帶有自鎖功能的兩自由度柔性鉸鏈的製作方法

2023-05-08 23:57:21 1

本發明涉及柔性鉸鏈設計領域，尤其涉及一種帶有自鎖功能的兩自由度柔性鉸鏈。

背景技術：

在微型機械、半導體光刻、精密測量、超精密加工、微型裝配、生物細胞操縱和納米技術等領域，需要高性能的超精密定位工作檯作為技術支持。超精密定位工作檯的定位精度(輸出位移)往往達到亞微米量級，因此要有相應精度的驅動部件，驅動部件的設計、製造成本都限制了超精密定位工作檯的使用。柔性鉸鏈作為一種位移的線性縮放機構，可以將輸入位移等比例放大或縮小。由於柔性鉸鏈發生的是彈性變形，因此放大或縮小比例的線性度好，可以將其用在定位工作檯上，就可以用較低精度的驅動部件，通過位移等比例縮小，得到較高的控制精度。同時柔性鉸鏈結構緊湊、體積小，可以做到無機械摩擦、無間隙，具有較高的位移解析度，如專利CN102705661A、CN102490021A、CN101837586A、CN101770182A、CN1669744等公開的技術，都涉及到使用柔性鉸鏈的微位移工作檯，並且公開了機械式、壓電陶瓷式等不同的位移驅動方式及其控制反饋方式。

但是已有公開專利技術中對柔性鉸鏈的性能要求不高，很少關注柔性鉸鏈連接對其設計性能的影響，沒有對柔性鉸鏈的塑性變形失效提出有效的限制方法。

技術實現要素：

本發明提供了一種帶有自鎖功能的兩自由度柔性鉸鏈，其克服了背景技術中柔性鉸鏈所存在的不足。

本發明解決其技術問題的所採用的技術方案是：

帶有自鎖功能的兩自由度柔性鉸鏈，包括基座10，該基座10正面中心部位設有用於安裝柔性鉸鏈的定位孔11；該基座10開設有兩個貫穿正背面的通槽20，通過通槽20使基座10具有兩分別被兩通槽20包圍的彈性懸空臂30，該一彈性懸空臂30自由狀態下沿X向布置且該一彈性懸空臂30上設有自由鉸鏈X向的位移輸入，該另一彈性懸空臂30自由狀態下沿Y向布置且該另一彈性懸空臂30上設有自由鉸鏈Y向的位移輸入；該通槽20的槽壁具有一對應彈性懸空臂30懸空端部且朝向位移輸入的支撐壁，該自由狀態下懸空臂30的懸空端部和支撐壁間隔，該間隔構成限制彈性懸空臂30最大變形以起自鎖功能的保護間隙；該基座10頂面凹設有貫穿正背面的矩形槽12，該矩形槽12之對應X向的一側面為X向的輸出面，對應Y向的一側面為Y向的輸出面；將彈性懸空臂30上的X、Y兩向上的輸入位移線性縮小，並通過輸出面同向輸出，在柔性鉸鏈發生彈性變形的範圍內，輸入輸出位移呈現線性關係。

一實施例之中：該基座10開設有兩個貫穿正背面的第一間隔槽41，該一第一間隔槽41間隔設在一通槽20和定位孔11之間，該另一第一間隔槽41間隔設在另一通槽20和定位孔11之間。

一實施例之中：該基座10開設有一個貫穿正背面的第二間隔槽42，該第二間隔槽42呈L形且兩端分別與兩第一間隔槽41間隔，該第二間隔槽42和兩第一間隔槽41將定位孔11圍在中間。

一實施例之中：還包括兩第三間隔槽43，該第三間隔槽43相對定位孔11位於該第一間隔槽41和第二間隔槽42的間隔之外。

一實施例之中：還包括兩間隔布置成L形的第四間隔槽44，該第四間隔槽44相對定位孔11位於該第二間隔槽42之外。

一實施例之中：該通槽20包括一輸入槽21、一第一側L形槽22、一U形槽23、一讓位槽24和一第二側L形槽25；該輸入槽21一端接通第一側L形槽22一端，該輸入槽21另一端接通U形槽23一端使U形槽23開口朝向側L形槽22；該U形槽23另一端接通讓位槽24，該第二側L形槽25一端也接通讓位槽24，且U形槽23和第二側L形槽25分別位於讓位槽24兩側，該U形槽23之朝向輸入的槽壁為上述的支撐壁。

一實施例之中：還包括一L形槽26，該L形槽26兩端分別接通兩通槽20的讓位槽24。

一實施例之中：該基座10採用45號鋼製造而成；該X向的保護間隙的寬度為8μm，Y向的保護間隙的寬度為16μm。

本技術方案與背景技術相比，它具有如下優點：

可以將一定範圍內X、Y兩個自由度方向上的位移，線性縮小後輸出，且兩個自由度位移相互獨立。輸入X(Y)向位移時，Y(X)向的輸出位移保持不變。通過設計保證柔性鉸鏈的連接(固定安裝)位置在加載時不發生變形(連接位置對鉸鏈的輸入和輸出位移的比例沒有影響)，另外通過柔性鉸鏈內部間隙的設計保證柔性鉸鏈在發生塑性變形之前在其內部實現自鎖，避免柔性鉸鏈的塑性變形失效，提高柔性鉸鏈的使用壽命。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是兩自由度柔性鉸鏈的主視示意圖。

圖2是兩自由度柔性鉸鏈的左視示意圖。

圖3是鉸鏈X向輸出與輸入位移的關係的示意圖。

圖4是鉸鏈Y向輸出與輸入位移的關係的示意圖。

具體實施方式

請查閱圖1和圖2，帶有自鎖功能的兩自由度柔性鉸鏈，包括基座10，該基座10採用45號鋼製造而成。該基座10正面中心部位設有用於安裝柔性鉸鏈的定位孔11，通過定位孔11固定裝接柔性鉸鏈。

該基座10開設有兩個貫穿正背面的通槽20，通過通槽20使基座10具有兩分別被兩通槽20包圍的彈性懸空臂30，該一彈性懸空臂30自由狀態下沿X向布置且該一彈性懸空臂30上設有自由鉸鏈X向的位移輸入，該另一彈性懸空臂30自由狀態下沿Y向布置且該另一彈性懸空臂30上設有自由鉸鏈Y向的位移輸入；該通槽20的槽壁具有一對應彈性懸空臂30懸空端部且朝向位移輸入的支撐壁，該自由狀態下懸空臂30的懸空端部和支撐壁間隔，該間隔構成限制彈性懸空臂30最大變形以起自鎖功能的保護間隙。在鉸鏈內部設有保護間隙，保證柔性鉸鏈在發生塑性變形之前自鎖，防止操作失誤等原因而引發柔性鉸鏈局部產生不可恢復的塑性變形，或者所定位工件由於位移過大而產生的傾翻。

該基座10頂面凹設有貫穿正背面的矩形槽12，該矩形槽12之對應X向的一側面為X向的輸出面，對應Y向的一側面為Y向的輸出面；將彈性懸空臂30上的X、Y兩向上的輸入位移線性縮小，並通過輸出面同向輸出，在柔性鉸鏈發生彈性變形的範圍內，輸入輸出位移呈現良好的線性關係。

該基座10開設有兩個貫穿正背面的第一間隔槽41，該一第一間隔槽41間隔設在一通槽20和定位孔11之間，該另一第一間隔槽41間隔設在另一通槽20和定位孔11之間。通過間隔槽間隔，一者避免X、Y兩向加載時，加載過程中X(Y)方向輸出位移受Y(X)方向加載影響，另一者，柔性鉸鏈的連接(固定安裝)位置在加載時不發生變形，連接位置對鉸鏈的輸入和輸出位移的比例沒有影響。該基座10開設有一個貫穿正背面的第二間隔槽42，該第二間隔槽42呈L形且兩端分別與兩第一間隔槽41間隔，該第二間隔槽42和兩第一間隔槽41將定位孔11圍在中間。設置第二間隔槽使上述的避免X向Y向相互影響及鉸鏈安裝受輸入影響的效果更好。還包括兩第三間隔槽43，該第三間隔槽43相對定位孔11位於該第一間隔槽41和第二間隔槽42的間隔之外。還包括兩間隔布置成L形的第四間隔槽44，該第四間隔槽44相對定位孔11位於該第二間隔槽42之外。

該通槽20包括一輸入槽21、一第一側L形槽22、一U形槽23、一讓位槽24、一第二側L形槽25和一L形槽26；該輸入槽21一端接通第一側L形槽22一端，該輸入槽21另一端接通U形槽23一端使U形槽23開口朝向側L形槽22；該U形槽23另一端接通讓位槽24，該第二側L形槽25一端也接通讓位槽24，且U形槽23和第二側L形槽25分別位於讓位槽24兩側，該U形槽23之朝向輸入的槽壁為上述的支撐壁。該L形槽26兩端分別接通兩通槽20的讓位槽24以將兩通槽連接在一起。通過上述通槽的具體結構避免X向Y向輸入相互影響。

鉸鏈的最大承載位移與鉸鏈所採用的材料屈服強度相關，以45號鋼為例，其彈性模量為206GPa，利用ANSYS仿真軟體的分析，得出的輸入輸出位移如圖3、圖4所示。同時可以得出，X方向上的輸出輸入位移比為0.137μm/μm，Y方向上的輸出輸入位移比為0.286μm/μm，誤差均在0.1％以內。從ANSYS仿真的應力雲圖中可以看出，鉸鏈在工作時承受應力最大位置在鉸鏈X、Y向位移輸入面處，在保證此處最大應力不超過材料屈服極限的前提下，控制最大X向輸入位移不超過16μm，即X向保護間隙設計為8μm，Y向輸入位移不超過8μm，即Y向保護間隙設計為16μm。使用時：優先推薦先加載Y向位移，再加載X向位移，可以使鉸鏈達到更高的位移輸出精度。

用於安裝柔性鉸鏈的定位孔11設在基座10正面中心部位，柔性鉸鏈的位移輸入輸出部分設置在連接(固定安裝)位置的四周，鉸鏈工作時中心部位的連接(固定安裝)位置不會發生位移變化。

以上所述，僅為本發明較佳實施例而已，故不能依此限定本發明實施的範圍，即依本發明專利範圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋的範圍內。