CN111810517A - 一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，包括微位移输出端以及分别设在所述微位移输出端的三个相邻且两两正交侧面上的X向复合双轴柔性铰链、Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链，所述X向复合双轴柔性铰链的一端、Y向复合双轴柔性铰链的一端以及Z向复合双轴柔性铰链的一端均与微位移输出端连接，所述X向复合双轴柔性铰链的另一端、Y向复合双轴柔性铰链的另一端以及Z向复合双轴柔性铰链的另一端上分别设有X向微位移输入端、Y向微位移输入端以及Z向微位移输入端。本发明能够在空间三平动方向上传递微位移/微运动/力的同时，有效降低不同方向间的伴生位移、输入耦合与输出耦合。
Description
技术领域
本发明涉及柔顺机构、微纳定位与精密运动控制的技术领域，更具体地，涉及一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构。
背景技术
柔性铰链，利用结构中薄弱部分易于变形的特点，以及材料自身的可逆性弹性变形特性，实现所要求的运动副功能，具有免装配、零间隙、无摩擦与免润滑等优点。使用柔性铰链替代传统的运动副，构成柔顺机构，能够实现微位移传递与导向等功能，在精密与超精密加工、精密操作/测量以及微机电系统等领域发挥重要作用。依据传递位移/运动/力所在平面的数量，柔性铰链可分为单轴、双轴与多轴。
单轴柔性铰链只能在单一平面内传递位移/运动/力，双轴柔性铰链能够在两个平面内传递位移/运动/力，是空间柔顺机构关键单元。中国专利公布号CN106763141A，公布日期2017年5月31日，该专利名称为“一种带有自锁功能的两自由度柔性铰链”，通过若干通槽、弹性悬空臂等复杂结构设计来避免塑性变形失效，但随着空间柔顺机构应用场景功能与性能需求的迭代演化，对空间微位移导向机构提出了新的要求。以非回转对称的复杂精密光学自由曲面加工为例，纳米数控加工装备刀具伺服装置需要具备空间三个平动自由度，且在指定自由度上需要特定刚度，以及输入耦合与输出耦合限制在某一极小值。针对机床末端有限的设计空间，亟需结构紧凑、能够有效减小伴生位移、降低输入耦合与输出耦合的空间微位移导向机构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有纳米数控加工装备刀具伺服装置中缺少具备空间三个平动自由度、且能有效减小伴生位移、降低输入耦合与输出耦合的空间微位的导向机构的缺点，提供一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构。本发明能够在空间三平动方向上传递微位移/微运动/力的同时，有效降低不同方向间的伴生位移、输入耦合与输出耦合。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其中，包括微位移输出端以及分别设在所述微位移输出端的三个相邻侧面上的X向复合双轴柔性铰链、Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链，所述X向复合双轴柔性铰链的一端、Y向复合双轴柔性铰链的一端以及Z向复合双轴柔性铰链的一端均与微位移输出端连接，所述X向复合双轴柔性铰链的另一端、Y向复合双轴柔性铰链的另一端以及Z向复合双轴柔性铰链的另一端上分别设有X向微位移输入端、Y向微位移输入端以及Z向微位移输入端。本技术方案中，X方向的位移/运动/力从X向微位移输入端输入本装置，Y方向的位移/运动/力从Y向微位移输入端输入本装置，Z方向的位移/运动/力从Z向微位移输入端输入本装置，X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链对三个方向输入的位移/运动/力传输到微位移输出端，微位移输出端即为整个导向机构的末端执行器，在此过程中，X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链能够有效降低不同方向间的伴生位移输入耦合与输出耦合，故本技术方案不但能够传递X/Y/Z三个空间平动方向上微位移/微运动/力，还能有效降低不同方向间的微位移输入耦合与输出耦合。
进一步的，所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由若干个双轴柔性铰链并列排布形成。通过控制复合双轴柔性铰链中双轴柔性铰链的组成数量，能够扩大导向机构的平移柔度和转动柔度的参量设计范围，满足多种应用场景的不同需求，适应面宽。
优选的，所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由四个双轴柔性铰链矩阵排列形成。
优选的，所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由两个双轴柔性铰链并列排布形成。
进一步的，所述X向复合双轴柔性铰链和所述X向微位移输入端一体化成型。
进一步的，所述Y向复合双轴柔性铰链和所述Y向微位移输入端一体化成型。
进一步的，所述Z向复合双轴柔性铰链和所述Z向微位移输入端一体化成型。
进一步的，所述X向复合双轴柔性铰链、Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链均与所述微位移输出端一体化成型。
进一步的，所述双轴柔性铰链中部至少一侧向内凹陷。本技术方案中，双轴柔性铰链可以一侧中部向内凹陷，也可以两侧向内凹陷，也可以像漏斗一样四周均向内凹陷，根据所处加工的机床等实际应用场景需要进行选择；且双轴柔性铰链的向内凹陷的形貌可以根据实际运用情况，设计成不同的凹陷曲面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一，本发明通过在固定基座上设置X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链和输出端，能够在X/Y/Z三个空间平动方向上微位移/微运动/力，还能有效降低不同方向间的伴生微位移输入耦合与输出耦合；
第二，本发明中复合双轴柔性铰链由若干个双轴柔性铰链进行排列并联，平移柔度、转动柔度等参量设计范围宽广，能够满足多种应用场景的不同需求，适应面宽；
第三，本发明结构紧凑，设计简单，为一体化加工，易于集成到精密测量与加工和制造设备。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1中A方向的正投影图。
图示标记说明如下：
1-微位移输出端；2-X向复合双轴柔性铰链；3-X向微位移输入端；4-Y向微位移输入端；5-Z向微位移输入端；6-Y向复合双轴柔性铰链。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
第一实施例
如图1至图2所示为本发明一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构的第一实施例。一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，包括微位移输出端1，微位移输出端1设有X向复合双轴柔性铰链2、Y向复合双轴柔性铰链6、Z向复合双轴柔性铰链，X向复合双轴柔性铰链2的一端设有X向微位移输入端3，Y向复合双轴柔性铰链6的一端设有Y向微位移输入端4，Z向复合双轴柔性铰链的一端设有Z向微位移输入端5。如图1所示，X方向上输入X向微位移输入端3的微位移为δx，经过X向复合双轴柔性铰链2，传递到微位移输出端1；Y方向上输入Y向微位移输入端的微位移为δy，经过Y向复合双轴柔性铰链6，传递到微位移输出端1；Z方向上输入Z向微位移输入端Z的微位移为δz，经过Z向复合双轴柔性铰链，传递到微位移输出端1。
其中，X向复合双轴柔性铰链2和X向微位移输入端3一体化成型；Y向复合双轴柔性铰链6和Y向微位移输入端4一体化成型；Z向复合双轴柔性铰链和Z向微位移输入端5一体化成型；X向复合双轴柔性铰链2、Y向复合双轴柔性铰链6和Z向复合双轴柔性铰链均与微位移输出端1一体化成型。
本实施例中，X向复合双轴柔性铰链2，Y向复合双轴柔性铰链6和Z向复合双轴柔性铰链均由四个双轴柔性铰链矩阵排列形成，X向复合双轴柔性铰链2分别由X向第一双轴柔性铰链、X向第二双轴柔性铰链、X向第三双轴柔性铰链和X向第四双轴柔性铰链排列形成，四个双轴柔性铰链之间无交叉、重叠与运动干涉；Y向复合双轴柔性铰链6和Z向复合双轴柔性铰链的具体结构与X向复合双轴柔性铰链2的具体结构相同。
本实施例中，双轴柔性铰链的中间向内凹陷，凹陷处的横截面为矩形。
本实施例的工作原理如下文所示，X方向输入的微位移δx，由X向微位移输入端3输入，经X向复合双轴柔性铰链2，传递到微位移输出端1；Y方向输入的微位移δy与Z方向输入的微位移δz的传递路径，与X方向类同；由X向微位移输入端3输入的δx，所引起的在Y方向或Z方向产生的伴生微位移，通过X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链予以有效降低；Y方向与Z方向降低输入耦合的方式，与X方向类同；
外界沿X方向作用于微位移输出端1的微位移/力/微运动，所引起的在Y方向或Z方向产生的伴生微位移，通过X向复合双轴柔性铰链2，Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链予以有效降低；Y方向与Z方向降低输出耦合的方式，与X方向类同。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中X向复合双轴柔性铰链2，Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链均由两个双轴柔性铰链排列形成。需要说明的是X向复合双轴柔性铰链2，Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链可以根据不同的使用场合改变双轴柔性铰链的数量，改变平移柔度、转动柔度等参量，满足多种应用场景的不同需求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：包括微位移输出端以及分别设在所述微位移输出端的三个相邻侧面上的X向复合双轴柔性铰链、Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链，所述X向复合双轴柔性铰链的一端、Y向复合双轴柔性铰链的一端以及Z向复合双轴柔性铰链的一端均与微位移输出端连接，所述X向复合双轴柔性铰链的另一端、Y向复合双轴柔性铰链的另一端以及Z向复合双轴柔性铰链的另一端上分别设有X向微位移输入端，所述Y向微位移输入端，Z向微位移输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由若干个双轴柔性铰链并列排布形成。
3.根据权利要求2所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由四个双轴柔性铰链矩阵排列形成。
4.根据权利要求2所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由两个双轴柔性铰链并列排布，复合形成一个整体。
5.根据权利要求2所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述X向复合双轴柔性铰链和所述X向微位移输入端一体化成型。
6.根据权利要求5所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述Y向复合双轴柔性铰链和所述Y向微位移输入端一体化成型。
7.根据权利要求6所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述Z向复合双轴柔性铰链和所述Z向微位移输入端一体化成型。
8.根据权利要求7所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述X向复合双轴柔性铰链、Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链均与所述微位移输出端一体化成型。
9.根据权利要求2所述的一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其特征在于：所述双轴柔性铰链中部至少一侧向内凹陷。
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