一种亚微米级精密柔性微动系统的制作方法

本实用新型涉及微操作技术领域，具体而言，涉及一种亚微米级精密柔性微动系统。

背景技术：

随着高科技领域机械系统需求高精度化及微型化趋势迅速发展，精密以及超精密技术在微电子、数控加工、生物医学等高端技术领域方面得到了广泛的应用。宏微驱动技术由于解决了运动大行程和高精度的矛盾而成为实现精密以及超精密技术的重要手段，广泛应用于生物医学、精密电子、军事等技术领域。

但是，现有技术中提供的微动系统存在精确性与有效性较低的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种亚微米级精密柔性微动系统，基于柔性铰链传动及导向原理，并采用有限元法分别进行了运动性能、强度性能、动态性能分析，分析显示系统最大定位误差值为0.215μm、强度满足设计要求、具有优良的动态性能，同时具有较高的精确性及有效性。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种亚微米级精密柔性微动系统，包括：

机构本体，机构本体具有微动输入机构以及微动输出机构，微动输入机构用于输入运动Δu，微动输出机构用于输出位移Δv；

驱动器，驱动器设置于机构本体，且用于为微动输入机构提供运动位移，微动输入机构在驱动器的驱动作用下用于输入运动Δu；

多个直圆型柔性铰链组成的柔性铰链机构，多个直圆型柔性铰链对称设置于机构本体，且多个直圆型柔性铰链包括第一组柔性铰链与第二组柔性铰链，第一组柔性铰链用于保证驱动器在运动过程中不承受横向力及力矩，且不产生非运动方向的附加位移，确保机构本体运动的精密性及平稳性；第二组柔性铰链用于将微动输入机构输入的运动Δu进行精密传动，使得微动输出机构用于输出位移Δv。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，多个直圆型柔性铰链的数量为二十个，且第一组柔性铰链具有十六个直圆型柔性铰链，第二组柔性铰链具有四个直圆型柔性铰链。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，第一组柔性铰链的十六个直圆型柔性铰链对称分布于驱动器两侧。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，机构本体具有对称设置的第一本体与第二本体，且第一本体上设置有十个直圆型柔性铰链，第二本体上设置有十个直圆型柔性铰链，对称分布的直圆型柔性铰链用于组成双轴柔性铰链，双轴柔性铰链用于保证驱动器不承受非运动的方向的力。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，第一组柔性铰链的十六个直圆型柔性铰链中，其中八个设置于第一本体，另外八个设置于第二本体；第二组柔性铰链的四个直圆型柔性铰链中，其中两个设置于第一本体，另外两个设置于第二本体。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，第一本体与第二本体上均间隔设置有多个固定组件，且第一本体与第二本体上的多个固定组件对称设置。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，固定组件为沉头螺钉，固定组件的个数为九个，其中四个沉头螺钉设置于第一本体，四个沉头螺钉对称设置于第二本体，剩下一个设置于第一本体与第二本体的对称轴上。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，沉头螺钉为M4沉头螺钉。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，驱动器为压电陶瓷致动器。

进一步地，在本实用新型的较佳实施例中，直圆型柔性铰链的半径均为3mm，且最小距离均为1mm。

上述方案的有益效果：

本实用新型提供了一种亚微米级精密柔性微动系统，包括机构本体、驱动器以及多个直圆型柔性铰链组成的柔性铰链机构。其中，机构本体为各部件的运动与安装提供了基础与保证，机构本体具有微动输入机构以及微动输出机构，微动输入机构用于输入运动Δu，微动输出机构用于输出位移Δv。同时，驱动器设置于机构本体，且用于为微动输入机构提供运动位移，微动输入机构在驱动器的驱动作用下用于输入运动Δu。驱动器主要用于为微动输入机构提供驱动力，使得微动输出机构可以输出运动Δv。并且，多个直圆型柔性铰链对称设置于机构本体，且多个直圆型柔性铰链包括第一组柔性铰链与第二组柔性铰链，第一组柔性铰链用于保证驱动器在运动过程中不承受横向力及力矩，且不产生非运动方向的附加位移，确保机构本体运动的精密性及平稳性；第二组柔性铰链用于将微动输入机构输入的运动Δu进行精密传动，使得微动输出机构用于输出位移Δv。第一组柔性铰链充分保证了机构本体的运动平稳性，同时确保驱动器在运动过程中不承受横向力及力矩，且不产生非运动方向的附加位移。第二组柔性铰链结构在第一组柔性铰链机构的基础之上进行位移的传动，最终精确地输出位移Δv。

综上所述，该亚微米级精密柔性微动系统基于柔性铰链传动及导向原理，并采用有限元法分别进行了运动性能、强度性能、动态性能分析，分析显示系统最大定位误差值为0.215μm、强度满足设计要求、具有优良的动态性能，同时具有较高的精确性及有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统在第一视角下的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统在第二视角下的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统的表面印记图；

图4为本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统的有限元网格划分模型图；

图5为本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统中，输入值为1.5μm时的系统运动有限元分析结果示意图；

图6为本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统的最大模拟应力分析图；

图7为本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统前六阶固有频率图。

图标：100-亚微米级精密柔性微动系统；101-机构本体；103-微动输入机构；105-微动输出机构；107-驱动器；109-第一组柔性铰链；111-第二组柔性铰链；1-第一柔性铰链；2-第二柔性铰链；3-第三柔性铰链；4-第四柔性铰链；5-第五柔性铰链；6-第六柔性铰链；7-第七柔性铰链；8-第八柔性铰链；9-第九柔性铰链；10-第十柔性铰链；11-第十一柔性铰链；12-第十二柔性铰链；13-第十三柔性铰链；14-第十四柔性铰链；15-第十五柔性铰链；16-第十六柔性铰链；17-第十七柔性铰链；18-第十八柔性铰链；19-第十九柔性铰链；20-第二十柔性铰链；113-第一本体；115-第二本体；117-沉头螺钉。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

图1为本实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统100在第一视角下的结构示意图；图2为本实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统100在第二视角下的结构示意图。请参阅图1与图2，本实施例提供了一种亚微米级精密柔性微动系统100，该亚微米级精密柔性微动系统100的外形尺寸为160mm×196mm×50mm(长×宽×高)。同时，该亚微米级精密柔性微动系统100包括：机构本体101、驱动器107以及多个直圆型柔性铰链组成的柔性铰链机构。

具体地，请再次参阅图1与图2，在本实施例中，机构本体101为各部件的运动与安装提供了基础与保证，机构本体101具有微动输入机构103以及微动输出机构105，微动输入机构103用于输入运动Δu，微动输出机构105用于输出位移Δv。

具体地，请再次参阅图1与图2，在本实施例中，驱动器107设置于机构本体101，且用于为微动输入机构103提供运动位移，微动输入机构103在驱动器107的驱动作用下用于输入运动Δv。驱动器107主要用于为微动输入机构103提供驱动力，使得微动输出机构105可以输出运动Δv。

同时，需要说明的是，在本实用新型的实施例中，亚微米级精密柔性微动系统100还包括与驱动器107连接的控制器，控制器用于控制驱动器107的运动。

具体地，请再次参阅图1与图2，在本实施例中，多个直圆型柔性铰链对称设置于机构本体101组成柔性铰链机构。柔性铰链机构的柔性铰链利用其结构薄弱部分材料的可塑性形变来传递能量以及位移，具有很好的传动和导向作用，可以应用于许多精密及超精密运动的高科技领域。根据柔性铰链的薄弱部位的组成形状不同，常见的柔性铰链可分为：直圆型柔性铰链、圆弧型柔性铰链、抛物线型柔性铰链、矩形型柔性铰链等。不同类型柔性铰链的柔度、传动精度以及所能承受最大应力等性能不同：矩形型柔性铰链具有最好的柔度和旋转范围，但是传动精度不高、转动中心在转动过程中有移动；圆弧型柔性铰链具有很高的运动精度，然而它的柔性非常差，其运动范围比较小，局限于小范围内运动；直圆型柔性铰链和抛物线型柔性铰链的数据介于以上两种类型的铰链之间，在一定程度上可以兼顾运动精度和运动范围两方面的需求，其中具有结构简单、易于加工等优点的直圆型柔性铰链是柔性铰链最常使用的一种类型。

具体地，请再次参阅图1与图2，在本实施例中，多个直圆型柔性铰链包括第一组柔性铰链109与第二组柔性铰链111，第一组柔性铰链109用于保证驱动器107在运动过程中不承受横向力及力矩，且不产生非运动方向的附加位移，确保机构本体101运动的精密性及平稳性；第二组柔性铰链111用于将微动输入机构103输入的运动Δu进行精密传动，使得微动输出机构105用于输出位移Δv。第一组柔性铰链109充分保证了机构本体101的运动平稳性，同时确保驱动器107在运动过程中不承受横向力及力矩，且不产生非运动方向的附加位移。第二组柔性铰链111结构在第一组柔性铰链109机构的基础之上进行位移的传动，最终精确地输出位移Δv。

详细地，请再次参阅图1与图2，多个直圆型柔性铰链的数量为二十个，且第一组柔性铰链109具有十六个直圆型柔性铰链，第二组柔性铰链111具有四个直圆型柔性铰链。其中，第一组柔性铰链109包括对称分布于驱动器107两侧的第一柔性铰链1、第二柔性铰链2、第三柔性铰链3、第四柔性铰链4、第五柔性铰链5、第六柔性铰链6、第七柔性铰链7、第八柔性铰链8、第九柔性铰链9、第十柔性铰链10、第十一柔性铰链11、第十二柔性铰链12、第十三柔性铰链13、第十四柔性铰链14、第十五柔性铰链15以及第十六柔性铰链16。第二组柔性铰链111包括第十七柔性铰链17、第十八柔性铰链18、第十九柔性铰链19以及第二十柔性铰链20。

并且，在本实施例中，第一柔性铰链1与第二柔性铰链2相对设置。第三柔性铰链3与第四柔性铰链4相对设置，且位于所述第一柔性铰链1与第二柔性铰链2的下方。第九柔性铰链9与第十柔性铰链10相对设置，且位于第三柔性铰链3与第四柔性铰链4的下方。第十一柔性铰链11与第十二柔性铰链12相对设置，且位于第九柔性铰链9与第十柔性铰链10的下方。第五柔性铰链5与第六柔性铰链6相对设置，且位于第一柔性铰链1与第二柔性铰链2的对侧。第七柔性铰链7与第八柔性铰链8相对设置，且位于第五柔性铰链5与第六柔性铰链6的下方，位于第三柔性铰链3以及第四柔性铰链4的对侧。第十三柔性铰链13与第十四柔性铰链14位于第七柔性铰链7与第八柔性铰链8的下方，且位于第九柔性铰链9以及第十柔性铰链10的对侧。第十五柔性铰链15与第十六柔性铰链16相对设置，且位于第十三柔性铰链13与第十四柔性铰链14的下方，位于第九柔性铰链9与第十柔性铰链10的对侧。第十七柔性铰链17与第十八柔性铰链18相对设置且位于1～16柔性铰链的上方，第十九柔性铰链19与第二十柔性铰链20相对设置，且位于第十七柔性铰链17与第十八柔性铰链18的右侧。

第一组柔性铰链109包括第一柔性铰链1、第二柔性铰链2、第三柔性铰链3、第四柔性铰链4、第五柔性铰链5、第六柔性铰链6、第七柔性铰链7、第八柔性铰链8、第九柔性铰链9、第十柔性铰链10、第十一柔性铰链11、第十二柔性铰链12、第十三柔性铰链13、第十四柔性铰链14、第十五柔性铰链15以及第十六柔性铰链16用于保证驱动器107在运动过程中不承受横向力及力矩，且不产生非运动方向的附加位移，确保机构本体101运动的精密性及平稳性。第十七柔性铰链17、第十八柔性铰链18、第十九柔性铰链19以及第二十柔性铰链20用于将微动输入机构103输入的运动Δu进行精密传动，使得微动输出机构105用于输出位移Δv。

进一步详细地，在本实施例中，机构本体101具有对称设置的第一本体113与第二本体115，且第一本体113上设置有十个直圆型柔性铰链，第二本体115上设置有十个直圆型柔性铰链。其中，按照从上至下以及从左至右的顺序，第十七柔性铰链17、第十八柔性铰链18、第一柔性铰链1、第二柔性铰链2、第三柔性铰链3、第四柔性铰链4、第九柔性铰链9、第十柔性铰链10、第十一柔性铰链11以及第十二柔性铰链12均设置于第一本体113上。第二十柔性铰链20、第十九柔性铰链19、第五柔性铰链5、第六柔性铰链6、第七柔性铰链7、第八柔性铰链8、第十三柔性铰链13、第十四柔性铰链14、第十五柔性铰链15以及第十六柔性铰链16对称设置于第二本体115上。第一本体113与第二本体115上的对称分布的直圆型柔性铰链用于组成双轴柔性铰链，双轴柔性铰链用于保证驱动器107不承受非运动的方向的力。

请再次参阅图1与图2，在本实施例中，第一本体113与第二本体115上均间隔设置有多个固定组件，且第一本体113与第二本体115上的多个固定组件对称设置。固定组件为沉头螺钉117，固定组件的个数为九个，其中四个沉头螺钉117设置于第一本体113，四个沉头螺钉117对称设置于第二本体115，剩下一个设置于第一本体113与第二本体115的对称轴上。

沉头螺钉117为M4沉头螺钉117。驱动器107为压电陶瓷致动器。且直圆型柔性铰链的半径均为3mm，且最小距离均为1mm。建立如图2所示的直角坐标系，当机构通过9个沉头螺钉117固定后，在空心处的压电致动器的驱动下微动输入机构103在a处具有运动输入△u，在柔性铰链17、18、19、20的传动原理作用下，微动输出机构105在c处输出运动Δv。在此过程中，柔性铰链1-16由于柔性铰链的导向作用及机构的对称原理，保证压电陶瓷致动器在运动过程中不承受横向力及力矩，且不产生非运动方向(y向为运动方向)的附加位移，确保机构运动的精密性及平稳性。

同时，需要说明的是，微动系统利用柔性铰链可以通过薄弱部分材料的可逆弹性形变来产生运动或者传递能量、可以提供绕铰链中心转动的有限角位移，具有很好的导向、传动及转换功能，材料的弹性、塑性性能对实现以上功能具有决定性作用，所以材料的选择对于柔性铰链的导向、传动及转换功能实现具有重要影响。

微动系统包含20个对称分布的柔性链接，因此选用材料时应考虑在不大于材料的塑性变形极限的前提下得到最大的变形，还需考虑柔性铰链机构的加工问题，因此在选用弹性铰链的材料上时要进行综合考虑。现有研究认为QBe2、60Si2Mn、65Mn是柔性铰链较为理想的材料，这几种材料的材料参数见表1。综合考虑材料各参数以及国内外柔性铰链材料使用的经验，采用弹簧钢材料60Si2Mn作为微动系统的加工材料，并采用线切割方法进行加工以保证柔性铰链机构的精密加工。

表1柔性铰链材料参数

同时，需要说明的是，微驱动器107采用压电陶瓷致动器，压电陶瓷致动器是利用压电材料的逆压电效应而设计的一种微型驱动元件，在电压作用下压电陶瓷致动器能生成几微米到几十微米的位移，可用以对系统进行微量的精密驱动。由于其具有分辨率高、响应快、体积小、输出力大等特点，压电陶瓷致动器在航天、航空、微电子工业、机械、机器人、精密测量、精密加工、国防等领域被广泛使用。

根据系统对元件尺寸、输出力、输出位移的需要，选用德国的普爱纳米位移技术PI公司的型号为P-235.10压电陶瓷致动器，其主要技术参数见表2所示。

表2.压电陶瓷致动器主要技术参数

图3为本实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统100的表面印记图。在本实施例中，为了确定该亚微米级精密柔性微动系统100的精确性与合理性。对该亚微米级精密柔性微动系统100进行了运动学分析。为了分析系统的运动性能，采用有限元静力学模块对其进行运动学分析。将微动系统的三维图形导入有限元软件中，其外形结构尺寸86mm×88.5mm×50mm(长×宽×高)，在材料属性中添加60Si2Mn参数。在网格划分之前，为了对系统施加加载条件方便，根据压电陶瓷致动器与微动系统内侧表面的接触面积的形状在微动系统制作一个表面印记，如图3所示。

图4为本实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统100的有限元网格划分模型图。请参阅图4，在本实施例中，有限元网格划分时，首先对整个系统模型进行网格自由划分，然后再对20个柔性铰链的40个圆柱面进行网格单元细化分，最终划分完成的节点数554024，网格数为330246，网格划分模型如图4，由图可以见对机构的关键部位网格划分比较细而且平滑，无交叉或者断裂网，所以网格划分质量较好。

图5为本实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统100中，输入值为1.5μm时的系统运动有限元分析结果示意图。请参阅图5，对系统的9个螺纹孔圆柱面施加固定约束，在之前制作的印记位置施加位移条件，每次施加位移可在输出机构获得一次输出位移。例如，在对印记处施加一个输入位移1.5μm时，可以利用探针功能计算出输出机构外表面中心位置的输出位移为1.4765μm，如图5。在系统运动范围(即压电陶瓷致动器伸长量范围)为0～15μm，分别计算十次输入位移的系统输出位移值。系统的运动学分析结果如表3。

表3微驱动系统运动学分析

由微驱动系统运动学分析结果可知，系统在运动时最大误差仅为1.57％，系统最大误差值为0.215μm，证明系统设计具有较高的精密性且定位精度可达到亚微米级。

图6为本实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统100的最大模拟应力分析图。请参阅图6，在本实施例中，微驱动系统强度分析主要分析微动系统在微致动器驱动下是否会发生破坏，因此需要分析在压电致动器最大驱动位移下微动系统是否会发生破坏，因此需要分析微动系统运动的最大模拟应力。从而确定该系统是否满足材料校核强度的要求。分析在有限元静力学模块进行，导入系统模型、进行印记标记、网格划分、对模型施加约束(同系统运动学分析)，再在印记处施加y正向上最大的位移15μm，应力云图如图6，可见该系统最大模拟应力为175.2MPa。材料的许用应力为将60Si2Mn屈服极限σs1176MPa、设安全系数λ为1.5，将其带入上述公式中求出材料许用应力[σ]为784MPa。而系统最大模拟应力为175.2MPa，其远小于材料许用应力。由静力学有限元分析可知系统在运动过程中安全可靠，微动系统最大应力符合材料校核强度要求，因此，系统强度性能优良。

图7为本实施例提供的亚微米级精密柔性微驱动系统前六阶固有频率图。请参阅图7，在本实施例中，为了确保系统在运动工程中动态性能良好，需要对微动系统的固有频率进行分析，以判断系统在运动过程中系统是否会发生共振。分析时采用有限元modal模块，对微动系统进行无约束条件的自由模态分析，模型前期处理及网格划分与系统运动学分析相似(由于不需要加载，因此无需制作印记)。微动系统的前六阶固有频率如图7，其前六阶固有频率分别为：2306.5Hz、2393.1Hz、3044Hz、6078.5Hz、8318.7Hz、8893.9Hz。由于，系统采用P225.10压电陶瓷致动器驱动微动系统，而P225.10压电陶瓷致动器最大运动转速为2r/s即最大运动频率为2Hz。系统在运动过程中微动系统最大运动频率为2Hz，而且一阶固有频率为2306.5Hz，系统不会发生共振。因此，该系统在运动过程中不会发生共振，系统具有优良的动态性能。

综上所述，本实用新型的实施例提供的亚微米级精密柔性微动系统100提出了一种亚微米压电柔性微驱动系统设计方案，并对系统的运动性能、强度性能、动态性能进行了分析，分析结果显示系统具有较好的相关性能。结论包括：

(1)基于柔性铰链传动及导向原理设计了一种亚微米级精密柔性微动系统100，并提出了一种亚微米级压电柔性微驱动系统设计方案。

(2)采用有限元法分别进行了运动性能、强度性能、动态性能分析，分析显示系统最大定位误差值为0.215μm、强度满足设计要求、具有优良的动态性能，分析结果证明了系统设计精确性及有效性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。