[發明專利]基于彈性元件的導向機構

無效

• 申請號: 200810025336.8
• 申請日: 2008-04-25
• 公開（公告）號: CN101280836A
• 公開（公告）日: 2008-10-08
• 發明（設計）人: 楊德華;邵亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: F16H21/04
• 分類號: F16H21/04;F16H57/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 栗仲平

技術領域

本發明涉及一種基于雙彈性膜片導向機構，適用于尤其適用于微位移驅動器件的精密微位移的輸出導向。

背景技術

應用于精密工程或超精加工領域的微位移驅動器件需要穩定地實現較大行程(毫米級)、高分辨率(納米級)的技術要求。傳統的微位移驅動器件的位移輸出導向機構主要有以下幾種：滾珠花鍵、滑動軸承、柔性杠桿導向機構、膜片。滾珠花鍵導向機構本身可以承受一定量的扭矩以及側向載荷，但滾珠花鍵不能徹底消除摩擦和間隙，且往往必需潤滑和維護；滑動軸承導向機構一般也必須提供潤滑和維護，但不可避免的摩擦和間隙對實現納米級分辨率是有害的，如引起爬行等非線性現象，另外，潤滑油和潤滑劑對精密儀器和超凈要求的工作環境也是有害的。柔性鉸鏈導向機構采用柔性桿件以及柔性鉸鏈機構，參見圖1，與相應的剛性的平行四桿機構的功能一樣，缺點是一般行程微小，且需要仔細設計以消除輸出軸的平動偏移效應。這些傳統的導向機構，一般存在不可完全消除的摩擦和間隙問題，并且在不希望存在轉動輸出的時候必須引入消除轉動的機構。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于彈性元件的導向機構，該機構是一種用于輸出較大位移范圍(毫米級)的簡單可靠不需潤滑維護的精密導向機構(納米級分辨率)，以克服傳統的各種導向機構的存在的以上缺點。

本發明所采用的技術方案是：一種基于彈性元件的導向機構，設有位移輸出導桿軸(也可稱為：位移輸出導桿軸，或簡稱導桿)，其特征在于，設有兩張平行設置的圓形彈性膜片(下文簡稱為彈片或膜片)，該兩張圓形彈性膜片的周邊分別以緊固狀態固定在剛性圓筒機架上，所述的位移輸出軸與該兩張圓形彈性膜片的中心分別緊固相聯。

所述的“兩張圓形彈性膜片的周邊分別以緊固狀態固定在剛性圓筒機架上”，是固定時需要使膜片張緊，以消除膜片型材的不平整性。

本發明的基于彈性元件的導向機構用以代替傳統的導向機構，其原理如圖2所示。利用膜片具有良好的面內剛度和面外柔度的特性，實現膜片中心法線方向的毫米級小位移，滿足其高精度導向要求。

進一步說明：由于膜片具有良好的面內剛度和面外柔度的特性，因而該機構采用兩張平行張緊膜片具有良好的側向支撐性能。在安裝過程中，使膜片處于張緊狀態，可以保障該機構位移輸出導桿軸(下文簡稱導桿)的對中性；同時，由于膜片良好的面內剛度，使得該導向機構能承受一定的徑向負載，并在位移輸出時具有防轉動的功能，從而嚴格保證該機構沿軸向僅輸出一個平動自由度的高分辨率位移。

在膜片中心部分在輸出位移時，膜片周圍固定位置的部分材料由于拉伸、擠壓會產生凹凸或褶皺現象，這對于導向機構自身壽命以及機構的導向精度具有很大危害。為此，本發明的優化方案是在膜片的設計上通過去除一定量膜片材料，形成葉片式膜片的方法從而避免以上現象的發生，在保證膜片側向支撐強度和剛度的同時避免褶皺發生。如圖3和圖4所示，葉片呈均勻分布，最少為三片，最多建議不多于八片。

以上基于平面葉片式膜片和剛性圓筒機架的導向機構允許的位移范圍較小。要實現足夠大的行程，膜片的直徑需要足夠大，且材料彈性要求好。

為此，本發明進一步提出優化方案。

1、基于葉片式膜片和彈性的機架：

(1).如圖5和圖6所示開槽式機架的雙膜片導向機構，采用了將圓筒機架開槽的方法形成徑向較柔的懸臂，將對應膜片葉片緊固于其端面(圖中采用螺釘和壓板緊固方式)。其結構是：所述的剛性圓筒機架上設有若干開槽，開槽之間形成懸臂，所述圓形彈性膜片在剛性圓筒機架上的固定點分別設置在各懸臂上。這樣，當導桿作軸向位移時，懸臂可進行徑向彈性變形以減小膜片內的張力，進而允許導桿實現毫米級軸向位移。

(2).圖7和圖8所示鼠籠式機架，結構是：所述的剛性圓筒機架是在環形聯接板上垂直固定有若干螺桿，構成鼠籠式結構：其中的螺桿數量、位置與圓形彈性膜片葉片的數量及分布位置相對應，圓形彈性膜片葉片的固定點分別設置各螺桿的兩端，該固定方式采用螺紋緊固方式。換言之，這種螺桿鼠籠式機架的雙膜片導向機構采用了和葉片數量及分布對應的螺桿構成鼠籠式機架，采用螺帽從兩側將螺桿在中間位置緊固于一環形聯接板上，在螺桿兩端，將兩膜片從兩側采用螺紋緊固方式緊固于螺桿上，并確保兩膜片和環形聯接板平行。這樣，環形聯接板兩側的螺桿可視為懸臂，當導桿作軸向位移時，螺桿可發生徑向彈性變形以減小膜片內的張力，進而允許導桿實現毫米級軸向位移。

2、基于局部彎折的膜片和剛性的機架