液压微位移放大器的设计与研究Research.Developmentl圈匿—阻圜液压微位移放大器的设计与研究术TheDesignandAnalysisofHydraulicMicro—displacementAmplifier吴家龙李宝福张虎翼俞立钧(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)摘要:提出了基于液压原理的新型微位移放大器.这种放大器由输入元件,充满油液的密封腔体和输出元件构成.输入的位移经过液压放大,转换成输出元件的位移.金属膜片或波纹管可以作为输入输出元件.本文提出了这两种结构形式的放大器的设计方法.这类微位移放大器结构紧凑,在承载能力方面优于传统的柔性铰链机构,而波纹管放大器的性能优于膜片式.关键词:液压放大原理膜片波纹管DoI:10.3969/;.issn.1007—080X.2010.05.001Abstract:Anewmicro—displacementamplifierbasedonhydraulictheoryisproposedinthispaper.Themechanismconsistsofdisplacementinputelement(S),achamberfilledwithhydraulicfluidandanoutputelement.Theinputdisplacementishydraulicallymagnifiedandconvertedtothedisplacementoftheoutputelement.Metalmembranesandbellowscouldbeservedastheinput/outputdevices.Thedesigntheoriesoftheamplifiersbasedonmembranesandbellowsarestudiedinthispaper.Ingeneral,thehydraulicamplifiersaremorecompactinstructure,betterloadcapabilitythantraditionalflexiblemechanisms,whilebellowhydraulicamplifierisbetterthanmembraneone.Keywords:hydraulicamplificationprinciplemembranebellow0引言微位移驱动技术被应用于微机电系统(MEMS),超精密加工,生物工程,光学加工等领域.目前,作为微位移驱动技术的核心部件——微位移致动器通常基于智能材料实现,微执行器领域研究的热点主要集中在以形状记忆合金,压电和磁致伸缩材料为驱动元件的驱动原理和方法,结构优化设计,精密控制和高频响应等方面,并取得了一定的成果….但是,目前应用此类致动器通常输出位移量较小,往往不能满足实际使用要求,需要应用位移放大器对位移量进行放大.现有研究中常用的微位移放大器大多使用柔性铰链机构,根据不同的原理通常可以分为以下几类结构:1)用杠杆原理实现运动放大,如WeiXu,TimKing等将基于杠杆原理的位移放大器应用在压电微位移致动器,结构如图1所示.杠杆原理的结构是传统的柔性铰链放大机构,放大倍率取决于力臂的长度比,此原理适用于低频的工作场合.2)利用压杆失稳原理实现运动放大,如Juuti,K.Kord’as等人将基于桥式运放机构的位移放大器应$基金项目:国家自然基金项目(50675129).作者简介:吴家龙1985年生,硕士研究生.主要研究方向为微位移致动器设计及制造.20105f机电一体化13液压微位移放大器的设计与研究A图1应用杠杆原理实现的压电微位移致动器用在压电微位移致动器中,结构如图2所示.桥式运放机构与钹式机构对材料的刚度要求高,适用于高频的工作场合.i—Outputm图2应用压杆失稳原理的压电微位移致动器3)通过特殊机构实现运动放大,如将ChangSH,DuBC.所研究的ScottRussell微位移放大机构应用于压电式微定位器中,结构如图3所示.其放大倍率通过机构的运动缩放倍率进行确定.图3a中,A为固定铰,为滑块,PCB与滑块通过铰链曰相连;AC=CB=CP,AB与P垂直.因此可以得到,当该机构运动时,P点与日点速率比AB/AP即为运动缩放倍率.Pb图3应用特殊机构实现的放大机构柔性铰链机构普遍存在以下问题:①柔性铰链机构承受载荷较小,对材料的刚度要求高;②柔性铰链的加工精度对性能影响很大,多为整体材料切削加工而得,加工要求高.液压传动具有结构紧凑,承载能力大等特点.将液压传动原理应用于微位移放大器,除了可以克服一般柔性铰链机构的缺点外,还具有多输入多输出,输入输出配置灵活等优点.本文提出并研究一种基于液压原理的微位移放大器.14机电一体化I2010.51液压微位移放大器的-I-作原理液压微位移放大器的工作原理非常简单,和具有大小油缸的液压系统相同.在图4中,驱动大活塞,使其移动一个距离,而通过液压油的挤压,小活塞将移动一个较大的距离,从而起到了位移放大的作用.若输入活塞和输出活塞的面积分别为A.和A,,忽略液压油的弹性变形,则这个液压位移放大器的放大倍率为K=.一一]一一l...