两自由度运动解耦柔性铰链机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械设计与制造技术领域，尤其涉及到高精度传动机构的设计技术。
【背景技术】
[0002]微动机构具有运动精度、分辨率高，结构紧凑，运动范围小等特点，被广泛应用于微纳米操作领域，如原子力显微镜、光刻掩膜平台、精钢石车削、精密运动平台等。一种经常使用到的微动机构是柔性铰链，柔性铰链利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得高位移分辨率。考虑到柔性铰链具有运动无摩擦、磨损，无需润滑，而且具有结构紧凑、轻巧，制造装配方便等优点，因此被广泛应用于微动机构的设计中，称为柔性铰链机构。
[0003]柔性铰链机构根据其结构组成特点可以分为串联式和并联式，串联式柔性铰链机构由柔性铰链和刚性连接部分依次串联而成，并联式柔性铰链机构则由多个串联支链与终端平台并联构成，至少存在两个或两个以上的闭环结构。相比于串联式柔性铰链机构，并联式柔性铰链机构具有更高的刚度、固有频率。更为重要的是，串联式柔性铰链机构在运动过程中，除了运动方向的自由度外，因为铰链的变形还会产生其他非运动方向的耦合误差，从而影响机构的输出运动精度，另外，由于柔性铰链机构大多采用压电陶瓷致动器进行驱动，该致动器只能承受轴向载荷，不能承受横向载荷弯矩，否则会对致动器造成损害，因此由于各向运动和载荷的耦合，会在压电陶瓷致动器终端产生非轴向载荷，造成致动器的破坏。并联式柔性铰链机构通过结构的设计，可以实现各向运动近乎解耦，这给机构的运动控制带来了极大的便利，而且可以实现更为高精度的运动，因此现有的柔性铰链机构都采用并联形式实现。在并联式柔性铰链机构中，有空间和平面并联柔性铰链机构两种形式，由于控制柔性铰链机构需要使用二维、三维柔性铰链，加工困难，精度难以保证，因此目前使用较多的是平面柔性铰链机构。
[0004]实现柔性铰链微动机构的运动解耦是该类机构设计的重点和难点，目前采取手段是添加解耦结构，但现有的解耦结构形式较为复杂，这增加了机构加工装配的难度，对机构的运动精度带来了一定的影响，而且会增加机构运动部件的质量，降低其动态运行性能。结构较为简单的解耦结构的解耦性能又难以达到要求，因此如何设计结构简单、紧凑，解耦性能优异的柔性铰链机构是一项具有挑战和急需解决的任务。
【发明内容】
[0005]鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种具有高精度的平面两自由度运动解耦柔性铰链微动机构，该机构具有解耦紧凑，各向运动解耦、运动精度高的特点。
[0006]为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
[0007]一种两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体和驱动支链，其中柔性铰链基体包括柔性铰链支链和刚性连接件，
[0008]刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台；
[0009]所述上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台连接，且上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体连接。
[0010]特别地，所述柔性铰链支链包括多个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0011]所述连接终端刚性输出平台和上端、下端、左端、右端刚性平台的柔性铰链支链包括3个相互平行布置的柔性铰链单元；所述连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括2个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0012]其中，所述柔性铰链单元为矩形柔性铰链单元。
[0013]所述驱动支链包括相互垂直方向驱动的第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链包括第一压电陶瓷致动器和第一致动器连接头，第二驱动支链包括第二压电陶瓷致动器和第二致动器连接头，其中，
[0014]第一驱动支链的第一压电陶瓷致动器通过第一致动器连接头连接至上端、下端、左端、右端刚性平台中的一个；
[0015]第二驱动支链的第二压电陶瓷致动器通过第二致动器连接头连接至与第一致动器连接头连接的刚性平台相正交方向的另一刚性平台。
[0016]特别地，所述第一驱动支链还包括第一法兰盘、第一拉压力传感器和第一压紧盖，第二驱动支链还包括第二法兰盘、第二拉压力传感器和第二压紧盖，其中，
[0017]第一拉压力传感器与第一压电陶瓷致动器同轴，通过第一法兰盘连接至第一压电陶瓷致动器的尾端，第一拉压力传感器的另一端与第一压紧盖固定连接，第一压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的一端；
[0018]第二拉压力传感器与第二压电陶瓷致动器同轴，通过第二法兰盘连接至第二压电陶瓷致动器的尾端，第二拉压力传感器的另一端与第二压紧盖固定连接，第二压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的另一端。
[0019]另外，第一压紧盖或第二压紧盖和与之相连的柔性铰链基体的端部间具有间隙，用于通过所述螺栓对第一压电陶瓷致动器或第二压电陶瓷致动器施加轴向预紧载荷。
[0020]所述两自由度运动解耦柔性铰链机构还包括位移测量系统和测量基准，所述位移测量系统包括分别测量两个正交方向上的位移的第一位移测量系统和第二位移测量系统，其中，
[0021]第一位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的一端，包括第一位移传感器和第一安装座，所述第一位移传感器的测量方向与所述第一压电陶瓷致动器的轴线方向平行；
[0022]第二位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的与第一位移测量系统安装端相垂直方向的一端，包括第二位移传感器和第二安装座，所述第二位移传感器的测量方向与所述第二压电陶瓷致动器的轴线方向平行；
[0023]测量基准固定连接至所述柔性铰链基体的终端刚性输出平台，具有两个端面，第一端面与第一位移传感器的测量方向垂直，第二端面与第二位移传感器的测量方向垂直。
[0024]本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构中所述位移传感器为激光位移传感器。
[0025]通过采用本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构，能够获得以下有益技术效果O
[0026]1、本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构柔性铰链基体的运动部分采取了对称的并联结构形式，具有结构紧凑，刚度高的优点，而且这种结构形式可以保证终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度。
[0027]2.本发明采取了矩形柔性铰链单元作为整体机构的变形单元，矩形柔性铰链单元加工容易，加工精度高，而且可以实现比其他形式柔性铰链单元更为紧凑的结构。
[0028]3.本发明两自由度运动解耦柔性铰链机构中，与柔性铰链基体终端平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元组合，与输入端刚性平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元组合，这种多个铰链单元平行布置所形成的支链比采取单个柔性铰链单元具有更大的弯曲刚度以及更大的横向柔度，这样可以增加机构运动方向的行程，同时增加非运动方向的刚度，有助于提高机构抵抗外载荷扰动的影响，保证高的运动精度。
[0029]4.本发明两自由度运动解耦柔性铰链机构中，将拉压力传感器固定安装于压电陶瓷致动器的尾端，这样可以避免因将拉压力传感器固定安装于致动器前端增加运动部件质量，从而降低机构的动态运行性能，同时可以实时监测致动器的轴向受载，为预紧力施加的监测及动力学控制提供了便利。
【附图说明】
[0030]图1为本发明【具体实施方式】中两自由度运动解耦柔性铰链机构的透视图。
[0031]图2为本发明【具体实施方式】中两自由度运动解耦柔性铰链机构的柔性铰链基体的透视图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图，对本发明作详细说明。
[0033]首先说明附图标记中的零部件名称。
[0034]I柔性铰链基体；
[0035]2第一压电陶瓷致动器；
[0036]3第一致动器连接头；
[0037]4第一拉压力传感器；
[0038]5第一法兰盘；
[0039]6第一压紧盖；
[0040]7第二压电陶瓷致动器；
[0041]8第二致动器连接头；
[0042]9第二拉压力传感器；
[0043]10第二法兰盘；
[0044]11第二压紧盖；
[0045]12第一安装座；
[0046]13第一激光位移传感器；
[0047]14测量基座；
[0048]15第二安装座；
[0049]16第二激光位移传感器；
[0050]1-1终端刚性输出