一种柔性大行程微纳加工设备的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种柔性大行程微纳加工设备，包括平台底座和滑动设置于平台底座上的加工执行平台，和输入方向相互垂直设置的两组运动输入装置，运动输入装置的输出头均连接有单自由度的微定位位移装置；微定位位移装置对称的连接有杠杆及拉杆与柔性铰链的连接结构，并通过此机构与加工执行平台该侧的两端连接。在各自的输出端设置微定位位移装置，通过拉杆和柔性铰链的传动，将位移以准确倍率放大输出，由于运动输入方向相互垂直所以输出的位移能够有效覆盖整个工作平面的各个方向，实现多自由度的准确位移；通过运动输入方向相邻侧设置的拉杆和柔性铰链有效实现对该位移方向上的解耦，有效避免部件间的摩擦爬行，提高了位移输出的精度。
【专利说明】
一种柔性大行程微纳加工设备
技术领域
[0001 ]本发明涉及精密加工设备技术领域，更具体地说，涉及一种柔性大行程微纳加工设备。
【背景技术】
[0002]超精密加工技术作为机械制造业中极具竞争力的技术之一，目前已受到许多国家的关注。近年来，超精密加工技术发展迅速，加工精度不断提高，应用范围不断扩大，如微型机械制造所涉及的精密加工技术、纳米加工技术和微型机电系统(MEMS)等，这些技术都在精密和超精密加工范畴内。
[0003]但其中某些领域的技术发展并不完善，但用于超精密加工的刀具伺服驱动机构多为单自由度的直线运动，虽然在加工精度方面有明显提高，却难以实现微小型复杂结构的超精密加工。
[0004]虽然市面上也存在为数不多的，具有两自由度运动的微纳加工执行机构，然而普遍的情况是，此类加工设备一般都具有行程较小难以执行大尺寸要求下的加工任务的缺点，并且还存在误差不可补偿等缺点。
[0005]综上所述，如何有效地解决精密加工执行机构大行程和高精度的矛盾、加工执行机构运动中的误差补偿难以实现造成加工精度降低等的技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种柔性大行程微纳加工设备，该柔性大行程微纳加工设备的结构设计可以有效地解决精密加工执行机构大行程和高精度的矛盾、加工执行机构运动中的误差补偿难以实现造成加工精度降低等的技术问题。
[0007]为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]—种柔性大行程微纳加工设备，包括平台底座和滑动设置于所述平台底座上的加工执行平台，和均与所述平台安装固定的输入方向相互垂直设置的两组运动输入装置，所述运动输入装置的输出头均连接有沿各自运动输出方向设置的单自由度的微定位位移装置；
[0009]所述微定位位移装置包括输出台，所述输出台的首尾两端对称的连接有第一拉杆和第二拉杆，所述第一拉杆和所述第二拉杆均平行于运动输入方向，二者的尾端均朝向对应的运动输入装置，所述第一拉杆和所述第二拉杆的尾端分别与第一杠杆和第二杠杆的中段通过柔性铰链连接；
[0010]所述第一杠杆和所述第二杠杆的首端均与所述平台底座通过柔性铰接连接，所述第一杠杆和所述第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链连接有第三拉杆和第四拉杆，所述第三拉杆和所述第四拉杆均平行于该运动输入装置的输入方向，所述第三拉杆和所述第四拉杆分别与所述加工执行平台该侧的两端连接。
[0011]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述加工执行平台另外两侧还连接有与上述两组运动输入装置的输入方向分别相反的两组反向运动输入装置，所述反向运动输入装置也通过对应的微定位位移装置与所述加工执行平台连接。
[0012]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述微定位位移装置还设置有本体与所述平台底座安装固定的固定部，所述第一杠杆和第二杠杆的首端均通过所述固定部与所述平台底座连接。
[0013]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述第三拉杆和所述第四拉杆与所述加工执行平台之间均通过柔性铰链连接。
[0014]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述第三拉杆和所述第四拉杆与所述加工执行平台之间的柔性铰链、所述第三拉杆与所述第一杠杆之间的柔性铰链、所述第四拉杆所述第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一拉杆与所述第一杠杆之间的柔性铰链、所述第二拉杆与所述第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一拉杆和所述第二拉杆与所述输出台之间的柔性铰链，以上柔性铰链均为直梁型柔性铰链。
[0015]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述微定位位移装置包括与所述运动输入装置的输出头连接的杠杆组件，所述杠杆组件包括三级互相联动的杠杆，杠杆之间、杠杆与所述平台底座之间均通过柔性铰链连接，所述杠杆组件的输出端与所述输出台之间通过柔性铰链连接，将所述输出头输出的运动按一定比例放大。
[0016]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述运动输入装置包括压电陶瓷驱动器。
[0017]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述运动输入装置还包括输出导向结构，所述输出导向结构设置有容纳所述压电陶瓷驱动器的输出头伸出的导向槽，所述输出导向结构固定安装于所述平台底座。
[0018]优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述加工执行平台上安装固定有刀具丰旲块。
[0019]本发明提供的柔性大行程微纳加工设备，包括平台底座和滑动设置于平台底座上的加工执行平台，和均与平台安装固定的输入方向相互垂直设置的两组运动输入装置，运动输入装置的输出头均连接有沿各自运动输出方向设置的单自由度的微定位位移装置;微定位位移装置包括输出台，输出台的首尾两端对称的连接有第一拉杆和第二拉杆，第一拉杆和第二拉杆均平行于运动输入方向，二者的尾端均朝向对应的运动输入装置，第一拉杆和第二拉杆的尾端分别与第一杠杆和第二杠杆的中段通过柔性铰链连接;第一杠杆和第二杠杆的首端均与平台底座通过柔性铰接连接，第一杠杆和第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链连接有第三拉杆和第四拉杆，第三拉杆和第四拉杆均平行于该运动输入装置的输入方向，第三拉杆和第四拉杆分别与加工执行平台该侧的两端连接。采用本发明提供的技术方案设置输入方向相互垂直的运动输入装置，在各自的输出端设置微定位位移装置，通过拉杆和柔性铰链的传动将微定位位移装置所输出的准确倍率的放大位移输出，由于运动输入方向相互垂直所以输出的位移能够有效覆盖整个工作平面的各个方向，实现多自由度的准确位移;此外，当一个方向的运动输入装置输入位移时，与其相邻侧设置的拉杆和柔性铰链通过弹性支撑作用，有效实现对该位移方向上的解耦，有效避免部件间的摩擦爬行，提高了位移输出的精度。综上所述，本发明提供的柔性大行程微纳加工设备有效地解决了精密加工执行机构大行程和高精度的矛盾、加工执行机构运动中的误差补偿难以实现造成加工精度降低等的技术问题。
【附图说明】
[0020]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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为本发明实施例提供的柔性大行程微纳加工设备的结构示意图；
[0022]图2为本发明实施例提供的柔性大行程微纳加工设备的俯视局部放大示意图。
[0023]附图中标记如下:
[0024]平台底座1、微定位位移装置2、输出导向结构3、压电陶瓷驱动器4、加工执行平台
5、平台垫片6、输出台7、第一拉杆8、第二拉杆9、第三拉杆10、第四拉杆11、第一杠杆12、固定部13。
【具体实施方式】
[0025]本发明实施例公开了一种柔性大行程微纳加工设备，以解决精密加工执行机构大行程和高精度的矛盾、加工执行机构运动中的误差补偿难以实现造成加工精度降低等的技术问题。
[0026]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。
[0027]请参阅图1、图2，图1为本发明实施例提供的柔性大行程微纳加工设备的结构示意图；图2为本发明实施例提供的柔性大行程微纳加工设备的俯视局部放大示意图。
[0028]本发明提供的柔性大行程微纳加工设备，包括平台底座I和滑动设置于平台底座I上的加工执行平台5，和均与平台安装固定的输入方向相互垂直设置的两组运动输入装置，运动输入装置的输出头均连接有沿各自运动输出方向设置的单自由度的微定位位移装置2 ；微定位位移装置2包括输出台7，输出台7的首尾两端对称的连接有第一拉杆8和第二拉杆9，第一拉杆8和第二拉杆9均平行于运动输入方向，二者的尾端均朝向对应的运动输入装置，第一拉杆8和第二拉杆9的尾端分别与第一杠杆12和第二杠杆的中段通过柔性铰链连接;第一杠杆12和第二杠杆的首端均与平台底座I通过柔性铰接连接，第一杠杆12和第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链连接有第三拉杆10和第四拉杆11，第三拉杆10和第四拉杆11均平行于该运动输入装置的输入方向，第三拉杆10和第四拉杆11分别与加工执行平台5该侧的两端连接。
[0029]本实施例提供的柔性大行程微纳加工设备工作原理如下:当其中一个运动输入装置输入位移时，输出台向附图中的右侧平移，带动第一拉杆牵引第一杠杆运动，第一杠杆以其和平台底座的铰接点为中心顺时针转动，在柔性铰链的作用下第三拉杆推动加工执行平台的一侧，同理的第四拉杆推动加工执行平台的另一侧，在第三拉杆和第四拉杆的共同作用下推动加工执行平台向运动输出的方向平移，并通过与运动输出方向垂直方向的拉杆和柔性铰链的牵引，令机构可以实现运动方向上的解耦，消除摩擦爬行对精确位移的影响。可在平台底座与微定位位移装置之间设置平台垫片6阻止二者直接接触，防止摩擦影响微定位位移装置输出位移精度。
[0030]采用本发明提供的技术方案设置输入方向相互垂直的运动输入装置，在各自的输出端设置微定位位移装置，通过拉杆和柔性铰链的传动将微定位位移装置所输出的准确倍率的放大位移输出，由于运动输入方向相互垂直所以输出的位移能够有效覆盖整个工作平面的各个方向，实现多自由度的准确位移;此外，当一个方向的运动输入装置输入位移时，与其相邻侧设置的拉杆和柔性铰链通过弹性支撑作用，有效实现对该位移方向上的解耦，有效避免部件间的摩擦爬行，提高了位移输出的精度;通过对称的结构设计使得设备整体结构更加紧凑，提高了系统刚度令输出位移更加稳定减少了平台运动的偏差。综上所述，本发明提供的柔性大行程微纳加工设备有效地解决了精密加工执行机构大行程和高精度的矛盾、加工执行机构运动中的误差补偿难以实现造成加工精度降低等的技术问题。
[0031 ] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述加工执行平台5另外两侧还连接有与上述两组运动输入装置的输入方向分别相反的两组反向运动输入装置，所述反向运动输入装置也通过对应的微定位位移装置2与所述加工执行平台5连接。
[0032]与上述实施例同理的，在原运动输入方向的对侧还设置两组反向运动输入装置，可以实现同一平面内两个自由度四个方向的位移精确输出。
[0033]为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述微定位位移装置2还设置有本体与所述平台底座I安装固定的固定部13，所述第一杠杆12和第二杠杆的首端均通过所述固定部13与所述平台底座I连接。
[0034]本实施例提供的技术方案中固定部为微定位位移装置的延伸部分，微定位位移装置通过固定部与平台底座实现安装固定，固定部并不仅仅指某一个特定结构而是微定位位移装置与平台底座固定不动的部分，通过第一杠杆和第二杠杆的一端与固定部的连接有效确保了杠杆运动的支点固定稳定。
[0035]为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述第三拉杆10和所述第四拉杆11与所述加工执行平台5之间均通过柔性铰链连接。
[0036]柔性铰链是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，具有和几何中心轴重合的回转中心，依靠在圆周径向均布的弹性薄片的有限变形进行工作。在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生回转运动。本发明中采用的柔性铰链本身可以与杠杆或拉杆等其他固定部件一体成型加工，可有效避免装配误差。
[0037]为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述第三拉杆10和所述第四拉杆11与所述加工执行平台5之间的柔性铰链、所述第三拉杆10与所述第一杠杆12之间的柔性铰链、所述第四拉杆11所述第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一拉杆8与所述第一杠杆12之间的柔性铰链、所述第二拉杆9与所述第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一拉杆8和所述第二拉杆9与所述输出台7之间的柔性铰链，以上柔性铰链均为直梁型柔性铰链。
[0038]直梁型铰链是铰链连接的两端在过度位置均采用直角形的设计，由于设计需要，以上这些连接位置的铰链需要能够实现较大的位移传递，由于其他柔性铰链的限位作用不要求很高的运动精度，所以采用直梁型柔性铰链。
[0039]为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述微定位位移装置2包括与所述运动输入装置的输出头连接的杠杆组件，所述杠杆组件包括三级互相联动的杠杆，杠杆之间、杠杆与所述平台底座I之间均通过柔性铰链连接，所述杠杆组件的输出端与所述输出台7之间通过柔性铰链连接，将所述输出头输出的运动按一定比例放大。
[0040]本实施例的微定位位移装置包括三级差动式杠杆将位移放大，杠杆之间和杠杆与底座之间均采用柔性铰链连接传导位移，在柔性铰链和杠杆本身位置及尺寸精准的情况下，可以实现位移的较为精确的放大;并且这种设计结构简明，占据的空间相对现有技术中的设计较小，设计采用对称的结构，整体刚性较高，可以较为稳定和准确的输出位移，在机构本身尺寸精准的前提下，能够有效消除侧向附加位移，减小机构自身的纵向耦合位移误差，提升了位移放大的精度，柔性铰链的设计易于一体加工，可以避免装配误差。
[0041 ] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述运动输入装置包括压电陶瓷驱动器4。
[0042]压电陶瓷驱动器是一种利用压电陶瓷的逆压电原理，通过控制电流输入实现精确位移输出的装置，采用压电陶瓷驱动器能够提供精准的运动输入，从而令经过柔性运动平台发大输出的位移能够更加精准可控。
[0043]为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述运动输入装置还包括输出导向结构3，所述输出导向结构3设置有容纳所述压电陶瓷驱动器4的输出头伸出的导向槽，所述输出导向结构3固定安装于所述平台底座I。
[0044]本实施例提供了导向结构，以便将运动输入装置的输出位移与其输出轴线严格垂直，进一步提高了位移输出的精度。
[0045]为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述柔性大行程微纳加工设备中，所述加工执行平台5上安装固定有刀具模块。
[0046]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0047]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，包括平台底座和滑动设置于所述平台底座上的加工执行平台，和均与所述平台安装固定的输入方向相互垂直设置的两组运动输入装置，所述运动输入装置的输出头均连接有沿各自运动输出方向设置的单自由度的微定位位移装置； 所述微定位位移装置包括输出台，所述输出台的首尾两端对称的连接有第一拉杆和第二拉杆，所述第一拉杆和所述第二拉杆均平行于运动输入方向，二者的尾端均朝向对应的运动输入装置，所述第一拉杆和所述第二拉杆的尾端分别与第一杠杆和第二杠杆的中段通过柔性铰链连接； 所述第一杠杆和所述第二杠杆的首端均与所述平台底座通过柔性铰接连接，所述第一杠杆和所述第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链连接有第三拉杆和第四拉杆，所述第三拉杆和所述第四拉杆均平行于该运动输入装置的输入方向，所述第三拉杆和所述第四拉杆分别与所述加工执行平台该侧的两端连接。2.根据权利要求1所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述加工执行平台另外两侧还连接有与上述两组运动输入装置的输入方向分别相反的两组反向运动输入装置，所述反向运动输入装置也通过对应的微定位位移装置与所述加工执行平台连接。3.根据权利要求2所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述微定位位移装置还设置有本体与所述平台底座安装固定的固定部，所述第一杠杆和第二杠杆的首端均通过所述固定部与所述平台底座连接。4.根据权利要求3所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述第三拉杆和所述第四拉杆与所述加工执行平台之间均通过柔性铰链连接。5.根据权利要求4所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述第三拉杆和所述第四拉杆与所述加工执行平台之间的柔性铰链、所述第三拉杆与所述第一杠杆之间的柔性铰链、所述第四拉杆所述第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一拉杆与所述第一杠杆之间的柔性铰链、所述第二拉杆与所述第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一拉杆和所述第二拉杆与所述输出台之间的柔性铰链，以上柔性铰链均为直梁型柔性铰链。6.根据权利要求1至5任一项所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述微定位位移装置包括与所述运动输入装置的输出头连接的杠杆组件，所述杠杆组件包括三级互相联动的杠杆，杠杆之间、杠杆与所述平台底座之间均通过柔性铰链连接，所述杠杆组件的输出端与所述输出台之间通过柔性铰链连接，将所述输出头输出的运动按一定比例放大。7.根据权利要求6所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述运动输入装置包括压电陶瓷驱动器。8.根据权利要求7所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述运动输入装置还包括输出导向结构，所述输出导向结构设置有容纳所述压电陶瓷驱动器的输出头伸出的导向槽，所述输出导向结构固定安装于所述平台底座。9.根据权利要求6所述的柔性大行程微纳加工设备，其特征在于，所述加工执行平台上安装固定有刀具模块。
【文档编号】B81C1/00GK106082114SQ201610716013
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月24日
【发明人】高健, 曾昭和, 汤晖, 张揽宇, 何思丰, 陈新, 管贻生, 贺云波, 简川霞, 姜永军, 杨志军
【申请人】广东工业大学