[發明專利]用于納米定位平臺的雙軸柔性導向機構及其剛度建模方法

在審

• 申請號: 202110250767.X
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN115045904A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 牛禹涵;陳星有;王凱杰;宋佳奇;周志文;朱紫輝;朱志偉
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: F16C11/12
• 分類號: F16C11/12;F16M11/04;F16M11/18;G06F30/20;G06F17/16;G06F119/14
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張祥

本發明公開了一種用于納米定位平臺的雙軸柔性導向機構及其剛度建模方法。包括工作臺基座和固定框架，工作臺基座設定在固定框架的中部，中間有8個呈對稱分布的結構相同的正弦形柔性鉸鏈并與固定框架連接。其剛度建模方法步驟包括：利用卡式第二定理推導正弦形柔性鉸鏈單元的柔度，然后進一步采用基于矩陣的柔度建模方法得到柔性鉸鏈的剛度矩陣，最后再用同樣的方法來獲得機構的總剛度。本發明利用正弦柔性鉸鏈可同時發生彈性伸長和彎曲變形的特性，開發了一種用于納米定位平臺的雙軸柔性導向機構，能夠實現兩軸的解耦運動，并具有較大運動行程，減小了平臺的整體尺寸及運動質量從而提高了定位平臺的工作帶寬。

技術領域

本發明屬于精密制造技術領域，具體涉及一種用于納米定位平臺的雙軸柔性導向機構及其剛度建模方法。

背景技術

納米定位平臺是一種具有納米級別精度的運動、定位與操縱平臺，被廣泛地應用于納米測量、納米加工以及生物制造等領域中，是納米制造裝備的核心模塊之一，它的發展水平直接影響微觀科學領域技術的發展水平，具有極為重要的現實研究意義。而導向機構是納米定位平臺的主體構件，其結構的緊湊性、解耦性、運動分辨率、運動部分質量等直接決定了納米定位平臺的性能。導向機構中最常用的結構為柔性鉸鏈，它利用材料的彈性變形來實現結構的變形從而輸出位移。因其具有無機械摩擦，無間隙，運動靈敏度高，結構緊湊、體積小、重量輕等優點，被廣泛地應用于各類納米定位平臺中。

對于具有雙自由度的柔性導向機構，目前主流的設計方法是將具有單向自由度的柔性鉸鏈通過串并聯方式進行組合，已經開發出的單向自由度的柔性鉸鏈有直角剖面型、橢圓剖面型、過渡圓角剖面型、正圓剖面型等，然而將這類柔性鉸鏈組合形成的柔性導向機構必然會增加平臺的結構尺寸和運動質量。為了提高工作性能，另一種方法是直接采用具有雙自由度柔性鉸鏈并聯而成，但現有的雙自由度柔性鉸鏈，例如圓弧型和波紋彈簧型等，都面臨的共同問題為：單位長度的鉸鏈能產生的彈性變形量有限。因此如何不斷突破這一極限是研究柔性導向機構的關鍵技術之一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于納米定位平臺的雙軸柔性導向機構及其剛度建模方法。

實現本發明目的的技術解決方案：

一種用于納米定位平臺的雙軸柔性導向機構，包括固定框架、多個柔性鉸鏈、工作臺基座，

所述工作臺基座位于所述固定框架的中部，所述工作臺基座的四個外側面與所述固定框架內側面之間分別連接有至少一個所述柔性鉸鏈，所述柔性鉸鏈是正弦形柔性鉸鏈。

進一步地，還包括驅動模塊、支撐結構和工作臺，所述固定框架的底部與支撐結構連接，所述工作臺基座的頂部與工作臺連接。

進一步地，所述固定框架上包括多個框架安裝孔，所述工作臺基座上包括多個工作臺安裝孔，所述固定框架的底部通過螺栓與支撐結構連接，所述工作臺基座的頂部通過螺栓與工作臺連接。

進一步地，還包括電樞，所述工作臺基座的底面為電樞安裝面，所述電樞通過膠粘的方式與電樞安裝面相連。

進一步地，還包括傳感器安裝座，所述傳感器安裝座安裝于所述工作臺基座頂部，所述傳感器安裝座上設置有傳感器安裝孔。

進一步地，所述柔性鉸鏈的自由端與工作臺基座連接，所述柔性鉸鏈的固定端與固定框架連接。

進一步地，所述柔性鉸鏈的數量為八個，八個所述柔性鉸鏈分為四組對稱布置在工作臺基座的四個外側面，每組柔性鉸鏈與相鄰組的柔性鉸鏈垂直設置。

根據上述的用于納米定位平臺的雙軸柔性導向機構的剛度建模方法，包括以下步驟：

步驟一：確定單個正弦柔性鉸鏈中心線形成的正弦曲線的函數表達式：