一種柔性大行程微納加工設備的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種柔性大行程微納加工設備，包括平臺底座和滑動設置于平臺底座上的加工執行平臺，和輸入方向相互垂直設置的兩組運動輸入裝置，運動輸入裝置的輸出頭均連接有單自由度的微定位位移裝置；微定位位移裝置對稱的連接有杠桿及拉桿與柔性鉸鏈的連接結構，并通過此機構與加工執行平臺該側的兩端連接。在各自的輸出端設置微定位位移裝置，通過拉桿和柔性鉸鏈的傳動，將位移以準確倍率放大輸出，由于運動輸入方向相互垂直所以輸出的位移能夠有效覆蓋整個工作平面的各個方向，實現多自由度的準確位移；通過運動輸入方向相鄰側設置的拉桿和柔性鉸鏈有效實現對該位移方向上的解耦，有效避免部件間的摩擦爬行，提高了位移輸出的精度。
【專利說明】
一種柔性大行程微納加工設備
技術領域
[0001 ]本發明涉及精密加工設備技術領域，更具體地說，涉及一種柔性大行程微納加工設備。
【背景技術】
[0002]超精密加工技術作為機械制造業中極具競爭力的技術之一，目前已受到許多國家的關注。近年來，超精密加工技術發展迅速，加工精度不斷提高，應用范圍不斷擴大，如微型機械制造所涉及的精密加工技術、納米加工技術和微型機電系統(MEMS)等，這些技術都在精密和超精密加工范疇內。
[0003]但其中某些領域的技術發展并不完善，但用于超精密加工的刀具伺服驅動機構多為單自由度的直線運動，雖然在加工精度方面有明顯提高，卻難以實現微小型復雜結構的超精密加工。
[0004]雖然市面上也存在為數不多的，具有兩自由度運動的微納加工執行機構，然而普遍的情況是，此類加工設備一般都具有行程較小難以執行大尺寸要求下的加工任務的缺點，并且還存在誤差不可補償等缺點。
[0005]綜上所述，如何有效地解決精密加工執行機構大行程和高精度的矛盾、加工執行機構運動中的誤差補償難以實現造成加工精度降低等的技術問題，是目前本領域技術人員急需解決的問題。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種柔性大行程微納加工設備，該柔性大行程微納加工設備的結構設計可以有效地解決精密加工執行機構大行程和高精度的矛盾、加工執行機構運動中的誤差補償難以實現造成加工精度降低等的技術問題。
[0007]為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0008]—種柔性大行程微納加工設備，包括平臺底座和滑動設置于所述平臺底座上的加工執行平臺，和均與所述平臺安裝固定的輸入方向相互垂直設置的兩組運動輸入裝置，所述運動輸入裝置的輸出頭均連接有沿各自運動輸出方向設置的單自由度的微定位位移裝置；
[0009]所述微定位位移裝置包括輸出臺，所述輸出臺的首尾兩端對稱的連接有第一拉桿和第二拉桿，所述第一拉桿和所述第二拉桿均平行于運動輸入方向，二者的尾端均朝向對應的運動輸入裝置，所述第一拉桿和所述第二拉桿的尾端分別與第一杠桿和第二杠桿的中段通過柔性鉸鏈連接；
[0010]所述第一杠桿和所述第二杠桿的首端均與所述平臺底座通過柔性鉸接連接，所述第一杠桿和所述第二杠桿的尾端分別通過柔性鉸鏈連接有第三拉桿和第四拉桿，所述第三拉桿和所述第四拉桿均平行于該運動輸入裝置的輸入方向，所述第三拉桿和所述第四拉桿分別與所述加工執行平臺該側的兩端連接。
[0011]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述加工執行平臺另外兩側還連接有與上述兩組運動輸入裝置的輸入方向分別相反的兩組反向運動輸入裝置，所述反向運動輸入裝置也通過對應的微定位位移裝置與所述加工執行平臺連接。
[0012]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述微定位位移裝置還設置有本體與所述平臺底座安裝固定的固定部，所述第一杠桿和第二杠桿的首端均通過所述固定部與所述平臺底座連接。
[0013]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述第三拉桿和所述第四拉桿與所述加工執行平臺之間均通過柔性鉸鏈連接。
[0014]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述第三拉桿和所述第四拉桿與所述加工執行平臺之間的柔性鉸鏈、所述第三拉桿與所述第一杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第四拉桿所述第二杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第一拉桿與所述第一杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第二拉桿與所述第二杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第一拉桿和所述第二拉桿與所述輸出臺之間的柔性鉸鏈，以上柔性鉸鏈均為直梁型柔性鉸鏈。
[0015]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述微定位位移裝置包括與所述運動輸入裝置的輸出頭連接的杠桿組件，所述杠桿組件包括三級互相聯動的杠桿，杠桿之間、杠桿與所述平臺底座之間均通過柔性鉸鏈連接，所述杠桿組件的輸出端與所述輸出臺之間通過柔性鉸鏈連接，將所述輸出頭輸出的運動按一定比例放大。
[0016]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述運動輸入裝置包括壓電陶瓷驅動器。
[0017]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述運動輸入裝置還包括輸出導向結構，所述輸出導向結構設置有容納所述壓電陶瓷驅動器的輸出頭伸出的導向槽，所述輸出導向結構固定安裝于所述平臺底座。
[0018]優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述加工執行平臺上安裝固定有刀具豐旲塊。
[0019]本發明提供的柔性大行程微納加工設備，包括平臺底座和滑動設置于平臺底座上的加工執行平臺，和均與平臺安裝固定的輸入方向相互垂直設置的兩組運動輸入裝置，運動輸入裝置的輸出頭均連接有沿各自運動輸出方向設置的單自由度的微定位位移裝置;微定位位移裝置包括輸出臺，輸出臺的首尾兩端對稱的連接有第一拉桿和第二拉桿，第一拉桿和第二拉桿均平行于運動輸入方向，二者的尾端均朝向對應的運動輸入裝置，第一拉桿和第二拉桿的尾端分別與第一杠桿和第二杠桿的中段通過柔性鉸鏈連接;第一杠桿和第二杠桿的首端均與平臺底座通過柔性鉸接連接，第一杠桿和第二杠桿的尾端分別通過柔性鉸鏈連接有第三拉桿和第四拉桿，第三拉桿和第四拉桿均平行于該運動輸入裝置的輸入方向，第三拉桿和第四拉桿分別與加工執行平臺該側的兩端連接。采用本發明提供的技術方案設置輸入方向相互垂直的運動輸入裝置，在各自的輸出端設置微定位位移裝置，通過拉桿和柔性鉸鏈的傳動將微定位位移裝置所輸出的準確倍率的放大位移輸出，由于運動輸入方向相互垂直所以輸出的位移能夠有效覆蓋整個工作平面的各個方向，實現多自由度的準確位移;此外，當一個方向的運動輸入裝置輸入位移時，與其相鄰側設置的拉桿和柔性鉸鏈通過彈性支撐作用，有效實現對該位移方向上的解耦，有效避免部件間的摩擦爬行，提高了位移輸出的精度。綜上所述，本發明提供的柔性大行程微納加工設備有效地解決了精密加工執行機構大行程和高精度的矛盾、加工執行機構運動中的誤差補償難以實現造成加工精度降低等的技術問題。
【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0021]圖1為本發明實施例提供的柔性大行程微納加工設備的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明實施例提供的柔性大行程微納加工設備的俯視局部放大示意圖。
[0023]附圖中標記如下:
[0024]平臺底座1、微定位位移裝置2、輸出導向結構3、壓電陶瓷驅動器4、加工執行平臺
5、平臺墊片6、輸出臺7、第一拉桿8、第二拉桿9、第三拉桿10、第四拉桿11、第一杠桿12、固定部13。
【具體實施方式】
[0025]本發明實施例公開了一種柔性大行程微納加工設備，以解決精密加工執行機構大行程和高精度的矛盾、加工執行機構運動中的誤差補償難以實現造成加工精度降低等的技術問題。
[0026]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0027]請參閱圖1、圖2，圖1為本發明實施例提供的柔性大行程微納加工設備的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的柔性大行程微納加工設備的俯視局部放大示意圖。
[0028]本發明提供的柔性大行程微納加工設備，包括平臺底座I和滑動設置于平臺底座I上的加工執行平臺5，和均與平臺安裝固定的輸入方向相互垂直設置的兩組運動輸入裝置，運動輸入裝置的輸出頭均連接有沿各自運動輸出方向設置的單自由度的微定位位移裝置2 ；微定位位移裝置2包括輸出臺7，輸出臺7的首尾兩端對稱的連接有第一拉桿8和第二拉桿9，第一拉桿8和第二拉桿9均平行于運動輸入方向，二者的尾端均朝向對應的運動輸入裝置，第一拉桿8和第二拉桿9的尾端分別與第一杠桿12和第二杠桿的中段通過柔性鉸鏈連接;第一杠桿12和第二杠桿的首端均與平臺底座I通過柔性鉸接連接，第一杠桿12和第二杠桿的尾端分別通過柔性鉸鏈連接有第三拉桿10和第四拉桿11，第三拉桿10和第四拉桿11均平行于該運動輸入裝置的輸入方向，第三拉桿10和第四拉桿11分別與加工執行平臺5該側的兩端連接。
[0029]本實施例提供的柔性大行程微納加工設備工作原理如下:當其中一個運動輸入裝置輸入位移時，輸出臺向附圖中的右側平移，帶動第一拉桿牽引第一杠桿運動，第一杠桿以其和平臺底座的鉸接點為中心順時針轉動，在柔性鉸鏈的作用下第三拉桿推動加工執行平臺的一側，同理的第四拉桿推動加工執行平臺的另一側，在第三拉桿和第四拉桿的共同作用下推動加工執行平臺向運動輸出的方向平移，并通過與運動輸出方向垂直方向的拉桿和柔性鉸鏈的牽引，令機構可以實現運動方向上的解耦，消除摩擦爬行對精確位移的影響。可在平臺底座與微定位位移裝置之間設置平臺墊片6阻止二者直接接觸，防止摩擦影響微定位位移裝置輸出位移精度。
[0030]采用本發明提供的技術方案設置輸入方向相互垂直的運動輸入裝置，在各自的輸出端設置微定位位移裝置，通過拉桿和柔性鉸鏈的傳動將微定位位移裝置所輸出的準確倍率的放大位移輸出，由于運動輸入方向相互垂直所以輸出的位移能夠有效覆蓋整個工作平面的各個方向，實現多自由度的準確位移;此外，當一個方向的運動輸入裝置輸入位移時，與其相鄰側設置的拉桿和柔性鉸鏈通過彈性支撐作用，有效實現對該位移方向上的解耦，有效避免部件間的摩擦爬行，提高了位移輸出的精度;通過對稱的結構設計使得設備整體結構更加緊湊，提高了系統剛度令輸出位移更加穩定減少了平臺運動的偏差。綜上所述，本發明提供的柔性大行程微納加工設備有效地解決了精密加工執行機構大行程和高精度的矛盾、加工執行機構運動中的誤差補償難以實現造成加工精度降低等的技術問題。
[0031 ] 為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述加工執行平臺5另外兩側還連接有與上述兩組運動輸入裝置的輸入方向分別相反的兩組反向運動輸入裝置，所述反向運動輸入裝置也通過對應的微定位位移裝置2與所述加工執行平臺5連接。
[0032]與上述實施例同理的，在原運動輸入方向的對側還設置兩組反向運動輸入裝置，可以實現同一平面內兩個自由度四個方向的位移精確輸出。
[0033]為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述微定位位移裝置2還設置有本體與所述平臺底座I安裝固定的固定部13，所述第一杠桿12和第二杠桿的首端均通過所述固定部13與所述平臺底座I連接。
[0034]本實施例提供的技術方案中固定部為微定位位移裝置的延伸部分，微定位位移裝置通過固定部與平臺底座實現安裝固定，固定部并不僅僅指某一個特定結構而是微定位位移裝置與平臺底座固定不動的部分，通過第一杠桿和第二杠桿的一端與固定部的連接有效確保了杠桿運動的支點固定穩定。
[0035]為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述第三拉桿10和所述第四拉桿11與所述加工執行平臺5之間均通過柔性鉸鏈連接。
[0036]柔性鉸鏈是一種結構簡單、形狀較為規則的彈性支承，具有和幾何中心軸重合的回轉中心，依靠在圓周徑向均布的彈性薄片的有限變形進行工作。在扭轉載荷下，繞其回轉中心在有限角度范圍內產生回轉運動。本發明中采用的柔性鉸鏈本身可以與杠桿或拉桿等其他固定部件一體成型加工，可有效避免裝配誤差。
[0037]為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述第三拉桿10和所述第四拉桿11與所述加工執行平臺5之間的柔性鉸鏈、所述第三拉桿10與所述第一杠桿12之間的柔性鉸鏈、所述第四拉桿11所述第二杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第一拉桿8與所述第一杠桿12之間的柔性鉸鏈、所述第二拉桿9與所述第二杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第一拉桿8和所述第二拉桿9與所述輸出臺7之間的柔性鉸鏈，以上柔性鉸鏈均為直梁型柔性鉸鏈。
[0038]直梁型鉸鏈是鉸鏈連接的兩端在過度位置均采用直角形的設計，由于設計需要，以上這些連接位置的鉸鏈需要能夠實現較大的位移傳遞，由于其他柔性鉸鏈的限位作用不要求很高的運動精度，所以采用直梁型柔性鉸鏈。
[0039]為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述微定位位移裝置2包括與所述運動輸入裝置的輸出頭連接的杠桿組件，所述杠桿組件包括三級互相聯動的杠桿，杠桿之間、杠桿與所述平臺底座I之間均通過柔性鉸鏈連接，所述杠桿組件的輸出端與所述輸出臺7之間通過柔性鉸鏈連接，將所述輸出頭輸出的運動按一定比例放大。
[0040]本實施例的微定位位移裝置包括三級差動式杠桿將位移放大，杠桿之間和杠桿與底座之間均采用柔性鉸鏈連接傳導位移，在柔性鉸鏈和杠桿本身位置及尺寸精準的情況下，可以實現位移的較為精確的放大;并且這種設計結構簡明，占據的空間相對現有技術中的設計較小，設計采用對稱的結構，整體剛性較高，可以較為穩定和準確的輸出位移，在機構本身尺寸精準的前提下，能夠有效消除側向附加位移，減小機構自身的縱向耦合位移誤差，提升了位移放大的精度，柔性鉸鏈的設計易于一體加工，可以避免裝配誤差。
[0041 ] 為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述運動輸入裝置包括壓電陶瓷驅動器4。
[0042]壓電陶瓷驅動器是一種利用壓電陶瓷的逆壓電原理，通過控制電流輸入實現精確位移輸出的裝置，采用壓電陶瓷驅動器能夠提供精準的運動輸入，從而令經過柔性運動平臺發大輸出的位移能夠更加精準可控。
[0043]為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述運動輸入裝置還包括輸出導向結構3，所述輸出導向結構3設置有容納所述壓電陶瓷驅動器4的輸出頭伸出的導向槽，所述輸出導向結構3固定安裝于所述平臺底座I。
[0044]本實施例提供了導向結構，以便將運動輸入裝置的輸出位移與其輸出軸線嚴格垂直，進一步提高了位移輸出的精度。
[0045]為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述柔性大行程微納加工設備中，所述加工執行平臺5上安裝固定有刀具模塊。
[0046]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
[0047]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.一種柔性大行程微納加工設備，其特征在于，包括平臺底座和滑動設置于所述平臺底座上的加工執行平臺，和均與所述平臺安裝固定的輸入方向相互垂直設置的兩組運動輸入裝置，所述運動輸入裝置的輸出頭均連接有沿各自運動輸出方向設置的單自由度的微定位位移裝置； 所述微定位位移裝置包括輸出臺，所述輸出臺的首尾兩端對稱的連接有第一拉桿和第二拉桿，所述第一拉桿和所述第二拉桿均平行于運動輸入方向，二者的尾端均朝向對應的運動輸入裝置，所述第一拉桿和所述第二拉桿的尾端分別與第一杠桿和第二杠桿的中段通過柔性鉸鏈連接； 所述第一杠桿和所述第二杠桿的首端均與所述平臺底座通過柔性鉸接連接，所述第一杠桿和所述第二杠桿的尾端分別通過柔性鉸鏈連接有第三拉桿和第四拉桿，所述第三拉桿和所述第四拉桿均平行于該運動輸入裝置的輸入方向，所述第三拉桿和所述第四拉桿分別與所述加工執行平臺該側的兩端連接。2.根據權利要求1所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述加工執行平臺另外兩側還連接有與上述兩組運動輸入裝置的輸入方向分別相反的兩組反向運動輸入裝置，所述反向運動輸入裝置也通過對應的微定位位移裝置與所述加工執行平臺連接。3.根據權利要求2所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述微定位位移裝置還設置有本體與所述平臺底座安裝固定的固定部，所述第一杠桿和第二杠桿的首端均通過所述固定部與所述平臺底座連接。4.根據權利要求3所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述第三拉桿和所述第四拉桿與所述加工執行平臺之間均通過柔性鉸鏈連接。5.根據權利要求4所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述第三拉桿和所述第四拉桿與所述加工執行平臺之間的柔性鉸鏈、所述第三拉桿與所述第一杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第四拉桿所述第二杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第一拉桿與所述第一杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第二拉桿與所述第二杠桿之間的柔性鉸鏈、所述第一拉桿和所述第二拉桿與所述輸出臺之間的柔性鉸鏈，以上柔性鉸鏈均為直梁型柔性鉸鏈。6.根據權利要求1至5任一項所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述微定位位移裝置包括與所述運動輸入裝置的輸出頭連接的杠桿組件，所述杠桿組件包括三級互相聯動的杠桿，杠桿之間、杠桿與所述平臺底座之間均通過柔性鉸鏈連接，所述杠桿組件的輸出端與所述輸出臺之間通過柔性鉸鏈連接，將所述輸出頭輸出的運動按一定比例放大。7.根據權利要求6所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述運動輸入裝置包括壓電陶瓷驅動器。8.根據權利要求7所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述運動輸入裝置還包括輸出導向結構，所述輸出導向結構設置有容納所述壓電陶瓷驅動器的輸出頭伸出的導向槽，所述輸出導向結構固定安裝于所述平臺底座。9.根據權利要求6所述的柔性大行程微納加工設備，其特征在于，所述加工執行平臺上安裝固定有刀具模塊。
【文檔編號】B81C1/00GK106082114SQ201610716013
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月24日
【發明人】高健, 曾昭和, 湯暉, 張攬宇, 何思豐, 陳新, 管貽生, 賀云波, 簡川霞, 姜永軍, 楊志軍
【申請人】廣東工業大學