[發明專利]一種基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準機構

有效

• 申請號: 201611135711.5
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106739504B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 劉敬猛;楊尚;陳偉海;張建斌;喻飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B41J2/135
• 分類號: B41J2/135;B41J29/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 李有浩

1.一種基于柔性鉸鏈的五自由度精密對準機構，其特征在于：對準機構包括有支撐組件(1)、檢測組件(2)、兩自由度XY平臺(3)、Z軸直線導向平臺(4)、X軸轉動平臺(5)、Z軸轉動平臺(6)和安裝面板(7)；

支撐組件(1)包括有AA豎直支撐板(1A)、AB豎直支撐板(1B)、AA橫向支撐板(1C)和AB橫向支撐板(1D)；其中，AA豎直支撐板(1A)與AB豎直支撐板(1B)結構相同；AA豎直支撐板(1A)的AA減重孔(1A1)的上端部上固定有AA橫向支撐板(1C)的一端，AB豎直支撐板(1B)的AB減重孔(1B1)的上端部上固定有AA橫向支撐板(1C)的另一端；AA橫向支撐板(1C)的中部固定在CB支架(3-2)上；AA豎直支撐板(1A)與AB豎直支撐板(1B)平行放置；且AA豎直支撐板(1A)的下端固定在安裝面板(7)上，AA豎直支撐板(1A)的上端端部固定有AB橫向支撐板(1D)的一端；AB豎直支撐板(1B)的下端固定在安裝面板(7)上，AB豎直支撐板(1B)的上端端部固定有AB橫向支撐板(1D)的另一端；AB橫向支撐板(1D)的中部固定在CC支架(3-3)、CA支架(3-1)和CD支架(3-4)上；

檢測組件(2)包括有三個電容傳感器、BA豎直支撐板(2A)和BB豎直支撐板(2B)；其中，BA豎直支撐板(2A)與BB豎直支撐板(2B)結構相同；BA豎直支撐板(2A)的上端設有BA開口槽(2A1)，BA開口槽(2A1)上設有用于放置電容傳感器探頭的沿Z軸方向設置的BI通孔；BA開口槽(2A1)的兩邊是BA支臂(2A2)與BB支臂(2A3)；BA支臂(2A2)上設有用于安裝A電容傳感器探頭(2D)的BA通孔(2A2A)和BB通孔(2A2B)；所述BA通孔(2A2A)沿Y軸方向設置；所述BB通孔(2A2B)沿X軸方向設置；A電容傳感器探頭(2D)是固定在沿Y軸方向設置的BA通孔(2A2A)中；BB豎直支撐板(2B)的上端設有BB開口槽(2B1)，BB開口槽(2B1)上設有用于放置C電容傳感器探頭(2F)的BJ通孔(2B1A)，BJ通孔(2B1A)沿Z軸方向設置；BB開口槽(2B1)的兩邊是BC支臂(2B2)與BD支臂(2B3)；BC支臂(2B2)上設有用于安裝B電容傳感器探頭(2E)的BE通孔(2B2A)和BF通孔(2B2B)；所述BE通孔(2B2A)沿Y軸方向設置；所述BF通孔(2B2B)沿X軸方向設置；B電容傳感器探頭(2E)是固定在沿X軸方向設置的BF通孔(2B2B)中；

兩自由度XY平臺(3)上設有剛性的CA固定板(3A)、CB固定板(3C)、CC固定板(3D)、CA輸入板(3E)、CB輸入板(3F)、輸出板(3B)、CA矩形通孔(3G)和CB矩形通孔(3H)，以及柔性單元；

所述柔性單元包括有X軸方向的柔性單元、Y軸方向的柔性單元和凸起柔性單元；X軸方向的柔性單元和Y軸方向的柔性單元設置在CA固定板(3A)上；凸起柔性單元設置在輸出板(3B)的上下；

所述CA矩形通孔(3G)用于放置CA壓電陶瓷驅動器(3-5)，CA壓電陶瓷驅動器(3-5)的輸出端與CA輸入板(3E)的端部接觸，CA壓電陶瓷驅動器(3-5)的另一端通過CA預緊螺釘(3-51)頂緊；

所述CB矩形通孔(3H)用于放置CB壓電陶瓷驅動器(3-6)，CB壓電陶瓷驅動器(3-6)的輸出端與CB輸入板(3F)的端部接觸，CB壓電陶瓷驅動器(3-6)的另一端通過CB預緊螺釘(3-61)頂緊；

所述X軸方向的柔性單元包括有CA杠桿放大機構(3A11)、第一Scott-Russell機構(3A12)、CA平行四邊形導向機構(3A13)、CA簧片(3A14)、CB簧片(3A15)、CC簧片(3A16)、CD簧片(3A17)和CB平行四邊形導向機構(3A18)；從驅動力輸入至輸出順次設置為CA杠桿放大機構(3A11)、第一Scott-Russell機構(3A12)、CA平行四邊形導向機構(3A13)、CA簧片(3A14)和CB簧片(3A15)；

所述Y軸方向的柔性單元包括有CB杠桿放大機構(3A21)、第二Scott-Russell機構(3A22)、CC平行四邊形導向機構(3A23)、CE簧片(3A24)、CF簧片(3A25)、CG簧片(3A26)、CH簧片(3A27)和CD平行四邊形導向機構(3A28)；從驅動力輸入至輸出順次設置為CB杠桿放大機構(3A21)、第二Scott-Russell機構(3A22)、CC平行四邊形導向機構(3A23)、CE簧片(3A24)和CF簧片(3A25)；

輸出板(3B)的A邊與平行放置的CA簧片(3A14)與CB簧片(3A15)接合，輸出板(3B)的B邊與平行放置的CG簧片(3A26)與CH簧片(3A27)接合，輸出板(3B)的C邊與平行放置的CC簧片(3A16)與CD簧片(3A17)接合，輸出板(3B)的D邊與平行放置的CE簧片(3A24)與CF簧片(3A25)接合；

所述凸起柔性單元包括有CA雙平行四邊形導向機構(3A31)、CB雙平行四邊形導向機構(3A32)、CC雙平行四邊形導向機構(3A33)和CD雙平行四邊形導向機構(3A34)；CA雙平行四邊形導向機構(3A31)與CB雙平行四邊形導向機構(3A32)的結構相同；CC雙平行四邊形導向機構(3A33)與CD雙平行四邊形導向機構(3A34)的結構相同；

兩自由度XY平臺(3)的CA固定板(3A)的上面板上固定有平行放置的CA支架(3-1)的底部、CC支架(3-3)的底部與CD支架(3-4)的底部；CA支架(3-1)的另一端固定在CB固定板(3C)與AB橫向支撐板(1D)之間；CC支架(3-3)的另一端與CD支架(3-4)的另一端固定在AB橫向支撐板(1D)上；兩自由度XY平臺(3)的CC固定板(3D)的下面板上固定有CB支架(3-2)的底部，CB支架(3-2)的另一端固定在AA橫向支撐板(1C)上；

Z軸直線導向平臺(4)包括有DA導向本體(4A)、DB導向本體(4B)、DA支架(4C)和音圈電機(4D)；其中，DA導向本體(4A)與DB導向本體(4B)的結構相同；音圈電機(4D)的定子固定在DA支架(4C)上，音圈電機(4D)的動子固定在EA支架(5C)上；DA支架(4C)固定在平行放置的DA導向本體(4A)與DB導向本體(4B)之間；DA導向本體(4A)與DB導向本體(4B)的頂部固定在兩自由度XY平臺(3)的底部；

DA導向本體(4A)上設有DA固定板(4A1)、DA輸出板(4A2)、DA平行四邊形導向機構(4A3)和DB平行四邊形導向機構(4A4)；所述DA固定板(4A1)的一邊面板上設有供DA螺釘(4E)穿過的DA通孔(4A11)，所述DA固定板(4A1)的另一邊面板上設有供DB螺釘(4F)穿過的DB通孔(4A12)；穿過DA通孔(4A11)后的DA螺釘(4E)螺紋連接在DA支架(4C)一端面的螺紋孔中；穿過DB通孔(4A12)后的DB螺釘(4F)螺紋連接在DA支架(4C)一端面的螺紋孔中；通過DA螺釘(4E)和DB螺釘(4F)實現了DA導向本體(4A)的DA固定板(4A1)與DA支架(4C)一端的固定；

DB導向本體(4B)上設有DB固定板(4B1)、DB輸出板(4B2)、DC平行四邊形導向機構(4B3)和DD平行四邊形導向機構(4B4)；所述DB固定板(4B1)的一邊面板上設有供DC螺釘(4G)穿過的DC通孔(4B11)，所述DB固定板(4B1)的另一邊面板上設有供DD螺釘(4H)穿過的DD通孔(4B12)；穿過DC通孔(4B11)后的DC螺釘(4G)螺紋連接在DA支架(4C)另一端面的螺紋孔中；穿過DD通孔(4B12)后的DD螺釘(4H)螺紋連接在DA支架(4C)另一端面的螺紋孔中；通過DC螺釘(4G)和DD螺釘(4H)實現了DB導向本體(4B)的DB固定板(4B1)與DA支架(4C)另一端的固定；

X軸轉動平臺(5)包括有EA運動傳遞機構(5A)、EB運動傳遞機構(5B)、EA支架(5C)、EA預緊彈簧心軸(5D)、EB預緊彈簧心軸(5E)、EA預緊彈簧(5F)、EB預緊彈簧(5G)、EA壓電陶瓷驅動器(5H)和EB壓電陶瓷驅動器(5I)；其中，第一X軸轉動平臺(5A)與第二X軸轉動平臺(5B)的結構相同；EA支架(5C)上設有EA支臂(5C1)、EB支臂(5C2)、EC支臂(5C3)和ED支臂(5C4)；EA支臂(5C1)上設有供EE螺釘(5C5)穿過的通孔，EB支臂(5C2)上設有供EF螺釘(5C6)穿過的通孔，EA支架(5C)的中部設有供EG螺釘(5C7)穿過的通孔；通過EE螺釘(5C5)使DA支架(5C)的EA支臂(5C1)與DA導向本體(4A)的DA輸出板(4A2)的底部固定；通過EF螺釘(5C6)使DA支架5C的EB支臂(5C2)與DB導向本體(4B)的DB輸出板(4B2)的底部固定；通過EG螺釘(5C7)使音圈電機(4D)固定在EA支架(5C)上；

EA運動傳遞機構(5A)上設有多個圓弧型鉸鏈、EA固定板(5A1)、EA輸出板(5A2)、EA剛性梁(5A3)、EB剛性梁(5A6)、EC剛性梁(5A7)、ED剛性梁(5A8)、EE剛性梁(5A9)、EA矩形通孔(5A4)和EB矩形通孔(5A5)；EA矩形通孔(5A4)內安裝有EA壓電陶瓷驅動器(5H)，EA壓電陶瓷驅動器(5H)的輸出端與EA剛性梁(5A3)的端面接觸；EB矩形通孔(5A5)內放置有EA預緊彈簧(5F)，且EA預緊彈簧(5F)套接在EA預緊彈簧心軸(5D)上，EA預緊彈簧心軸(5D)螺紋連接在EB剛性梁(5A6)的EA螺紋孔(5A61)中，且伸入EB矩形通孔(5A5)內；EA固定板(5A1)上設有供EA螺釘(5A-31)穿過的通孔，通過EA螺釘(5A-31)實現EA運動傳遞機構(5A)與EA支架(5C)的EC支臂(5C3)固定；EA輸出板(5A2)上設有供EB螺釘(5A-32)穿過的通孔，通過EB螺釘(5A-32)實現EA運動傳遞機構(5A)與Z軸轉動組件(6)中的Z軸轉動平臺(6A)一端固定；

EB運動傳遞機構(5B)上的固定板上設有供EC螺釘(5B-31)穿過的通孔，通過EC螺釘(5B-31)實現EB運動傳遞機構(5B)與EA支架(5C)的ED支臂(5C4)固定；EB運動傳遞機構(5B)上的輸出板上設有供ED螺釘(5B-32)穿過的通孔，通過ED螺釘(5B-32)實現EB運動傳遞機構(5B)與Z軸轉動組件(6)中的Z軸轉動平臺(6A)另一端固定；

Z軸轉動組件(6)包括有Z軸轉動平臺(6A)、Z軸轉動輸入件(6B)、F壓電陶瓷驅動器(6C)、F預緊彈簧(6D)和F預緊彈簧心軸(6E)；

Z軸轉動平臺(6A)的中部是Z軸中心圓臺(6A1)、FA動平臺(6A11)和FB動平臺(6A12)；沿Z軸中心圓臺(6A1)的外圓周均勻分布有FA簧片(6A3)、FB簧片(6A4)、FC簧片(6A5)和FD簧片(6A6)，FA簧片(6A3)與FB簧片(6A4)的一端是FA動平臺(6A11)，FC簧片(6A5)與FD簧片(6A6)的一端是FB動平臺(6A12)；Z軸中心圓臺(6A1)上設有放置FB螺釘(62)的FC螺紋孔(6A-3)，以及放置BA螺釘(2C2)的FD螺紋孔(6A-4)，Z軸轉動平臺(6A)的Z軸中心圓臺(6A1)底部固定有被試件的連接端；

Z軸轉動平臺(6A)上設置有FA安裝臺(6A2A)和FB安裝臺(6A2B)、FA限位臺(6A2C)和FC限位臺(6A2D)；FA限位臺(6A2C)與FA動平臺(6A11)之間設有FE簧片(6A7)和FF簧片(6A8)，且FE簧片(6A7)與FF簧片(6A8)位于FA簧片(6A3)與FB簧片(6A4)之間；FC限位臺(6A2D)與FB動平臺(6A12)之間設有FG簧片(6A9)和FH簧片(6A10)，且FG簧片(6A9)與FH簧片(6A10)位于FC簧片(6A5)與FD簧片(6A6)之間；

Z軸轉動輸入件(6B)上設有Z軸轉動塊(6B1)和Z軸本體(6B8)；所述Z軸本體(6B8)上設有FA通孔(6B4)、FC通孔(6B6)和FA螺紋孔(6B7)，FA螺釘(61)穿過FA通孔(6B4)后螺紋連接在FA安裝臺(6A2A)的FA螺紋孔(6A-1)中，FC螺釘(63)穿過FC通孔(6B6)后螺紋連接在FB安裝臺(6A2B)的FB螺紋孔(6A-2)中，FA螺紋孔(6B7)用于放置預緊彈簧心軸(6E)；Z軸本體(6B8)的底部與Z軸轉動平臺(6A)的上部之間設有FA運動間隙(6F)；所述Z軸轉動塊(6B1)上設有FB通孔(6B5)、FA圓弧型鉸鏈(6B1A)和FB圓弧型鉸鏈(6B1B)；FB螺釘(62)穿過FB通孔(6B5)后螺紋連接在Z軸中心圓臺(6A1)的FC螺紋孔(6A-3)中；當通過FB螺釘(62)將Z軸轉動輸入件(6B)與Z軸轉動平臺(6A)固定后，使得Z軸轉動塊(6B1)作為了Z軸轉動中心；

安裝面板(7)上設有多個限位安裝孔(7A)，通過限位安裝孔(7A)一方面實現將支撐組件(1)中的AA豎直支撐板(1A)的一端和AB豎直支撐板(1B)的一端固定在安裝面板(7)上，通過限位安裝孔(7A)另一方面實現將檢測組件(2)中的BA豎直支撐板(2A)的一端和BB豎直支撐板(2B)的一端固定在安裝面板(7)上。