CN107414477B - 一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，包括桥型位移放大机构、杠杆放大机构、SR位移放大机构和基体，桥型位移放大机构设有可移动的上横梁和下横梁、连接上横梁和下横梁的左侧四连杆机构和右侧四连杆机构，左侧四连杆机构和右侧四连杆机构均采用柔性铰链Ⅰ连接形成，下横梁的两端分别设有一个与基体连接的柔性平行双板机构Ⅰ；上横梁和下横梁之间设有压电陶瓷驱动器Ⅰ；在桥型位移放大机构的左侧设有由柔性铰链Ⅱ连接形成的平行四边形机构；平行四边形机构的输出端上形成有与平行四边形机构相垂直的连接梁，所述连接梁上设有钳口。本发明具有高精度、响应速度快、制造成本低等特点。
Description
技术领域
本发明属于微器件封装领域，特别是涉及一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器。
背景技术
极化保持纤维(PMOF)是一种专门用于传输线偏振光的特殊纤维。与普通纤维不同，通常在两个光纤维之间存在一个角度误差，为保证光透射的有效性，在装配时需要将两个PMOFs进行旋转对准。到目前为止，PMOF的组装过程仍然主要依靠人工进行精细操作，生产成本高并且不适合大批量生产。
目前存在的微操作夹持器大致可以分为单自由度和二自由度两类：对于单自由度微操作夹持器，只能实现简单的抓放动作，无法满足将PMOF旋转一个角度的需求；目前存在的二自由度微操作夹持器通常具有复杂的结构、较大的体积，仍然停留在学术研究阶段，即使可以使PMOF发生旋转，但无法保证PMOF的精确定位。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种压电驱动式二自由度高精度微操作
夹持器，该夹持器具有高精度、响应速度快、制造成本低等特点
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，所述微操作夹持器通过板材线切割一体成型，包括桥型位移放大机构、杠杆放大机构、SR位移放大机构和基体，所述桥型位移放大机构设有可移动的上横梁和下横梁、连接上横梁和下横梁的左侧四连杆机构和右侧四连杆机构，所述左侧四连杆机构和右侧四连杆机构均采用柔性铰链Ⅰ连接形成，所述下横梁的两端分别设有一个与所述基体连接的柔性平行双板机构Ⅰ；
所述上横梁和下横梁之间设有压电陶瓷驱动器Ⅰ，所述压电陶瓷驱动器Ⅰ的纵向中心线与所述桥型位移放大机构的中心线重合，所述压电陶瓷驱动器Ⅰ设有预紧螺栓，所述预紧螺栓与所述下横梁相连；在所述桥型位移放大机构的左侧设有由柔性铰链Ⅱ连接形成的平行四边形机构；所述平行四边形机构的输出端上形成有与平行四边形机构相垂直的连接梁，所述连接梁上设有钳口，所述桥型位移放大机构的输出端与所述平行四边形机构的输入端通过柔性铰链Ⅲ连接。
所述杠杆放大机构与所述基体采用柔性铰链Ⅳ连接，在所述杠杆放大机构的两端设有输入端和输出端，所述杠杆放大机构的输入端连接有压电陶瓷驱动器Ⅱ；所述SR位移放大机构的输入端与所述杠杆放大机构的输出端通过柔性铰链Ⅴ连接；所述SR位移放大机构设有一个横向的杆件和一个L型杆件，所述SR位移放大机构各杆件通过柔性铰链Ⅵ连接，SR位移放大机构的输出端与钳口通过柔性铰链Ⅶ连接；钳口的侧面设有一个与所述基体连接的柔性平行双板机构Ⅱ。
进一步的，所述桥型位移放大机构的输出端分别位于左侧四连杆机构和右侧四连杆机构上，右侧四连杆机构的输出端通过螺钉与基体连接。
进一步的，所述平行四边形机构的输出端和输入端分别设置在远离和靠近所述基体的端部。
进一步的，所述连接梁为柔性梁且粘贴有金属应变片。
进一步的，所述基体上设有定位孔。
进一步的，所述微操作夹持器为非对称结构，以使其结构紧凑。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明采用非对称结构设计可以使微操作夹持器结构紧凑。采用压电陶瓷驱动器作为微操作夹持器的驱动源，可以明显降低线夹整体质量和运动惯量。采用平行四边形机构实现左端钳口沿X轴方向运动，能够避免由于夹持分力引起PMOFs松动，能够提高微操作夹持器的稳定性和精度。通过在下端可动梁两端布置柔性平行双板机构来保证桥型放大器可动梁沿Y轴方向运动，从而保证在急启急停情况下钳口的运动精度。采用桥型位移放大机构与平行四边形机构两级放大机构，使微操作夹持器在X轴方向具有较大张合量，能够实现对不同直径PMOFs的夹持。通过采用杠杆放大机构和SR位移放大机构两级放大机构，使右端钳口在Y轴方向具有较大位移量，能够使PMOFs旋转较大角度。钳口与基体间采用柔性平行双板机构Ⅱ连接，可以保证右端钳口沿Y轴运动。采用金属应变片作为微操作夹持器夹持力的反馈元件，能够实现夹持力的测量与实时反馈，从而提高封装过程中微操作夹持器工作的稳定性。采用一体成型结构，不需要贵重材料，制作成本低。综上所述，本发明体积小、结构紧凑、制造成本低，具有较大的位移放大倍数，能够实现加持力的测量与反馈，能够适用于PMOFs装配设备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的部分结构示意图，包含基体和桥型位移放大机构；
图3为本发明的部分结构示意图，包含基体、杠杆放大机构和SR位移放大机构；
图4为本发明的部分结构示意图，包括基体、平行四边形机构和钳口；
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图4，本发明实施例保护一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，该夹持器是采用板材线切割一体成型的，包括桥型位移放大机构2、SR位移放大机构5，杠杆放大机构7和基体8，桥型位移放大机构2和SR位移放大机构5、杠杆放大机构7分布在中心线两侧，为非对称式结构。
桥型位移放大机构2分布在机构的左侧，设有与X轴平行的两个可动的上横梁2-2、下横梁2-4和连接两个横梁的两个四连杆机构2-1、2-3，四连杆机构2-1和2-3是采用柔性铰链Ⅰ2-5连接形成的，在四连杆机构2-1的外侧各设有一个桥型位移放大机构的输出端；在四连杆机构2-3的输出端与基体8连接，通过螺栓与机体固定；下横梁2-4的两端各形成有一个与基体8连接的柔性平行双板机构Ⅰ11；在上横梁2-2和下横梁2-4之间设有压电陶瓷驱动器Ⅰ12，压电陶瓷驱动器Ⅰ12设有预紧螺栓10，预紧螺栓10连接在可动横梁2-4上。本发明通过在下横梁2-4的两端形成与基体8连接的柔性平行双板机构Ⅰ11，来保证下横梁2-4沿Y轴平动，从而保证夹持器在急启急停情况下钳口的运动精度。
在基体8的一侧形成有一个平行四边形机构1，平行四边形机构1位于桥型位移放大机构2的左侧。平行四边形机构1上设有输出端和输入端，平行四边形机构的输出端设置在其远离基体8的端部，平行四边形机构的输入端设置在其内侧靠近基体8的部位，本实施例中平行四边形机构与基体8通过铰链1-2连接，远离基体8一端指靠近钳口4那端，靠近基体8一端指通过铰链1-1与四连杆机构相连的一端；平行四边形机构1是采用柔性铰链Ⅱ1-2连接形成的，在平行四边形机构的输出端上形成有与其垂直的连接梁6，在连接梁6远离基体8的端部上形成有钳口4。
桥型位移放大机构的输出端与位于其外侧的平行四边形机构的输入端通过柔性铰链Ⅲ1-1连接。
杠杆放大机构7和SR位移放大机构5分布在机构右侧，杠杆放大机构7由L型杆件7-1构成，杠杆放大机构7与基体8采用柔性铰链Ⅳ7-2连接，在杠杆放大机构7的输入端设有压电陶瓷驱动器Ⅱ9，压电陶瓷驱动器Ⅱ9由外部设备预紧；杠杆放大机构7的输出端与SR位移放大机构5的输入端采用柔性铰链Ⅴ5-5连接；SR位移放大机构5设有L型杆件5-4和平行于X轴的杆件5-2，L型杆件5-4和平行于X轴杆件5-2之间采用柔性铰链Ⅵ5-3连接；L型杆件5-4的末端设有SR位移放大机构5的输出端，通过柔性铰链Ⅶ5-6与右端钳口连接；SR位移放大机构5与基体8采用柔性铰链5-1连接；钳口4采用柔性平行双板机构Ⅱ13与基体8连接。
本发明采用非对称结构，能够使夹持器结构紧凑。为了保证微操作夹持器的加工精度，平行四边形机构1、桥型位移放大机构2、钳口4、SR位移放大机构5、杠杆放大机构7、基体8和全部柔性铰链采用一体成型结构。平行四边形机构1是由呈长方形排列的四个柔性铰链Ⅱ1-2连接形成的。
在本实施例中，连接梁为柔性梁，在柔性梁上粘贴有金属应变片3。当钳口4夹紧PMOFs时，柔性梁会产生柔性变形，通过测量金属应变片3的输出量可以实现夹持力的测量与反馈，进而通过控制压电陶瓷驱动器Ⅰ12的输入信号，可以实现对夹持力的控制。在柔性梁的两端内侧均形成有过渡圆弧结构，用以消除柔性梁在变形中产生的应力集中现象。
本发明的工作原理：
请参阅图1～图4，本发明在使用时，将基体8固定在机体上。当在压电陶瓷驱动器Ⅰ12和压电陶瓷驱动器Ⅱ9的两端施加驱动电压时，压电陶瓷驱动器Ⅰ12和压电陶瓷驱动器Ⅱ9将伸长。压电陶瓷驱动器Ⅰ12驱动桥型位移放大机构2中的上横梁2-2和下2-4，可动横梁2-4在柔性平行双板机构Ⅰ11的约束下沿Y轴向下平动、四连杆机构2-1的输出端向内侧平移，桥型位移放大机构2将压电陶瓷驱动器Ⅰ12的输出位移进行放大，拉动柔性铰链Ⅲ1-1，带动平行四边形机构1运动，平行四边形机构1通过柔性梁带动钳口4实现X方向运动，实现钳口4闭合以夹紧引线。当撤掉压电陶瓷驱动器5两端的驱动电压后，压电陶瓷驱动器Ⅰ12将恢复至原长，微操作夹持器在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置，钳口4张开从而释放PMOFs。压电陶瓷驱动器Ⅱ9驱动杠杆放大结构7绕柔性铰链Ⅳ7-2逆时针转动，杠杆放大机构输出端将产生一个沿X轴方向的位移，拉动柔性铰链Ⅴ5-5，带动SR位移放大机构5运动，SR位移放大机构5通过柔性铰链Ⅶ5-6带动钳口4沿Y方向运动，以实现PMOFs的旋转运动。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，其特征在于，所述微操作夹持器通过板材线切割一体成型，包括桥型位移放大机构、杠杆放大机构、SR位移放大机构和基体，所述桥型位移放大机构设有可移动的上横梁和下横梁、连接上横梁和下横梁的左侧四连杆机构和右侧四连杆机构，所述左侧四连杆机构和右侧四连杆机构均采用柔性铰链Ⅰ连接形成，所述下横梁的两端分别设有一个与所述基体连接的柔性平行双板机构Ⅰ；
所述上横梁和下横梁之间设有压电陶瓷驱动器Ⅰ，所述压电陶瓷驱动器Ⅰ的纵向中心线与所述桥型位移放大机构的中心线重合，所述压电陶瓷驱动器Ⅰ设有预紧螺栓，所述预紧螺栓与所述下横梁相连；在所述桥型位移放大机构的左侧设有由柔性铰链Ⅱ连接形成的平行四边形机构；所述平行四边形机构的输出端上形成有与平行四边形机构相垂直的连接梁，所述连接梁上设有钳口，所述桥型位移放大机构的输出端与所述平行四边形机构的输入端通过柔性铰链Ⅲ连接；
所述杠杆放大机构与所述基体采用柔性铰链Ⅳ连接，在所述杠杆放大机构的两端设有输入端和输出端，所述杠杆放大机构的输入端连接有压电陶瓷驱动器Ⅱ；所述SR位移放大机构的输入端与所述杠杆放大机构的输出端通过柔性铰链Ⅴ连接；所述SR位移放大机构设有一个横向的杆件和一个L型杆件，所述SR位移放大机构各杆件通过柔性铰链Ⅵ连接，SR位移放大机构的输出端与钳口通过柔性铰链Ⅶ连接；钳口的侧面设有一个与所述基体连接的柔性平行双板机构Ⅱ。
2.根据权利要求1所述一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，其特征在于，所述桥型位移放大机构的输出端分别位于左侧四连杆机构和右侧四连杆机构上，右侧四连杆机构的输出端通过螺钉与基体连接。
3.根据权利要求1所述一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，其特征在于，平行四边形机构的输出端设置在其远离基体的端部，平行四边形机构的输入端设置在靠近基体的端部。
4.根据权利要求1所述一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，其特征在于，所述连接梁为柔性梁且粘贴有金属应变片。
5.根据权利要求1所述一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，其特征在于，所述基体上设有定位孔。
6.根据权利要求1所述一种压电驱动式二自由度高精度微操作夹持器，其特征在于，所述微操作夹持器为非对称结构，以使其结构紧凑。
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