一種基于柔順機(jī)構(gòu)的一維平動(dòng)微操作平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微操作技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及應(yīng)用柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一維平動(dòng)微操作
-ψ-1 口 O
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展和人們研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，操作對象已從宏觀領(lǐng)域深入到微觀領(lǐng)域，微操作平臺(tái)已被廣泛運(yùn)用于生物工程、醫(yī)療科學(xué)、微型機(jī)械制造超精密加工、集成電路制造、掃描探針顯微鏡、光纖對接、光學(xué)微處理、航空航天等領(lǐng)域。而微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、特種加工技術(shù)、集成技術(shù)、納米技術(shù)和激光技術(shù)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展不斷地向微操作技術(shù)及設(shè)備提出了更高、更新的要求，要求操作速度更快、靈敏度更高、動(dòng)態(tài)性能更好、質(zhì)量更輕等。柔順機(jī)構(gòu)是采用柔性構(gòu)件的彈性變形傳遞和轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)、力或能量的一種新型結(jié)構(gòu)，柔順機(jī)構(gòu)具有免摩擦、免潤滑、整體化制造、運(yùn)動(dòng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，柔順機(jī)構(gòu)這些優(yōu)點(diǎn)使得其適合于作為微操作平臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0003]微操作平臺(tái)的操作空間和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是相互制約、相互矛盾的，比如提高平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力可通過增大其柔性鉸鏈的厚度，但與此同時(shí)會(huì)減小平臺(tái)的位移放大倍數(shù)，縮小機(jī)構(gòu)的工作空間。因此設(shè)計(jì)操作空間大同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的微操作平臺(tái)具有重要意義。目前主要利用杠桿放大原理、三角放大原理和壓桿失穩(wěn)原理等剛性機(jī)構(gòu)放大原理來增大微操作平臺(tái)的操作空間，但是，利用三角放大原理設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)構(gòu)，其彈性鉸鏈的應(yīng)力會(huì)隨著放大倍數(shù)的增大而增大，易造成鉸鏈的疲勞破壞；利用壓桿失穩(wěn)原理設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要求鉸鏈厚度小和寬度大，難以滿足強(qiáng)度要求；而杠桿放大原理結(jié)構(gòu)簡單緊湊、放大倍數(shù)大且輸入輸出保持運(yùn)動(dòng)線性關(guān)系，因此應(yīng)用最為廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種一維平動(dòng)微操作平臺(tái)，該平臺(tái)在工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)一維單向快速移動(dòng)，平臺(tái)具有剛度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和操作空間大的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0006]本實(shí)用新型的一維平動(dòng)微操作平臺(tái)，包括動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)和連接動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)的支鏈。其中支鏈由一級放大杠桿機(jī)構(gòu)和二級杠桿放大機(jī)構(gòu)組成。
[0007]所述一級杠桿放大機(jī)構(gòu)由桿(3.1)、(3.2)、(3.3)和直圓型柔性鉸鏈(4.1)、(4.2)、(4.3)構(gòu)成。輸入桿(3.1)通過直圓型鉸鏈(4.1)與傳遞桿(3.2)相連，傳遞桿(3.2)通過鉸鏈(4.3)與杠桿(3.3)相連以傳遞輸入位移，直圓型鉸鏈(4.3)作為杠桿機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)連接杠桿(3.3)和固定桿(I)。對于杠桿(3.3)，滿足O柄長度大于BC。
[0008]所述二級杠桿放大機(jī)構(gòu)由桿(3.1)、(3.4)、(2)、直圓型鉸鏈(4.4)和直角型柔性鉸鏈(5.1)、(5.2)構(gòu)成。杠桿(3.4)通過直圓型鉸鏈(D)與一級杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸出相連、通過直角鉸鏈(5.1)與輸入桿(3.1)相連，且通過直角鉸鏈(5.2)與動(dòng)平臺(tái)相連。對于杠桿(3.4)，滿足FD的長度大于DE的長度，且當(dāng)一級杠桿放大機(jī)構(gòu)輸出位移作為位移輸入時(shí)，鉸鏈(5.1)為杠桿機(jī)構(gòu)支點(diǎn)，當(dāng)桿(3.1)輸入位移作為位移輸入時(shí)，鉸鏈(5.2)為杠桿機(jī)構(gòu)支點(diǎn)，二級放大杠桿機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)是兩種情況綜合作用的效果。
[0009]所述微操作平臺(tái)連接動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)的支鏈為左右對稱結(jié)構(gòu)，支鏈左側(cè)與右側(cè)各有一個(gè)一級杠桿放大機(jī)構(gòu)與二級杠桿放大機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)。
[0010]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0011](I)本實(shí)用新型的一維平動(dòng)微操作平臺(tái)利用直圓型柔性鉸鏈和直角型柔性鉸鏈相結(jié)合的方式傳遞力和位移，相對于利用傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副傳遞力和位移，具有高精度、高剛度和高運(yùn)動(dòng)靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。
[0012](2)本實(shí)用新型的一維平動(dòng)微操作平臺(tái)中一級杠桿放大機(jī)構(gòu)和二級杠桿放大機(jī)構(gòu)構(gòu)成差動(dòng)式杠桿放大機(jī)構(gòu)，能對輸入位移二次放大，提高平臺(tái)的位移放大倍數(shù)。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有操作空間大的特點(diǎn)。
[0013](3)本實(shí)用新型的一維平動(dòng)微操作平臺(tái)為對稱機(jī)構(gòu)，通過兩條完全對稱的運(yùn)動(dòng)支鏈連接動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有整體剛度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1是一維平動(dòng)微操作平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖
[0015]圖2是一維平動(dòng)微操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
[0016]圖中表示靜平臺(tái)，2表示動(dòng)平臺(tái)，3.1表示輸入桿，3.2表示傳遞桿，3.3、3.4表示杠桿，4.1,4.2,4.3,4.4表示直圓型柔性鉸鏈，5.1,5.2表示直角型柔性鉸鏈，6.1,6.2、
6.3、6.4、6.5表不桿件，7.1、7.2、7.3、7.4、7.5表不運(yùn)動(dòng)副，8表不一級杠桿放大機(jī)構(gòu)，9表示二級杠桿放大機(jī)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了更好的理解本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步地描述，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于此。
[0018]如圖1所示一維平動(dòng)微操作平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖，圖1中桿6.1中點(diǎn)為輸入端，桿6.5中點(diǎn)為輸出端，7.1-7.5分別表示實(shí)現(xiàn)位移放大的轉(zhuǎn)動(dòng)副，桿6.1,6.2,6.3和轉(zhuǎn)動(dòng)副7.1、
7.2,7.3組成一級杠桿放大機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)副7.2為杠桿的支點(diǎn)，并且DG的長度大于⑶的長度，則輸入位移得到第I級放大。桿6.4,6.5和轉(zhuǎn)動(dòng)副7.4,7.5組成二級杠桿放大機(jī)構(gòu)，輸出端的位移由兩部分組成，一部分是由一級杠桿放大機(jī)構(gòu)桿6.3輸出端點(diǎn)位移，再經(jīng)杠桿6.4以鉸鏈7.5作為支點(diǎn)放大；另一部分是由桿6.1輸入端傳遞到鉸鏈7.5的位移，經(jīng)杠桿6.4以鉸鏈7.4作為支點(diǎn)放大。微操作平臺(tái)的大操作空間是一級杠桿放大機(jī)構(gòu)和二級杠桿放大機(jī)構(gòu)共同作用的結(jié)果。
[0019]根據(jù)由圖1所示的微操作平臺(tái)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)的一維平動(dòng)微操作平臺(tái)如圖2所示。平臺(tái)采用4對直圓型柔性鉸鏈和2對直角型柔性鉸鏈相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)如圖1所示的差動(dòng)式杠桿的位移放大，圖1所示的轉(zhuǎn)動(dòng)副7.1?7.4采用結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)精度高的直圓型柔性鉸鏈，為了增大平臺(tái)的位移放大倍數(shù)，需要轉(zhuǎn)動(dòng)副7.5的轉(zhuǎn)角較大，而直角型柔性鉸鏈在相同最小截面及載荷邊界條件下變形量較大，所以7.5采用直角型柔性鉸鏈。為了結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為對稱式結(jié)構(gòu)，并通過兩條完全對稱的運(yùn)動(dòng)支鏈將輸入位移傳遞到輸出端，以使機(jī)構(gòu)具有較高的整體剛度和固有頻率，由于對稱結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，可以消除機(jī)構(gòu)的側(cè)向附加位移，具有較好的運(yùn)動(dòng)精度。
[0020]上述雖然結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種一維平動(dòng)單自由度微操作平臺(tái)，包括靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)和連接靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)的支鏈，其特征在于所述動(dòng)平臺(tái)通過由一級杠桿放大機(jī)構(gòu)和二級杠桿放大機(jī)構(gòu)組成的支鏈和靜平臺(tái)相連，其中一級杠桿放大機(jī)構(gòu)由桿(3.1)、(3.2)、(3.3)和直圓型柔性鉸鏈(4.1)、(4.2)、(4.3)構(gòu)成，鉸鏈(4.3)為杠桿機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)，二級杠桿放大機(jī)構(gòu)由桿(3.1)、(3.4)、(2)、直圓型鉸鏈(4.4)和直角型柔性鉸鏈(5.1)、(5.2)構(gòu)成，當(dāng)一級杠桿放大機(jī)構(gòu)輸出位移作為位移輸入時(shí)，鉸鏈(5.1)為杠桿機(jī)構(gòu)支點(diǎn)，當(dāng)桿(3.1)輸入位移作為位移輸入時(shí)，鉸鏈(5.2)為杠桿機(jī)構(gòu)支點(diǎn)，二級放大杠桿機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)是兩種情況綜合作用的效果。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維平動(dòng)單自由度微操作平臺(tái)，其特征在于所述一級杠桿放大機(jī)構(gòu)和二級杠桿放大機(jī)構(gòu)形成差動(dòng)式杠桿，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)式杠桿放大輸入位移。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維平動(dòng)單自由度微操作平臺(tái)，其特征在于桿(3.1)的位移同時(shí)為一級放大機(jī)構(gòu)和二級放大機(jī)構(gòu)的輸入位移。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于柔順機(jī)構(gòu)的一維平動(dòng)微操作平臺(tái)，包括靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)和連接靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)的對稱結(jié)構(gòu)支鏈，支鏈由一級杠桿放大機(jī)構(gòu)和二級杠桿放大機(jī)構(gòu)組成。一級杠桿放大機(jī)構(gòu)由桿(3.1)、(3.2)、(3.3)和直圓型柔性鉸鏈(4.1)、(4.2)、(4.3)構(gòu)成，鉸鏈(4.3)為杠桿機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)；二級杠桿放大機(jī)構(gòu)由桿(3.1)、(3.4)、(2)、直圓型鉸鏈(4.4)和直角型柔性鉸鏈(5.1)、(5.2)構(gòu)成，當(dāng)一級杠桿放大機(jī)構(gòu)輸出位移作為位移輸入時(shí)，鉸鏈(5.1)為杠桿機(jī)構(gòu)支點(diǎn)，當(dāng)桿(3.1)輸入位移作為位移輸入時(shí)，鉸鏈(5.2)為杠桿機(jī)構(gòu)支點(diǎn)，二級放大杠桿機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)是兩種情況綜合作用的效果。本實(shí)用新型通過對稱的一級和二級杠桿放大機(jī)構(gòu)組成差動(dòng)式杠桿，根據(jù)差動(dòng)式杠桿放大原理實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在其工作平面內(nèi)做大行程的單向快速移動(dòng)，具有工作空間大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，適用于微機(jī)械制造、超精密加工和集成電路制造等領(lǐng)域。
【IPC分類】G12B5/00
【公開號】CN205177409
【申請?zhí)枴緾N201520825246
【發(fā)明人】胡俊峰, 蔡建陽, 鄭昌虎
【申請人】江西理工大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年10月24日