CN106328213B - 基于柔性铰链的两轴微动平台 - Google Patents

基于柔性铰链的两轴微动平台 Download PDF

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Abstract

基于柔性铰链的两轴微动平台包括柔性铰链、驱动部分、转角反馈部分、机械接口部分。通用连接平台通过柔性铰链与基座相连，实现通用连接平台相对于基座的两轴旋转。通用连接平台通过“音圈电机‑弹簧”组合驱动，使得通用连接平台可以小幅度高频转动。微动平台通过粘贴在柔性铰链上的应变片实现角度反馈，从而得到高精度的转角控制。本发明的柔性铰链非工作方向刚度大，体积小，测角的应变片小且轻，使得此微动平台可以实现小型化与轻量化。此微动平台可以搭载镜面、激光发射头、电子发射枪等需要小幅度、高精度、高频转动的设备。

Description

基于柔性铰链的两轴微动平台
技术领域
本发明设计了一种基于柔性铰链的两轴微动平台。属于精密机械结构设计技术领域。
背景技术
微电子技术、激光加工技术使用越来越广泛，对精度的要求越来越高，其中用于搭载快速反射镜、天文望远镜、分子扫描显微镜等需要进行高频、高精度、高分辨率、小角度转动的两轴旋转微动平台是影响设备性能的关键器件之一。目前的设备主要通过专门设计的平台搭载，设计周期长、价格高、难度大，少有通用性的平台出现。本发明阐述了一种机构复杂度低的高精度两轴旋转微动平台机构。
柔性铰链是利用弹性材料或者通过一定的形状设计，来达到工作方向刚度小、非工作方向刚度大的特性。柔性铰链具有无磨损、运动平稳、不需要润滑、工作温度范围广，可靠性高于普通机械结构的优点，被广泛用于各种微动机构。两轴旋转的柔性铰链是运用最广泛的柔性结构之一，目前的设计多是采用单轴旋转的柔性铰链通过各种方式并联来实现两轴转动，转角需要通过测量铰链连接的机构间接测得。这些附加的并联结构与测量仪器增大了设备体积与重量，不利于小型化、轻量化设计。
本发明提供一种通用性的两轴旋转微动平台，由于使用的柔性铰链在两轴旋转刚度小，其余方向刚度大，并且可以通过在铰链柔性部分粘贴的应变片得到转角反馈，降低了平台的机构复杂度，简化了光电设备设计流程，实现微动平台的小型化与轻量化设计。
发明内容
本发明通过巧妙设计的柔性铰链，提供一种通用性的两轴旋转微动平台，以实现光电设备小型化与轻量化要求。
基于柔性铰链的两轴微动平台包括：柔性铰链、驱动部分、转角反馈部分、机械接口部分。它们的连接关系为：机械接口部分的基座固连大地，机械接口部分的通用连接板连接有效载荷，机械接口部分的基座与机械接口部分的通用连接板通过柔性铰链相连，驱动部分一端与机械接口部分的基座相连，另一端与机械接口部分的通用连接板相连，转角反馈部分的应变片粘贴在柔性铰链上。
所述的柔性铰链由一块立方体的铍铜合金或钛合金经过4次线切割获得。切割后剩余材料在矩形的四个棱边，对角线的两个棱边通过弹性变形来得到以此对角线为轴的扭转运动。依次将其分为A端与B端，即A端相对于B端有两轴旋转自由度。由于切割后剩余的材料在立方体的四个棱边，最大限度的增加了非工作方向的抗扭刚度。柔性铰链与基座和通用连接平台的位置连接关系为：柔性铰链的A端通过螺钉与支柱连接，支柱通过螺钉固定在基座上；B端与通用连接板通过过盈配合或胶接的方式连接。从而实现了基座相对于通用连接板的X、Y轴方向的扭转运动。通用连接板根据载荷设计，基座根据固定微动平台方式设计；柔性铰链的柔性部分的宽度、长度根据需求设计。
所述的驱动部分包括两个音圈电机、音圈电机驱动器、两个弹簧、两个弹簧连接器。微动平台X、Y轴分别通过“音圈电机-弹簧”的组合驱动。音圈电机的永磁体部分胶接在通用连接板底部，线圈通过螺钉固定在基座上。线圈通过电流时产生磁场，永磁体受力带动通用连接板运动。弹簧一端胶接在通用连接板底部，另一端胶接在弹簧支柱上，弹簧支柱另一端通过外螺纹固定在基座上。弹簧刚度取决于放在微动平台上的载荷，其目的是在不上电时，使平台保持在所需位置。音圈电机与驱动器根据需要选购；弹簧与弹簧连接器根据需要设计。
所述的转角反馈部分包括8个电阻应变片、动态电阻应变仪。由于此柔性铰链的柔性部分有一定面积的平面，可以粘贴应变片来获得转角反馈。X、Y轴各粘贴4个电阻应变片，通过“全桥”式电桥测量应变。柔性部分应变与转角的对应关系通过标定获得。电阻应变片根据所需分辨率选购；动态电阻应变仪根据控制带宽与分辨率选购。
所述的机械接口部分包括通用连接板、基座。通用连接板顶部环状结构可以用来粘接镜面，制作快速反射镜。环状结构上有螺纹孔，可以搭载激光发射头或电子发射枪。基座通过螺钉连接大地。基座、通用连接板根据需求设计。
本发明的优点及作用
(1）柔性铰链在实现两轴旋转刚度小的同时，最大限度地利用了铰链所占体积，提高抗扭刚度。
(2）柔性铰链可以提供两轴度级的转角，并且通过应变片直接测量变形提供两轴反馈，利于实现设备的小型化、轻量化。
(3）利用本发明制作快速反射镜、电子发射器的等所需高频、高精度、小角度转动的设备可以实现小型化与轻量化。
附图说明
图1是本发明的等轴测图
图2是本发明的剖视图
图3是柔性铰链结构示意图
图4是应变片粘贴位置与测量电桥示意图
具体实施方案
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明通过巧妙设计的柔性铰链，提供一种通用性的两轴旋转微动平台，以实现光电设备小型化与轻量化要求。基于柔性铰链的两轴微动平台包括：柔性铰链、驱动部分、转角反馈部分、机械接口部分。
所述的柔性铰链10由一块立方体的铍铜合金或钛合金经过4次线切割，得到四个方向对称的柔性部分A1、A2、B1、B2，如图3所示。矩形对角线的两个棱边通过弹性变形来得到相对此轴的运动，图中的A1-A2柔性部分产生相对Y轴的扭转；B1-B2柔性部分产生相对X轴的扭转。即A端相对于B端有两轴旋转自由度。柔性铰链的A端通过螺钉9与支柱7连接，支柱7通过螺钉8固定在基座4上；B端与通用连接板1通过过盈配合或AB胶粘接的方式连接。从而实现了基座4相对于通用连接板1的X、Y轴方向的扭转运动。螺钉型号是M2×6内六角螺钉，是市购产品；基座4是自主设计产品；通用连接板1是自主设计产品。柔性铰链是自主设计产品，根据需要设计柔性部分的宽度、长度。
所述驱动部分包括两个音圈电机永磁体2和线圈3、音圈电机驱动器、两个弹簧6、两个弹簧连接器5。微动平台X、Y轴分别通过“音圈电机-弹簧”的组合驱动，如图2所示。音圈电机驱动器在图中未给出。电机的永磁体2用AB胶粘接在通用连接板1底部，线圈3通过螺钉12固定在基座上。线圈3通过电流时产生磁场，永磁体2受力带动通用连接板1运动，永磁体2受推力或拉力取决于电流方向，受力大小取决于电流大小。弹簧6一端胶接在通用连接板1底部，另一端胶接在弹簧支柱5上，弹簧支柱5另一端通过外螺纹固定在基座4上。弹簧5刚度取决于放在微动平台上的载荷，其目的是在不上电时，使平台保持在所需位置。音圈电机型号为BEI LA08-10，是市购产品；音圈电机驱动器型号为PAC483，是市购产品；螺钉12型号是M3×6内六角螺钉，是市购产品；弹簧、弹簧连接器是根据载荷自主设计产品。
所述转角反馈部分包括8个电阻应变片11、动态电阻应变仪。动态电阻应变仪图中未给出。应变片11粘贴在柔性部分A1、A2、B1、B2的两个侧面测量应变，经计算获得转角反馈。具体粘贴位置见图4，图中展示了X轴4个应变片(RB11、RB12、RB21、RB22）的位置与测量电桥的连接方式。工作过程中，X轴柔性部分四个位置的应变关系如下：
ε＝εB11＝εB21＝-εB12＝-εB22
图4中电桥输出电压：
ΔUout＝KUε
其中ΔUout是输出电压的变化，U是输入电压，K是应变片系数，ε是应变。
Y轴反馈电路同理。电桥输出电压与转角的对应关系通过标定获得。应变片11型号是JSGS120-1-V2M，是市购产品；动态电阻应变仪型号是YD-28A，是市购产品。
所述的机械接口包括：通用连接板1、基座4。通用连接板1顶部环状结构可以用来粘接镜面，制作快速反射镜。环状结构上有M2螺纹孔，可以搭载激光发射头或电子发射枪。基座4有四个通孔，用于与大地相连。

Claims (4)

1.基于柔性铰链的两轴微动平台，其特征在于包括：柔性铰链、驱动部分、转角反馈部分、机械接口部分；它们的连接关系为：机械接口部分的基座固连大地，机械接口部分的通用连接板连接有效载荷，机械接口部分的基座与机械接口部分的通用连接板通过柔性铰链相连，驱动部分一端与机械接口部分的基座相连，另一端与机械接口部分的通用连接板相连，转角反馈部分的应变片粘贴在柔性铰链上；
所述的柔性铰链由一块立方体的铍铜合金或钛合金经过4次线切割获得，切割后剩余材料在矩形的四个棱边，对角线的两个棱边通过弹性变形来得到以此对角线为轴的扭转运动；依次将其分为A端与B端，即A端相对于B端有两轴旋转自由度；柔性铰链与基座和通用连接平台的位置连接关系为：柔性铰链的A端通过螺钉与支柱连接，支柱通过螺钉固定在基座上；B端与通用连接板通过过盈配合或胶接的方式连接；从而实现了基座相对于通用连接板的X、Y轴方向的扭转运动；通用连接板根据载荷设计，基座根据固定微动平台方式设计；柔性铰链的柔性部分的宽度、长度根据需求设计；
所述的驱动部分包括两个音圈电机、音圈电机驱动器、两个弹簧、两个弹簧连接器；微动平台X、Y轴分别通过“音圈电机-弹簧”的组合驱动；音圈电机的永磁体部分胶接在通用连接板底部，线圈通过螺钉固定在基座上；线圈通过电流时产生磁场，永磁体受力带动通用连接板运动；弹簧一端胶接在通用连接板底部，另一端胶接在弹簧支柱上，弹簧支柱另一端通过外螺纹固定在基座上；弹簧刚度取决于放在微动平台上的载荷，其目的是在不上电时，使平台保持在所需位置；音圈电机与驱动器根据需要选购；弹簧与弹簧连接器根据需要设计；
所述的转角反馈部分包括8个电阻应变片、动态电阻应变仪；由于此柔性铰链的柔性部分有一定面积的平面，可以粘贴应变片来获得转角反馈，X、Y轴各粘贴4个电阻应变片，通过“全桥”式电桥测量应变；柔性部分应变与转角的对应关系通过标定获得；电阻应变片根据所需分辨率选购；动态电阻应变仪根据控制带宽与分辨率选购；
所述的机械接口部分包括通用连接板、基座；通用连接板顶部环状结构可以用来粘接镜面，制作快速反射镜；环状结构上有螺纹孔，可以搭载激光发射头或电子发射枪；基座通过螺钉连接大地；基座、通用连接板根据需求设计。
2.如权利要求1所述的基于柔性铰链的两轴微动平台，其特征在于：所述的柔性铰链的切割形状是类似操场跑道的形状，剩余材料布置在立方体的四个棱边。
3.如权利要求1所述的基于柔性铰链的两轴微动平台，其特征在于：应变片粘贴位置是柔性铰链的柔性部分、测量转角的“全桥”电路与应变片连接对应关系。
4.如权利要求1所述的基于柔性铰链的两轴微动平台，其特征在于：X、Y轴分别通过“音圈电机-弹簧”组合驱动，调整弹簧刚度可使平台在不上电情况下保持在所需位置。
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