一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置的製作方法

2023-05-23 11:13:46

專利名稱：一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種可應用於微觀尺度領域的角位移定位裝置。
背景技術：
微機電系統(MEMS, MicroElectroMechanical System)包含尺寸從 Ium 到 Imm 之間的器件，如微型機構、微型傳感器、微型執行器、微型信號處理和控制電路，以及接口、通信和電源等於一體的微型器件或系統。在微機電技術的研究過程中，微機電系統的加工工藝與裝配技術是研究的重點。而微定位是微機電系統加工和裝配中一項基本的需求，微定位有直線位移定位和角位移定位兩種，微定位可根據加工和裝配工藝的要求，確定待裝配的微器件在微裝配平臺位置。目前，關於微裝配領域的微定位裝置，有德國PI公司設計的直線運動臺，利用電 機和精密絲槓機構傳動，實現直線定位精度為40納米。有韓國精密機械研究中心設計的類仿蚯蚓行走裝置，利用壓電致動器的伸縮性能，在直線導軌面上進行微尺度的直線行走，行走精度達10納米。而至今未見有關於微尺度角位移定位裝置的文獻報導。宏觀領域的角度定位裝置一般採用傳統機械傳動或伺服電機系統，傳統機械傳動機構如渦輪蝸杆機構，利用其可完成轉臺的角位移定位；伺服電機系統如數控轉臺，通過對伺服電機的角位移閉環控制完成角位移定位；也可通過步進電機的開環控制完成轉臺的角位移定位。原理上，用於宏觀領域的角位移定位機構是可用在微觀角位移定位的，但實際中，應用於微觀定位時，對機構的各傳動部件的精度要求高，或目前的加工工藝和裝配工藝還無法滿足精度要求，或即便能滿足精度要求，也致使製作裝置的成本高昂。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，在加工和安裝工藝要求不高的條件下實現微觀長行程角位移定位，滿足角位移定位工作檯微尺度定位需求。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是最上部是角位移平臺，最下部是底座，角位移平臺的下底面上固定連接圓形結構的摩擦凸緣，摩擦凸緣的下部是驅動器，驅動器下部是底座，驅動器的驅動器框架與底座固定聯接，銷軸的下端固接底座且銷軸垂直間隙穿過角位移平臺上的中心孔和驅動器上的中心孔，角位移平臺關於銷軸的中心軸對稱，摩擦凸緣的中心軸是銷軸的中心軸；驅動器還包括柔性鉸鏈、摩擦凸臺和旋轉板，旋轉板套在銷軸上且旋轉板關於銷軸的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈連接旋轉板和驅動器框架且2個柔性鉸鏈關於銷軸的中心軸對稱，在旋轉板上固定設有關於銷軸的中心軸對稱的2個摩擦凸臺且2個摩擦凸臺的上表面與摩擦凸緣的下表面相接觸；旋轉板上有兩處關於銷軸的中心軸對稱的受力點，兩處受力點所受外作用力大小相等、轉矩方向相同；控制外作用力隨時間變化使角位移平臺持續轉動定位。本發明採用上述技術方案後，具有以下有益效果I、本發明採用摩擦驅動與慣性滑移原理進行微尺度下角位移驅動，利用摩擦力與慣性作用結合的驅動方式，既可進行長行程角位移步進驅動，也可持續地對微裝配中待裝配或待操作對象按一定步距角位移進行角位移定位，根據具體應用需求，可控制旋轉平臺的角位移定位精度，能達到微尺度下的角位移定位要求。2、本發明驅動原理獨特、結構簡單、成本較低。以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。


圖Ia是本發明結構的主視 圖Ib是圖Ia的俯視 圖Ic是圖Ib的A-A首I]視 圖2是圖Ib中驅動器6的結構放大 圖3a是圖Ia中角位移平臺I及摩擦凸緣3的仰視 圖3b是圖3a的B-B剖視 圖4是圖2所示驅動器6的工作原理示意圖；其中，圖4a是驅動器6的驅動行程原理圖；圖4b是圖4a中的驅動器6的行程中角位移平臺I發生角位移示意圖；圖4c是驅動器6的恢復行程原理圖；圖4d是圖4c中的驅動器6的恢復行程中角位移平臺I發生角位移示意 圖5是驅動器6順時針驅動時，旋轉板10的角位移和作用力隨時間變化的曲線 圖6是驅動器6順時針驅動時，角位移平臺I的角位移示意 圖7是驅動器6逆時針驅動時，旋轉板10的角位移和作用力隨時間變化的曲線 圖8是圖4d中驅動器6逆時針驅動時角位移平臺I的角位移示意 圖9是本發明應用例中驅動器6的工作原理示意 圖10是當本發明的角位移平臺I順時針轉動時，圖9中壓電陶瓷11的驅動力-時間曲線 圖11是當本發明的角位移平臺I逆時針轉動時，圖9中壓電陶瓷11的驅動力-時間曲線 圖中1.角位移平臺；2.銷軸；3.摩擦凸緣；4.摩擦凸臺；5.底座；6.驅動器；7.螺釘；8.受力點；9.柔性鉸鏈；10.旋轉板；11.壓電陶瓷。
具體實施例方式如圖la、lb、Ic所示，本發明最上部是角位移平臺1，最下部是底座5，角位移平臺I的下底面上固定連接摩擦凸緣3，摩擦凸緣3為圓形結構，在摩擦凸緣3的下部是驅動器6，驅動器6具有驅動器框架(圖中未標出)，驅動器6下部是底座5，驅動器框架與底座5通過螺釘7固定聯接。銷軸2垂直間隙穿過角位移平臺I和驅動器6上的中心孔，使角位移平臺I和驅動器6可沿銷軸2旋轉。銷軸2的下端固定於底座5上。角位移平臺I的形狀要求關於銷軸2的中心軸對稱。角位移平臺I可為圓形或方形(本發明圖例僅以圓形為例)。如圖2所示,驅動器6還包括柔性鉸鏈9、摩擦凸臺4和旋轉板10 ;旋轉板10套在銷軸2上，且旋轉板10的結構關於銷軸2的中心軸對稱。柔性鉸鏈9的結構形狀有橢圓柔性鉸鏈形式、倒角式柔性鉸鏈形式和矩形柔性鉸鏈形式，通過仿真分析的計算，本發明圖例僅以採用矩形柔性鉸鏈形式為例。有2個柔性鉸鏈9關於銷軸2的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈9連接旋轉板10和驅動器框架。在旋轉板10上固定設置關於銷軸2的中心軸對稱的2個摩擦凸臺4，2個摩擦凸臺4在高度上相對於旋轉板10向上凸出，使2個摩擦凸臺4的上表面與摩擦凸緣3的下表面相接觸。這樣，通過摩擦凸臺4限定了角位移平臺I在豎直方向的位置，通過銷軸2限定了角位移平臺I和驅動器6的旋轉軸位置。摩擦凸臺4、柔性鉸鏈9和旋轉板10三者可做在同一實體上。銷軸2的中心軸的幾何中心為O點，O點也是驅動器6的幾何中心。圖2中的受力點8是外力作用在旋轉板10上的位置，受力點8有兩處，位置關於0點對稱，且要求兩處受力點8所受外力大小相等，方向相反，作用於0點的轉矩方向相同。如圖3a、3b所示，角位移平臺I中心處有安裝孔，銷軸2插入角位移平臺I的安裝孔，摩擦凸緣3的中心軸與角位移平臺I的中心軸同軸，同為銷軸2的中心軸，使摩擦凸緣3與角位移平臺I同軸同時旋轉。本發明工作時，當旋轉板10上的受力點8受外力時，柔性鉸鏈9產生變形，外力消除時，變形恢復；由於柔性鉸鏈9關於0點對稱，柔性鉸鏈9的變形和變形恢復使得旋轉板10產生繞0點微轉動角位移和恢復性角位移，同時,摩擦凸臺4也產生繞0點的微轉動位移和恢復性角位移。而角位移平臺I和銷軸2的重力通過摩擦凸緣3作用在驅動器6的旋轉板10上的摩擦凸臺4上，角位移平臺I在摩擦凸臺4和銷軸2的定位下，僅有繞銷軸2轉動的自由度。這樣，當摩擦凸臺4繞驅動器6的中心0點產生轉動角位移時，摩擦凸臺4通過作用在摩擦凸緣3的摩擦力，驅動角位移平臺I繞銷軸2轉動，也產生微轉動角位移。具體如下
角位移平臺I的轉動過程可分為驅動行程過程和恢復行程過程。驅動行程過程如圖4a所示，由於旋轉板10是通過柔性鉸鏈9與驅動器框架聯接的，當作用在旋轉板10上受力點8處力由0增加到F時，使得柔性鉸鏈9產生變形，旋轉板10繞0點按順時針方向產生角位移Co，轉動過程中，摩擦凸臺4表面和摩擦凸緣3表面產生摩擦力，從而驅動角位移平臺I繞銷軸2也按順時針轉動角位移0 1，如圖4b所示。恢復行程過程如圖4c所示，當力由F變為0時，柔性鉸鏈9此時產生恢復變形，相應地，旋轉板10繞0點按逆時針方向恢復角位移《，同理，在摩擦凸臺4和摩擦凸緣3的摩擦力作用下，驅動角位移平臺I繞銷軸2逆時針轉動角位移0 2,如圖4d所示。本發明只需控制旋轉板10上的受力點8處的外作用力隨時間變化規律就可使角位移平臺I進行持續轉動定位。如圖5所示，旋轉板10順時針驅動時，作用在旋轉板10上的力在時間tl內由0增加到F，旋轉板10順時針轉動角位移《，旋轉板10上的摩擦凸臺4驅動角位移平臺I繞銷軸2產生角位移01。恢復行程中，作用在旋轉板10上的力在時間t2內由F減小到0,旋轉板10逆時針轉動角位移w，旋轉板10上的摩擦凸臺4驅動角位移平臺I繞銷軸2角位移0 2 ;由於tl>t2，旋轉板10順時針轉動的角速度大於逆時針恢復性轉動的角速度，在角位移平臺I慣性作用下，角位移平臺I驅動行程的角位移9 I大於恢復行程中的角位移92，即0 1>02，如圖6所示，此時，角位移平臺I按順時針轉動角位移0 1-0 2。旋轉板10上的作用力在時間tl內由0增加到F，再由F減小到0，這個過程稱為一個驅動周期，在一個驅動周期中，角位移平臺I的轉動角位移為9 1-92 ;若此周期反覆進行，可使得角位移平臺I以0 I- 0 2為角位移步距按順時針方向持續的轉動，實現角位移平臺I按順時針方向持續轉動定位。同理，如圖7所示，若使得驅動周期中tl〈t2，旋轉板10順時針轉動的角速度小於其逆時針恢復性轉動的角速度，在角位移平臺I慣性作用下，角位移平臺I驅動行程的角位移0 I小於恢復行程中的角位移0 2，即0 1〈0 2，此時，一個驅動周期中，角位移平臺I按逆時針轉動，角位移為0 2-0 1，如圖8所示。若此周期反覆進行，可使得角位移平臺I以0 2- 0 I為角位移步距按逆時針方向持續的轉動，實現角位移平臺I按逆時針方向持續轉動定位。以下提供本發明的一個應用例本發明應用時，需要為其選擇作用在旋轉板10上的力驅動元件，力驅動元件有多種選擇，例如電磁力驅動元件、壓電驅動元件等。本發明以選擇壓電陶瓷為力驅動元件為例，如圖9所示，作用在旋轉板10上的受力點8處的力驅動元件為壓電陶瓷11 (P-885. 50，PI公司，最大驅動力900N/120V)，壓電陶瓷11的特點是隨著加載電壓的增加壓電陶瓷的尺寸伸長，壓電陶瓷11伸長時產生的驅動力與加載電壓成 近似的線性關係，即其驅動力隨加載電壓增加而線性增加，即通過控制壓電陶瓷11的加載電壓來控制驅動力，從而控制作用在旋轉板10上的作用力大小。壓電陶瓷11安裝如圖9所示，用兩個壓電陶瓷11，每個壓電陶瓷11的一端與旋轉板10的受力點8處接觸，另一端固定在驅動器框架上。整個驅動器6的材料為彈性性能優良的合金鋼65Mn，即柔性鉸鏈9材料為合金鋼65Mn,經過計算機仿真設計,確定柔性鉸鏈9的厚度為15mm,寬度為Imm ;當給壓電陶瓷11加載電壓時，壓電陶瓷11因伸長而對旋轉板10產生作用力，進而使得柔性鉸鏈9變形,旋轉板10繞0點按順時針轉動一個角位移,旋轉板10通過摩擦凸臺4驅動角位移平臺I按順時針轉動0 1，如圖4b示意；當壓電陶瓷11的加載電壓減小時，壓電陶瓷11收縮且驅動力減小，柔性鉸鏈9變形恢復，旋轉板10按逆時針恢復性轉動一個角位移，摩擦凸臺4通過摩擦力驅動角定位平臺I按逆時針轉動0 2,如圖4d示意。如果控制壓電陶瓷11的驅動力和時間量如圖10所示，tl>t2，即壓電陶瓷11的驅動力增加速率小於減小速率，那麼，角位移平臺I以一定的角位移步距按順時針方向持續轉動；如果控制壓電陶瓷11的驅動力和時間關係如圖11所示，tl〈t2，即壓電陶瓷11的驅動力增加速率大於減小速率，角位移平臺I以一定的角位移步距按逆時針方向持續轉動。本發明通過控制壓電陶瓷11的驅動力數值可使柔性鉸鏈9變形量在微米尺度內，由於旋轉板10的轉角及角位移定位平臺I的轉角尺度取決於柔性鉸鏈9的變形尺度，因而，本發明可應用於微尺度的角位移定位中。又由於控制壓電陶瓷11驅動力大小可控制柔性鉸鏈9的變形量大小，從而可控制角位移平臺I的角位移步距大小，如圖5所示的
0I- 0 2和圖7所示0 2-01大小，即，本發明角位移定位精度可控。
權利要求
1.一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，最上部是角位移平臺(1)，最下部是底座(5)，其特徵是角位移平臺(I)的下底面上固定連接圓形結構的摩擦凸緣(3)，摩擦凸緣(3)的下部是驅動器(6)，驅動器(6)下部是底座(5)，驅動器(6)的驅動器框架與底座(5)固定聯接，銷軸(2)的下端固接底座(5)且銷軸(2)垂直間隙穿過角位移平臺(I)上的中心孔和驅動器(6)上的中心孔，角位移平臺(I)關於銷軸(2)的中心軸對稱，摩擦凸緣(3)的中心軸是銷軸(2)的中心軸；驅動器(6)還包括柔性鉸鏈(9)、摩擦凸臺(4)和旋轉板(10)，旋轉板(10)套在銷軸(2)上且旋轉板(10)關於銷軸(2)的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈(9)連接旋轉板(10)和驅動器框架且2個柔性鉸鏈(9)關於銷軸(2)的中心軸對稱，在旋轉板(10)上固定設有關於銷軸(2)的中心軸對稱的2個摩擦凸臺(4)且2個摩擦凸臺(4)的上表面與摩擦凸緣(3)的下表面相接觸；旋轉板(10)上有兩處關於銷軸(2)的中心軸對稱的受力點，兩處受力點所受外作用力大小相等、轉矩方向相同；控制外作用力隨時間變化使角位移平臺(I)持續轉動定位。
2.根據權利要求I所述的一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，其特徵是在所述受力點處設有外作用力驅動元件，驅動元件為電磁力驅動元件、壓電驅動元件。
全文摘要
本發明公開一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，最上部是角位移平臺，最下部是底座，角位移平臺下底面固定連接圓形結構的摩擦凸緣，摩擦凸緣下部是驅動器，銷軸垂直間隙穿過角位移平臺上中心孔和驅動器上中心孔，角位移平臺關於銷軸的中心軸對稱，驅動器還包括柔性鉸鏈、摩擦凸臺和旋轉板，旋轉板套在銷軸上且旋轉板關於銷軸的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈連接旋轉板和驅動器框架且關於銷軸的中心軸對稱，在旋轉板上固定設有關於銷軸的中心軸對稱的2個摩擦凸臺且2個摩擦凸臺的上表面與摩擦凸緣的下表面相接觸；控制外作用力隨時間變化使角位移平臺持續轉動定位；本發明既可長行程角位移步進驅動，也可持續地按一定步距角位移進行角位移定位。
文檔編號B25B11/00GK102729173SQ20121018096
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月5日 優先權日2012年6月5日
發明者韓江義 申請人:江蘇大學