Two-stage amplification mechanism based on flexible hinges

WANG Xuecheng; ZHANG Shijun; CUI Xilong

doi:DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.016

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Two-stage amplification mechanism based on flexible hinges

Design·Calculation | 更新时间：2026-01-23

- Two-stage amplification mechanism based on flexible hinges
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 50, Issue 1, Pages: 126-132(2026)
- 作者机构：
  
  山东建筑大学机电工程学院，济南 250101
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.016
  CLC：
- Received：11 April 2025，
  
  Revised：2025-05-24，
  
  Published：15 January 2026
- 稿件说明：
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王学成，张士军，崔禧龙. 基于柔性铰链的二级放大机构［J］. 机械传动，2026，50（1）：126-132.

WANG Xuecheng，ZHANG Shijun，CUI Xilong. Two-stage amplification mechanism based on flexible hinges［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：126-132.
王学成，张士军，崔禧龙. 基于柔性铰链的二级放大机构［J］. 机械传动，2026，50（1）：126-132. DOI： DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.016.

WANG Xuecheng，ZHANG Shijun，CUI Xilong. Two-stage amplification mechanism based on flexible hinges［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：126-132. DOI： DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.016.

摘要

目的

为解决微位移平台大行程设计中传统转动副存在的摩擦与间隙问题，提出一种新型二级复合放大机构设计方案，旨在通过结构创新实现高精度、大行程的位移放大效果。

方法

基于材料力学理论建立静力学模型；采用柔性铰链杠杆放大机构与桥式放大机构相结合的二级放大结构，以压电陶瓷为驱动源，通过Matlab软件建立参数优化模型；系统分析关键结构参数对放大比例和输入刚度的影响规律，确定最优参数组合；采用有限元分析方法对优化后的结构进行多物理场仿真验证。

结果

优化后，机构实现了13.1倍位移放大比例，固有频率达92.2 Hz；放大比例、固有频率的理论计算与仿真结果的最大误差分别为2.4%、3.5%，证明了结构的可行性。

Abstract

Objective

A novel two-stage compound amplification mechanism design scheme was proposed to address the friction and clearance issues inherent in traditional revolute pairs within the large stroke design of micro-displacement platforms. The aim was to achieve high-precision and significant stroke displacement amplification through structural innovation.

Methods

Utilizing the theory of material mechanics

a static model was established. A two-stage compound amplification structure that integrated a flexible hinge lever amplification mechanism with a bridge amplification mechanism was employed. Piezoelectric ceramics served as the driving source

and a parameter optimization model was developed using Matlab software. The impact of key structural parameters on both the amplification ratio and input stiffness was systematically analyzed to identify the optimal parameter combination. The optimized structure underwent validation through multi-physical field simulation via finite element analysis.

Results

Following optimization

the mechanism attains an impressive displacement amplification ratio of 13.1 times

with its natural frequency reaching 92.2 Hz. The maximum discrepancies between theoretical calculations and simulation results of the amplification ratio and natural frequency are recorded at 2.4% and 3.5%

respectively

thereby demonstrating the feasibility of this structural design.

关键词

Keywords

references

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