一種柔性微動操作機構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械領域的微/納米操作系統，具體為一種柔性微動操作機構。該操作機構基于五桿機構，可實現兩個面內的平動自由度。
【背景技術】
[0002]微機械技術是微納米技術的重要分支。應用掃描探針顯微鏡技術進行分子或原子量級的操作、改型加工處理、制作微型機械零部件乃至微機械整體、生物工程領域中的動植物細胞轉基因注射、醫療領域中利用微小的剪刀、微型攝像機、微型傳感器等專用微型醫療器械進行微創傷侵入性醫療手術這些情況的實現，都是建立在微操作系統或裝置的精密性基礎之上的。在微操作領域，要求機構實行較大范圍工作空間的運動能力以及精密的定位精度，為了具備足夠靈活的運動輸出能力，機構中末端執行平臺一般需要多個柔性鏈支撐，單個支鏈往往造成柔性機構執行末端運動方向上的不準確，影響了機構的精度及運動范圍。
[0003]德國PI，英國Queensgate等公司均已生產了基于壓電陶瓷驅動的微納米級柔性操作機構的成形產品，主要用于光線系統檢測、微加工、微裝配等場合。Muneeb Ullah Khan等，一種用于微操作領域的大行程電磁驅動XY定位平臺(Muneeb Ullah Khan , NabilBencheikh, Christine Prelle, Frederic Lamarque, Tobias Beutel, Stephanus Bi!ttgenbach, A long stroke electromagnetic XY posit1ning stage for microapplicat1n, Proceedings of IEEE/ASME Transact1ns on mechatronics, October,2012，17(5): 866-874)中報導了一種由四個線性電磁馬達直接驅動的洛倫茲力XY定位平臺；Yong Wang等，一種由壓電陶瓷驅動器驅動的長行程納米定位平臺(Yong Wang, FujunSun, Junhui Zhu, Ming Pang, Changhai Ru, Long-stroke nanoposit1ning stagedriven by piezoelectric motor, Journal of Sensors, 2014: 1-8)中報道了一種基于壓電陶瓷驅動的兩軸納米定位平臺;Yangming Li等，一種用于微納米定位的新型壓電驅動的并聯解親及多層柔性結構XY平臺(Yangming Li, Qingsong Xu, A novelpiezoactuated XY stage with parallel , decoupled, and stacked flexurestructure for micro_/nanoposit1ning.)中介紹了一種兩層柔性結構的XY定位平臺，每層結構中的柔性支鏈采用并聯方式，具有運動解耦能力，在這一領域，我國的科研工作者們也做出了一定的成績，如張彥斌等在，無耦合3自由度并聯機構的設計和分析(農業機械學報，2008年，39卷8期，208-210)中介紹的一種無耦合二移動一轉動3自由度空間并聯機構；劉慶玲在柔性對稱微位移放大機構性能分析方法的研究(工程設計學報，2013年，20卷4期，344-347)中介紹了一種結構對稱的柔性微位移放大機構；李仕華等，新型3-RPC柔性精密平臺的剛度與動力學分析(中國機械工程，2013年，24卷17期，2317-2322)中介紹了由3路壓電陶瓷驅動器驅動，具有運動解耦能力的空間3自由度柔性操作平臺等，上述柔性微動機構由多個或多層柔性支鏈支撐，但多采用由壓電陶瓷驅動器或線性馬達直接驅動的方式，中間缺少放大環節，造成末端執行器運動空間范圍的極大限制。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種柔性微動操作機構，該柔性微動操作機構采用柔性并聯結構、單自由度柔性鉸鏈和壓電陶瓷驅動器驅動技術，具有一個執行末端，可應用于微/納操作機械系統，可實現兩個面內平動自由度，且具有高精度、低慣量、結構緊湊、無誤差積累、無機械摩擦、無間隙，便于加工制造和工業化實施等優點。
[0005]本發明解決所述技術問題的技術方案是:設計一種柔性微動操作機構，基于五桿機構，其特征在于該機構包括:兩個壓電陶瓷驅動器、兩個球形接頭、三個“7”字形短柔性鏈、一個剛性連接塊、一個柔性平行四邊形結構、一個動平臺、一個“7”字形長柔性鏈、一個剛性支撐框和一個底座；
所述剛性支撐框內部按照柔性結構分布要求挖空，除所述底座外，上述各部分結構均設計在所述剛性支撐框空腔的內部，所述剛性支撐框四個邊角位置設置四個通孔，剛性支撐框左、右兩側壁上各開有一個通孔，用于放置所述壓電陶瓷驅動器，所述球形接頭安裝在壓電陶瓷驅動器的頂端，壓電陶瓷驅動器的尾端通過螺紋剛性固定于剛性支撐框的側壁上，且使球形接頭頂在“7”字形短柔性鏈腰部，構成赫茲接觸；
所述“7”字形短柔性鏈均由兩個豎直短梁和其中間的一個“7”字形剛性短梁構成，兩個豎直短梁自上而下分布，每個豎直短梁上左右對稱開有兩組半圓凹槽，每組半圓凹槽為兩個，左右對稱分布在豎直短梁左右兩個側壁上，三個所述“7”字形短柔性鏈結構相同，但其中兩個設置在所述剛性支撐框內部的左側，命名為左一短柔性鏈，左二短柔性鏈，另外一個設置在所述剛性支撐框內部的右側，命名為右側短柔性鏈，所述左一短柔性鏈和左二短柔性鏈相互平行，方向一致，所述右側短柔性鏈與所述左二短柔性鏈關于所述剛性支撐框中部矩形塊下邊緣中線左右對稱分布，所述左一短柔性鏈和左二短柔性鏈上部的豎直短梁位于所述“7”字形剛性短梁上方，上端連接于所述剛性連接塊的下側面，下端連接于所述“7”字形剛性短梁的上側面，下部的豎直短梁位于所述“7”字形剛性短梁下方，上端與所述“7”字形剛性短梁尾部連接，下端連接于所述剛性支撐框空腔內側壁上，所述右側短柔性鏈上部的豎直短梁位于所述“7”字形剛性短梁上方，上端連接于所述“7”字形長柔性鏈下端，下端連接于所述“7”字形剛性短梁的上側面，下部的豎直短梁位于所述“7”字形剛性短梁下方，上端與所述“7”字形剛性短梁尾部連接，下端連接于所述剛性支撐框空腔的內側壁上；
所述剛性連接塊為三角形結構，剛性連接塊的下部邊緣與所述兩個左側“7”字形短柔性鏈上端相連，剛性連接塊的右側邊緣與所述柔性平行四邊形結構相連，剛性連接塊的左側邊緣閑置；
所述柔性平行四邊形結構設置在所述剛性連接塊和所述動平臺之間，柔性平行四邊形結構傾斜放置，與所述剛性支撐框下邊緣夾角為45°，柔性平行四邊形結構左下端連接于所述剛性連接塊右側邊緣，右上端連接于所述動平臺線性側壁上，所述柔性平行四邊形結構由相互平行的兩個傾斜梁組成，分別命名為左傾斜梁和右傾斜梁，所述兩個傾斜梁與所述剛性支撐框下邊緣夾角均為45°，所述左傾斜梁的上端左右對稱開有兩個半圓凹槽，所述左傾斜梁的下端也左右對稱開有兩個半圓凹槽，所述右傾斜梁與所述左傾斜梁結構一致，所述右傾斜梁的上端左右對稱開有兩個半圓凹槽，所述右傾斜梁的下端也左右對稱開有兩個半圓凹槽，所述四組半圓凹槽尺寸一致；
所述“7”字形長柔性鏈位于所述動平臺和所述右側“7”字形短柔性鏈之間，“7”字形長柔性鏈從上而下由一個開有半圓凹槽的豎直短梁和一個“7”字形剛性長梁構成，豎直短梁左右對稱開有兩個半圓凹槽，位于