本發(fā)明涉及柔性鉸鏈設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶有自鎖功能的單自由度柔性鉸鏈。

背景技術(shù)：

在微型機(jī)械、半導(dǎo)體光刻、精密測(cè)量、超精密加工、微型裝配、生物細(xì)胞操縱和納米技術(shù)等領(lǐng)域，需要高性能的超精密定位工作臺(tái)作為技術(shù)支持。超精密定位工作臺(tái)的定位精度(輸出位移)往往達(dá)到亞微米量級(jí)，因此要有相應(yīng)精度的驅(qū)動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)、制造成本都限制了超精密定位工作臺(tái)的使用。柔性鉸鏈作為一種位移的線性縮放機(jī)構(gòu)，可以將輸入位移等比例放大或縮小。由于柔性鉸鏈發(fā)生的是彈性變形，因此放大或縮小比例的線性度好，可以將其用在定位工作臺(tái)上，就可以用較低精度的驅(qū)動(dòng)部件，通過(guò)位移等比例縮小，得到較高的控制精度。同時(shí)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，可以做到無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙，具有較高的位移分辨率，如專利CN102705661A、CN102490021A、CN101837586A、CN101770182A、CN1669744等公開(kāi)的技術(shù)，都涉及到使用柔性鉸鏈的微位移工作臺(tái)，并且公開(kāi)了機(jī)械式、壓電陶瓷式等不同的位移驅(qū)動(dòng)方式及其控制反饋方式。

但是已有公開(kāi)專利技術(shù)中對(duì)柔性鉸鏈的性能要求不高，很少關(guān)注柔性鉸鏈連接對(duì)其設(shè)計(jì)性能的影響，沒(méi)有對(duì)柔性鉸鏈的塑性變形失效提出有效的限制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種帶有自鎖功能的單自由度柔性鉸鏈，其克服了背景技術(shù)中單自由度柔性鉸鏈所存在的不足。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的所采用的技術(shù)方案是：

帶有自鎖功能的單自由度柔性鉸鏈，包括基座10，該基座10的一側(cè)面11上固設(shè)有凸臺(tái)12，該凸臺(tái)12上固設(shè)有用于安裝柔性鉸鏈的定位軸13；該基座10設(shè)貫穿正背面的通槽20，該通槽20包括一上橫向槽21、一上端接通橫向槽21橫向中部且上小下大的階梯槽22、一側(cè)Z字槽23和一兩端分別接通階梯槽22下端和側(cè)Z字槽23下端的下橫向槽24，通過(guò)通槽20使基座10具有一位于通槽20內(nèi)的彈性懸空臂30，該彈性懸空臂30之朝向階梯槽22的側(cè)面凹設(shè)凹槽31，該凹槽31構(gòu)成自由鉸鏈位移輸入端，該側(cè)Z字槽23構(gòu)成限制彈性懸空臂30最大變形以起自鎖功能的保護(hù)間隙；該基座10頂面設(shè)有輸出響應(yīng)部40；該自由鉸鏈的位移輸入使彈性懸空臂30變形并轉(zhuǎn)化為角度，通過(guò)輸出響應(yīng)部40輸出該角度，使該輸出響應(yīng)部40輸出角度與位移輸入端的輸入位移之間呈線性關(guān)系。

一實(shí)施例之中：該側(cè)Z字槽23和階梯槽22分別布置在彈性懸空臂30的左右兩側(cè)；該通槽20還包括一開(kāi)口朝左的側(cè)V形槽25、一開(kāi)口朝右的側(cè)W形槽26和一第一橫槽27，該側(cè)V形槽25下端接通上橫向槽21右端，該第一橫槽27左端接通側(cè)W形槽26，該第一橫槽27右端和側(cè)V形槽25間隔，該第一橫槽27間隔位于上橫向槽21之上。

一實(shí)施例之中：該第一橫槽27左端接通側(cè)W形槽26中部。

一實(shí)施例之中：該通槽20還包括一側(cè)L形槽28，該側(cè)L形槽28位于側(cè)W形槽26之下且位于側(cè)Z字槽23之左。

一實(shí)施例之中：該側(cè)L形槽28和側(cè)W形槽26間隔，該側(cè)L形槽28和側(cè)Z字槽23間隔。

一實(shí)施例之中：該側(cè)W形槽26之下邊橫向布置；該側(cè)Z字槽23的兩平行邊豎向布置。

一實(shí)施例之中：該設(shè)有凸臺(tái)12的一側(cè)面為基座10的左側(cè)面。

一實(shí)施例之中：該基座10采用60Si2CrA鋼制造而成；該保護(hù)間隙的寬度為30μm。

本技術(shù)方案與背景技術(shù)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

安裝柔性鉸鏈的定位軸設(shè)在基座的側(cè)面的凸臺(tái)之上，通槽包括上橫向槽、階梯槽、側(cè)Z字槽和下橫向槽，通過(guò)通槽使基座具有彈性懸空臂，彈性懸空臂朝向階梯槽的側(cè)面設(shè)位移輸入端，因此：a、因彈性懸空臂設(shè)置在鉸鏈的基座的內(nèi)部，定位軸設(shè)在基座外表面的側(cè)面的凸臺(tái)上，故在鉸鏈工作時(shí)輸入位移對(duì)連接(鉸鏈固定安裝)位置不會(huì)產(chǎn)生影響；b、設(shè)保護(hù)間隙，防止操作失誤等原因而引發(fā)柔性鉸鏈局部產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，或者所定位工件由于位移過(guò)大而產(chǎn)生的傾翻；c、自由鉸鏈的位移輸入使彈性懸空臂變形并轉(zhuǎn)化為一個(gè)較小的角度，通過(guò)輸出響應(yīng)部輸出該角度，使該輸出響應(yīng)部輸出角度與位移輸入端的輸入位移之間呈線性關(guān)系。

通槽還包括側(cè)V形槽、側(cè)W形槽和第一橫槽，側(cè)V形槽下端接通上橫向槽右端，第一橫槽左端接通側(cè)W形槽，第一橫槽右端和側(cè)V形槽間隔，第一橫槽間隔位于上橫向槽之上，進(jìn)一步避免鉸鏈工作時(shí)輸入位移對(duì)連接產(chǎn)生變化，提高線性關(guān)系的準(zhǔn)確性。

通槽還包括側(cè)L形槽，進(jìn)一步避免鉸鏈工作時(shí)輸入位移對(duì)連接產(chǎn)生變化，提高線性關(guān)系的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是單自由度柔性鉸鏈的主視示意圖。

圖2是單自由度柔性鉸鏈的左視示意圖。

圖3是單自由度柔性鉸鏈的俯視示意圖。

圖4是鉸鏈輸出角度與輸入位移的關(guān)系的示意圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)查閱圖1、圖2和圖3，帶有自鎖功能的單自由度柔性鉸鏈，包括基座10，它采用60Si2CrA鋼制造而成。

該基座10的一側(cè)面11上固設(shè)有凸臺(tái)12，該凸臺(tái)12上固設(shè)有用于安裝柔性鉸鏈的定位軸13，通過(guò)定位軸13固定安裝柔性鉸鏈。該設(shè)有凸臺(tái)12的一側(cè)面為基座10的左側(cè)面。該柔性鉸鏈輸入位移的變化不會(huì)引起定位軸13位置的變化，不會(huì)發(fā)生變形，以能保證鉸鏈本身的位置不便。

該基座10設(shè)貫穿正背面的通槽20，該通槽20包括一上橫向槽21、一上端接通橫向槽21橫向中部且上小下大的階梯槽22、一側(cè)Z字槽23和一兩端分別接通階梯槽22下端和側(cè)Z字槽23下端的下橫向槽24，通過(guò)通槽20使基座10具有一位于通槽20內(nèi)的彈性懸空臂30，該側(cè)Z字槽23和階梯槽22分別布置在彈性懸空臂30的左右兩側(cè)。該彈性懸空臂30之朝向階梯槽22的側(cè)面凹設(shè)凹槽31，該凹槽31構(gòu)成自由鉸鏈位移輸入端，該側(cè)Z字槽23構(gòu)成限制彈性懸空臂30最大變形以起自鎖功能的保護(hù)間隙，它能防止操作失誤等原因而引發(fā)柔性鉸鏈局部產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，或者所定位工件由于位移過(guò)大而產(chǎn)生的傾翻。

該基座10頂面設(shè)有輸出響應(yīng)部40；該自由鉸鏈的位移輸入使彈性懸空臂30變形并轉(zhuǎn)化為一個(gè)較小的角度，通過(guò)輸出響應(yīng)部40輸出該角度，使該輸出響應(yīng)部40輸出角度與位移輸入端的輸入位移之間呈線性關(guān)系。

該通槽20還包括一開(kāi)口朝左的側(cè)V形槽25、一開(kāi)口朝右的側(cè)W形槽26、一第一橫槽27和一側(cè)L形槽28。該側(cè)V形槽25下端接通上橫向槽21右端。該第一橫槽27左端接通在側(cè)W形槽26中部，該第一橫槽27右端和側(cè)V形槽25間隔，該第一橫槽27間隔位于上橫向槽21之上。該側(cè)L形槽28位于側(cè)W形槽26之下且位于側(cè)Z字槽23之左。該側(cè)L形槽28和側(cè)W形槽26間隔，該側(cè)L形槽28和側(cè)Z字槽23間隔。該側(cè)W形槽26之下邊橫向布置；該側(cè)Z字槽23的兩平行邊豎向布置。

該鉸鏈的最大承載位移還與鉸鏈所采用的材料屈服強(qiáng)度相關(guān)，以60Si2CrA鋼為例，其彈性模量為206GPa，利用ANSYS仿真軟件的分析，得出的輸入輸出如圖4所示。本具體實(shí)施方式中，如以基座10頂面的輸出響應(yīng)部40的四個(gè)頂點(diǎn)作為計(jì)算輸出角度的依據(jù)，該柔性鉸鏈的輸出輸入比6.516E-4°/μm，其線性度誤差在0.1％以內(nèi)。而且，從ANSYS仿真的應(yīng)力云圖中可以看出，鉸鏈在工作時(shí)承受應(yīng)力最大位置在凸臺(tái)12的下邊緣處，在保證此處最大應(yīng)力不超過(guò)材料屈服極限的前提下，能控制最大輸入位移不超過(guò)30μm，因此保護(hù)間隙為設(shè)計(jì)為30μm。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。