一種對(duì)稱解耦單自由度柔性操作機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及機(jī)械領(lǐng)域的微/納米操作系統(tǒng)，具體為一種對(duì)稱解耦單自由度柔性操作機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)面內(nèi)平動(dòng)自由度的柔性微動(dòng)操作。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)械技術(shù)是微納米技術(shù)的重要分支。應(yīng)用掃描探針顯微鏡技術(shù)進(jìn)行分子或原子量級(jí)的操作、改型加工處理、制作微型機(jī)械零部件乃至微機(jī)械整體、生物工程領(lǐng)域中的動(dòng)植物細(xì)胞轉(zhuǎn)基因注射、醫(yī)療領(lǐng)域中利用微小的剪刀、微型攝像機(jī)、微型傳感器等專用微型醫(yī)療器械進(jìn)行微創(chuàng)傷侵入性醫(yī)療手術(shù)這些情況的實(shí)現(xiàn)，都是建立在微操作系統(tǒng)或裝置的精密性基礎(chǔ)之上的。在微操作領(lǐng)域，要求機(jī)構(gòu)實(shí)行較大范圍工作空間的運(yùn)動(dòng)能力以及精密的定位精度，現(xiàn)有柔性機(jī)構(gòu)中多采用由繞固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的單自由度柔性鉸鏈按不同串并聯(lián)方式構(gòu)成的柔性鏈傳動(dòng)，單個(gè)支鏈往往造成度柔性機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端運(yùn)動(dòng)方向上不準(zhǔn)確，影響了機(jī)構(gòu)的精度及運(yùn)動(dòng)范圍。
[0003]德國PI，英國Queensgate等公司均已生產(chǎn)了基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微納米級(jí)柔性操作機(jī)構(gòu)的成形產(chǎn)品，主要用于光線系統(tǒng)檢測(cè)、微加工、微裝配等場(chǎng)合。Muneeb Ullah Khan等，一種用于微操作領(lǐng)域的大行程電磁驅(qū)動(dòng)XY定位平臺(tái)(Muneeb Ullah Khan1NabilBencheikh,Christine Prelle,Frederic Lamarque,Tobias Beutel,Stephanus Bi!ttgenbach,A long stroke electromagnetic XY pos1-t1ning stage for microapplicat1n,Proceedings of IEEE/ASME Transact1ns on mechatronics,October,2012,17(5):866-874)中報(bào)導(dǎo)了一種由四個(gè)線性電磁馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)的洛倫茲力XY定位平臺(tái)；Yong Wang等，一種由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的長行程納米定位平臺(tái)(Yong Wang,FujunSun,Junhui Zhu,Ming Pang,Changhai Ru，Long_stroke nanoposit1ning stage drivenby piezoelectric motor ,Journal of Sensors，2014:1-8)中報(bào)道了一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的兩軸納米定位平臺(tái)。Yangming Li等，一種用于微納米定位的新型壓電驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)解親及多層柔性結(jié)構(gòu)XY平臺(tái)(Yangming Li , Qingsong Xu ,A novel piezoactuated XY stagewith parallel,decoupled,and stacked flexure structure for m1-cro-/nanoposit1ning.)中介紹了一種兩層柔性結(jié)構(gòu)的XY定位平臺(tái)，其每層結(jié)構(gòu)中的柔性支鏈采用并聯(lián)方式，具有運(yùn)動(dòng)解耦能力。在這一領(lǐng)域，我國的科研工作者們也做出了一定的成績(jī)，如張彥斌等在《無耦合3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析》(農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008年，39卷8期，208-210)中介紹的一種無耦合二移動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)3自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu);劉慶玲在《柔性對(duì)稱微位移放大機(jī)構(gòu)性能分析方法的研究》(工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2013年，20卷4期，344-347)中介紹了一種結(jié)構(gòu)對(duì)稱的柔性微位移放大機(jī)構(gòu);李仕華等《新型3-RPC柔性精密平臺(tái)的剛度與動(dòng)力學(xué)分析》(中國機(jī)械工程，2013年，24卷17期，2317-2322)中介紹了由3路壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)解耦能力的空間3自由度柔性操作平臺(tái)。上述柔性操作機(jī)構(gòu)由多個(gè)或多層柔性支鏈支撐，但多采用由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器或線性馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)的方式，中間沒有放大環(huán)節(jié)，造成末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)空間范圍的極大限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，特別是現(xiàn)有柔性機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)耦合及無法實(shí)現(xiàn)更大工作空間要求的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種對(duì)稱解耦單自由度柔性操作機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用柔性聯(lián)相結(jié)構(gòu)、單自由度柔性鉸鏈和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具有一個(gè)執(zhí)行末端，可應(yīng)用于微/納操作機(jī)械系統(tǒng)，具有高精度、低慣量、結(jié)構(gòu)緊湊、無誤差積累、無機(jī)械摩擦、無間隙，且便于加工制造和工業(yè)化實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)一種對(duì)稱解耦單自由度柔性操作機(jī)構(gòu)，其特征在于該機(jī)構(gòu)包括:一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)球形接頭、一個(gè)驅(qū)動(dòng)端柔性鉸鏈、一個(gè)剛性連接塊、四組柔性鉸鏈組合、兩個(gè)柔性鏈、一個(gè)剛性動(dòng)平臺(tái)、一個(gè)剛性支撐框和一個(gè)底座；
[0006]所述剛性支撐框內(nèi)部挖空，呈倒置的“凸”字形，除所述底座外，上述各部分結(jié)構(gòu)均位于所述倒置“凸”字形空腔內(nèi)，所述剛性支撐框四個(gè)邊角位置設(shè)置四個(gè)螺紋通孔，所述球形接頭安裝在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的頂端，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的尾端通過螺紋剛性固定于所述剛性支撐框倒置“凸”字形下邊緣中間的內(nèi)側(cè)壁上，且使所述球形接頭頂在所述驅(qū)動(dòng)端柔性鉸鏈下端面的中間位置上，構(gòu)成赫茲接觸；
[0007]所述剛性連接塊為正方形結(jié)構(gòu)，剛性連接塊下部邊緣對(duì)稱中線位置與所述驅(qū)動(dòng)端柔性鉸鏈的上端相連，所述剛性連接塊上部邊緣左右對(duì)稱分別連接所述兩個(gè)柔性鏈，所述剛性連接塊左側(cè)邊緣和右側(cè)邊緣分別連接一個(gè)所述柔性鉸鏈組合；
[0008]所述驅(qū)動(dòng)端柔性鉸鏈由一個(gè)豎直梁構(gòu)成，所述豎直梁上左右對(duì)稱開有兩個(gè)半圓凹槽，所述驅(qū)動(dòng)端柔性鉸鏈上端連接于所述剛性連接塊的下部邊緣，下端與所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器頂端的球形接頭相抵，形成赫茲接觸；
[0009]所述柔性鉸鏈組合均由兩個(gè)開有半圓凹槽的水平橫梁構(gòu)成，兩個(gè)水平橫梁自上而下分布，每個(gè)水平橫梁上均開有兩組半圓凹槽，每組半圓凹槽為兩個(gè)，上下對(duì)稱分布在水平橫梁左右兩端的內(nèi)外兩個(gè)側(cè)壁上；
[0010]所述柔性鉸鏈組合包含四組，根據(jù)分布位置分別命名為左上柔性鉸鏈組合，右上柔性鉸鏈組合，左下柔性鉸鏈組合和右下柔性鉸鏈組合，所述左上柔性鉸鏈組合位于所述剛性動(dòng)平臺(tái)左側(cè)邊緣和所述剛性支撐框倒置“凸”字形左上側(cè)內(nèi)壁之間，所述右上柔性鉸鏈組合位于所述剛性動(dòng)平臺(tái)右側(cè)邊緣和所述剛性支撐框倒置“凸”字形右上側(cè)內(nèi)壁之間，所述左下柔性鉸鏈組合位于所述剛性連接塊左側(cè)邊緣和所述剛性支撐框倒置“凸”字形左下側(cè)內(nèi)壁之間，所述右下柔性鉸鏈組合位于所述連接塊右側(cè)邊緣和所述剛性支撐框倒置“凸”字形右下側(cè)內(nèi)壁之間；
[0011]所述兩個(gè)柔性鏈結(jié)構(gòu)完全一致，左右對(duì)稱分布于所述剛性連接塊和所述剛性動(dòng)平臺(tái)之間，所述右柔性鏈由右上梁、右中梁、右下梁和一個(gè)水平右橫梁組成，所述右上梁和所述右下梁均豎直放置，所述右上梁從上到下包括上豎直梁，豎直短梁和下豎直梁三部分，所述上豎直梁左右對(duì)稱開有兩個(gè)半圓凹槽，所述下豎直梁左右對(duì)稱開有兩個(gè)半圓凹槽，所述兩組半圓凹槽尺寸一致，所述右上梁中的上豎直梁的上端連接于所述剛性動(dòng)平臺(tái)的下部邊緣右側(cè)，所述右上梁中的下豎直梁的下端連接于所述水平右橫梁的右端上側(cè)面，所述右下梁和所述右上梁結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致，所述右下梁中的上豎直梁的上端連接于所述水平右橫梁的左端下側(cè)面，所述右下梁中的下豎直梁的下端與所述剛性連接塊上部邊緣右端相連，所述右中梁也豎直放置，所述右中梁上左右對(duì)稱開有兩個(gè)半圓凹槽，所述右中梁上端連接于所述水平右橫梁中線位置下側(cè)面，下端連接于所述剛性支撐框倒置“凸”字形右側(cè)上內(nèi)壁；
[0012]所述左柔性鏈和右柔性鏈結(jié)構(gòu)一致，左右對(duì)稱分布于所述剛性連接塊上側(cè)邊緣中線兩側(cè)，所述左柔性鏈由左上梁、左中梁、左下梁和一個(gè)水平左橫梁組成，所述左上梁和所述左下梁均豎直放置;所述左上梁從上到下包括上豎直梁，豎直短梁和下豎直梁三部分，所述上豎直梁左右對(duì)稱開有兩個(gè)半圓凹槽，所述下豎直梁左右對(duì)稱開有兩個(gè)半圓凹槽，所述兩組半圓凹槽尺寸一致，所述左上梁中的上豎直梁的上端連接于所述剛性動(dòng)平臺(tái)的下部邊緣左側(cè)，所述左上梁中的下豎直梁的下端連接于所述水平左橫梁的左端上側(cè)面，所述左下梁和所述左上梁結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致，所述左下梁中的上豎直梁的上端連接于所述水平左橫梁的右端下側(cè)面，所述左下梁中的下豎直梁的下端與所述剛性連接塊的上部邊緣左端相連，所述左中梁也豎直放置，所述左中梁上左右對(duì)稱開有兩個(gè)半圓凹槽，所述左中梁上端連接于所述水平左橫梁中線位置下側(cè)面，下端連接于所述剛性支撐框倒置“凸”字形左側(cè)上內(nèi)壁；
[0013]所述剛性動(dòng)平臺(tái)為長方形結(jié)構(gòu)，所述剛性動(dòng)平臺(tái)下部邊緣左端與左柔性鏈的上端連接，所述剛性動(dòng)平臺(tái)下部邊緣右端與右柔性鏈的上端連接，所述剛性動(dòng)平臺(tái)左側(cè)面與所述左上柔性鉸鏈組合相連，所述剛性動(dòng)平臺(tái)右側(cè)面與所述右上柔性