一种基于柔顺机构的二维常力微定位平台的制作方法

本发明涉及一种基于柔顺机构的二维常力平台，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(细胞注射)等高尖端科学技术领域。

背景技术

基于柔顺机构的微定位平台技术是利用柔性铰链代替传统的刚性连接零件从而实现零件的运动与定位，具有无摩擦磨损、冲击小、结构紧凑、易于加工、免装配以及兼容性强等优点，在精密操作、定位系统中具有广泛的应用。

常力微定位平台是近年来新兴的装置，常力微定位平台是利用对结构整体刚度的设计以使其接近于零的特性来实现随着输入位移的增加输出力保持一个几乎恒定的值的功能。由于微定位平台应用的场合多为超精密加工、装配等，所承载的目标具有体积小、结构紧凑等特点，抵抗冲击载荷的能力较差，而现有的非常力平台在移动过程中所产生的力是变化的，因此所承载的目标会受到一定的冲击力，从而对其精度产生一定的影响。随着微机械系统和生物工程等领域的研究深入，微操作、微定位平台在其生产加工过程中也扮演着越来越重要的角色。

本发明的目的就是针对上述现有技术的缺点设计一种新型的二维的具有解耦性能的能够恒力输出的微定位平台，使其能够满足实际工作要求。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种二维的具有解耦性能的常力微定位平台，能够实现两个自由度的常力输出以及高精度的定位。

为了实现上述目的，本发明提供了一种二维常力机构，用于在二维平面内的指定方向提供常力输出，包括力输入端、力输出端、导向机构、解耦机构以及常力机构，还包括基座。

所述导向机构和解耦机构分别包括在x方向上关于y方向对称分布的第一导向机构和第一解耦机构以及在y方向上关于x方向对称分布的第二导向机构和第二解耦机构；所述力输入端和力输出端对应的分别设置于第一解耦机构和第二解耦机构的两端，所述解耦机构分别通过可产生负刚度的双稳态梁和可产生正刚度的复合直梁连接在基座上；所述双稳态梁和复合直梁并联构成准零刚度系统即上述常力机构。

作为优选，所述导向机构和解耦机构均由薄壁梁构成，且两者之间垂直分布。第一解耦机构和第二解耦机构分别具有两个移动端，且均由分处于力输出端相对两侧的两个直段构成，整体呈“十”字形分布；力输入端串联于第一解耦机构和第二解耦机构的移动端。作为优选，构成第一解耦机构和第二解耦机构的薄壁梁为四根且相互平行。

本发明公布了一种定位平台，包括上述的二维常力平台、底座、支撑板、测量块、支撑块，所述二维常力平台和支撑板固定于底座，测量块与力输出端固定连接，底座上固定设置有驱动电机，驱动电机的输出端与输入端连接以提供位移给所述二维常力平台，支撑板固定设置位移传感器，位移传感器通过测量测量块的位移以检测二维常力平台移动的距离。作为优选，驱动电机为音圈电机；位移传感器为电容式位移传感器。

与现有技术相比，本发明的二维常力微定位平台的有益效果在于：通过设置柔性薄壁梁，实现了常力输出，结构简单、紧凑，易于加工制造，和传统的利用刚性副连接实现常力输出的发明专利相比，由于采用柔性薄壁梁连接传递运动，克服了传统刚性副连接的间隙、摩擦磨损等缺点，提高了定位精度；通过设置分别在第一方向和第二方向上减小相互之间运动干涉的第一解耦机构和第二解耦机构，实现了平台的二自由度运动，进而实现平台的二维常力输出。

附图说明

图1为本发明的二维常力平台的结构图；

图2位本发明的二维常力平台的局部结构图；

图3位本发明的二维常力平台的薄壁梁的结构示意图；

图4位本发明的二维常力平台的复合直梁发生弹性变形时产生的力和位移的曲线；

图5位本发明的二维常力平台的双稳态梁发生屈曲变形时产生的力和位移的曲线图；

图6位本发明的二维常力平台的准零刚度系统的反作用力和位移的曲线图

图7位本发明的二维常力平台的工作状态时的结构图；

图8位本发明的定位平台的结构分解图；

图9位本发明的定位平台的结构图。

附图标记说明：1-二维常力平台；2-基座；3-力输入端；4-力输出端；5-第一导向机构；6-第二导向机构；7-第一解耦机构；8-第二解耦机构；9-第一常力机构；10-第二常力机构；11-底座；12-支撑板；13-测量块；14-驱动电机；15-位移传感器；16-支撑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的二维常力微定位平台做进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种二维常力平台1，用于在二维平面内的指定方向提供常力输出，包括力输入端3、力输出端4、导向机构、解耦机构和常力机构，还包括基座2。，

导向机构包括在x方向上的第一导向机构5和在y方向上的第二导向机构6；解耦机构包括在x方向上的第一解耦机构7和在y方向上的第二解耦机构8，第一解耦机构7关于y方向对称分布，第二解耦机构8关于x方向对称分布；常力机构包括在x方向上的第一常力机构9和在y方向上的第二常力机构10；第一解耦机构7对应的分别设置于第一导向机构5的一端，并垂直分布；第二解耦机构8对应的分别设置于第二导向机构6的一端，并垂直分布。

通过设置柔性薄壁梁，实现了常力输出，结构简单、紧凑，易于加工制造，和传统的利用刚性副连接实现常力输出的机构相比，本发明采用柔性薄壁梁连接传递运动，克服了传统刚性副连接的间隙、摩擦磨损等缺点，提高了定位精度；通过设置分别在x方向和y方向上减小相互之间运动干涉的第一解耦机构和第二解耦机构，实现了平台的二自由度运动，进而实现平台的二维常力输出。

如图2所示，第二常力机构10由一双稳态梁和一复合直梁并联组合而成，并且和第二解耦机构8相连接，当力输入端3产生位移时，力输出端4通过第二解耦机构8和第二常力机构10会产生力的交互，由第二常力机构10构成的准零刚度系统会产生一个恒定反作用力并由第二解耦机构8传递到力输出端4从而实现常力输出。

图3示出了薄壁梁的结构示意图，薄壁梁一般指截面的最大尺寸远小于纵向尺寸的梁。

图4示出了复合直梁在发生形变时的力和位移之间的关系曲线，

图5示出了双稳态梁在发生屈曲变形时产生的力和位移之间的关系曲线。当力输入端3受到作用力时，复合直梁和双稳态梁均是一段可以活动，另一端固定在基座2上，此时复合直梁和双稳态梁能够使用悬臂梁模型。从图4的曲线可以看出，随着位移的增加，复合直梁产生的反作用力增大，吸收能量，势能增大。从图5的曲线可以看出，双稳态梁在点b处发生屈曲变形，到达d点之前，其反作用力随着位移的增加而减小，随着位移的增加，势能减小，释放能量。

在本实施例中，双稳态结构为双稳态梁，将双稳态梁作为负刚度结构，将复合直梁作为正刚度结构。如图1所示，双稳态梁相对于复合直梁倾斜放置。

在本实施例中，第一解耦机构7和第二解耦机构8也有薄壁梁构成，且两者之间垂直分布。上述结构简单，并能实现二自由度运动。当在其中一个方向上施加作用力后，例如在x方向上，第一解耦机构7能够将作用力传递到力输出端4，从而在力输出端4产生位移。此时，和第一解耦机构7垂直分布的第二解耦机构8和原本放置的复合直梁均作为正刚度结构，正刚度结构和由双稳态梁构成的负刚度结构共同组成准零刚度系统。当力输出端4产生位移后会和相连的常力机构9产生力的交互，力输出端4受到常力机构9输出的恒定反作用力从而实现常力输出。

图6示出了本发明的二维常力平台的常力机构的反作用力和位移的曲线图。将正刚度结构和负刚度结构并联放置，其力和位移曲线相互叠加，在点b和点d之间，准零刚度系统的力不随位移的增加而变化，此时整个平台的刚度为零，输出常力。

图7示出了在力输入端施加作用力f时的结构示意图。二维常力平台沿y方向运动，y方向上的第二解耦机构8将作用力传导到力输出端4，x方向上的第一解耦机构7发生弹性变形，产生正刚度，并且阻隔了y方向的运动，使其不对x方向的运动产生影响。当然，可以在第一解耦机构7和第二解耦机构8所对应的任一个力输入端3施加作用力，也可以同时在第一解耦机构7和第二解耦机构8所对应的输入端3同时施加作用力，在相应的力输出端4都有常力输出。

如图1所示第一解耦机构7和第二解耦机构8分别具有两个移动端，且均由分处于所述力输出端4相对两侧的两个直段构成，整体呈“十”字形分布；力输入端3串联于所述第一解耦机构7和第二解耦机构8的移动端。本发明的二维常力平台采用对称结构，增加了稳定性。

在本实施例中，构成第一解耦机构7和第二解耦机构8的薄壁梁为四根且相互平行。显然，如果将二维常力平台的薄壁梁的结构参数进行改变，数量也可进行相应的变化，只要其整体满足准零刚度系统的要求即可。

如图8和图9所示，本发明公开了一种定位平台，包括上述的二维常力平台1、底座11、支撑板12、测量块13和支撑块16，测量块13和力输出端4固定连接，底座11和基座2固定连接，底座11和支撑板12固定连接，底座11上固定放置有驱动电机14，驱动电机14的输出端和常力平台1的力输入端3固定连接以提供常力平台1运动所需的力，支撑板12上放置有位移传感器15，位移传感器15以非接触式测量测量块13在x和y方向上的位移以检测二维常力平台1在其运动方向上的运动。

在本实施例中，驱动电机14为音圈电机，位移传感器15为电容式位移传感器。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围有权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。