一种斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构

摘要

本发明公开了一种斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构，该导引机构由前部模块和后部模块组成，且后部模块的结构是前部模块竖直转过180°的结构，前部模块和后部模块均为一体成型件，是在一平板上采用线切割技术切割制得，前部模块和后部模块上分别设有八个簧片、四个中间连接块、三个连接块和一个连接块。本发明导引机构采用了多簧片在空间交叉但并不在交叉点处固定的设计，使得铰链的内应力减小，寿命提高。前部模块和后部模块上的每个运动单元中簧片设计成正“Z”与倒“Z”互补形式，使得导引机构结构紧凑、体积小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性铰链。更特别地说，是指一种具有大变形、高精度的斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构。

背景技术

柔性铰链是指在外部载荷的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚体间传递力和能量，从而产生相对平移或转动的一种结构形式。相比于传统的刚性铰链，柔性铰链在成本和性能两方面都具有得天独厚的优势：(1)无需润滑，避免了污染，降低了维护成本；(2)无间隙，无摩擦提高了重复精度；(3)紧凑性减小了结构重量；(4)可以在真空、低温等恶劣的环境下工作。可应用于微动工作台、光学自动聚焦系统等精密、超精密传动和定位等场合。

直线导引机构作为一种特殊的机构，有着较大的应用需求。为了实现高精度(误差小于1μm)，大多采用了柔性铰链来满足性能要求。然而现有的柔性直线导引机构行程较小(小于5mm)，运动精度不高，极大限制了这类机构的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有大变形、高精度的斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构，该导引机构中的前部模块和后部模块均为在同一平板上，运用线切割技术切割制得。前部模块和后部模块采用簧片的交叉布置，在实现大行程的同时达到了很高的运动精度，并且可以承受较大的有效载荷。

本发明的一种斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构，该导引机构由前部模块和后部模块组成；后部模块的结构是前部模块竖直转过180°的结构。前部模块和后部模块上分别设有多个上簧片、下簧片，设置在中间连接块上方称上簧片，设置在中间连接的下方的簧片称为下簧片，上簧片与中间连接块的上板面形成的夹角称为上夹角β＝30°～40°，上夹角有β₁＝β₂＝β₃＝β₄＝β₅＝β₆＝β₇＝β₈＝30°～40°；下簧片与中间连接块的下板面形成的夹角称为下夹角α＝30°～40°，下夹角有α₁＝α₂＝α₃＝α₄＝α₅＝α₆＝α₇＝α₈＝30°～40°；在同一导引机构中上夹角β与下夹角α的角度保持相等。前部模块和后部模块均为一体成型件，是在一平板上采用线切割技术切割制有八个簧片、四个中间连接块、三个上连接块和一个下连接块。

本发明斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构的优点在于：

(1)前部模块与后部模块采用竖直转过180°结构相同的设计，通过多簧片在空间交叉但并不在交叉点处固定的设计，使得铰链的内应力减小，寿命提高。

(2)每个运动单元中簧片设计成正“Z”与倒“Z”互补形式，整个导引机构结构紧凑、体积小。

(3)在前部模块与后部模块的结合处采用螺钉与垫块的连接形式，提高了柔性直线导引机构的刚度，使承载能力加强，固有频率增加。

(4)本发明设计的柔性机构在水平中心线方向上运动，能够实现高精度、大行程的一维移动，适用于大行程的柔性精密定位系统。

附图说明

图1是本发明斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构的结构图。

图1A是图1的后视图。

图1B是图1的分解图。

图2是本发明前部模块的结构图。

图2A是本发明第一运动单元的结构图。

图2B是本发明第三运动单元的结构图。

图2C是本发明第二运动单元的结构图。

图3是本发明后部模块的结构图。

图3A是本发明第四运动单元的结构图。

图3B是本发明第六运动单元的结构图。

图3C是本发明第五运动单元的结构图。

图中：        1.前部模块    101.A簧片    101a.上板面    102.B簧片

102a.上板面   103.C簧片     103a.上板面  104.D簧片      104a.上板面

105.E簧片     105a.下板面   106.F簧片    106a.下板面    107.G簧片

107a.下板面     108.H簧片        108a.下板面      111.A连接块   112.B连接块

113.C连接块     121.A中间连接块                   121a.上板面   121b.下板面

122.B中间连接块                  122a.上板面      122b.下板面   123.C中间连接块

123a.上板面     123b.下板面      124.D中间连接块                124a.上板面

124b.下板面     131.前连接块     2.后部模块       201.I簧片     201a.上板面

202.J簧片       202a.上板面      203.K簧片        203a.上板面   204.L簧片

204a.上板面     205.M簧片        205a.下板面      206.N簧片     206a.下板面

207.O簧片        207a.下板面      208.P簧片        208a.下板面   211.D连接块

212.E连接块     213.F连接块      221.E中间连接块                221a.上板面

221b.下板面     222.F中间连接块                   222a.上板面   222b.下板面

223.G中间连接块                  223a.上板面      223b.下板面   224.H中间连接块

224a.上板面     224b.下板面      231.后连接块     3.垫块

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B所示，本发明的一种斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构，该导引机构由前部模块1和后部模块2组成；前部模块1和后部模块2上分别设有多个上簧片、下簧片，设置在中间连接块上方称上簧片，设置在中间连接的下方的簧片称为下簧片，上簧片与中间连接块的上板面形成的夹角称为上夹角β＝30°～40°，上夹角有β₁＝β₂＝β₃＝β₄＝β₅＝β₆＝β₇＝β₈＝30°～40°；下簧片与中间连接块的下板面形成的夹角称为下夹角α＝30°～40°，下夹角有α₁＝α₂＝α₃＝α₄＝α₅＝α₆＝α₇＝α₈＝30°～40°；在同一导引机构中上夹角β与下夹角α的角度保持相等。前部模块1与后部模块2的结合处分别设有通孔(通孔是设在前部模块1上)、螺纹孔(螺纹孔是设在后部模块2上)，并且在装配时，前部模块1上的通孔与后部模块2上的螺纹孔对齐位置处放置有垫块3，垫块3上也设有通孔，采用螺钉的螺纹端穿过前部模块1上的通孔、垫块3上的通孔、后部模块2上的螺纹孔实现将前部模块1与后部模块2组合安装在一起。在本发明中，螺钉的端部设有螺纹，该螺钉的结构为一常规结构，故不作详细说明。在本发明中，采用螺钉进行固定这是一个常规技术，故不作详细说明。在前部模块1与后部模块2的接合处应用一个垫块，以及在垫块上打一个或两个通孔，这也是现有技术，故不作详细说明。

(一)前部模块1

参见图1、图1A、图1B、图2所示，前部模块1为一体成型件，是在一平板上采用线切割技术切割制得。前部模块1上设有八个簧片、四个中间连接块、三个连接块和一个前连接块131。

八个簧片是指结构相同的A簧片101、B簧片102、C簧片103、D簧片104、E簧片105、F簧片106、G簧片107和H簧片108。

四个中间连接块是指结构相同的A中间连接块121、B中间连接块122、C中间连接块123和D中间连接块124；四个中间连接块分别设置在三个连接块与前连接块131之间；

三个连接块是指A连接块111、B连接块112和C连接块113。

参见图2A所示，A连接块111与A中间连接块121之间有E簧片105，A连接块111、E簧片105和A中间连接块121形成第一个正“Z”形状单元，且E簧片105的下板面105a与A中间连接块121的上板面121a之间的夹角记为β₁(简称第一上夹角β₁)，β₁＝30～40°；A中间连接块121与前连接块131之间有A簧片101，A中间连接块121、A簧片101和前连接块131形成第一个倒“Z”形状单元，且A中间连接块121的下板面121b与A簧片101的上板面101a之间的夹角记为α₁(简称第一下夹角α₁)，α₁＝30～40°。第一个正“Z”形状单元与第一个倒“Z”形状单元构成第一运动单元11。

参见图2C所示，B连接块112的左端与B中间连接块122之间有F簧片106，B连接块112、F簧片106和B中间连接块122形成第二个正“Z”形状单元，且F簧片106的下板面106a与B中间连接块122的上板面122a之间的夹角记为β₂(简称第二上夹角β₂)，β₂＝30～40°；B中间连接块122与前连接块131之间有B簧片102，B中间连接块122、B簧片102和前连接块131形成第二个倒“Z”形状单元，且B中间连接块122的下板面122b与B簧片102的上板面102a之间的夹角记为α₂(简称第二下夹角α₂)，α₂＝30～40°。

B连接块112的右端与C中间连接块123之间有G簧片107，B连接块112、G簧片107和C中间连接块123形成第三正“Z”形状单元，且G簧片107的下板面107a与C中间连接块123的上板面123a之间的夹角记为β₃(简称第三上夹角β₃)，β₃＝30～40°；C中间连接块123与前连接块131之间有C簧片103，C中间连接块123、C簧片103和前连接块131形成第三个倒“Z”形状单元，且C中间连接块123的下板面123b与C簧片103的上板面103a之间的夹角记为α₃(简称第三下夹角α₃)，α₃＝30～40°。第二个正“Z”形状单元与第二个倒“Z”形状单元和第三个正“Z”形状单元与第三个倒“Z”形状单元构成第二运动单元12。

参见图2B所示，C连接块113与D中间连接块124之间有H簧片108，C连接块113、H簧片108和D中间连接块124形成第四个正“Z”形状单元，且H簧片108的下板面108a与D中间连接块124的上板面124a之间的夹角记为β₄(简称第四上夹角β4)，β₄＝30～40°；D中间连接块124与前连接块131之间有D簧片104，D中间连接块124、D簧片104和前连接块131形成第四个倒“Z”形状单元，且D中间连接块124的下板面124b与D簧片104的上板面104a之间的夹角记为α₄(简称第四下夹角α₄)，α₄＝30～40°。第四个正“Z”形状单元与第四个倒“Z”形状单元构成第三运动单元13。

参见图2所示，A连接块111的长度记为l₁，B连接块112的长度记为l₂，C连接块113的长度记为l₃，则有l1＝l₃，l₁＝l₃＝0.5～0.7l₂。

A连接块111的下板面与A中间连接块121的上板面121a之间的间距记为h₁。A连接块111的宽度记为w₁，则有w₁＝w₂＝0.8～0.9w₃。

A中间连接块121的下板面121b与前连接块131的上板面之间的间距记为h₂，h₁＝h₂。

四个中间连接块的结构相同，四个中间连接块的长度均等于A连接块111的长度l₁，四个中间连接块的厚度记为d，则有$d=\frac{1}{10}{h}_1~\frac{1}{15}{h}_1.$A中间连接块121的宽度记为w₂，则有w₂＝w₁＝0.8～0.9w3，

A簧片101与B簧片102之间的间距记为b，则有b＝0.8～0.9l₂。前连接块131上设有的四个簧片(A簧片101、B簧片102、C簧片103和D簧片104)之间的间距是相等的。A簧片101的厚度记为t，t＝0.5～1mm。

前连接块131的长度记为L，L＝10～15cm。前连接块131的宽度记为w₃，w₃＝6～10mm。则有w₁＝w₂＝0.8～0.9w₃。

由于后部模块2的结构是前部模块1竖直转过180°的结构，故在设计尺寸上是相等的。

(二)后部模块2

后部模块2的结构是前部模块1竖直转过180°的结构，参见图1A所示。

参见图1、图1A、图1B、图3所示，后部模块2为一体成型件，是在一平板上采用线切割技术切割制得。后部模块2上设有八个簧片、四个中间连接块、三个连接块和一个后连接块231。

八个簧片是指结构相同的I簧片201、J簧片202、K簧片203、L簧片204、M簧片205、N簧片206、O簧片207和P簧片208。

四个中间连接块是指结构相同的E中间连接块221、F中间连接块222、G中间连接块223和H中间连接块224；四个中间连接块分别设置在三个连接块与后连接块231之间；

三个连接块是指D连接块211、E连接块212和F连接块213。

参见图3A所示，D连接块211与E中间连接块221之间有M簧片205，D连接块211、M簧片205和E中间连接块221形成第五个倒“Z”形状单元(图3A好像是正“Z”，图3是倒“Z”，后部模块其余“Z”类似)，且M簧片205的下板面205a与E中间连接块221的上板面221a之间的夹角记为β₅(简称第五上夹角β₅)，β₅＝30～40°；E中间连接块221与后连接块231之间有I簧片201，E中间连接块221、I簧片201和后连接块231形成第五个正“Z”形状单元，且E中间连接块221的下板面221b与I簧片201的上板面201a之间的夹角记为α₅(简称第五下夹角α₅)，α₅＝30～40°。第五个正“Z”形状单元与第五个倒“Z”形状单元构成第六运动单元23。

参见图3C所示，E连接块212的左端与F中间连接块222之间有N簧片206，E连接块212、N簧片206和F中间连接块222形成第六个倒“Z”形状单元，且N簧片206的下板面206a与F中间连接块222的上板面222a之间的夹角记为β₆(简称第六上夹角β₆)，β₆＝30～40°；F中间连接块222与后连接块231之间有J簧片202，F中间连接块222、J簧片202和后连接块231形成第六个正“Z”形状单元，且F中间连接块222的下板面222b与J簧片202的上板面202a之间的夹角记为α₆(简称第六下夹角α₆)，α₆＝30～40°。

E连接块212的右端与G中间连接块223之间有O簧片207，E连接块212、O簧片207和G中间连接块223形成第七个倒“Z”形状单元，且O簧片207的下板面207a与G中间连接块223的上板面223a之间的夹角记为β₇(简称第七上夹角β₇)，β₇＝30～40°；G中间连接块223与后连接块231之间有K簧片203，G中间连接块223、K簧片203和后连接块231形成第七个正“Z”形状单元，且G中间连接块223的下板面223b与K簧片203的上板面203a之间的夹角记为α₇(简称第七下夹角α₇)，α₇＝30～40°。第六个正“Z”形状单元与第六个倒“Z”形状单元和第七个正“Z”形状单元与第七个倒“Z”形状单元构成第五运动单元22。

参见图3B所示，F连接块213与H中间连接块224之间有P簧片208，F连接块213、P簧片208和H中间连接块224形成第八个倒“Z”形状单元，且P簧片208的下板面208a与H中间连接块224的上板面224a之间的夹角记为β₈(简称第八上夹角β₈)，β₈＝30～40°；H中间连接块224与后连接块231之间有L簧片204，H中间连接块224、L簧片204和后连接块231形成第八个正“Z”形状单元，且H中间连接块224的下板面224b与L簧片204的上板面204a之间的夹角记为α₈(简称第八下夹角α₈)，α₈＝30～40°。第八个正“Z”形状单元与第八个倒“Z”形状单元构成第四运动单元21。

在本发明中，六个运动单元的载荷传递关系为：当向第二运动单元12中的B连接块112和第五运动单元22中的E连接块212施加载荷时，载荷通过第二运动单元12中的簧片、第五运动单元22中的簧片传递到前连接块131和后连接块231上，该载荷并由前连接块131传递至第一运动单元11和第三运动单元13，由后连接块231传递至第四运动单元21和第六运动单元23，使得第一运动单元11与第四运动单元21、第三运动单元13与第六运动单元23的运动通过前连接块131和后连接块231传递到第二运动单元12和第五运动单元22上，从而实现大行程的水平移动。第一运动单元11与第四运动单元21和第三运动单元13与第六运动单元23产生的运动对第二运动单元12和第五运动单元22的运动进行补偿，从而实现高精度直线运动。

将本发明的一种斜置簧片组合的一维柔性直线导引机构中的A连接块111、F连接块213、C连接块113和D连接块211同时安装在一个基座上，在B连接块112和E连接块212上施加载荷时，B连接块112和E连接块212将沿着水平中心线作高精度，大行程的平移运动。高精度是指寄生运动小于1μm，大行程是指运动范围大于20cm，从而可以应用于大行程的柔性精密定位系统。施加的载荷可以是弯矩、水平力，也可以是弯矩和水平力，也可以是弯矩和垂直力，也可以是水平力和垂直力。