接，次级柔性机构10的次级刚性输出端9为位移输出端口。

如图1和图2所示，初级菱形柔性机构1包括柔性臂5和驱动元件8，四个柔性臂5通过初级刚性输入端6和初级刚性输出端7首尾相连组成菱形结构，初级刚性输入端6位于初级菱形柔性机构1的长对角线方向上，驱动元件8与初级菱形柔性机构1的长对角线重合，且驱动元件8的两端分别与两个初级刚性输入端6的内侧面固定连接，初级刚性输出端7位于初级菱形柔性机构1的短对角线方向上，初级菱形柔顺机构的四个柔性臂5与初级刚性输入端6和初级刚性输出端7之间均通过柔性铰链连接。

导向机构包括导向板2，固定框4的内侧面设置有导向槽，导向板2的两端分别与导向槽的两端固定连接，导向板2的外侧面与导向槽之间设置有间隙，初级刚性输入端6的外侧面与导向板2的内侧面固定连接；定中机构包括两个定中板3，固定框4的内侧面设置有定中槽，两个定中板3的第一端均与初级刚性输出端7固定连接，定中板3的第二端分别与定中槽的两端固定连接；初级菱形柔性机构1所在的平面与次级柔性机构10所在的平面垂直。

如图3、图4、图5和图6所示，次级柔性机构10包括两个半菱形柔性机构，两个半柔性机构分别设置在初级柔性机构的两侧，半菱形柔性机构的末级刚性输入端14与初级刚性输出端7固定连接，半菱形柔性机构的末级刚性输出端15为位移输出端口。半菱形柔性机构包括柔性杆13和末级刚性输出端15，两个柔性杆13均与末级刚性输出端15连接组成V型结构，V型结构的两端为末级刚性输入端14。

本实用新型基于菱形柔性机构的二级位移放大机构的工作原理如下：

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。作为优选，驱动元件8采用叠堆型压电陶瓷，初级菱形柔性机构1 与压电陶瓷的连接采用预压力压紧并以粘结剂连接，通过驱动元件8对初级菱形柔性机构1的初级刚性输入端6输入位移，通过菱形结构使得初级菱形柔性机构1的初级刚性输出端7产生位移。

柔性铰链为公知的各种椭圆、圆形等柔性铰链。

次级柔性机构10的次级刚性输入端11与初级菱形柔性机构1的初级刚性输出端7连接，初级菱形柔性机构1的初级刚性输出端7输出的位移为次级柔性机构10输入位移，并通过次级柔性机构10的次级刚性输出端9输出位移，实现二级位移放大。

另外的，可以根据需求，选择使用一个半菱形柔性机构，从而拥有一个位移输出端口，半菱形柔性机构设置在初级柔性机构的垂直侧面，半菱形柔性机构的末级刚性输入端14与初级刚性输出端7固定连接，半菱形柔性机构的末级刚性输出端15为位移输出端口，此时只有一个位移输出口。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。