專利名稱：一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種可應(yīng)用于微觀尺度領(lǐng)域的角位移定位裝置。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS, MicroElectroMechanical System)包含尺寸從 Ium 到 Imm 之間的器件，如微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型信號處理和控制電路，以及接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。在微機(jī)電技術(shù)的研究過程中，微機(jī)電系統(tǒng)的加工工藝與裝配技術(shù)是研究的重點。而微定位是微機(jī)電系統(tǒng)加工和裝配中一項基本的需求，微定位有直線位移定位和角位移定位兩種，微定位可根據(jù)加工和裝配工藝的要求，確定待裝配的微器件在微裝配平臺位置。目前，關(guān)于微裝配領(lǐng)域的微定位裝置，有德國PI公司設(shè)計的直線運動臺，利用電 機(jī)和精密絲杠機(jī)構(gòu)傳動，實現(xiàn)直線定位精度為40納米。有韓國精密機(jī)械研究中心設(shè)計的類仿蚯蚓行走裝置，利用壓電致動器的伸縮性能，在直線導(dǎo)軌面上進(jìn)行微尺度的直線行走，行走精度達(dá)10納米。而至今未見有關(guān)于微尺度角位移定位裝置的文獻(xiàn)報道。宏觀領(lǐng)域的角度定位裝置一般采用傳統(tǒng)機(jī)械傳動或伺服電機(jī)系統(tǒng)，傳統(tǒng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)如渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，利用其可完成轉(zhuǎn)臺的角位移定位；伺服電機(jī)系統(tǒng)如數(shù)控轉(zhuǎn)臺，通過對伺服電機(jī)的角位移閉環(huán)控制完成角位移定位；也可通過步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制完成轉(zhuǎn)臺的角位移定位。原理上，用于宏觀領(lǐng)域的角位移定位機(jī)構(gòu)是可用在微觀角位移定位的，但實際中，應(yīng)用于微觀定位時，對機(jī)構(gòu)的各傳動部件的精度要求高，或目前的加工工藝和裝配工藝還無法滿足精度要求，或即便能滿足精度要求，也致使制作裝置的成本高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，在加工和安裝工藝要求不高的條件下實現(xiàn)微觀長行程角位移定位，滿足角位移定位工作臺微尺度定位需求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是最上部是角位移平臺，最下部是底座，角位移平臺的下底面上固定連接圓形結(jié)構(gòu)的摩擦凸緣，摩擦凸緣的下部是驅(qū)動器，驅(qū)動器下部是底座，驅(qū)動器的驅(qū)動器框架與底座固定聯(lián)接，銷軸的下端固接底座且銷軸垂直間隙穿過角位移平臺上的中心孔和驅(qū)動器上的中心孔，角位移平臺關(guān)于銷軸的中心軸對稱，摩擦凸緣的中心軸是銷軸的中心軸；驅(qū)動器還包括柔性鉸鏈、摩擦凸臺和旋轉(zhuǎn)板，旋轉(zhuǎn)板套在銷軸上且旋轉(zhuǎn)板關(guān)于銷軸的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈連接旋轉(zhuǎn)板和驅(qū)動器框架且2個柔性鉸鏈關(guān)于銷軸的中心軸對稱，在旋轉(zhuǎn)板上固定設(shè)有關(guān)于銷軸的中心軸對稱的2個摩擦凸臺且2個摩擦凸臺的上表面與摩擦凸緣的下表面相接觸；旋轉(zhuǎn)板上有兩處關(guān)于銷軸的中心軸對稱的受力點，兩處受力點所受外作用力大小相等、轉(zhuǎn)矩方向相同；控制外作用力隨時間變化使角位移平臺持續(xù)轉(zhuǎn)動定位。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，具有以下有益效果I、本發(fā)明采用摩擦驅(qū)動與慣性滑移原理進(jìn)行微尺度下角位移驅(qū)動，利用摩擦力與慣性作用結(jié)合的驅(qū)動方式，既可進(jìn)行長行程角位移步進(jìn)驅(qū)動，也可持續(xù)地對微裝配中待裝配或待操作對象按一定步距角位移進(jìn)行角位移定位，根據(jù)具體應(yīng)用需求，可控制旋轉(zhuǎn)平臺的角位移定位精度，能達(dá)到微尺度下的角位移定位要求。2、本發(fā)明驅(qū)動原理獨特、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖Ia是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的主視 圖Ib是圖Ia的俯視 圖Ic是圖Ib的A-A首I]視 圖2是圖Ib中驅(qū)動器6的結(jié)構(gòu)放大 圖3a是圖Ia中角位移平臺I及摩擦凸緣3的仰視 圖3b是圖3a的B-B剖視 圖4是圖2所示驅(qū)動器6的工作原理示意圖；其中，圖4a是驅(qū)動器6的驅(qū)動行程原理圖；圖4b是圖4a中的驅(qū)動器6的行程中角位移平臺I發(fā)生角位移示意圖；圖4c是驅(qū)動器6的恢復(fù)行程原理圖；圖4d是圖4c中的驅(qū)動器6的恢復(fù)行程中角位移平臺I發(fā)生角位移示意 圖5是驅(qū)動器6順時針驅(qū)動時，旋轉(zhuǎn)板10的角位移和作用力隨時間變化的曲線 圖6是驅(qū)動器6順時針驅(qū)動時，角位移平臺I的角位移示意 圖7是驅(qū)動器6逆時針驅(qū)動時，旋轉(zhuǎn)板10的角位移和作用力隨時間變化的曲線 圖8是圖4d中驅(qū)動器6逆時針驅(qū)動時角位移平臺I的角位移示意 圖9是本發(fā)明應(yīng)用例中驅(qū)動器6的工作原理示意 圖10是當(dāng)本發(fā)明的角位移平臺I順時針轉(zhuǎn)動時，圖9中壓電陶瓷11的驅(qū)動力-時間曲線 圖11是當(dāng)本發(fā)明的角位移平臺I逆時針轉(zhuǎn)動時，圖9中壓電陶瓷11的驅(qū)動力-時間曲線 圖中1.角位移平臺；2.銷軸；3.摩擦凸緣；4.摩擦凸臺；5.底座；6.驅(qū)動器；7.螺釘；8.受力點；9.柔性鉸鏈；10.旋轉(zhuǎn)板；11.壓電陶瓷。
具體實施例方式如圖la、lb、Ic所示，本發(fā)明最上部是角位移平臺1，最下部是底座5，角位移平臺I的下底面上固定連接摩擦凸緣3，摩擦凸緣3為圓形結(jié)構(gòu)，在摩擦凸緣3的下部是驅(qū)動器6，驅(qū)動器6具有驅(qū)動器框架(圖中未標(biāo)出)，驅(qū)動器6下部是底座5，驅(qū)動器框架與底座5通過螺釘7固定聯(lián)接。銷軸2垂直間隙穿過角位移平臺I和驅(qū)動器6上的中心孔，使角位移平臺I和驅(qū)動器6可沿銷軸2旋轉(zhuǎn)。銷軸2的下端固定于底座5上。角位移平臺I的形狀要求關(guān)于銷軸2的中心軸對稱。角位移平臺I可為圓形或方形(本發(fā)明圖例僅以圓形為例)。如圖2所示,驅(qū)動器6還包括柔性鉸鏈9、摩擦凸臺4和旋轉(zhuǎn)板10 ;旋轉(zhuǎn)板10套在銷軸2上，且旋轉(zhuǎn)板10的結(jié)構(gòu)關(guān)于銷軸2的中心軸對稱。柔性鉸鏈9的結(jié)構(gòu)形狀有橢圓柔性鉸鏈形式、倒角式柔性鉸鏈形式和矩形柔性鉸鏈形式，通過仿真分析的計算，本發(fā)明圖例僅以采用矩形柔性鉸鏈形式為例。有2個柔性鉸鏈9關(guān)于銷軸2的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈9連接旋轉(zhuǎn)板10和驅(qū)動器框架。在旋轉(zhuǎn)板10上固定設(shè)置關(guān)于銷軸2的中心軸對稱的2個摩擦凸臺4，2個摩擦凸臺4在高度上相對于旋轉(zhuǎn)板10向上凸出，使2個摩擦凸臺4的上表面與摩擦凸緣3的下表面相接觸。這樣，通過摩擦凸臺4限定了角位移平臺I在豎直方向的位置，通過銷軸2限定了角位移平臺I和驅(qū)動器6的旋轉(zhuǎn)軸位置。摩擦凸臺4、柔性鉸鏈9和旋轉(zhuǎn)板10三者可做在同一實體上。銷軸2的中心軸的幾何中心為O點，O點也是驅(qū)動器6的幾何中心。圖2中的受力點8是外力作用在旋轉(zhuǎn)板10上的位置，受力點8有兩處，位置關(guān)于0點對稱，且要求兩處受力點8所受外力大小相等，方向相反，作用于0點的轉(zhuǎn)矩方向相同。如圖3a、3b所示，角位移平臺I中心處有安裝孔，銷軸2插入角位移平臺I的安裝孔，摩擦凸緣3的中心軸與角位移平臺I的中心軸同軸，同為銷軸2的中心軸，使摩擦凸緣3與角位移平臺I同軸同時旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明工作時，當(dāng)旋轉(zhuǎn)板10上的受力點8受外力時，柔性鉸鏈9產(chǎn)生變形，外力消除時，變形恢復(fù)；由于柔性鉸鏈9關(guān)于0點對稱，柔性鉸鏈9的變形和變形恢復(fù)使得旋轉(zhuǎn)板10產(chǎn)生繞0點微轉(zhuǎn)動角位移和恢復(fù)性角位移，同時,摩擦凸臺4也產(chǎn)生繞0點的微轉(zhuǎn)動位移和恢復(fù)性角位移。而角位移平臺I和銷軸2的重力通過摩擦凸緣3作用在驅(qū)動器6的旋轉(zhuǎn)板10上的摩擦凸臺4上，角位移平臺I在摩擦凸臺4和銷軸2的定位下，僅有繞銷軸2轉(zhuǎn)動的自由度。這樣，當(dāng)摩擦凸臺4繞驅(qū)動器6的中心0點產(chǎn)生轉(zhuǎn)動角位移時，摩擦凸臺4通過作用在摩擦凸緣3的摩擦力，驅(qū)動角位移平臺I繞銷軸2轉(zhuǎn)動，也產(chǎn)生微轉(zhuǎn)動角位移。具體如下
角位移平臺I的轉(zhuǎn)動過程可分為驅(qū)動行程過程和恢復(fù)行程過程。驅(qū)動行程過程如圖4a所示，由于旋轉(zhuǎn)板10是通過柔性鉸鏈9與驅(qū)動器框架聯(lián)接的，當(dāng)作用在旋轉(zhuǎn)板10上受力點8處力由0增加到F時，使得柔性鉸鏈9產(chǎn)生變形，旋轉(zhuǎn)板10繞0點按順時針方向產(chǎn)生角位移Co，轉(zhuǎn)動過程中，摩擦凸臺4表面和摩擦凸緣3表面產(chǎn)生摩擦力，從而驅(qū)動角位移平臺I繞銷軸2也按順時針轉(zhuǎn)動角位移0 1，如圖4b所示?；謴?fù)行程過程如圖4c所示，當(dāng)力由F變?yōu)?時，柔性鉸鏈9此時產(chǎn)生恢復(fù)變形，相應(yīng)地，旋轉(zhuǎn)板10繞0點按逆時針方向恢復(fù)角位移《，同理，在摩擦凸臺4和摩擦凸緣3的摩擦力作用下，驅(qū)動角位移平臺I繞銷軸2逆時針轉(zhuǎn)動角位移0 2,如圖4d所示。本發(fā)明只需控制旋轉(zhuǎn)板10上的受力點8處的外作用力隨時間變化規(guī)律就可使角位移平臺I進(jìn)行持續(xù)轉(zhuǎn)動定位。如圖5所示，旋轉(zhuǎn)板10順時針驅(qū)動時，作用在旋轉(zhuǎn)板10上的力在時間tl內(nèi)由0增加到F，旋轉(zhuǎn)板10順時針轉(zhuǎn)動角位移《，旋轉(zhuǎn)板10上的摩擦凸臺4驅(qū)動角位移平臺I繞銷軸2產(chǎn)生角位移01?；謴?fù)行程中，作用在旋轉(zhuǎn)板10上的力在時間t2內(nèi)由F減小到0,旋轉(zhuǎn)板10逆時針轉(zhuǎn)動角位移w，旋轉(zhuǎn)板10上的摩擦凸臺4驅(qū)動角位移平臺I繞銷軸2角位移0 2 ;由于tl>t2，旋轉(zhuǎn)板10順時針轉(zhuǎn)動的角速度大于逆時針恢復(fù)性轉(zhuǎn)動的角速度，在角位移平臺I慣性作用下，角位移平臺I驅(qū)動行程的角位移9 I大于恢復(fù)行程中的角位移92，即0 1>02，如圖6所示，此時，角位移平臺I按順時針轉(zhuǎn)動角位移0 1-0 2。旋轉(zhuǎn)板10上的作用力在時間tl內(nèi)由0增加到F，再由F減小到0，這個過程稱為一個驅(qū)動周期，在一個驅(qū)動周期中，角位移平臺I的轉(zhuǎn)動角位移為9 1-92 ;若此周期反復(fù)進(jìn)行，可使得角位移平臺I以0 I- 0 2為角位移步距按順時針方向持續(xù)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)角位移平臺I按順時針方向持續(xù)轉(zhuǎn)動定位。同理，如圖7所示，若使得驅(qū)動周期中tl〈t2，旋轉(zhuǎn)板10順時針轉(zhuǎn)動的角速度小于其逆時針恢復(fù)性轉(zhuǎn)動的角速度，在角位移平臺I慣性作用下，角位移平臺I驅(qū)動行程的角位移0 I小于恢復(fù)行程中的角位移0 2，即0 1〈0 2，此時，一個驅(qū)動周期中，角位移平臺I按逆時針轉(zhuǎn)動，角位移為0 2-0 1，如圖8所示。若此周期反復(fù)進(jìn)行，可使得角位移平臺I以0 2- 0 I為角位移步距按逆時針方向持續(xù)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)角位移平臺I按逆時針方向持續(xù)轉(zhuǎn)動定位。以下提供本發(fā)明的一個應(yīng)用例本發(fā)明應(yīng)用時，需要為其選擇作用在旋轉(zhuǎn)板10上的力驅(qū)動元件，力驅(qū)動元件有多種選擇，例如電磁力驅(qū)動元件、壓電驅(qū)動元件等。本發(fā)明以選擇壓電陶瓷為力驅(qū)動元件為例，如圖9所示，作用在旋轉(zhuǎn)板10上的受力點8處的力驅(qū)動元件為壓電陶瓷11 (P-885. 50，PI公司，最大驅(qū)動力900N/120V)，壓電陶瓷11的特點是隨著加載電壓的增加壓電陶瓷的尺寸伸長，壓電陶瓷11伸長時產(chǎn)生的驅(qū)動力與加載電壓成 近似的線性關(guān)系，即其驅(qū)動力隨加載電壓增加而線性增加，即通過控制壓電陶瓷11的加載電壓來控制驅(qū)動力，從而控制作用在旋轉(zhuǎn)板10上的作用力大小。壓電陶瓷11安裝如圖9所示，用兩個壓電陶瓷11，每個壓電陶瓷11的一端與旋轉(zhuǎn)板10的受力點8處接觸，另一端固定在驅(qū)動器框架上。整個驅(qū)動器6的材料為彈性性能優(yōu)良的合金鋼65Mn，即柔性鉸鏈9材料為合金鋼65Mn,經(jīng)過計算機(jī)仿真設(shè)計,確定柔性鉸鏈9的厚度為15mm,寬度為Imm ;當(dāng)給壓電陶瓷11加載電壓時，壓電陶瓷11因伸長而對旋轉(zhuǎn)板10產(chǎn)生作用力，進(jìn)而使得柔性鉸鏈9變形,旋轉(zhuǎn)板10繞0點按順時針轉(zhuǎn)動一個角位移,旋轉(zhuǎn)板10通過摩擦凸臺4驅(qū)動角位移平臺I按順時針轉(zhuǎn)動0 1，如圖4b示意；當(dāng)壓電陶瓷11的加載電壓減小時，壓電陶瓷11收縮且驅(qū)動力減小，柔性鉸鏈9變形恢復(fù)，旋轉(zhuǎn)板10按逆時針恢復(fù)性轉(zhuǎn)動一個角位移，摩擦凸臺4通過摩擦力驅(qū)動角定位平臺I按逆時針轉(zhuǎn)動0 2,如圖4d示意。如果控制壓電陶瓷11的驅(qū)動力和時間量如圖10所示，tl>t2，即壓電陶瓷11的驅(qū)動力增加速率小于減小速率，那么，角位移平臺I以一定的角位移步距按順時針方向持續(xù)轉(zhuǎn)動；如果控制壓電陶瓷11的驅(qū)動力和時間關(guān)系如圖11所示，tl〈t2，即壓電陶瓷11的驅(qū)動力增加速率大于減小速率，角位移平臺I以一定的角位移步距按逆時針方向持續(xù)轉(zhuǎn)動。本發(fā)明通過控制壓電陶瓷11的驅(qū)動力數(shù)值可使柔性鉸鏈9變形量在微米尺度內(nèi)，由于旋轉(zhuǎn)板10的轉(zhuǎn)角及角位移定位平臺I的轉(zhuǎn)角尺度取決于柔性鉸鏈9的變形尺度，因而，本發(fā)明可應(yīng)用于微尺度的角位移定位中。又由于控制壓電陶瓷11驅(qū)動力大小可控制柔性鉸鏈9的變形量大小，從而可控制角位移平臺I的角位移步距大小，如圖5所示的
0I- 0 2和圖7所示0 2-01大小，即，本發(fā)明角位移定位精度可控。
權(quán)利要求
1.一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，最上部是角位移平臺(1)，最下部是底座(5)，其特征是角位移平臺(I)的下底面上固定連接圓形結(jié)構(gòu)的摩擦凸緣(3)，摩擦凸緣(3)的下部是驅(qū)動器(6)，驅(qū)動器(6)下部是底座(5)，驅(qū)動器(6)的驅(qū)動器框架與底座(5)固定聯(lián)接，銷軸(2)的下端固接底座(5)且銷軸(2)垂直間隙穿過角位移平臺(I)上的中心孔和驅(qū)動器(6)上的中心孔，角位移平臺(I)關(guān)于銷軸(2)的中心軸對稱，摩擦凸緣(3)的中心軸是銷軸(2)的中心軸；驅(qū)動器(6)還包括柔性鉸鏈(9)、摩擦凸臺(4)和旋轉(zhuǎn)板(10)，旋轉(zhuǎn)板(10)套在銷軸(2)上且旋轉(zhuǎn)板(10)關(guān)于銷軸(2)的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈(9)連接旋轉(zhuǎn)板(10)和驅(qū)動器框架且2個柔性鉸鏈(9)關(guān)于銷軸(2)的中心軸對稱，在旋轉(zhuǎn)板(10)上固定設(shè)有關(guān)于銷軸(2)的中心軸對稱的2個摩擦凸臺(4)且2個摩擦凸臺(4)的上表面與摩擦凸緣(3)的下表面相接觸；旋轉(zhuǎn)板(10)上有兩處關(guān)于銷軸(2)的中心軸對稱的受力點，兩處受力點所受外作用力大小相等、轉(zhuǎn)矩方向相同；控制外作用力隨時間變化使角位移平臺(I)持續(xù)轉(zhuǎn)動定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，其特征是在所述受力點處設(shè)有外作用力驅(qū)動元件，驅(qū)動元件為電磁力驅(qū)動元件、壓電驅(qū)動元件。
全文摘要
本發(fā)明公開一種摩擦慣性式微尺度角位移定位裝置，最上部是角位移平臺，最下部是底座，角位移平臺下底面固定連接圓形結(jié)構(gòu)的摩擦凸緣，摩擦凸緣下部是驅(qū)動器，銷軸垂直間隙穿過角位移平臺上中心孔和驅(qū)動器上中心孔，角位移平臺關(guān)于銷軸的中心軸對稱，驅(qū)動器還包括柔性鉸鏈、摩擦凸臺和旋轉(zhuǎn)板，旋轉(zhuǎn)板套在銷軸上且旋轉(zhuǎn)板關(guān)于銷軸的中心軸對稱，2個柔性鉸鏈連接旋轉(zhuǎn)板和驅(qū)動器框架且關(guān)于銷軸的中心軸對稱，在旋轉(zhuǎn)板上固定設(shè)有關(guān)于銷軸的中心軸對稱的2個摩擦凸臺且2個摩擦凸臺的上表面與摩擦凸緣的下表面相接觸；控制外作用力隨時間變化使角位移平臺持續(xù)轉(zhuǎn)動定位；本發(fā)明既可長行程角位移步進(jìn)驅(qū)動，也可持續(xù)地按一定步距角位移進(jìn)行角位移定位。
文檔編號B25B11/00GK102729173SQ20121018096
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者韓江義 申請人:江蘇大學(xué)