[发明专利]一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构

说明书

本发明提供一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，包括微位移输出端以及分别设在所述微位移输出端的三个相邻且两两正交侧面上的X向复合双轴柔性铰链、Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链，所述X向复合双轴柔性铰链的一端、Y向复合双轴柔性铰链的一端以及Z向复合双轴柔性铰链的一端均与微位移输出端连接，所述X向复合双轴柔性铰链的另一端、Y向复合双轴柔性铰链的另一端以及Z向复合双轴柔性铰链的另一端上分别设有X向微位移输入端、Y向微位移输入端以及Z向微位移输入端。本发明能够在空间三平动方向上传递微位移/微运动/力的同时，有效降低不同方向间的伴生位移、输入耦合与输出耦合。

技术领域

本发明涉及柔顺机构、微纳定位与精密运动控制的技术领域，更具体地，涉及一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构。

背景技术

柔性铰链，利用结构中薄弱部分易于变形的特点，以及材料自身的可逆性弹性变形特性，实现所要求的运动副功能，具有免装配、零间隙、无摩擦与免润滑等优点。使用柔性铰链替代传统的运动副，构成柔顺机构，能够实现微位移传递与导向等功能，在精密与超精密加工、精密操作/测量以及微机电系统等领域发挥重要作用。依据传递位移/运动/力所在平面的数量，柔性铰链可分为单轴、双轴与多轴。

单轴柔性铰链只能在单一平面内传递位移/运动/力，双轴柔性铰链能够在两个平面内传递位移/运动/力，是空间柔顺机构关键单元。中国专利公布号CN106763141A，公布日期2017年5月31日，该专利名称为“一种带有自锁功能的两自由度柔性铰链”，通过若干通槽、弹性悬空臂等复杂结构设计来避免塑性变形失效，但随着空间柔顺机构应用场景功能与性能需求的迭代演化，对空间微位移导向机构提出了新的要求。以非回转对称的复杂精密光学自由曲面加工为例，纳米数控加工装备刀具伺服装置需要具备空间三个平动自由度，且在指定自由度上需要特定刚度，以及输入耦合与输出耦合限制在某一极小值。针对机床末端有限的设计空间，亟需结构紧凑、能够有效减小伴生位移、降低输入耦合与输出耦合的空间微位移导向机构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有纳米数控加工装备刀具伺服装置中缺少具备空间三个平动自由度、且能有效减小伴生位移、降低输入耦合与输出耦合的空间微位的导向机构的缺点，提供一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构。本发明能够在空间三平动方向上传递微位移/微运动/力的同时，有效降低不同方向间的伴生位移、输入耦合与输出耦合。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于双轴柔性铰链的空间微位移导向机构，其中，包括微位移输出端以及分别设在所述微位移输出端的三个相邻侧面上的X向复合双轴柔性铰链、Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链，所述X向复合双轴柔性铰链的一端、Y向复合双轴柔性铰链的一端以及Z向复合双轴柔性铰链的一端均与微位移输出端连接，所述X向复合双轴柔性铰链的另一端、Y向复合双轴柔性铰链的另一端以及Z向复合双轴柔性铰链的另一端上分别设有X向微位移输入端、Y向微位移输入端以及Z向微位移输入端。本技术方案中，X方向的位移/运动/力从X向微位移输入端输入本装置，Y方向的位移/运动/力从Y向微位移输入端输入本装置，Z方向的位移/运动/力从Z向微位移输入端输入本装置，X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链对三个方向输入的位移/运动/力传输到微位移输出端，微位移输出端即为整个导向机构的末端执行器，在此过程中，X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链和Z向复合双轴柔性铰链能够有效降低不同方向间的伴生位移输入耦合与输出耦合，故本技术方案不但能够传递X/Y/Z三个空间平动方向上微位移/微运动/力，还能有效降低不同方向间的微位移输入耦合与输出耦合。

进一步的，所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由若干个双轴柔性铰链并列排布形成。通过控制复合双轴柔性铰链中双轴柔性铰链的组成数量，能够扩大导向机构的平移柔度和转动柔度的参量设计范围，满足多种应用场景的不同需求，适应面宽。

优选的，所述X向复合双轴柔性铰链，Y向复合双轴柔性铰链、Z向复合双轴柔性铰链均由四个双轴柔性铰链矩阵排列形成。