CN112610594B - 一种低轴漂的柔性轴承及基于轴漂补偿的步进机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低轴漂的柔性轴承，包括第一柔性铰链组及第二柔性铰链组，第一柔性铰链组与第二柔性铰链组反向布置为并联的结构；每个柔性铰链组包括至少两个并联的柔性铰链。本发明提供的低轴漂的柔性轴承，将第一柔性铰链组与第二柔性铰链组反向布置为并联的结构，通过并联方式提高刚度，降低了约束方向的寄生运动，以降低轴漂；且通过铰链沿圆周方向的合理布置，可以实现任意旋转半径的旋转，且可以减少轴承的尺寸；可以通过直线驱动实现旋转运动；与传统的单纯串联方式相比，在提高系统刚度的同时可以实现温度补偿和提高尺寸稳定性。

Description

一种低轴漂的柔性轴承及基于轴漂补偿的步进机构

技术领域

本发明涉及光栅步进技术领域，具体涉及一种低轴漂的柔性轴承及基于轴漂补偿的步进机构。

背景技术

现有旋转轴承存在间隙和加工误差，转动精度和分辨率低；由于需要旋转电机驱动，适用于小旋转半径调节。此外，旋转中心在机构轮廓内部，对大旋转半径的运动来说，尺寸太大。平行四边形机构尺寸较大，不适用于大半径旋转运动。双电机驱动可以实现圆周运动轨迹，轨迹误差大，结构复杂。

柔性铰链是在外部力或者力矩作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式。具有免装配、无间隙和摩擦、免润滑、高刚度和高分辨率等特点，可用于微进给、精密调整、微操作等精密定位领域。根据交叉点的位置可以分为交叉簧片柔性铰链(CAFP)和等腰梯形簧片柔性铰链(LITFP)，CAFP具有较小的轴漂和旋转刚度，但是不同平面簧片载荷分配带来了侧向弯曲问题。LITFP结构紧凑，可以实现一体化加工，减小了制造和装配误差，为增大行程，通常采用串联方式实现补偿轴漂和调整刚度，如双车轮性柔性铰链和蝶形铰链等。但现有柔性铰链采用串联的方式存在轴漂和刚度较低的问题，对温度变化敏感。

因此，有必要提出一种新的柔性轴承解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种低轴漂的柔性轴承及基于轴漂补偿的步进机构。

本发明的技术方案概述如下：

本发明提供一种低轴漂的柔性轴承，包括第一柔性铰链组及第二柔性铰链组，所述第一柔性铰链组与第二柔性铰链组反向布置为并联的结构；

每个所述柔性铰链组包括至少两个并联的柔性铰链。

进一步地，每个所述柔性铰链包括左簧片、右簧片、上刚性部、下刚性部，所述第一柔性铰链组或所述第二柔性铰链组中的一所述柔性铰链的右簧片为与之并联的所述柔性铰链的左簧片。

进一步地，所述第一柔性铰链组中的一所述柔性铰链的下刚性部和与之并联的所述第二柔性铰链组中的所述柔性铰链的上刚性部共用。

进一步地，所述第一柔性铰链组中的所述柔性铰链的上刚性部固定，同时与之并联的所述第二柔性铰链组中的所述柔性铰链的下刚性部固定。

进一步地，所述第一柔性铰链组包括第一柔性铰链和第二柔性铰链，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链并联；

所述第二柔性铰链组包括第三柔性铰链和第四柔性铰链，所述第三柔性铰链和第四柔性铰链并联；

所述第一柔性铰链与所述第三柔性铰链并联，所述第二柔性铰链与所述第四柔性铰链并联。

进一步地，所述第一柔性铰链的右簧片为所述第二柔性铰链的左簧片；

所述第三柔性铰链的右簧片为所述第四柔性铰链的左簧片；

所述第一柔性铰链的下刚性部与所述第三柔性铰链的上刚性部共用；

所述第二柔性铰链的下刚性部与所述第四柔性铰链的上刚性部共用；

所述第一柔性铰链的上刚性部、所述第二柔性铰链的上刚性部、所述第三柔性铰链的下刚性部、所述第四柔性铰链的下刚性部固定。

进一步地，所述左簧片与所述右簧片的延长线交于虚拟远程运动中心o。

进一步地，所述第一柔性铰链组中的柔性铰链在运动时的轴心的漂移方向，与第二柔性铰链组柔性铰链在运动时的轴心的漂移方向相反。

相应地，本发明还提供一种基于轴漂补偿的步进机构，包括上述任一项所述的低轴漂的柔性轴承及驱动机构。

进一步地，反向布置的所述两个柔性铰链组，并联后形成步进部，所述驱动机构驱动所述步进部做精细的弧形步进。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供的低轴漂的柔性轴承，将第一柔性铰链组与第二柔性铰链组反向布置为并联的结构，通过并联方式提高刚度，降低了约束方向的寄生运动，以降低轴漂；且通过铰链沿圆周方向的合理布置，可以实现任意旋转半径的旋转，且可以减少轴承的尺寸；可以通过直线驱动实现旋转运动；与传统的单纯串联方式相比，在提高系统刚度的同时可以实现温度补偿和提高尺寸稳定性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种低轴漂的柔性轴承的示意图；

图2为本发明的一种低轴漂的柔性轴承的力学示意图；

图3位本发明的基于轴漂补偿的步进机构的示意图。

附图标记说明：

10、低轴漂的柔性轴承；11、第一柔性铰链；111、左簧片；112、右簧片；113、上刚性部；114、下刚性部；115、安装部；116、步进部；12、第二柔性铰链；13、第三柔性铰链；14、第四柔性铰链；20、驱动机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

接下来，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

柔性机构是指利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的一种心机构。柔性机构的运动通常借助柔性单元-柔性铰链来实现，如转动或移动。较之于传统的刚性结构(铰链)，柔性机构(铰链)具有许多优点，如整体化设计和加工，简化结构，减小体积和重量、免于装配；无间隙和摩擦，可实现高精度运动；免于磨损等。

在柔性铰链中，寄生运动通常称为轴心漂移，简称轴漂。在精密工程领域中，微小的寄生运动会都可能会对精度造成严重的影响。

为了减小柔性轴承的轴漂，本发明提供的一种低轴漂的柔性轴承及基于轴承补偿的步进机构。

如图1-图3所示，本发明提供的一种低轴漂的柔性轴承10，包括第一柔性铰链组及第二柔性铰链组，第一柔性铰链组与第二柔性铰链组反向布置为并联的结构；每个柔性铰链组包括至少两个并联的柔性铰链。

每个柔性铰链包括左簧片111、右簧片112、上刚性部113、下刚性部114。第一柔性铰链组或第二柔性铰链组中的一柔性铰链的右簧片112为与之并联的柔性铰链的左簧片111，即第一柔性铰链组或第二柔性铰链组中的一柔性铰链的右簧片112，和与之并联的柔性铰链的左簧片111为同一簧片，共用同一簧片的相邻两柔性铰链为并联结构。

第一柔性铰链组中的一柔性铰链的下刚性部114和与之并联的第二柔性铰链组中的柔性铰链的上刚性部113共用。同时，第一柔性铰链组中的柔性铰链的上刚性部113固定，同时与之并联的第二柔性铰链组中的柔性铰链的下刚性部114固定。

第一柔性铰链组包括第一柔性铰链11和第二柔性铰链12，第一柔性铰链11和第二柔性铰链12并联；第二柔性铰链组包括第三柔性铰链13和第四柔性铰链14，第三柔性铰链13和第四柔性铰链14并联。

第一柔性铰链11与第三柔性铰链13并联，第二柔性铰链12与第四柔性铰链14并联。

第一柔性铰链11的右簧片为第二柔性铰链12的左簧片；第三柔性铰链13的右簧片为第四柔性铰链14的左簧片；第一柔性铰链11的下刚性部与第三柔性铰链13的上刚性部共用；第二柔性铰链12的下刚性部与第四柔性铰链14的上刚性部共用；第一柔性铰链11的上刚性部、第二柔性铰链12的上刚性部、第三柔性铰链13的下刚性部、第四柔性铰链14的下刚性部固定。

左簧片111与右簧片112的延长线交于虚拟远程运动中心o。在本领域中，没有实际运动副存在的转动中心被定义为虚拟运动中心。柔性铰链的虚拟运动中心位于机构远端，称为虚拟远程运动中心。在本发明中，所有柔性铰链的左簧片111与右簧片112的延长线交于虚拟远程运动中心o，使得由柔性铰链组成柔性轴承大致以虚拟远程运动中心o为中心旋转。

具体地，参考图2-3，在力学示意图中，AB、CD、AC、BD分别为第一柔性铰链11的左簧片、右簧片、上刚性部、下刚性部；CD、EF、CE、DF分别为第二柔性铰链12的左簧片、右簧片、上刚性部、下刚性部；第一柔性铰链11的右簧片和第二柔性铰链12的左簧片共用CD簧片。A’B’、C’D’、A’C’、B’D’分别为第三柔性铰链13的左簧片、右簧片、下刚性部、上刚性部；C’D’、E’F’、C’E’、D’F’分别为第四柔性铰链14的左簧片、右簧片、下刚性部、上刚性部；第三柔性铰链13的右簧片和第四柔性铰链14的左簧片共用C’D’簧片。第一柔性铰链11的下刚性部与第三柔性铰链13刚性部一体或共用，第三柔性铰链13的下刚性部与第四柔性铰链14刚性部一体或共用，形成步进部116，步进部116为反向布置的两个柔性铰链组并联后形成的共用部分。参考图3，驱动机构20驱动步进部116，以虚拟远程运动中心o为中心，做精细的弧形步进。

第一柔性铰链组中的柔性铰链在运动时的轴心的漂移方向，与第二柔性铰链组柔性铰链在运动时的轴心的漂移方向相反。具体地，参考图2-图3，第一柔性铰链组为图示中位于上部分的柔性铰链组合，驱动机构20向左驱动步进部116，第一柔性铰链组中的AB、CD、EF发生细微的弹性变形，BD、DF段向左位移，第一柔性铰链组中的柔性铰链在运动时的轴心向上漂移；第二柔性铰链组为图示中位于下部分的柔性铰链组合，驱动机构20向左驱动步进部116，第二柔性铰链组中的A’B’、C’D’、E’F’发生细微的弹性变形，B’D’、D’F’段向左位移，第二柔性铰链组中的柔性铰链在运动时的轴心向下漂移。这种轴心漂移的对称补偿，降低了约束方向的寄生运动。且轴心漂移的对称补偿恰恰是因为第一柔性铰链组与第二柔性铰链组采用并联的方式进行了轴漂的补偿。

低轴漂的柔性轴承10还设有安装部115，在测量时，通过安装部115将低轴漂的柔性轴承10安装在工作台上，驱动机构20正对低轴漂的柔性轴承10的步进部116。

本发明通过铰链沿圆周方向的合理布置，减小了轴承的尺寸，且可以实现任意旋转半径的旋转。

上述实施例采用固定外圈，驱动内圈实现旋转运动，在其他实施例中还可以固定内圈，驱动外圈实现旋转运动。

相应地，参考图3，本发明还提供一种基于轴漂补偿的步进机构，包括上述任一项的低轴漂的柔性轴承10及驱动机构20。

反向布置的两个柔性铰链组，第一柔性铰链组及第二柔性铰链组并联后，共用的刚体部形成步进部116，共用的刚体部为活动的刚体部，驱动机构驱动步进部做精细的弧形步进。具体地，低轴漂的柔性轴承10的四个角固定在安装机构上，安装机构上设有驱动机构20，驱动机构20对准步进部116，驱动机构20为常规直线丝杆电机，驱动步进部116，低轴漂的柔性轴承10做精细的弧形步进。

本发明提供的低轴漂的柔性轴承，将第一柔性铰链组与第二柔性铰链组反向布置为并联的结构，通过并联方式提高刚度，降低了约束方向的寄生运动，以降低轴漂；且通过铰链沿圆周方向的合理布置，可以实现任意旋转半径的旋转，且可以减少轴承的尺寸；可以通过直线驱动实现旋转运动；与传统的单纯串联方式相比，在提高系统刚度的同时可以实现温度补偿和提高尺寸稳定性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (8)

1.一种低轴漂的柔性轴承，其特征在于，包括第一柔性铰链组及第二柔性铰链组，所述第一柔性铰链组与第二柔性铰链组反向布置为并联的结构；

每个所述柔性铰链组包括至少两个并联的柔性铰链；

每个所述柔性铰链包括左簧片、右簧片、上刚性部、下刚性部，所述第一柔性铰链组或所述第二柔性铰链组中的一所述柔性铰链的右簧片为与之并联的所述柔性铰链的左簧片；

所述左簧片与所述右簧片的延长线交于虚拟远程运动中心o。

2.如权利要求1所述的低轴漂的柔性轴承，其特征在于，所述第一柔性铰链组中的一所述柔性铰链的下刚性部和与之并联的所述第二柔性铰链组中的所述柔性铰链的上刚性部共用。

3.如权利要求1所述的低轴漂的柔性轴承，其特征在于，所述第一柔性铰链组中的所述柔性铰链的上刚性部固定，同时与之并联的所述第二柔性铰链组中的所述柔性铰链的下刚性部固定。

4.如权利要求1所述的低轴漂的柔性轴承，其特征在于，所述第一柔性铰链组包括第一柔性铰链和第二柔性铰链，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链并联；

所述第二柔性铰链组包括第三柔性铰链和第四柔性铰链，所述第三柔性铰链和第四柔性铰链并联；

所述第一柔性铰链与所述第三柔性铰链并联，所述第二柔性铰链与所述第四柔性铰链并联。

5.如权利要求4所述的低轴漂的柔性轴承，其特征在于，所述第一柔性铰链的右簧片为所述第二柔性铰链的左簧片；

所述第三柔性铰链的右簧片为所述第四柔性铰链的左簧片；

所述第一柔性铰链的下刚性部与所述第三柔性铰链的上刚性部共用；

所述第二柔性铰链的下刚性部与所述第四柔性铰链的上刚性部共用；

所述第一柔性铰链的上刚性部、所述第二柔性铰链的上刚性部、所述第三柔性铰链的下刚性部、所述第四柔性铰链的下刚性部固定。

6.如权利要求1所述的低轴漂的柔性轴承，其特征在于，所述第一柔性铰链组中的柔性铰链在运动时的轴心的漂移方向，与第二柔性铰链组柔性铰链在运动时的轴心的漂移方向相反。

7.一种基于轴漂补偿的步进机构，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的低轴漂的柔性轴承及驱动机构。

8.如权利要求7所述的基于轴漂补偿的步进机构，其特征在于，反向布置的第一柔性铰链组及第二柔性铰链组，并联后形成步进部，所述驱动机构驱动所述步进部做精细的弧形步进。

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