本發(fā)明涉及菱形柔性機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同時(shí)具有高固有頻率和位移放大比的菱形柔性機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

菱形柔性機(jī)構(gòu)由于其較高的位移放大比、緊湊的結(jié)構(gòu)而被廣泛作為微位移放大機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用于精密定位平臺(tái)、振動(dòng)控制、形狀主動(dòng)控制等技術(shù)領(lǐng)域。但是，傳統(tǒng)的菱形柔性機(jī)構(gòu)仍然存在一些問(wèn)題：由于柔性機(jī)構(gòu)的工作原理是通過(guò)機(jī)構(gòu)的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)位移輸出和放大，因此位移放大比與固有頻率之間總是存在制約關(guān)系，即大位移放大比的菱形柔性機(jī)構(gòu)，其動(dòng)態(tài)性能往往比較差。主要是由于柔性機(jī)構(gòu)的輸出位移方向上的剛度不足，固有頻率較低。

隨著掃描電鏡、原子力顯微鏡、精密定位平臺(tái)等對(duì)運(yùn)動(dòng)速度要求越來(lái)越高，學(xué)術(shù)界和工程界一直在尋找具有大的位移放大比同時(shí)又具備高固有頻率的菱形位移放大機(jī)構(gòu)，然而目前公知的位移放大機(jī)構(gòu)效果有限。為了提高柔性機(jī)構(gòu)在輸出位移方向上的固有頻率，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)減小柔性機(jī)構(gòu)中柔性部分的厚度或通過(guò)增加約束，犧牲一部分位移放大比，從而提高柔性機(jī)構(gòu)的固有頻率，也就是在位移放大比和固有頻率之間進(jìn)行折中選擇。

目前的應(yīng)用中還對(duì)菱形柔性機(jī)構(gòu)輸出方向上的剛度提出要求。中國(guó)專利CN103022339中，提出采用兩個(gè)或多個(gè)菱形柔性機(jī)構(gòu)并聯(lián)來(lái)提高菱形柔性機(jī)構(gòu)的輸出剛度，但是這種方法只提高了輸出剛度而并不能提高機(jī)構(gòu)的固有頻率。中國(guó)專利CN102394270中提出了用兩級(jí)微位移放大機(jī)構(gòu)來(lái)提高位移放大比，但是為了減小第二級(jí)柔性機(jī)構(gòu)對(duì)第一級(jí)柔性機(jī)構(gòu)位移放大比的影響，柔性機(jī)構(gòu)的第二級(jí)輸出剛度也很低。所以現(xiàn)在菱形柔性機(jī)構(gòu)的位移放大比、輸出剛度和固有頻率之間的制約關(guān)系仍然是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種同時(shí)具有高固有頻率和位移放大比的菱形柔性機(jī)構(gòu)，在位移放大比基本不變的情況下明顯提高菱形柔性機(jī)構(gòu)在輸出位移方向上的剛度和固有頻率，改善菱形位移放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種同時(shí)具有高固有頻率和位移放大比的菱形柔性機(jī)構(gòu)，包括由四條斜邊柔性梁、剛性輸入端4、驅(qū)動(dòng)元件1、固定面9和位移輸出端3連接成的菱形柔性機(jī)構(gòu)，四條斜邊柔性梁在厚度方向上均采用兩層以上的柔性梁的疊層結(jié)構(gòu)，柔性梁疊層間存在間隙7，另外菱形柔性機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)對(duì)角線方向上設(shè)有受力面并與驅(qū)動(dòng)元件1剛性連接，菱形柔性機(jī)構(gòu)短對(duì)角線方向一端設(shè)有固定面9，另一端設(shè)有位移輸出端3，固定面9和位移輸出端3相互平行，并與長(zhǎng)對(duì)角線方向平行，與短對(duì)角線方向垂直。

所述的菱形柔性機(jī)構(gòu)的四條斜邊柔性梁與剛性輸入端4的連接處，以及四條斜邊柔性梁與位移輸出端3的連接處，均設(shè)置柔性鉸鏈。

所述柔性鉸鏈?zhǔn)菆A形、直角形或橢圓形的柔性鉸鏈。

所述菱形柔性機(jī)構(gòu)的四條斜邊柔性梁的間隙根據(jù)輸出位移大小和固有頻率大小選擇。

所述的驅(qū)動(dòng)元件1采用疊層型壓電陶瓷，菱形柔性機(jī)構(gòu)與壓電陶瓷的連接采用預(yù)壓力壓緊并以粘結(jié)劑連接，并且要求疊層壓電陶瓷始終受到預(yù)壓力，保持接觸面無(wú)縫隙。

所述的固定面9和位移輸出端3均設(shè)有螺紋孔2，用于機(jī)構(gòu)與固定面聯(lián)接以及與輸出平臺(tái)聯(lián)接，菱形柔性機(jī)構(gòu)的固定面9和位移輸出端3分別采用螺栓與固定面以及輸出平臺(tái)剛性連接。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明相比于公知的菱形柔性機(jī)構(gòu)，由于四條斜邊柔性梁在厚度方向上均采用兩層以上的柔性梁的疊層結(jié)構(gòu)，柔性梁疊層間存在間隙7，其位移放大比基本相同，但是其輸出剛度與固有頻率得到很大提高，通過(guò)優(yōu)化柔性梁和間隙7參數(shù)，固有頻率可以是公知的商業(yè)化的菱形柔性機(jī)構(gòu)的兩倍，在實(shí)現(xiàn)高的位移放大比的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的輸出剛度與高的固有頻率。因此，作為位移放大裝置應(yīng)用于精密定位以及測(cè)量裝置中可以有更好的動(dòng)態(tài)位移輸出和測(cè)量性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明菱形柔性機(jī)構(gòu)的雙層結(jié)構(gòu)立體示意圖。

圖2是本發(fā)明菱形柔性機(jī)構(gòu)的雙層結(jié)構(gòu)平面示意圖。

圖3是本發(fā)明菱形柔性機(jī)構(gòu)的三層結(jié)構(gòu)立體示意圖。

圖4是本發(fā)明菱形柔性機(jī)構(gòu)的三層結(jié)構(gòu)平面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：如圖1和圖2所示，一種同時(shí)具有高固有頻率和位移放大比的菱形柔性機(jī)構(gòu)，包括由四條斜邊柔性梁、剛性輸入端4、驅(qū)動(dòng)元件1、固定面9和位移輸出端3連接成的菱形柔性機(jī)構(gòu)，四條斜邊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組成的疊層結(jié)構(gòu)，第一柔性梁5和第二柔性梁6的疊層間存在間隙7，另外菱形柔性機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)對(duì)角線方向上設(shè)有受力面并與驅(qū)動(dòng)元件1剛性連接，菱形柔性機(jī)構(gòu)短對(duì)角線方向一端設(shè)有固定面9，另一端設(shè)有位移輸出端3，固定面9和位移輸出端3相互平行，并與長(zhǎng)對(duì)角線方向平行，與短對(duì)角線方向垂直。

所述的菱形柔性機(jī)構(gòu)的四條斜邊第一柔性梁5和第二柔性梁6與剛性輸入端4的連接處，以及四條斜邊第一柔性梁5和第二柔性梁6與位移輸出端3的連接處，均設(shè)置柔性鉸鏈。

所述柔性鉸鏈?zhǔn)菆A形、直角形或橢圓形的柔性鉸鏈。

所述菱形柔性機(jī)構(gòu)的四條斜邊第一柔性梁5和第二柔性梁6采用的疊層結(jié)構(gòu)，兩層疊間隙7根據(jù)輸出位移大小和固有頻率大小選擇。

由于壓電陶瓷具有高分辨率、高剛度和出力大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)與控制，所述的驅(qū)動(dòng)元件1采用疊層型壓電陶瓷，菱形柔性機(jī)構(gòu)與壓電陶瓷的連接采用預(yù)壓力壓緊并以粘結(jié)劑連接，并且要求疊層壓電陶瓷始終受到預(yù)壓力，保持接觸面無(wú)縫隙。

所述的固定面9和位移輸出端3均設(shè)有螺紋孔2，用于機(jī)構(gòu)與固定面聯(lián)接以及與輸出平臺(tái)聯(lián)接，菱形柔性機(jī)構(gòu)的固定面9和位移輸出端3分別采用螺栓與固定面以及輸出平臺(tái)剛性連接。

實(shí)施例2：如圖3和圖4所示，一種同時(shí)具有高固有頻率和位移放大比的菱形柔性機(jī)構(gòu)，菱形柔性機(jī)構(gòu)的四條斜邊柔性梁在厚度方向上均采用相同的三個(gè)第一柔性梁5、第二柔性梁6和第三柔性梁8組成的疊層結(jié)構(gòu)，疊層間存在間隙7，本實(shí)施例相對(duì)實(shí)施例1中的菱形柔性機(jī)構(gòu)，具有更大的輸出剛度和固有頻率，同時(shí)保持一致的位移放大比。為了得到大的位移輸出，需要采用更大出力和更大剛度的驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)元件1采用疊層型壓電陶瓷，市場(chǎng)上有各種出力和剛度的壓電陶瓷可供選擇，目前商業(yè)堆疊型壓電陶瓷的最大出力是數(shù)萬(wàn)牛頓，完全能夠滿足一般應(yīng)用需求。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。