CN104599722A - 一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，包括被固定的平台体，平台可是各种需要精密定位的物体，如：纳米定位平台。平台体内部有若干中心线相交于平台体中心的安装定位孔，每个安装定位孔外部加工有一组将其围在里面的柔性铰链机构，柔性铰链机构可各自产生一定的弹性变形，消除平台体在使用过程中由于载荷、温度变化及其他因素引起的变形而导致的定位误差。安装定位孔中心和被固定平台体中心的连线与柔性铰链机构的位移变形自由度方向相重合，它只在变形方向是柔性的，在其它方向是刚性的。多个带有柔性铰链的安装，使定位孔形成一个柔性动态耦合连接固定机构体系，既具备变形解耦所需的柔性，又可以保证平台体整体固定的刚性。

Description

一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构

技术领域

本发明属于高精度定位及连接技术领域，尤其是涉及一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构。

背景技术

无论是纳米微结构、纳米材料的测量分析还是DNA分子、纳米碳管、纳米颗粒等纳米材料的操纵、改性和加工，首先必须要解决的核心技术之一是纳米级(甚至是原子级)的位移定位控制。所谓纳米位移定位技术是指在纳米甚至亚纳米的精度等级上对受控物体(微加工工具或微测量具)进行精密控制，以满足其对定位精度、运动精度和精度稳定性的要求，实现具有计量功能的加工和检测操作。先进的半导体芯片制造技术和大规模存储器(硬盘)制造技术的发展更是将纳米位移和定位技术不断推上新的极限。随着器件集成度的不断提高，众多器件的加工精度要求已逼近纳米甚至亚纳米的水平，传统的检测技术和手段正在受到严重的挑战。精密测量和检测技术已经被认定为是下一代半导体芯片制造技术和大规模存储器(硬盘)制造技术中必须克服的瓶颈技术之一。基于纳米位移和定位技术的纳米计量和检测，有望成为突破光学检测系统和电子束检测系统局限性的新检测手段。此外，超精密加工机床的精度和稳定性也取决于纳米级精度进给系统的技术水平，因此纳米位移和定位控制系统已经成为各种超精密测量、加工和检测仪器设备中共性的关键技术和核心部件。

现有高精度位移定位一般采用刚性连接固定方式，在实际使用过程中当外界载荷及温度等变化时会导致连接件产生一定的弹性变形，在刚性连接固定方式下，连接件产生的弹性变形无处释放，在弹性变形作用下连接件产生一定的位移，从而导致位移控制及位移定位时产生误差，使定位结果失真。

发明内容

本发明针对现有的高精度位移定位的局限性及不足提供一种提高定位精度消除或减小误差的基于铰链的柔性动态耦合连接固定机构，尤其适合精密纳米定位技术领域。

本发明的技术方案是：一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，包括平台体，所述平台体内部设有若干安装定位孔，所述安装定位孔中心线相交于所述平台体的中心，每个安装定位孔外部加工有一组将其围在里面的柔性铰链机构，所述柔性铰链机构可产生一定的弹性变形，消除平台体在使过程中由于载荷和温度导致的误差。

具体的，所述柔性铰链机构至少为三个。

具体的，各个柔性铰链机构的位移自由度方向延长线相交于平台体中心。

具体的，所述柔性铰链机构只有一个自由度。

具体的，所述安装固定孔位于柔性铰链机构的中心处。

具体的，每个柔性铰链机构可产生单独的弹性变形，多个柔性铰链机构的弹性变形可耦合作用于平台体，当平台体由于外部载荷及稳定等发现弹性变形时，可通过多个柔性铰链机构变形之间的耦合作用吸收或释放平台体自身的弹性变形。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用多铰链耦合的柔性连接方式对平台体进行安装固定，消除了平台体自身由于载荷和温度变化而引起的变形导致的定位误差，从而实现进一步提高连接及定位精度的目的；具有结构简单，定位精度高等优点。

附图说明

图1是本发明的原理图

图2是本发明的结构示意图

图3是本发明的铰链连接结构示意图

图4是本发明的切口铰链切口形态的结构示意图

图中：

1、平台体                2、柔性铰链机构       3、安装定位孔

4、基座                  5、V型槽              6、定位台

7、球体                  8、单弹簧片柔性铰链   9、单切口柔性铰链

10、复合弹簧片柔性铰链   11、复合切口柔性铰链  12、圆弧切口

13、椭圆切口             14、平槽切口

具体实施方式

平台体1被固定，它可以是各种需要精密定位的物体，如：纳米定位平台、精密运动平台、精密光学元件定位台、精密样品台等。

如图2所示，本发明的技术方案是：一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，包括平台体1，以平台体1的几何中心为中心，在平台体1内部加工出三个柔性铰链机构2，所述柔性铰链机构2中心设有安装定位孔3，且各个柔性铰链机构2的位移自由度方向延长线相交于平台体1中心，所述柔性铰链机构2只有一个自由度，每个柔性铰链机构2可产生单独的弹性变形，多个柔性铰链机构2的弹性变形可耦合作用于平台体1，当平台体1由于外部载荷及稳定等发现弹性变形时，可通过多个柔性铰链机构2变形之间的耦合作用吸收或释放平台体1自身的弹性变形。

所述柔性铰链机构2可视为平行连杆机构，只能沿连杆垂直方向发生相对位移变形。所述柔性铰链机构2是这样的，它的位移变形自由度方向(柔性方向)与安装定位孔3中心和平台体1中心的连线相重合，它只在变形方向是柔性的，在其它方向是刚性的。多个带有柔性铰链机构2的安装定位孔3形成一个柔性动态耦合连接固定机构体系，既具备变形解耦所需的柔性，又可以保证平台体整体固定的刚性。

本发明应用Kinematic mounting原理，如图1所示：基座4上加工有三个中心线相交于基座4中心的V型槽5，定位台6下部有三个与球体7连接的位置，且定位台6的中心与基座4的中心重合，三个球体7可在V型槽5内部沿V型槽5自由移动。当定位台6由于外部压力等原因产生变形时，无论定位台6的变形在定位台6内部是否为均匀变形，定位台6的变形均可由三个球体7在V型槽5内部的移动加以释放。当定位台6产生的变形在定位台6内部为均匀变形时，三个球体7在V型槽5内移动位移相等；当定位台6产生的变形为不均匀变形时，三个球体7在V型槽5内移动位移不相等。通过这种方式，可以保证定位台6的中心与基座4的中心始终重合。

本实例的工作过程：当平台体1在定位过程中产生变形时，平台体1产生的变形通过平台体1传递到安装固定孔3处，安装固定孔3安装有固定螺钉，固定螺钉与柔性铰链机构2接触，因而可将平台体1产生的变形通过铰链变形的方式加以释放或吸收，且多个柔性铰链机构2之间的变形可耦合作用，共同吸收平台体1的变形。若平台体1产生的变形为均匀的变形，则三个柔性铰链机构2产生的弹性变形大小相同，若平台体1产生的变形为不均匀变形时，则三个柔性铰链机构2产生的弹性变形大小不同。多个柔性铰链机构2的变形会随着平台体1变形的大小而实时改变。通过多个柔性铰链机构2之间变形的耦合，保证了平台体1中心不发生位移，实现了柔性动态耦合连接的功能，消除了定位误差，提高了定位精度。

上述柔性铰链机构2实际上就是单自由度的铰链机构，不仅仅局限于图1、图2所表示的平行弹簧片铰链形式，可以是其它传统柔性铰链机构形式。如图3所示，通常有4种典型的铰链设计：单弹簧片柔性铰链8、单切口柔性铰链9、复合弹簧片柔性铰链10、复合切口柔性铰链11。此外，切口铰链可以是不同的切口形态，包括：圆弧切口12、椭圆切口13以及平槽切口14，如图4所示。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，包括平台体，所述平台体内部设有若干安装定位孔，其特征在于：所述安装定位孔中心线相交于所述平台体的中心，每个安装定位孔外部加工有一组将其围在里面的柔性铰链机构，所述柔性铰链机构可产生一定的弹性变形，消除平台体在使用过程中由于载荷和温度导致的误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，其特征在于：所述柔性铰链机构至少为三个。

3.根据权利要求1或者2所述的一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，其特征在于：各个柔性铰链机构的位移自由度方向延长线相交于平台体中心。

4.根据权利要求3所述的一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，其特征在于：所述柔性铰链机构只有一个自由度。

5.根据权利要求4所述的一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，其特征在于：所述安装固定孔位于柔性铰链机构的中心处。

6.根据权利要求1或者5所述的一种基于柔性铰链的柔性动态耦合连接固定机构，其特征在于：每个柔性铰链机构产生单独的弹性变形，多个柔性铰链机构的弹性变形耦合作用于平台体，当平台体由于外部载荷及温度作用发生弹性变形时，可通过多个柔性铰链机构变形之间的耦合作用吸收或释放平台体自身的弹性变形。