具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳

摘要

本发明公开了一种具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，包括压电陶瓷驱动件、一级位移放大机构、二级位移放大机构、三级位移放大机构，所述的压电陶瓷驱动件与一级位移放大机构相连，一级位移放大机构与二级位移放大机构串联，二级位移放大机构的两个输出端各连接一个三级位移放大机构，两个三级位移放大机构并联，且两个三级位移放大机构的输出端分别与夹钳的两个夹持部。

权利要求

1.具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，其特征在于，包括压电陶瓷驱动件、一级位移放大机构、二级位移放大机构、三级位移放大机构，所述一级位移放大机构为backward型桥式位移放大机构，所述压电陶瓷驱动件与一级位移放大机构相连，一级位移放大机构与二级位移放大机构串联，二级位移放大机构的两个输出端各连接一个三级位移放大机构，两个三级位移放大机构并联，且两个三级位移放大机构的输出端分别与夹钳的两个夹持部。

2.如权利要求1所述的具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，其特征在于，所述二级位移放大机构为forward型桥式位移放大机构。

3.如权利要求1所述的具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，其特征在于，所述三级位移放大机构为杠杆位移放大机构。

4.如权利要求3所述的具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，其特征在于，所述杠杆位移放大机构为平行四边形机构。

5.如权利要求1所述的具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，其特征在于，两个杠杆位移放大机构相对于压电驱动微夹钳中心线左右对称设置。

6.如权利要求1所述的具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，其特征在于，还包括基座，所述压电驱动微夹钳固定在基座上。

7.如权利要求1所述的具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，其特征在于，所述压电陶瓷驱动件为锆钛酸铅压电陶瓷。

说明书

具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳

技术领域

[0001] 本发明涉及压电驱动领域，具体涉及一种具有三级位移放大机构并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳。

背景技术

[0002] 近年来，国内学者设计了基于不同驱动原理的微夹钳，如压电(PZT)驱动、静电驱动、热驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动和气动驱动等。静电驱动主要通过静电梳状驱动器实现，它具有效率高、响应速度快、能耗低、结构简单等优点。但它也存在夹紧力小的明显缺点。热驱动的实现形式是采用导电材料引起的膨胀。优点是驱动力大，同时也存在响应速度慢的不足。相比之下，PZT驱动的微夹钳在工业和学术应用中都很流行。它不仅继承了PZT材料响应速度快、结构紧凑、价格低廉等优点，而且具有位移精度高、结构刚度大的特点。然而，PZT驱动微夹钳的输出位移受到压电应变系数的限制。因此，需要位移放大机构。

[0003] 由于柔顺机构具有增加输出位移、避免摩擦、可重复运动和结构紧凑等优点，因此它们被广泛应用于PZT领域，以产生更大的输出位移。国内外很多学者利用不同的柔顺结构设计和制造了不同的PZT驱动微夹钳本体结构。经广发查阅文献及其他资料，发现国内外所设计的微夹钳其位移放大比基本未超过30，此外如果可以实现钳口平行移动，夹取操作将会更加可靠与容易，同时高的位移放大比意味着钳体变形大，结构刚度变小，结构固有频率降低，微夹钳实际工作带宽变小。因此在保证较高工作带宽的前提下，需要设计一种新型的具有更高位移放大比与更大的行程并可实现平行夹取的微夹钳。

发明内容

[0004] 为了解决上述问题，本发明提出了一种高放大比、大行程并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳。它由两个桥式和一个杠杆式放大机构串联而成，杠杆位移放大机构末端集成一对平行四边形机构，以实现高放大比、大行程以及平行夹取。通过响应面分析对关键结构参数进行了优化选择。通过仿真，验证了该微夹钳的有效性。

[0005] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

[0006] 本发明的实施例提供了一种具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，包括压电陶瓷驱动件、一级位移放大机构、二级位移放大机构、三级位移放大机构，所述的压电陶瓷驱动件与一级位移放大机构相连，一级位移放大机构与二级位移放大机构串联，二级位移放大机构的两个输出端各连接一个三级位移放大机构，两个三级位移放大机构并联，且两个三级位移放大机构的输出端分别与夹钳的两个夹持部。

[0007] 作为进一步的技术方案，所述的一级位移放大机构为backward型桥式位移放大机构。

[0008] 作为进一步的技术方案，所述的二级位移放大机构为forward型桥式位移放大机构。

[0009] 作为进一步的技术方案，所述的三级位移放大机构为杠杆位移放大机构。

[0010] 作为进一步的技术方案，所述的杠杆位移放大机构为平行四边形机构。

[0011] 作为进一步的技术方案，具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳还包括基座，所述的压电驱动微夹钳固定在基座上。

[0012] 上述本发明的实施例的有益效果如下：

[0013] 为了实现超高位移放大比与高夹取行程，本发明设计了新型的三级位移放大形式。将backward型桥式位移放大机构、forward型桥式位移放大机构、杠杆位移放大机构进行巧妙结合，实现压电驱动微夹钳的三级放大；在实现位移放大的同时为了保证实现更高的工作带宽，第一第二级采用结构刚度更高的桥式位移放大机构；同时在压电驱动器产生输出位移时，为了能够实现钳口向内的夹取动作，巧妙的第一级设计了backward型桥式位移放大机构，第一级设计了forward型桥式位移放大机构。

附图说明

[0014] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0015] 图1是backward型桥式位移放大机构。

[0016] 图2是forward型桥式位移放大机构；

[0017] 图3是杠杆位移放大机构；

[0018] 图4是本发明提出的微夹钳结构示意图；

[0019] 图5是直梁型柔性铰链结构示意图；

[0020] 图6是关键参数变化对钳口输出位移敏感度；

[0021] 图7是关键参数变化对微夹钳固有频率敏感度；

[0022] 图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

[0023] 1基座、2固定螺栓、3钳夹、4平行四边形机构、5一级位移放大机构、6二级位移放大机构、7三级位移放大机构、8压电陶瓷驱动件。

具体实施方式

[0024] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0025] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

[0026] 本实施例提出了一种高放大比、大行程并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳，该装置具有三级位移放大机构，由两个桥式和一个杠杆式放大机构串联而成，杠杆位移放大机构末端集成一对平行四边形机构，以实现高放大比、大行程以及平行夹取。通过响应面分析对关键结构参数进行了优化选择。通过仿真，验证了该微夹钳的有效性。结果表明，所研制的微夹钳具有45.58的位移放大比和683.70μm的运动行程。

[0027] 微夹钳本体结构由三级位移放大机构串联而成，其中一级位移放大、二级位移放大，均为桥式位移放大机构，特别地，为了保证运动的正确传递，一级为backward型桥式位移放大机构，二级为forward型桥式位移放大机构；为了获得更高的位移放大比，增加三级位移放大机构，并且采用杠杆位移放大机构，所述位移放大机构见图1、图2、图3，图1为backward型桥式位移放大机构，其整体为一个上下对称结构，其包括两个输入端和一个输出端，图2为forward型桥式位移放大机构；其整体为一个左右对称结构，其包括一个输入端和两个输出端，图3为杠杆位移放大机构；其包括一个输入端和一个输出端。且第三级杠杆位移放大机构为平行四边形机构，保证在实现高位移放大比，大夹取行程的同时实现平行夹取，两个三级杠杆位移放大机构相对于压电驱动微夹钳中心线左右对称设置，本实施例中所公开的微夹钳本体结构见图2，所述的压电陶瓷驱动件8与一级位移放大机构5的输入端相连，一级位移放大机构5的输出端与二级位移放大机构6的输入端连接，二级位移放大机构6的两个输出端各连接一个三级位移放大机构7，两个三级位移放大机构7相互并联，且两个三级位移放大机构7的输出端分别与夹钳的两个夹持部，其中，压电陶瓷驱动件8采用锆钛酸铅压电陶瓷。

[0028] 下面基于响应面分析与遗传算法的多目标参数优化算法对上述各个部件的结构进行优化，具体如下：

[0029] 以钳口最大输出位移与微夹钳一阶固有频率为两个设计目标。基于响应面分析与遗传算法的多目标参数优化，该优化过程的数学表达式为：

[0030] S＝maxD(Z)

[0031] N＝maxE(Z)

[0032] Z＝[r,t,h,l1,l2,l31]

[0033]

[0034] 其中S、N为目标函数分别表示钳口位移和一阶固有频率，Z为设计变量，具体代表的变量名称见表1，变量具体位置体现在图1、图2、图4与图5中：

[0035] 对关键参数进行敏感度分析，结果见图6、图7。基于最大熵准则，采用最优空间填充进行实验设计，采用全二次模型生成样本点；然后基于神经网络算法生成响应面。最后，通过筛选算法找到最优解，该微夹钳关键结构参数优化前后对比见表1。

[0036] 表1微夹钳关键结构参数

[0037]

[0038] 下面借助ANSYS进行有限元仿真分析如下：

[0039] 在微夹钳输入端，即压电驱动器的接触端，给予固定输入位移，经仿真得到钳口的输出位移，两者之比即为该钳体位移放大比。输入端左右位移为7.5μm时。

[0040] 仿真结果表明通过仿真，验证了该微夹钳具有45.58的位移放大比和683.70μm的运动行程，并实现了平行夹取，同时有限元结果表明该微夹钳的一阶固有频率为140.80Hz，满足实际工作带宽要求。

[0041] 为了实现超高位移放大比与高夹取行程，本发明设计了新型的三级位移放大形式。将backward型桥式位移放大机构、forward型桥式位移放大机构、杠杆位移放大机构进行巧妙结合，实现压电驱动微夹钳的三级放大；在实现位移放大的同时为了保证实现更高的工作带宽，第一第二级采用结构刚度更高的桥式位移放大机构；同时在压电驱动器产生输出位移时，为了能够实现钳口向内的夹取动作，巧妙的第一级设计了backward型桥式位移放大机构，第一级设计了forward型桥式位移放大机构。

[0042] 最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

[0043] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。