一种基于柔顺机构的尺蠖式精密直线微驱动器的制作方法

本实用新型涉及一种基于柔顺机构的尺蠖式精密直线微驱动器，属于精密微操作领域，主要应用于超精密加工、精密工程、微机电系统(MEMS)、微电子工程、生物工程、半导体制造等高尖端科学技术领域。

背景技术：

随着微机械加工、超精密加工与测量、精密光学工程、生物工程、现代医学、半导体制造、航空航天等领域的迅速发展，传统的直线驱动器受其工作原理和机械结构限制，已无法满足超精密和高精度定位的要求，迫切需要纳米级、亚纳米级精度的超精密直线微驱动器实现其功能。尺蠖式直线驱动器是模仿自然界生物尺蠖的运动规律能实现微位移累加以获得大行程的驱动器。但是，目前尺蠖式直线驱动器还存在运行速度低、输出负载小、运动稳定性差等问题。

柔顺机构是采用柔性构件的弹性变形传递和转换运动、力或能量的一种新型机构，柔顺机构具有无摩擦、免润滑、整体化制造、运动灵敏度高等优点，柔顺机构这些优点使得其可用于尺蠖式精密直线微驱动器的结构设计。压电陶瓷致动器具有稳定性好、响应快、输出力大和定位精确等特点，适宜于作为尺蠖式驱动器箝位机构和驱动机构的致动器，能满足微驱动器所需的输出力、响应速度和精密性的工作要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于柔顺机构仿生物尺蠖运动规律设计的精密直线微驱动器，所设计的驱动器具有行程大、分辨率高、输出负载大、可双向运动等优点。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型的微驱动器包括箝位机构、驱动机构和动子。微驱动器设计原理如图1所示，箝位单元分为第一箝位单元2和第二箝位单元4，其分别位于驱动单元3的前后两端，输出单元1位于箝位单元和驱动单元的对称中心，所述结构模仿尺蠖运动规律的工作过程如下：图1(a)表示微驱动器处于不工作状态；图1(b)表示第二箝位单元4处于工作状态，该单元钳紧输出单元1；图1(c)表示驱动单元3处于工作状态，该单元向两侧伸长，推动第一箝位单元2向左运动、第二箝位单元4向右运动，则输出单元1跟随第二箝位单元4向右运动；图1(d)表示第一箝位单元2处于工作状态，该单元钳紧输出轴1；图1(e)表示第二箝位单元4处于不工作状态，第二箝位单元4松开输出轴1，驱动单元3也处于不工作状态，该单元收缩，带动第一箝位单元2向右运动、第二箝位单元4向左运动，输出单元1跟随第一箝位单元2向右运动；图1(f)表示微驱动器处于不工作状态，完成一个运动循环。重复该循环，可实现输出单元1连续向右运动，改变第一箝位单元2和第二箝位单元4的驱动顺序，可实现输出单元1的反向运动。

所述箝位机构如图2所示，箝位单元由箝位机构实现，箝位机构由对称布置的2对直圆型柔性铰链、1对直角型柔性铰链、1对杆件组和1对箝位片组成。第一直圆型柔性铰链6和第二直圆型柔性铰链17组成第一对直圆型柔性铰链，第三直圆型柔性铰链7和第四直圆型柔性铰链16组成第二对直圆型柔性铰链，第一对和第二对直圆型柔性铰链串联连接，将驱动端5的输入力和位移传递至由第一杆件8和第二杆件14组成的第一对杆件组；由第一直角型柔性铰链9和第二直角型柔性铰链15组成了第一对直角型柔性铰链，能将传递至第一对杆件组的力与位移传递给第一箝位片11和第二箝位片13，以使箝位片能产生钳紧输出轴所需的位移和力。第一对和第二对直圆型柔性铰链、第一对杆件组和第一对直角型柔性铰链形成杠杆放大机构，能放大箝位机构驱动端5的输入力和位移。为了稳定地钳紧动子，箝位片11和13设计为圆柱形凹槽12。为了便于动子安装，箝位机构前、后面设计输出孔10。

所述驱动机构如图3所示，驱动单元的功能可由驱动机构实现，驱动机构由4个对称布置的驱动支链和1对定子组成。驱动支链由2个杠杆结构组成。第一杠杆结构由支链驱动端18、第五直圆型柔性铰链19、第四直角型柔性铰链25和第三杆件23组成，其中支链驱动端18通过第五直圆型柔性铰链19传递微位移作为第一杠杆结构的输入端，第四直角型柔性铰链25为杠杆支点，第三杆件23为杠杆，则第三杆件23与第六直圆型柔性铰链20相连处的位移得到放大，该位移通过串联的第六直圆型柔性铰链20和第七直圆型柔性铰链21传递给第四杆件24；第二杠杆结构由第六直圆型柔性铰链20、第七直圆型柔性铰链21、第三直角型柔性铰链22、第四杆件24和连接杆26组成，其中串联联接的第六直圆型柔性铰链20和第七直圆型柔性铰链21为第二杠杆结构的输入端，第三直角型柔性铰链22为第二杠杆结构支点，第四杆件24为杠杆，能将第二杠杆结构输入端的位移放大至用于连接箝位机构的连接杆26。驱动支链通过2个串联连接的杠杆结构对支链输入端的输入位移进行了2级放大，提高了驱动器的运动行程。当驱动第一驱动支链29和第四驱动支链34时，它们可实现沿X负方向的运动，当释放驱动，由于各柔性铰链的弹性回复运动，它们可实现沿X正方向的运动；当驱动第二驱动支链30和第三驱动支链33时，它们可实现沿X正方向的运动，当释放驱动，由于各柔性铰链的弹性回复运动，它们可实现沿X负方向的运动，则4个驱动机构支链可进行左右往复运动。第一驱动支链29、第二驱动支链30、第三驱动支链33和第四驱动支链34通过第三直角型柔性铰链22连接于第一定子31和第二定子32，定子固定不动，驱动支链相对定子往复直线运动，这种运动特点可仿生尺蠖运动规律。为了便于安装动子，设计一矩形通槽27。

所述动子如图4所示，动子为细长圆柱形结构，其两端各设计一段螺纹35，用于联接负载。动子分别穿过驱动机构的矩形通槽27和箝位机构的输出孔10。

所述微驱动器如图5所示，由动子36、第一箝位机构37、驱动机构38和第二箝位机构39组成。第一箝位机构37和第二箝位机构39通过连接杆26连接于驱动机构38两端。驱动机构38通过连接杆26驱动第一箝位机构37和第二箝位机构39可作往复直线运动。动子36置于整个驱动器对称中心，能在驱动机构的矩形通槽27和箝位机构的输出孔10所形成的移动副约束作用下作直线运动。动子36是通过输出孔10与箝位机构进行配合，通过矩形通槽27与驱动机构进行配合，并能在输出孔10和矩形通槽27中运动。动子36能被第一箝位片11和第二箝位片13钳紧或松开，在钳紧时能够跟随箝位机构运动，在松开时，可在箝位机构的输出孔10自由运动。微驱动器的结构特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动，箝位机构带动动子作直线运动。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型的微驱动器，采用柔性铰链传递微位移运动，与传统微驱动器相比，具有精度高的特点；

(2)本实用新型的微驱动器，箝位机构采用对称布置的2个柔顺结构传递钳紧力和1对圆柱形凹槽结构的箝位片以双侧对钳方式实现对动子的钳位作用，具有钳紧力大、钳位牢固稳定、承载能力强的特点；

(3)本实用新型的微驱动器，驱动机构的驱动支链采用二级杠杆结构实现精密直线运动的导向作用和弹性回复作用，具有单步输出位移大、运动分辨率高的特点；

(4)本实用新型的微驱动器，采用驱动机构驱动箝位机构，箝位机构带动动子运动实现仿生尺蠖运动规律，采用细长圆柱形轴作为驱动器的动子，具有运动速度快的特点。

(5)本实用新型的微驱动器，箝位机构对称布置于驱动机构，具有通过改变2个箝位机构的箝位顺序实现动子双向运动的特点。

附图说明

图1是本实用新型微驱动器设计原理示意图；

图2是本实用新型箝位机构结构示意图；

图3是本实用新型驱动机构结构示意图；

图4是本实用新型动子结构示意图；

图5是本实用新型微驱动器整体结构示意图；

图1中，1、输出单元，2、第一箝位单元，3、驱动单元，4、第二箝位单元；

图2中，5、箝位机构驱动端，6、第一直圆型柔性铰链，7、第三直圆型柔性铰链，8、第一杆件，9、第一直角型柔性铰链，10、输出孔，11、第一箝位片，12、圆柱形凹槽，13、第二箝位片，14、第二杆件，15、第二直角型柔性铰链，16、第四直圆型柔性铰链，17、第二直圆型柔性铰链；

图3中，18、支链驱动端，19、第五直圆型柔性铰链，20、第六直圆型柔性铰链，21、第七直圆型柔性铰链，22、第三直角型柔性铰链，23、第三杆件，24、第四杆件，25、第四直角型柔性铰链，26、连接杆，27、矩形通槽，28、固定孔，29、第一驱动支链，30、第二驱动支链，31、第一定子，32、第二定子，33、第三驱动支链，34、第四驱动支链；

图4中，35、螺纹；

图5中，36、动子，37、第一箝位机构，38、驱动机构，39、第二箝位机构。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-图5所示，本实用新型所述的一种基于柔顺机构的尺蠖式精密直线微驱动器，包括：输出单元1、第一箝位单元2、驱动单元3、第二箝位单元4、箝位机构驱动端5、第一直圆型柔性铰链6、第三直圆型柔性铰链7、第一杆件8、第一直角型柔性铰链9、输出孔10、第一箝位片11、圆柱形凹槽12、第二箝位片13、第二杆件14、第二直角型柔性铰链15、第四直圆型柔性铰链16、第二直圆型柔性铰链17、支链驱动端18、第五直圆型柔性铰链19、第六直圆型柔性铰链20、第七直圆型柔性铰链21、第三直角型柔性铰链22、第三杆件23、第四杆件24、第四直角型柔性铰链25、连接杆26、矩形通槽27、固定孔28、第一驱动支链29、第二驱动支链30、第一定子31、第二定子32、第三驱动支链33、第四驱动支链34、螺纹35、动子36、第一箝位机构37、驱动机构38、第二箝位机构39。

根据如图1所示的微驱动器设计原理图，设计的关键在于驱动机构能驱动箝位机构实现往复直线运动，箝位机构能钳紧与松开动子，能带动动子跟随箝位机构运动。如图2所示，为了使箝位机构实现箝位功能，箝位机构采用对称式双侧对钳方式钳紧与松开动子。由于压电陶瓷驱动器或单圈电机具有驱动力大的特点，箝位机构驱动端可采用压电陶瓷驱动器或单圈电机驱动。当驱动端驱动器驱动时，箝位机构钳紧动子；当释放驱动，由于柔性铰链的弹性回复作用，箝位机构松开动子。第一箝位片11第二箝位片13设计一圆柱形凹槽12，凹槽12表面可涂摩擦材料，增大了箝位片与动子之间的静摩擦力，使箝位更加可靠。为了便于动子36装配，箝位机构两端设计的输出孔10与驱动机构的矩形通槽27同轴度要好。

如图3所示，4个对称布置的驱动支链是依靠柔性铰链的弹性变形实现往复运动，驱动支链采用直角型柔性铰链连接于定子，驱动支链相对于定子往复微位移运动。为了形成第一杠杆结构，第六直圆型柔性铰链20到第五直圆型柔性铰链19的距离应大于第五直圆型柔性铰链19到第四直角型柔性铰链25的距离；为了形成第二杠杆结构，第七直圆型柔性铰链21到连接杆26的距离应大于第七直圆型柔性铰链21到第三直角型柔性铰链22的距离。矩形通槽27的宽度应比动子的直径略大，避免了动子运动时与其之间产生摩擦。为了实现定子固定不动，驱动支链相对定子往复运动，定子的高度应大于驱动支链的高度。固定孔28用于固定定子。

如图4所示，为了方便动子36与其他负载连接，在其两端各设计一段螺纹35。为了实现动子36沿矩形通槽27和输出孔10运动过程中摩擦较小，动子36的加工表面精度要求高，并可需要在接触区添加润滑油。

如图5所示，所述微驱动器的整体结构。第一箝位机构37及第二箝位机构39分别位于驱动机构38的两端，动子36置于整个机构内部。微驱动器仿尺蠖运动规律时各机构工作状态如下：①第二箝位机构39钳紧动子36；②同时驱动驱动机构38的4个驱动支链，第一驱动支链29和第四驱动支链34可驱动第一箝位机构37沿x负方向运动，第二驱动支链30和第三驱动支链33可驱动第二箝位机构39沿x正方向运动，则动子36跟随第二箝位机构39沿x正方向前进一步；③第一箝位机构37钳紧动子36；④第二箝位机构39松开动子36；⑤同时释放4个驱动支链，驱动支链的各柔性铰链弹性回复，带动第一箝位机构37沿x正方向运动、第二箝位机构39沿x负方向运动，动子36跟随第一箝位机构37沿x正方向再前进一步；⑥第一箝位机构37松开动子36，微驱动器回到初始状态，完成一个运动循环。重复该循环，可实现动子36连续沿x正方向运动。通过控制第一箝位机构37、第二箝位机构39和驱动机构38的驱动顺序，可使输出轴36实现直线x负方向运动。

所设计的微驱动器适宜于采用电火花线切割加工技术进行加工，采用传统加工方法加工动子。微驱动器的材料决定了微驱动器的运动性能，其材料要求柔而强。柔度的好坏决定了微驱动器运动灵敏度和运动行程；由于微驱动器要求高频驱动，为了防止其在工作过程中失效，必须要保证材料的强度极限符合要求。选择柔而强的材料，使得其能满足微驱动器的性能要求，可选择弹簧钢、铍青铜等作为微驱动器制作材料。

通过以上实施方式可较好地实现精度高、运动分辨高和运动速度快的微驱动器。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围之内。