CN106812786A - 单自由度柔性铰链 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单自由度柔性铰链，包括基座，该基座正面设定位孔。该基座设通槽，该通槽包括L形槽、U形槽和横向槽，该U形槽两上端分别接通L形槽右端和横向槽左端，该横向槽右端通至基座右侧，通过通槽使基座形成有弹性悬空臂，该弹性悬空臂之朝左侧面凹设凹槽，该凹槽构成位移输入端，该U形槽之右侧部分构成保护间隙；该弹性悬空臂之正面上设有输出响应部。它具有如下优点：柔性铰链的连接位置在加载时不发生变形，保证铰链本身位置；自由铰链的位移输入使弹性悬空臂变形并转化为角度，通过输出响应部输出该角度，使该输出响应部输出角度与位移输入端的输入位移之间呈线性关系；保护间隙防止柔性铰链局部产生塑性变形或倾翻。

Description

单自由度柔性铰链
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单自由度柔性铰链。
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
本发明提供了单自由度柔性铰链，其克服了背景技术中单自由度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：
单自由度柔性铰链，包括基座10，该基座10的正面11左部设有用于安装柔性铰链的定位孔12；该基座10设贯穿正背面的通槽20，该通槽20包括一L形槽21、一U形槽22和一第一横向槽23，该U形槽22两上端分别接通L形槽21右端和第一横向槽23左端，该第一横向槽23右端通至基座10右侧，通过通槽20使基座10形成有一弹性悬空臂30，该弹性悬空臂30之朝左侧面凹设凹槽31，该凹槽31构成自由铰链位移输入端，该U形槽22之右侧部分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；该弹性悬空臂30之正面上设有输出响应部40；该自由铰链的位移输入使弹性悬空臂30变形并转化为角度，通过输出响应部40输出该角度，使该输出响应部40输出角度与位移输入端的输入位移之间呈线性关系。
该基座10的正面11左部中部沉设形成有阶梯台13，该定位孔12设在阶梯台13上。
该U形槽22之右侧部分下端右凹形成截面成三角形的三角槽221。
该通槽20还包括一侧Z形槽24和一第一竖槽25，该侧Z形槽24之下端接通L形槽21右端，该第一竖槽25下端接通第一横向槽23中部，该侧Z形槽24之两平行边竖直布置，且侧Z形槽24和第一竖槽25相隔。
该通槽20还包括一第二横向槽26和一侧L形槽27，该第二横向槽26间隔位于侧L形槽27之上。
该通槽20还包括一反L形槽28，该反L形槽28下端接通L形槽21上端。
该反L形槽28和侧L形槽27间隔布置。
该输出响应部40包括设在弹性悬空臂30的输出孔。
该基座10采用45号钢制造而成；该保护间隙的宽度为85μm。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
安装柔性铰链的定位孔设在左部，弹性悬空臂成型在基座的正面的右内部，柔性铰链的连接(固定安装)位置在加载时不发生变形，铰链工作时对连接位置并无影响，保证铰链本身的位置，连接位置对铰链的输入和输出位移的比例没有影响。通槽包括L形槽、U形槽和第一横向槽，U形槽两上端分别接通L形槽右端和第一横向槽左端，第一横向槽右端通至基座右侧，通过通槽使基座形成有弹性悬空臂，自由铰链的位移输入使弹性悬空臂变形并转化为角度，通过输出响应部输出该一较小的角度，输入位移在限定范围(保护间隙)内时，使该输出响应部输出角度与位移输入端的输入位移之间呈良好的线性关系。U形槽之右侧部分构成限制弹性悬空臂最大变形以起自锁功能的保护间隙，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。
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是单自由度柔性铰链的主视示意图。
图2是单自由度柔性铰链的左视示意图。
图3是铰链输出角度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，单自由度柔性铰链，包括基座10，该基座10采用45号钢制造而成。
该基座10的正面11左部设有用于安装柔性铰链的定位孔12，通过定位孔12固定安装柔性铰链；本实施例之中，该基座10的正面11左部中部沉设形成有阶梯台13，该定位孔12设在阶梯台13上。
该基座10设贯穿正背面的通槽20，该通槽20包括一L形槽21、一U形槽22和一第一横向槽23，该U形槽22两上端分别接通L形槽21右端和第一横向槽23左端，该第一横向槽23右端通至基座10右侧，通过通槽20使基座10形成有一弹性悬空臂30，该弹性悬空臂30之朝左侧面凹设凹槽31，该凹槽31构成自由铰链位移输入端，该U形槽22之右侧部分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，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。
该弹性悬空臂30之正面上设有输出响应部40，该输出响应部40包括设在弹性悬空臂30的输出孔。该自由铰链的位移输入使弹性悬空臂30变形并转化为角度，通过输出响应部40输出该一较小的角度，输入位移在限定范围(保护间隙)内时，使该输出响应部40输出角度与位移输入端的输入位移之间呈良好的线性关系。
该定位孔12设在基座10的正面11左部，弹性悬空臂30成型在基座10的正面的右内部，柔性铰链的连接(固定安装)位置在加载时不发生变形，铰链工作时对连接位置并无影响，保证铰链本身的位置，连接位置对铰链的输入和输出位移的比例没有影响。
一较佳实施例之中：该U形槽22之右侧部分下端右凹形成截面成三角形的三角槽221，以增加防塑性变形及防倾翻的性能。该通槽20还包括一侧Z形槽24、一第一竖槽25、一第二横向槽26、一侧L形槽27和一反L形槽28。该侧Z形槽24之下端接通L形槽21右端，该第一竖槽25下端接通第一横向槽23中部，该侧Z形槽24之两平行边竖直布置，且侧Z形槽24和第一竖槽25相隔。该第二横向槽26间隔位于侧L形槽27之上。该反L形槽28下端接通L形槽21上端。该反L形槽28和侧L形槽27间隔布置。通过上述结构使自锁功能效果更佳，连接位置不变形的性能效果更好，线性性能效果更好。
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，得出的输入输出如图3所示。同时可以得出，该柔性铰链输出输入比为2.180E-3°/μm，其线性度误差小于0.1％。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位移输入面(凹槽31)处，在保证此处最大应力不超过材料屈服极限的前提下，控制最大输入位移不超过85μm，因此保护间隙设计为85μm。
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 (9)

1.单自由度柔性铰链，包括基座(10)，其特征在于：该基座(10)的正面(11)左部设有用于安装柔性铰链的定位孔(12)；该基座(10)设贯穿正背面的通槽(20)，该通槽(20)包括一L形槽(21)、一U形槽(22)和一第一横向槽(23)，该U形槽(22)两上端分别接通L形槽(21)右端和第一横向槽(23)左端，该第一横向槽(23)右端通至基座(10)右侧，通过通槽(20)使基座(10)形成有一弹性悬空臂(30)，该弹性悬空臂(30)之朝左侧面凹设凹槽(31)，该凹槽(31)构成自由铰链位移输入端，该U形槽(22)之右侧部分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；该弹性悬空臂(30)之正面上设有输出响应部(40)；该自由铰链的位移输入使弹性悬空臂(30)变形并转化为角度，通过输出响应部(40)输出该角度，使该输出响应部(40)输出角度与位移输入端的输入位移之间呈线性关系。
2.根据权利要求1所述的单自由度柔性铰链，其特征在于：该基座(10)的正面(11)左部中部沉设形成有阶梯台(13)，该定位孔(12)设在阶梯台(13)上。
3.根据权利要求1所述的单自由度柔性铰链，其特征在于：该U形槽(22)之右侧部分下端右凹形成截面成三角形的三角槽(221)。
4.根据权利要求1或2或3所述的单自由度柔性铰链，其特征在于：该通槽(20)还包括一侧Z形槽(24)和一第一竖槽(25)，该侧Z形槽(24)之下端接通L形槽(21)右端，该第一竖槽(25)下端接通第一横向槽(23)中部，该侧Z形槽(24)之两平行边竖直布置，且侧Z形槽(24)和第一竖槽(25)相隔。
5.根据权利要求1或2或3所述的单自由度柔性铰链，其特征在于：该通槽(20)还包括一第二横向槽(26)和一侧L形槽(27)，该第二横向槽(26)间隔位于侧L形槽(27)之上。
6.根据权利要求5所述的单自由度柔性铰链，其特征在于：该通槽(20)还包括一反L形槽(28)，该反L形槽(28)下端接通L形槽(21)上端。
7.根据权利要求6所述的单自由度柔性铰链，其特征在于：该反L形槽(28)和侧L形槽(27)间隔布置。
8.根据权利要求1或2或3所述的单自由度柔性铰链，其特征在于：该输出响应部(40)包括设在弹性悬空臂(30)的输出孔。
9.根据权利要求1或2或3所述的带有自锁功能的单自由度柔性铰链，其特征在于：该基座(10)采用45号钢制造而成；该保护间隙的宽度为85μm。
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