本發(fā)明涉及一種位移放大機構(gòu)，具體是一種利用差動式杠桿原理、結(jié)合柔性鉸鏈，設(shè)計的一種超磁致伸縮致動器的位移放大機構(gòu)。

背景技術(shù)：

超磁致伸縮材料是20世紀70年代出現(xiàn)的新型稀土功能材料，該材料是繼稀土永磁、稀土發(fā)光、稀土高溫超導材料之后被視為21世紀提高國家高科技綜合競爭力的一種新型戰(zhàn)略性功能材料。磁致伸縮效應(yīng)是該材料的重要物理特性之一，磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁材料或亞鐵磁材料受到外加磁場作用后，由于其磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生微小變化的現(xiàn)象。同時由于該材料具有大磁致伸縮系數(shù)、能量密度高、響應(yīng)快、磁機轉(zhuǎn)換效率高及抗壓等特性，所以利用超磁致伸縮材料和磁致伸縮效應(yīng)可以制作微位移驅(qū)動裝置，即超磁致伸縮致動器。超磁致伸縮致動器具有輸出位移范圍大、漂移小、結(jié)構(gòu)簡單、易于驅(qū)動、工作頻率范圍寬等優(yōu)點，因此其在聲納系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在精密加工、超精密加工、流體機械等工程領(lǐng)域顯示出了良好的應(yīng)用前景。

在生物工程、微電子加工、顯微手術(shù)及航空航天等諸多微細作業(yè)領(lǐng)域中，對其執(zhí)行系統(tǒng)(如操作手)一般要求有納米級的分辨率和毫米甚至厘米級的工作行程。對驅(qū)動器而言，盡管部分驅(qū)動器如超磁致伸縮致動器等具有運動分辨率高等優(yōu)點，但其運動范圍僅限制在在幾微米到幾十微米范圍。而采用普通的交直流電機又很難達到所要求的精度。這種相對大行程、高精度的驅(qū)動系統(tǒng)仍然是目前精密工程領(lǐng)域的一個瓶頸問題。隨著精密制造和精密定位技術(shù)對機械設(shè)備提出了越來越高的要求，新材料技術(shù)的發(fā)展，由于超磁致伸縮致動器驅(qū)動位移較小，超磁致伸縮致動器的輸出位移往往不能滿足工作要求。在應(yīng)用時，必須要有相應(yīng)的位移放大裝置，而傳統(tǒng)的機構(gòu)無法避免機械間的間隙和摩擦，無法實現(xiàn)理想的放大效果。

目前，在微位移放大領(lǐng)域中，主要利用柔性橋式微位移機構(gòu)和兩級對稱式柔性鉸鏈等方法對機構(gòu)進行位移放大。例如，在2011年1月機器人第33卷252-256頁，發(fā)表的柔性橋式微位移機構(gòu)位移放大比特性研究中，葉果等人提出了一種利用柔性橋式微位移機構(gòu)進行位移放大的方法。在2006年10月機械設(shè)計與研究第22卷第5期，發(fā)表的兩級對稱式柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)的設(shè)計與分析研究中，周志平等人提出了一種基于兩級對稱式柔性鉸鏈對位移進行放大的方法。但是，利用差動式原理進行位移放大的研究，尤其將其應(yīng)用在超磁致伸縮致動器中進行位移放大卻鮮有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的

本發(fā)明針對超磁致伸縮致動器輸出位移較小的問題，提出一種應(yīng)用在超磁致伸縮致動器上的差動式位移放大機構(gòu)，利用差動式杠桿原理，通過柔性鉸鏈彈性變形來實現(xiàn)在超磁致伸縮致動器工作過程中對輸出的微小位移進行放大，來滿足工作要求，從而實現(xiàn)理想的放大效果。

技術(shù)方案

一種超磁致伸縮致動器的位移放大機構(gòu)，包括超磁致伸縮致動器、位移放大機構(gòu)、夾板和支座，超磁致伸縮致動器固定在底部，超磁致伸縮致動器的頂蓋上方固定有四個支座；位移放大機構(gòu)安裝在超磁致伸縮致動器輸出軸的上端；兩個夾板通過螺栓固定安裝在位移放大機構(gòu)的兩側(cè)；支座通過螺栓兩兩對稱的固定在夾板的兩側(cè)；位移放大機構(gòu)和夾板通過四個支座與超磁致伸縮致動器的上蓋通過螺栓固定。

超磁致伸縮致動器中間是圓筒狀，上下兩側(cè)頂蓋與底蓋為圓型的鐵蓋，并且頂蓋帶有四個周向的通孔。

位移放大機構(gòu)為兩側(cè)軸對稱結(jié)構(gòu)，下端有三個形狀大小相同的平鍵型通孔；位移放大機構(gòu)的上端為中心帶有圓形通孔的輸出端，輸出端下部具有兩個互相對稱的柔性鉸鏈第一柔性鉸鏈，在第一柔性鉸鏈下方設(shè)置四個柔性鉸鏈，左側(cè)的兩個柔性鉸鏈與右側(cè)的兩個柔性鉸鏈相互對稱，其中左側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第五柔性鉸鏈與第四柔性鉸鏈，右側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第四柔性鉸鏈與第五柔性鉸鏈；在第四柔性鉸鏈與第五柔性鉸鏈下方設(shè)置了六個柔性鉸鏈，其中左側(cè)的三個柔性鉸鏈與右側(cè)的三個柔性鉸鏈相互對稱，左側(cè)三個柔性鉸鏈從左至右分別為第六柔性鉸鏈、第三柔性鉸鏈和第二柔性鉸鏈，右側(cè)三個柔性鉸鏈從左至右分別為第二柔性鉸鏈、第三柔性鉸鏈和第六柔性鉸鏈；在第二柔性鉸鏈、第三柔性鉸鏈和第六柔性鉸鏈下方設(shè)置了四個柔性鉸鏈，左側(cè)的兩個柔性鉸鏈與右側(cè)的兩個柔性鉸鏈相互對稱，其中左側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第七柔性鉸鏈與第八柔性鉸鏈，右側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第八柔性鉸鏈與第七柔性鉸鏈；在第一柔性鉸鏈與第五柔性鉸鏈之間為第一杠桿；在第五柔性鉸鏈與第六柔性鉸鏈之間為第二杠桿；在第六柔性鉸鏈和第七柔性鉸鏈之間為第三杠桿；在第七柔性鉸鏈與第八柔性鉸鏈之間為第四杠桿；在第二柔性鉸鏈與第三柔性鉸鏈之間為第五杠桿；在第五柔性鉸鏈與第二柔性鉸鏈之間為第六杠桿；上述柔性鉸鏈均為倒圓角型。

夾板為下端帶有一個矩形孔的正方形的薄板，夾板與位移放大機構(gòu)接觸的一側(cè)表面帶有三個矩形凸臺，并且每個矩形凸臺都帶有兩個形狀大小都相等的圓形通孔。

支座為字母L形，支座的下端帶有一個圓形的通孔，支座上端帶有兩個圓形的通孔。

優(yōu)點及效果

本發(fā)明是一種超磁致伸縮致動器的位移放大機構(gòu)，具有如下優(yōu)點和有益效果：

(1)本機構(gòu)可以解決超磁致伸縮致動器輸出位移較小的問題，是一種應(yīng)用在超磁致伸縮致動器上的差動式位移放大機構(gòu)，該裝置可實現(xiàn)在超磁致伸縮致動器工作過程中對輸出的微小位移進行放大，來滿足工作要求，從而實現(xiàn)理想的放大效果。

(2)該機構(gòu)材料采用合金彈簧鋼(60Si2Mn)，具有高彈性，高強度的特點。

(3)該機構(gòu)采用柔性鉸鏈機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無間隙、無摩擦、免裝配或少裝配、易于控制、運動精度高(可達到亞納米甚至納米級定位精度)的特點。

(4)該結(jié)構(gòu)采用對稱式，輸入位移可以通過兩側(cè)放大鏈將位移傳遞出去，同時有效的減小了機構(gòu)自身的縱向耦合的位移誤差。

(5)該結(jié)構(gòu)采用線切割一體化加工，避免了裝配誤差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是位移放大機構(gòu)示意圖，圖2(a)為位移放大機構(gòu)主視圖，圖2(b)為位移放大機構(gòu)的俯視圖。

圖3是夾板結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(a)為夾板主視圖，圖3(b)為夾板俯視圖。

圖4是支座結(jié)構(gòu)示意圖，圖4(a)為支座主視圖，圖4(b)為支座俯視圖。

圖5是差動式杠桿放大原理圖，其中圖5(a)為同向驅(qū)動原理圖，圖5(b)為反向驅(qū)動原理圖。

附圖標記說明：

1.支座，2.位移放大機構(gòu)，3.夾板，4.超磁致伸縮致動器，5.螺栓，6.輸出軸；111.第一柔性鉸鏈，112.第二柔性鉸鏈，113.第三柔性鉸鏈，114.第四柔性鉸鏈，115.第五柔性鉸鏈，116.第六柔性鉸鏈，117.第七柔性鉸鏈，118.第八柔性鉸鏈，221.第一杠桿，222.第二杠桿，223.第三杠桿，224.第四杠桿，225.第五杠桿，226.第六杠桿。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明：

本發(fā)明針對超磁致伸縮致動器輸出位移較小，提出一種應(yīng)用在超磁致伸縮致動器上的差動式位移放大機構(gòu)，利用差動式杠桿原理，通過柔性鉸鏈彈性變形來實現(xiàn)在超磁致伸縮致動器工作過程中對輸出的微小位移進行放大，來滿足工作要求，從而實現(xiàn)理想的放大效果。本發(fā)明的工作原理：利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)特性，首先給與超磁致伸縮動器通入交變電流，使超磁致伸縮致動器內(nèi)的超磁致伸縮棒產(chǎn)生磁致伸縮變形，使超磁致伸縮致動器輸出軸產(chǎn)生軸向位移；然后通過輸出軸將超磁致伸縮致動器輸出的位移傳遞到位移放大機構(gòu)，利用差動式杠桿原理，通過柔性鉸鏈的彈性變形，從而實現(xiàn)輸出的微小位移進行放大，來滿足工作要求，從而實現(xiàn)理想的放大效果。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，當工作時，首先給與超磁致伸縮致動器4通入交變電流，使超磁致伸縮致動器4內(nèi)的超磁致伸縮棒產(chǎn)生磁致伸縮變形，該變形推動超磁致伸縮致動器4中的輸出軸6產(chǎn)生軸向位移。然后通過輸出軸6將超磁致伸縮致動器4輸出的位移傳遞到位移放大機構(gòu)2。位移放大機構(gòu)2為差動式位移放大機構(gòu)，實現(xiàn)差動式杠桿放大是將差動式原理和杠桿放大原理相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的位移放大倍數(shù)的機構(gòu)，與普通的二級杠桿放大機構(gòu)相比，差動式杠桿放大可以在有限的空間尺寸內(nèi)實現(xiàn)更大的放大倍數(shù)。差動式杠桿放大原理如圖5所示，根據(jù)輸入方向的不同分為同向驅(qū)動和反向驅(qū)動兩種類型，它們的放大效果是一樣的，可以根據(jù)輸入的方向選擇相應(yīng)的類型。為了合理布置結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中采用同向驅(qū)動類型。

假定超磁致伸縮致動器4的輸入位移為δ_in，經(jīng)過差動式位移放大機構(gòu)放大，輸出端輸出位移δ_out為：

理論放大倍數(shù)為：

由此可見，位移放大機構(gòu)2是一種能夠?qū)崿F(xiàn)較大的位移放大倍數(shù)的機構(gòu)，從理論上，輸出位移δ_out是輸入位移為δ_in的倍，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對超磁致伸縮致動器4輸出的微小位移進行放大。

本發(fā)明針對超磁致伸縮致動器輸出位移較小,提出一種應(yīng)用在超磁致伸縮致動器上的差動式位移放大機構(gòu)，如圖1-圖4中所示，超磁致伸縮致動器的位移放大機構(gòu)，包括超磁致伸縮致動器4、位移放大機構(gòu)2、夾板3和支座1，超磁致伸縮致動器4固定在底部，超磁致伸縮致動器4的頂蓋上方固定有四個支座1；位移放大機構(gòu)2安裝在超磁致伸縮致動器輸出軸6的上端；兩個夾板3通過螺栓5固定安裝在位移放大機構(gòu)2的兩側(cè)；支座1通過螺栓5兩兩對稱的固定在夾板3的兩側(cè)；位移放大機構(gòu)2和夾板3通過四個支座1與超磁致伸縮致動器的上蓋通過螺栓固定。位移放大機構(gòu)2安裝在超磁致伸縮致動器輸出軸6的上端能夠?qū)⒊胖律炜s致動器4輸出的位移精確的傳遞到位移放大機構(gòu)2上，從而將超磁致伸縮致動器4傳遞的輸出位移進行放大；兩個夾板3固定在位移放大機構(gòu)2的兩側(cè)是為了固定位移放大機構(gòu)2，從而增加位移放大機構(gòu)2在工作中的穩(wěn)定性；支座1兩兩對稱的固定在夾板3兩側(cè)可以固定夾板3與位移放大機構(gòu)2，同時也是為了將位移放大機構(gòu)2和夾板3與超出伸縮致動器4進行連接固定，從而保證整個裝置工作在穩(wěn)定的環(huán)境中。

超磁致伸縮致動器4中間是圓筒狀，上側(cè)的頂蓋與下側(cè)的底蓋為圓型的鐵蓋，并且頂蓋帶有四個周向的通孔。超磁致伸縮致動器4設(shè)置為圓筒狀能夠更加方便的放置線圈；頂蓋留有通孔可以將支座1與超磁致伸縮致動器4進行螺紋連接。

位移放大機構(gòu)2為兩側(cè)軸對稱結(jié)構(gòu)，位移放大機構(gòu)下端有三個形狀大小相同的平鍵型通孔；位移放大機構(gòu)的上端為中心帶有圓形通孔的輸出端，輸出端下部具有兩個互相對稱的柔性鉸鏈第一柔性鉸鏈111，在第一柔性鉸鏈111下方設(shè)置四個柔性鉸鏈，左側(cè)的兩個柔性鉸鏈與右側(cè)的兩個柔性鉸鏈相互對稱，其中左側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第五柔性鉸鏈115與第四柔性鉸鏈114，右側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第四柔性鉸鏈114與第五柔性鉸鏈115；在第四柔性鉸鏈114與第五柔性鉸鏈115下方設(shè)置了六個柔性鉸鏈，其中左側(cè)的三個柔性鉸鏈與右側(cè)的三個柔性鉸鏈相互對稱，左側(cè)三個柔性鉸鏈從左至右分別為第六柔性鉸鏈116、第三柔性鉸鏈113和第二柔性鉸鏈112，右側(cè)三個柔性鉸鏈從左至右分別為第二柔性鉸鏈112、第三柔性鉸鏈113和第六柔性鉸鏈116；在第二柔性鉸鏈112、第三柔性鉸鏈113和第六柔性鉸鏈116下方設(shè)置了四個柔性鉸鏈，左側(cè)的兩個柔性鉸鏈與右側(cè)的兩個柔性鉸鏈相互對稱，其中左側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第七柔性鉸鏈117與第八柔性鉸鏈118，右側(cè)兩個柔性鉸鏈從左至右分別為第八柔性鉸鏈118與第七柔性鉸鏈117；在第一柔性鉸鏈111與第五柔性鉸鏈115之間為第一杠桿221；在第五柔性鉸鏈115與第六柔性鉸鏈116之間為第二杠桿222；在第六柔性鉸鏈116和第七柔性鉸鏈117之間為第三杠桿223；在第七柔性鉸鏈117與第八柔性鉸鏈118之間為第四杠桿224；在第二柔性鉸鏈112與第三柔性鉸鏈113之間為第五杠桿225；在第五柔性鉸鏈115與第二柔性鉸鏈112之間為第六杠桿226；上述柔性鉸鏈均為倒圓角型。位移放大機構(gòu)2設(shè)置為兩側(cè)對稱結(jié)構(gòu)，能夠使其具有較高的整體剛性，同時使得加工方便；柔性鉸鏈與杠桿兩側(cè)對稱設(shè)置，是為了使超磁致伸縮致動器4的輸入位移可以通過左右兩條放大鏈向輸出端傳遞，理論上可以完全消除位移放大機構(gòu)2的側(cè)向附加位移，有效地減小了位移放大機構(gòu)2自身的縱向耦合位移誤差；柔性鉸鏈為倒圓角型，是為了使運動精度和運動范圍達到最高。

位移放大機構(gòu)2上的下端有三個形狀大小相同的平鍵型通孔，中間的平鍵型通孔位于位移放大機構(gòu)2的軸線上，其下方還設(shè)有圓形通孔；另外兩個平鍵型通孔位于位移放大機構(gòu)2底部左右兩側(cè)，左右對稱。三個形狀相同的平鍵型通孔設(shè)置在位移放大機構(gòu)2上，是為了用螺栓將支座1、夾板3和位移放大機構(gòu)2固定住；圓形通孔是為了將輸入位移更加容易地傳遞到位移放大機構(gòu)2上。

夾板3為下端帶有一個矩形孔的正方形的薄板，夾板3與位移放大機構(gòu)2接觸的一側(cè)表面帶有三個矩形凸臺，并且每個矩形凸臺都帶有兩個形狀大小都相等的圓形通孔。夾板3一側(cè)的矩形凸臺是為了讓夾板3與位移放大機構(gòu)2不完全接觸，減少在位移放大機構(gòu)2在夾板3之間的摩擦力，使位移放大機構(gòu)2能夠放大更大的位移。

支座1為字母L形，支座1的下端帶有一個圓形的通孔，支座1上端帶有兩個圓形的通孔。支座1設(shè)置成L形，是為了將夾板3和位移放大機構(gòu)2與超磁致伸縮致動器4進行固定；支座1下端圓形通孔是為了與超磁致伸縮致動器4進行固定；上端的兩個圓形通孔是為了能夠利用螺栓將夾板3與位移放大機構(gòu)2固定住。