CN110064956B - 一种微位移驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微位移驱动机构，包括框架以及设置在所述框架中的第一柔性铰链机构和第二柔性铰链机构，所述第一柔性铰链机构的第一端固定连接在所述框架上、第二端可拆卸固定连接在所述框架上，所述第二柔性铰链机构位于所述第一柔性铰链机构下方且固定连接在所述框架上，第一驱动器的上端相对所述框架固定、下端接触所述第一柔性铰链机构，第二驱动器的上端相对所述第一柔性铰链机构固定、下端接触所述第二柔性铰链机构，所述第二柔性铰链机构下侧与刀具相连。上述微位移驱动机构能够实现多种位移输出方式，满足了高频率、高速度和高精度的加工要求，灵活控制输出方式，满足了不同加工方式的需求。

Description

一种微位移驱动机构

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别涉及一种微位移驱动机构。

背景技术

微位移输出机构被广泛用于超精密加工领域，具有高频响、高精度等特点，微位移输出机构与金刚石刀具结合广泛应用于切削、磨削、微冲压等超精密加工中，用来加工各种微结构，在加工复杂型面的密集阵列微结构零件上具有特别的优势，是一种非常有效的超精密加工方式。

压电陶瓷和柔性铰链相互配合是微位移输出机构的主要类型之一，压电陶瓷受电压激发产生位移，位移作用于柔性铰链之上使刀具产生进给，当激励电压消失时，压电陶瓷作用力消失，柔性铰链迅速回弹，完成一次快速进给。压电陶瓷具有响应快、输出能力强、应变力大、功率密度高的优点。但是由于压电陶瓷本身材料性质的限制，压电陶瓷的进给量不大，因此，如何能够提供一种具有多种微位移输出方式并可针对不同使用场合灵活选择以满足多种加工需求的微位移驱动机构是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微位移驱动机构，通过利用第一柔性铰链机构的杠杆放大原理和第二柔性铰链机构，以实现柔性铰链机构的单一位移输出方式或叠加位移输出方式，实现了高频率、高速度、高精度和灵活控制输出方式的加工要求，满足了不同加工方式的需求。

为实现上述目的，本发明提供一种微位移驱动机构，包括框架以及横向设置在所述框架中的第一柔性铰链机构和第二柔性铰链机构，所述第一柔性铰链机构的第一端固定连接在所述框架上、第二端可拆卸固定连接在所述框架上，所述第二柔性铰链机构位于所述第一柔性铰链机构下方且固定连接在所述框架上，第一驱动器的上端相对所述框架固定、下端接触所述第一柔性铰链机构，第二驱动器的上端相对所述第一柔性铰链机构固定、下端接触所述第二柔性铰链机构，所述第二驱动器的竖直轴线位于所述第一驱动器的竖直轴线与所述第一柔性铰链机构的第二端之间，所述第二柔性铰链机构的下侧设有用以实现位移输出的刀具。

优选地，所述第一柔性铰链机构包括竖向延伸的固定连块和横向延伸的动态连杆，所述动态连杆包括连接端和自由端，所述固定连块和所述动态连杆的连接端之间设有柔性铰链，所述固定连块与所述框架固定连接。

优选地，还包括相对所述框架固定的用于供限位滑块滑动的限位滑块导轨，所述限位滑块设有可供所述动态连杆的自由端贴合的槽口以实现所述第一柔性铰链机构第二端的可拆卸固定连接。

优选地，所述动态连杆上设有半球状的第一限位槽，所述第一限位槽的凹槽半径大于所述第一驱动器的底端半径。

优选地，所述第二柔性铰链机构包括上下平行设置的设有柔性铰链的横向延伸段和设于所述横向延伸段之间、用以实现所述第二驱动器向所述刀具传递进给位移的动块。

优选地，两个所述横向延伸段上分别均匀设置四处圆弧半径大小相同的所述柔性铰链。

优选地，所述第二柔性铰链机构还包括左右平行设置的用以实现与所述横向延伸段连接的柔性铰链紧固块，所述第二柔性铰链机构一体化设置，所述动块位于中心对称线上。

优选地，所述第二柔性铰链机构下侧设有相对固定的刀座，所述刀具在所述刀座中固定连接。

优选地，所述第一驱动器具体为第一压电陶瓷驱动器，所述第二驱动器具体为第二压电陶瓷驱动器。

优选地，所述第一压电陶瓷驱动器与所述框架之间、所述第二压电陶瓷驱动器与所述第一柔性铰链机构之间均设有预紧螺钉。

相对于上述背景技术，本发明所提供的微位移驱动机构包括框架和设置在框架中的第一柔性铰链机构和第二柔性铰链机构，第一柔性铰链机构的第一端与框架固定连接，第二端与框架可拆卸固定连接，第二柔性铰链机构位于第一柔性铰链机构下方且与框架固定连接，第一驱动器的上端固定在框架上、下端接触第一柔性铰链机构，第二驱动器的上端固定在第一柔性铰链机构上、下端接触第二柔性铰链机构，第二柔性铰链机构下侧设有刀具，该微位移驱动机构中的第一柔性铰链机构通过一端固定、另一端自由的杠杆原理，仅由第一驱动器输出的位移在第一柔性铰链机构中放大并通过第二驱动器和第二柔性铰链机构传递至刀具，第二驱动器输出的位移在第二柔性铰链机构中无放大作用的传递至刀具，因此，通过第一柔性铰链机构和第一柔性铰链机构，第一驱动器的单独输出位移呈放大以驱动刀具，第二驱动器的单独输出位移呈不变以驱动刀具，第一驱动器和第二驱动器的叠加输出位移产生更大的输出位移以驱动刀具，该微位移驱动机构具有多种微位移输出方式，根据不同使用场合灵活选择，能够满足多种加工需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微位移驱动机构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第一柔性铰链机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第二柔性铰链机构的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的框架的结构示意图。

其中：

1-第一驱动器、2-第一柔性铰链机构、3-动态连杆、4-限位滑块、5-限位紧固螺钉、6-第二驱动器、7-动块、8-第二柔性铰链机构、9-刀座、10-刀具、11-预紧螺钉、12-刀座紧固螺钉、13-柔性铰链紧固螺钉、14-第二预紧螺纹孔、15-第一限位槽、16-第一柔性铰链固定孔、17-第二柔性铰链固定孔、18-刀座固定螺纹孔、19-柔性铰链紧固块、20-限位螺纹孔、21-限位滑块导轨、22-行程限制块、23-框架下横梁、24-第一预紧螺纹孔、25-柔性铰链固定螺纹孔、26-第二柔性铰链固定块、27-框架、28-固定连块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，其中，图1为本发明实施例提供的微位移驱动机构的结构示意图，图2为本发明实施例提供的第一柔性铰链机构的结构示意图，图3为本发明实施例提供的第二柔性铰链机构的结构示意图，图4为本发明实施例提供的框架的结构示意图。

在第一种具体的实施方式中，本发明提供的微位移驱动机构包括框架27和设置在框架27中的第一柔性铰链机构2和第二柔性铰链机构8。为了便于说明本申请中微位移驱动机构的位置关系，现规定在横轴方向上的一端为第一端，另一端为第二端；在竖轴方向上的上为上端，下为下端。第一柔性铰链机构2的第一端与框架27固定连接，第一柔性铰链机构2的第二端与框架27可拆卸固定连接。第二柔性铰链机构8位于第一柔性铰链机构2下方，第二柔性铰链机构8与框架27固定连接，在框架27和第一柔性铰链机构2之间设有第一驱动器1，在第一柔性铰链机构2和第二柔性铰链机构8之间设有第二驱动器6。第一驱动器1的上端相对框架27固定，第一驱动器1的下端接触并作用在第一柔性铰链机构2上，第二驱动器6的上端相对第一柔性铰链机构2固定，第二驱动器6的下端接触并作用在第二柔性铰链机构8上。

柔性铰链的中部较为薄弱，在力矩作用下可以产生较明显的弹性角变形，能在机械结构中起到铰链的作用。相较于一般铰链的区别是没有机械结构的间隙，并且有弹性恢复力，因而消除了运动中的摩擦和回退空程。柔性铰链分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链，单轴柔性铰链最常见的形式是直梁型柔性铰链和圆弧形柔性铰链，还包括椭圆形柔性铰链、倒角型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链。更具体地说，本实施例中所采用的柔性铰链为圆弧形柔性铰链，虽然运动行程受到很大的限制，但是运动精度较高，能够实现微小幅度的转动。除此以外，直梁型柔性铰链有较大的转动范围，但运动精度较差，转动中心在转动过程中有明显的偏转。无论柔性铰链具体采用何种方式，都应属于本实施例的说明范围。

在仅有第一驱动器1输出位移时，第一柔性铰链机构2利用杠杆的一端固定、另一端自由的原理，通过第一驱动器1在第一柔性铰链机构2输出位移，该输出位移在第一柔性铰链机构2中放大并通过位于第一驱动器1和第一柔性铰链机构2的第二端之间的第二驱动器6输出，也即竖直轴线位于第一驱动器1的竖直轴线和第一柔性铰链机构2的第二端之间的第二柔性铰链机构8作为传力部件输入由第一柔性铰链机构2通过杠杆作用放大的第一驱动器1的进给位移，放大后的进给位移由第二柔性铰链机构8作为传力部件进一步通过第二柔性铰链机构8无放大作用的输出作用在刀具10上，此时仅通过第一驱动器1输出位移，产生具有放大作用的输出位移驱动刀具10。

在仅有第二驱动器6输出位移时，第一柔性铰链机构2的第二端相对框架27固定，第二驱动器6向下输出位移，通过第二柔性铰链机构8后该输出位移无放大效果的输出作用在刀具10上，此时仅通过第二驱动器6产生无放大作用的输出位移驱动刀具10。

在第一驱动器1和第二驱动器6共同输出位移时，第一柔性铰链机构2的第二端相对框架27自由，第二驱动器6作为传力部件向第二柔性铰链机构8输出经由第一柔性铰链机构2放大后的第一驱动器1的输出位移；同时，第二驱动器6作为驱动部件向第二柔性铰链机构8输出位移。两种输出位移在第二柔性铰链机构8处叠加并且无放大作用的输出在刀具10上，最终，在第一驱动器1和第二驱动器6共同输出位移下产生了大于上述两种驱动方式的更大的输出位移以驱动刀具10。

综合上述三种不同的输出位移的实现方式，该微位移驱动机构区别于现有微位移输出结构的单一输出一种位移模式的缺陷，具有多种微位移输出方式，根据不同使用场合灵活选择，能够满足多种加工需求。

需要说明的是，第一驱动器1和第二驱动器6均沿竖轴竖直向下延伸，第一驱动器1和第二驱动器6作为分别与第一柔性铰链机构2和第二柔性铰链机构8接触并作用的驱动输出部件，应具有相同的设置方式，更具体的，第一驱动器1具体为第一压电陶瓷驱动器，第二驱动器6具体为第二压电陶瓷驱动器。在本实施例中，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器受外加电压的激发产生位移，第一柔性铰链机构2和第二柔性铰链机构8传递进给位移并最终使刀具10产生进给，当激励电压消失时，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器的作用力消失，第一柔性铰链机构2和第二柔性铰链机构8迅速回弹，完成一次快速进给。综上，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器通过第一柔性铰链机构2和第二柔性铰链机构8输出位移并驱动刀具10做往复运动，以实现刀具10在超精密加工中的切削、磨削和微冲压等作业任务。更具体的，刀具10为金刚石刀具。

在本实施例中，第一柔性铰链机构2包括竖向延伸的固定连块28和横向延伸的动态连杆3，动态连杆3包括连接端和自由端，固定连块28和动态连杆3的连接端之间设有柔性铰链，动态连杆3的自由端与框架27可拆卸固定连接，第一驱动器1作用在动态连杆3上，第二驱动器6相对动态连杆3固定，第二驱动器6位于第一驱动器1与动态连杆3的自由端之间以满足杠杆放大作用的条件，固定连块28与框架27固定连接。更具体的，在固定连块28上设有第一柔性铰链固定孔16，框架27上设有柔性铰链固定螺纹孔25，第一柔性铰链固定孔16和柔性铰链固定螺纹孔25中穿设柔性铰链紧固螺钉13以实现固定连块28与框架27固定连接。

除此以外，在靠近动态连杆3的自由端的框架27上设有相对框架27固定的限位滑块导轨21，限位滑块导轨21中滑动设置限位滑块4，限位滑块4设有可供动态连杆3的自由端贴合并固定的槽口。在第一柔性铰链机构2的第二端需要与框架27固定连接时，推动限位滑块4在限位滑块导轨21中滑动使得动态连杆3的自由端进入限位滑块4的槽口中贴合并固定，在第一柔性铰链机构2的第二端需要解除与框架27的固定连接关系时，推动限位滑块4在限位滑块导轨21中滑动使得动态连杆3的自由端从限位滑块4的槽口中脱落以实现动态连杆3的自由端处于自由状态且无连接关系。

为了更好的技术效果，在限位滑块导轨21和框架27上设有限位螺纹孔20，通过限位紧固螺钉5以实现限位滑块导轨21在框架27上的固定。除此以外，沿限位滑块4在限位滑块导轨21上的滑动方向在限位滑块导轨21上设有行程限制块22以实现限位滑块4在滑动方向上的限位。限位滑块4在行程限制块22所限制的行程区间中滑动以实现第一柔性铰链机构2的第二端与框架27的可拆卸固定连接。

需要说明的是，本实施例仅仅给出了实现第一柔性铰链机构2与框架27可拆卸固定连接的一种具体的实施方式，对于其他能够实现可拆卸固定连接的有益效果的实施方式，同应属于本实施例的说明范围，例如在第一柔性铰链机构2的第二端与框架27之间设置可拆卸的螺栓以满足第一柔性铰链机构2的第二端与框架27的可拆卸固定连接。

为了更好的技术效果，在动态连杆3上设有半球状的第一限位槽15，第一限位槽15的凹槽半径大于第一驱动器1的底端半径，使得第一驱动器1输出位移并驱使第一柔性铰链机构2发生转动时，第一驱动器1仍能有效的将输出位移传递给第一柔性铰链机构2。

为了更好的技术效果，在第一驱动器1也即第一压电陶瓷驱动器和框架27之间，第二驱动器6也即第二压电陶瓷驱动器和第一柔性铰链机构2之间均设有预紧螺钉11。更具体的，在框架27上侧设有第一预紧螺纹孔24，在动态连杆3上靠近动态连杆3的自由端处设有第二预紧螺纹孔14，通过预紧螺钉11穿设第一预紧螺纹孔24并连接第一压电陶瓷驱动器、预紧螺钉11穿设第二预紧螺纹孔14并连接第二压电陶瓷驱动器以提供预紧力。

在另一种具体的实施方式中，第二柔性铰链机构8包括上下平行设置的横向延伸段和设于横向延伸段之间的动块7。动块7竖直向下延伸并分别连接上下两侧的横向延伸段以实现第二驱动器6向刀具10传递进给位移。更具体的，两个横向延伸段上分别均匀设置四处圆弧半径大小相同的柔性铰链。

为了节省空间，动块7与横向延伸段相连并采用一体化结构，呈中心对称，也即动块7位于中心对称线上。该第二柔性铰链机构8为“工”字状，为了方便紧固和加工，在横向延伸段的两侧均设有柔性铰链紧固块19，也即铰链两侧均相互延伸为一体。除此以外，在下侧的横向延伸段的中间部分的下端，向下延伸出一段用于连接刀具10的刀具延伸段，刀具10通过刀座9固定在第二柔性铰链机构8下方。

在本实施例中，框架27下侧设有框架下横梁23，框架下横梁23的两端分别设有用于供第二柔性铰链机构8固定安装的第二柔性铰链固定块26，在第二柔性铰链固定块26上同样设有柔性铰链固定螺纹孔25，第二柔性铰链机构8的左右两侧也即柔性铰链紧固块19上设有第二柔性铰链固定孔17，第二柔性铰链固定孔17和第二柔性铰链固定块26上的柔性铰链固定螺纹孔25对应设置并通过螺钉或螺栓实现第二柔性铰链机构8在框架27上的固定。除此以外，刀具延伸段上设有用以实现刀座9的固定的刀座固定螺纹孔18，刀座固定螺纹孔18中穿设有刀座紧固螺钉12。

在另外一种具体的实施方式中，为了获得更好的实现效果，上述第一柔性铰链机构2和第二柔性铰链机构8中的柔性铰链使用与框架27不同的材料，也即通过柔性铰链与框架27所用材料的不同，以得到最好整体效果。在使用过程中可以根据需要更换柔性铰链而其它零件不变。至于柔性铰链的具体选用的材料请参考现有技术，这里不再一一赘述。通过采用与框架27不同材料的柔性铰链，在使用过程中可以根据需要更换柔性铰链而其他部件不变，具有更好的维护更换性。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的微位移驱动机构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微位移驱动机构，其特征在于，包括框架(27)以及横向设置在所述框架(27)中的第一柔性铰链机构(2)和第二柔性铰链机构(8)，所述第一柔性铰链机构(2)的第一端固定连接在所述框架(27)上、第二端可拆卸固定连接在所述框架(27)上，所述第二柔性铰链机构(8)位于所述第一柔性铰链机构(2)下方且固定连接在所述框架(27)上，第一驱动器(1)的上端相对所述框架(27)固定、下端接触所述第一柔性铰链机构(2)，第二驱动器(6)的上端相对所述第一柔性铰链机构(2)固定、下端接触所述第二柔性铰链机构(8)，所述第二驱动器(6)的竖直轴线位于所述第一驱动器(1)的竖直轴线与所述第一柔性铰链机构(2)的第二端之间，所述第二柔性铰链机构(8)的下侧设有用以实现位移输出的刀具(10)。

2.根据权利要求1所述的微位移驱动机构，其特征在于，所述第一柔性铰链机构(2)包括竖向延伸的固定连块(28)和横向延伸的动态连杆(3)，所述动态连杆(3)包括连接端和自由端，所述固定连块(28)和所述动态连杆(3)的连接端之间设有柔性铰链，所述固定连块(28)与所述框架(27)固定连接。

3.根据权利要求2所述的微位移驱动机构，其特征在于，还包括相对所述框架(27)固定的用于供限位滑块(4)滑动的限位滑块导轨(21)，所述限位滑块(4)设有可供所述动态连杆(3)的自由端贴合的槽口以实现所述第一柔性铰链机构(2)第二端的可拆卸固定连接。

4.根据权利要求2所述的微位移驱动机构，其特征在于，所述动态连杆(3)上设有半球状的第一限位槽(15)，所述第一限位槽(15)的凹槽半径大于所述第一驱动器(1)的底端半径。

5.根据权利要求1所述的微位移驱动机构，其特征在于，所述第二柔性铰链机构(8)包括上下平行设置的设有柔性铰链的横向延伸段和设于所述横向延伸段之间、用以实现所述第二驱动器(6)向所述刀具(10)传递进给位移的动块(7)。

6.根据权利要求5所述的微位移驱动机构，其特征在于，两个所述横向延伸段上分别均匀设置四处圆弧半径大小相同的所述柔性铰链。

7.根据权利要求5所述的微位移驱动机构，其特征在于，所述第二柔性铰链机构(8)还包括左右平行设置的用以实现与所述横向延伸段连接的柔性铰链紧固块(19)，所述第二柔性铰链机构(8)一体化设置，所述动块(7)位于所述第二柔性铰链机构(8)的中心对称线上。

8.根据权利要求1所述的微位移驱动机构，其特征在于，所述第二柔性铰链机构(8)下侧设有相对固定的刀座(9)，所述刀具(10)在所述刀座(9)中固定连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的微位移驱动机构，其特征在于，所述第一驱动器(1)具体为第一压电陶瓷驱动器，所述第二驱动器(6)具体为第二压电陶瓷驱动器。

10.根据权利要求9所述的微位移驱动机构，其特征在于，所述第一压电陶瓷驱动器与所述框架(27)之间、所述第二压电陶瓷驱动器与所述第一柔性铰链机构(2)之间均设有预紧螺钉(11)。