CN106763141A - 带有自锁功能的两自由度柔性铰链 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有自锁功能的两自由度柔性铰链，包括基座，该基座正面中心部位设有定位孔；该基座开设有两个通槽，通过通槽使基座具有两分别被两通槽包围的弹性悬空臂，该一弹性悬空臂自由状态下沿X向布置且设有自由铰链X向的位移输入，该另一弹性悬空臂自由状态下沿Y向布置且设有自由铰链Y向的位移输入。可以将一定范围内X、Y两个自由度方向上的位移，线性缩小后输出，且两个自由度位移相互独立。通过设计保证柔性铰链的安装位置在加载时不发生变形。通过柔性铰链内部间隙的设计保证柔性铰链在发生塑性变形之前在其内部实现自锁，避免柔性铰链的塑性变形失效，提高柔性铰链的使用寿命。

Description

带有自锁功能的两自由度柔性铰链
技术领域
本发明涉及柔性铰链设计领域，尤其涉及一种带有自锁功能的两自由度柔性铰链。
背景技术
在微型机械、半导体光刻、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域，需要高性能的超精密定位工作台作为技术支持。超精密定位工作台的定位精度(输出位移)往往达到亚微米量级，因此要有相应精度的驱动部件，驱动部件的设计、制造成本都限制了超精密定位工作台的使用。柔性铰链作为一种位移的线性缩放机构，可以将输入位移等比例放大或缩小。由于柔性铰链发生的是弹性变形，因此放大或缩小比例的线性度好，可以将其用在定位工作台上，就可以用较低精度的驱动部件，通过位移等比例缩小，得到较高的控制精度。同时柔性铰链结构紧凑、体积小，可以做到无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率，如专利CN102705661A、CN102490021A、CN101837586A、CN101770182A、CN1669744等公开的技术，都涉及到使用柔性铰链的微位移工作台，并且公开了机械式、压电陶瓷式等不同的位移驱动方式及其控制反馈方式。
但是已有公开专利技术中对柔性铰链的性能要求不高，很少关注柔性铰链连接对其设计性能的影响，没有对柔性铰链的塑性变形失效提出有效的限制方法。
发明内容
本发明提供了一种带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其克服了背景技术中柔性铰链所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
带有自锁功能的两自由度柔性铰链，包括基座10，该基座10正面中心部位设有用于安装柔性铰链的定位孔11；该基座10开设有两个贯穿正背面的通槽20，通过通槽20使基座10具有两分别被两通槽20包围的弹性悬空臂30，该一弹性悬空臂30自由状态下沿X向布置且该一弹性悬空臂30上设有自由铰链X向的位移输入，该另一弹性悬空臂30自由状态下沿Y向布置且该另一弹性悬空臂30上设有自由铰链Y向的位移输入；该通槽20的槽壁具有一对应弹性悬空臂30悬空端部且朝向位移输入的支撑壁，该自由状态下悬空臂30的悬空端部和支撑壁间隔，该间隔构成限制弹性悬空臂30最大变形以起自锁功能的保护间隙；该基座10顶面凹设有贯穿正背面的矩形槽12，该矩形槽12之对应X向的一侧面为X向的输出面，对应Y向的一侧面为Y向的输出面；将弹性悬空臂30上的X、Y两向上的输入位移线性缩小，并通过输出面同向输出，在柔性铰链发生弹性变形的范围内，输入输出位移呈现线性关系。
一实施例之中：该基座10开设有两个贯穿正背面的第一间隔槽41，该一第一间隔槽41间隔设在一通槽20和定位孔11之间，该另一第一间隔槽41间隔设在另一通槽20和定位孔11之间。
一实施例之中：该基座10开设有一个贯穿正背面的第二间隔槽42，该第二间隔槽42呈L形且两端分别与两第一间隔槽41间隔，该第二间隔槽42和两第一间隔槽41将定位孔11围在中间。
一实施例之中：还包括两第三间隔槽43，该第三间隔槽43相对定位孔11位于该第一间隔槽41和第二间隔槽42的间隔之外。
一实施例之中：还包括两间隔布置成L形的第四间隔槽44，该第四间隔槽44相对定位孔11位于该第二间隔槽42之外。
一实施例之中：该通槽20包括一输入槽21、一第一侧L形槽22、一U形槽23、一让位槽24和一第二侧L形槽25；该输入槽21一端接通第一侧L形槽22一端，该输入槽21另一端接通U形槽23一端使U形槽23开口朝向侧L形槽22；该U形槽23另一端接通让位槽24，该第二侧L形槽25一端也接通让位槽24，且U形槽23和第二侧L形槽25分别位于让位槽24两侧，该U形槽23之朝向输入的槽壁为上述的支撑壁。
一实施例之中：还包括一L形槽26，该L形槽26两端分别接通两通槽20的让位槽24。
一实施例之中：该基座10采用45号钢制造而成；该X向的保护间隙的宽度为8μm，Y向的保护间隙的宽度为16μm。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
可以将一定范围内X、Y两个自由度方向上的位移，线性缩小后输出，且两个自由度位移相互独立。输入X(Y)向位移时，Y(X)向的输出位移保持不变。通过设计保证柔性铰链的连接(固定安装)位置在加载时不发生变形(连接位置对铰链的输入和输出位移的比例没有影响)，另外通过柔性铰链内部间隙的设计保证柔性铰链在发生塑性变形之前在其内部实现自锁，避免柔性铰链的塑性变形失效，提高柔性铰链的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是两自由度柔性铰链的主视示意图。
图2是两自由度柔性铰链的左视示意图。
图3是铰链X向输出与输入位移的关系的示意图。
图4是铰链Y向输出与输入位移的关系的示意图。
具体实施方式
请查阅图1和图2，带有自锁功能的两自由度柔性铰链，包括基座10，该基座10采用45号钢制造而成。该基座10正面中心部位设有用于安装柔性铰链的定位孔11，通过定位孔11固定装接柔性铰链。
该基座10开设有两个贯穿正背面的通槽20，通过通槽20使基座10具有两分别被两通槽20包围的弹性悬空臂30，该一弹性悬空臂30自由状态下沿X向布置且该一弹性悬空臂30上设有自由铰链X向的位移输入，该另一弹性悬空臂30自由状态下沿Y向布置且该另一弹性悬空臂30上设有自由铰链Y向的位移输入；该通槽20的槽壁具有一对应弹性悬空臂30悬空端部且朝向位移输入的支撑壁，该自由状态下悬空臂30的悬空端部和支撑壁间隔，该间隔构成限制弹性悬空臂30最大变形以起自锁功能的保护间隙。在铰链内部设有保护间隙，保证柔性铰链在发生塑性变形之前自锁，防止操作失误等原因而引发柔性铰链局部产生不可恢复的塑性变形，或者所定位工件由于位移过大而产生的倾翻。
该基座10顶面凹设有贯穿正背面的矩形槽12，该矩形槽12之对应X向的一侧面为X向的输出面，对应Y向的一侧面为Y向的输出面；将弹性悬空臂30上的X、Y两向上的输入位移线性缩小，并通过输出面同向输出，在柔性铰链发生弹性变形的范围内，输入输出位移呈现良好的线性关系。
该基座10开设有两个贯穿正背面的第一间隔槽41，该一第一间隔槽41间隔设在一通槽20和定位孔11之间，该另一第一间隔槽41间隔设在另一通槽20和定位孔11之间。通过间隔槽间隔，一者避免X、Y两向加载时，加载过程中X(Y)方向输出位移受Y(X)方向加载影响，另一者，柔性铰链的连接(固定安装)位置在加载时不发生变形，连接位置对铰链的输入和输出位移的比例没有影响。该基座10开设有一个贯穿正背面的第二间隔槽42，该第二间隔槽42呈L形且两端分别与两第一间隔槽41间隔，该第二间隔槽42和两第一间隔槽41将定位孔11围在中间。设置第二间隔槽使上述的避免X向Y向相互影响及铰链安装受输入影响的效果更好。还包括两第三间隔槽43，该第三间隔槽43相对定位孔11位于该第一间隔槽41和第二间隔槽42的间隔之外。还包括两间隔布置成L形的第四间隔槽44，该第四间隔槽44相对定位孔11位于该第二间隔槽42之外。
该通槽20包括一输入槽21、一第一侧L形槽22、一U形槽23、一让位槽24、一第二侧L形槽25和一L形槽26；该输入槽21一端接通第一侧L形槽22一端，该输入槽21另一端接通U形槽23一端使U形槽23开口朝向侧L形槽22；该U形槽23另一端接通让位槽24，该第二侧L形槽25一端也接通让位槽24，且U形槽23和第二侧L形槽25分别位于让位槽24两侧，该U形槽23之朝向输入的槽壁为上述的支撑壁。该L形槽26两端分别接通两通槽20的让位槽24以将两通槽连接在一起。通过上述通槽的具体结构避免X向Y向输入相互影响。
铰链的最大承载位移与铰链所采用的材料屈服强度相关，以45号钢为例，其弹性模量为206GPa，利用ANSYS仿真软件的分析，得出的输入输出位移如图3、图4所示。同时可以得出，X方向上的输出输入位移比为0.137μm/μm，Y方向上的输出输入位移比为0.286μm/μm，误差均在0.1％以内。从ANSYS仿真的应力云图中可以看出，铰链在工作时承受应力最大位置在铰链X、Y向位移输入面处，在保证此处最大应力不超过材料屈服极限的前提下，控制最大X向输入位移不超过16μm，即X向保护间隙设计为8μm，Y向输入位移不超过8μm，即Y向保护间隙设计为16μm。使用时：优先推荐先加载Y向位移，再加载X向位移，可以使铰链达到更高的位移输出精度。
用于安装柔性铰链的定位孔11设在基座10正面中心部位，柔性铰链的位移输入输出部分设置在连接(固定安装)位置的四周，铰链工作时中心部位的连接(固定安装)位置不会发生位移变化。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.带有自锁功能的两自由度柔性铰链，包括基座(10)，其特征在于：该基座(10)正面中心部位设有用于安装柔性铰链的定位孔(11)；该基座(10)开设有两个贯穿正背面的通槽(20)，通过通槽(20)使基座(10)具有两分别被两通槽(20)包围的弹性悬空臂(30)，该一弹性悬空臂(30)自由状态下沿X向布置且该一弹性悬空臂(30)上设有自由铰链X向的位移输入，该另一弹性悬空臂(30)自由状态下沿Y向布置且该另一弹性悬空臂(30)上设有自由铰链Y向的位移输入；该通槽(20)的槽壁具有一对应弹性悬空臂(30)悬空端部且朝向位移输入的支撑壁，该自由状态下悬空臂(30)的悬空端部和支撑壁间隔，该间隔构成限制弹性悬空臂(30)最大变形以起自锁功能的保护间隙；该基座(10)顶面凹设有贯穿正背面的矩形槽(12)，该矩形槽(12)之对应X向的一侧面为X向的输出面，对应Y向的一侧面为Y向的输出面；将弹性悬空臂(30)上的X、Y两向上的输入位移线性缩小，并通过输出面同向输出，在柔性铰链发生弹性变形的范围内，输入输出位移呈现线性关系。
2.根据权利要求1所述的带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其特征在于：该基座(10)开设有两个贯穿正背面的第一间隔槽(41)，该一第一间隔槽(41)间隔设在一通槽(20)和定位孔(11)之间，该另一第一间隔槽(41)间隔设在另一通槽(20)和定位孔(11)之间。
3.根据权利要求2所述的带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其特征在于：该基座(10)开设有一个贯穿正背面的第二间隔槽(42)，该第二间隔槽(42)呈L形且两端分别与两第一间隔槽(41)间隔，该第二间隔槽(42)和两第一间隔槽(41)将定位孔(11)围在中间。
4.根据权利要求3所述的带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其特征在于：还包括两第三间隔槽(43)，该第三间隔槽(43)相对定位孔(11)位于该第一间隔槽(41)和第二间隔槽(42)的间隔之外。
5.根据权利要求3所述的带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其特征在于：还包括两间隔布置成L形的第四间隔槽(44)，该第四间隔槽(44)相对定位孔(11)位于该第二间隔槽(42)之外。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其特征在于：该通槽(20)包括一输入槽(21)、一第一侧L形槽(22)、一U形槽(23)、一让位槽(24)和一第二侧L形槽(25)；该输入槽(21)一端接通第一侧L形槽(22)一端，该输入槽(21)另一端接通U形槽(23)一端使U形槽(23)开口朝向侧L形槽(22)；该U形槽(23)另一端接通让位槽(24)，该第二侧L形槽(25)一端也接通让位槽(24)，且U形槽(23)和第二侧L形槽(25)分别位于让位槽(24)两侧，该U形槽(23)之朝向输入的槽壁为上述的支撑壁。
7.根据权利要求6所述的带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其特征在于：还包括一L形槽(26)，该L形槽(26)两端分别接通两通槽(20)的让位槽(24)。
8.根据权利要求2或3或4或5或6所述的带有自锁功能的两自由度柔性铰链，其特征在于：该基座(10)采用45号钢制造而成；该X向的保护间隙的宽度为8μm，Y向的保护间隙的宽度为16μm。
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