[发明专利]基于弹性元件的导向机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双弹性膜片导向机构，适用于尤其适用于微位移驱动器件的精密微位移的输出导向。

背景技术

应用于精密工程或超精加工领域的微位移驱动器件需要稳定地实现较大行程(毫米级)、高分辨率(纳米级)的技术要求。传统的微位移驱动器件的位移输出导向机构主要有以下几种：滚珠花键、滑动轴承、柔性杠杆导向机构、膜片。滚珠花键导向机构本身可以承受一定量的扭矩以及侧向载荷，但滚珠花键不能彻底消除摩擦和间隙，且往往必需润滑和维护；滑动轴承导向机构一般也必须提供润滑和维护，但不可避免的摩擦和间隙对实现纳米级分辨率是有害的，如引起爬行等非线性现象，另外，润滑油和润滑剂对精密仪器和超净要求的工作环境也是有害的。柔性铰链导向机构采用柔性杆件以及柔性铰链机构，参见图1，与相应的刚性的平行四杆机构的功能一样，缺点是一般行程微小，且需要仔细设计以消除输出轴的平动偏移效应。这些传统的导向机构，一般存在不可完全消除的摩擦和间隙问题，并且在不希望存在转动输出的时候必须引入消除转动的机构。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于弹性元件的导向机构，该机构是一种用于输出较大位移范围(毫米级)的简单可靠不需润滑维护的精密导向机构(纳米级分辨率)，以克服传统的各种导向机构的存在的以上缺点。

本发明所采用的技术方案是：一种基于弹性元件的导向机构，设有位移输出导杆轴(也可称为：位移输出导杆轴，或简称导杆)，其特征在于，设有两张平行设置的圆形弹性膜片(下文简称为弹片或膜片)，该两张圆形弹性膜片的周边分别以紧固状态固定在刚性圆筒机架上，所述的位移输出轴与该两张圆形弹性膜片的中心分别紧固相联。

所述的“两张圆形弹性膜片的周边分别以紧固状态固定在刚性圆筒机架上”，是固定时需要使膜片张紧，以消除膜片型材的不平整性。

本发明的基于弹性元件的导向机构用以代替传统的导向机构，其原理如图2所示。利用膜片具有良好的面内刚度和面外柔度的特性，实现膜片中心法线方向的毫米级小位移，满足其高精度导向要求。

进一步说明：由于膜片具有良好的面内刚度和面外柔度的特性，因而该机构采用两张平行张紧膜片具有良好的侧向支撑性能。在安装过程中，使膜片处于张紧状态，可以保障该机构位移输出导杆轴(下文简称导杆)的对中性；同时，由于膜片良好的面内刚度，使得该导向机构能承受一定的径向负载，并在位移输出时具有防转动的功能，从而严格保证该机构沿轴向仅输出一个平动自由度的高分辨率位移。

在膜片中心部分在输出位移时，膜片周围固定位置的部分材料由于拉伸、挤压会产生凹凸或褶皱现象，这对于导向机构自身寿命以及机构的导向精度具有很大危害。为此，本发明的优化方案是在膜片的设计上通过去除一定量膜片材料，形成叶片式膜片的方法从而避免以上现象的发生，在保证膜片侧向支撑强度和刚度的同时避免褶皱发生。如图3和图4所示，叶片呈均匀分布，最少为三片，最多建议不多于八片。

以上基于平面叶片式膜片和刚性圆筒机架的导向机构允许的位移范围较小。要实现足够大的行程，膜片的直径需要足够大，且材料弹性要求好。

为此，本发明进一步提出优化方案。

1、基于叶片式膜片和弹性的机架：

(1).如图5和图6所示开槽式机架的双膜片导向机构，采用了将圆筒机架开槽的方法形成径向较柔的悬臂，将对应膜片叶片紧固于其端面(图中采用螺钉和压板紧固方式)。其结构是：所述的刚性圆筒机架上设有若干开槽，开槽之间形成悬臂，所述圆形弹性膜片在刚性圆筒机架上的固定点分别设置在各悬臂上。这样，当导杆作轴向位移时，悬臂可进行径向弹性变形以减小膜片内的张力，进而允许导杆实现毫米级轴向位移。

(2).图7和图8所示鼠笼式机架，结构是：所述的刚性圆筒机架是在环形联接板上垂直固定有若干螺杆，构成鼠笼式结构：其中的螺杆数量、位置与圆形弹性膜片叶片的数量及分布位置相对应，圆形弹性膜片叶片的固定点分别设置各螺杆的两端，该固定方式采用螺纹紧固方式。换言之，这种螺杆鼠笼式机架的双膜片导向机构采用了和叶片数量及分布对应的螺杆构成鼠笼式机架，采用螺帽从两侧将螺杆在中间位置紧固于一环形联接板上，在螺杆两端，将两膜片从两侧采用螺纹紧固方式紧固于螺杆上，并确保两膜片和环形联接板平行。这样，环形联接板两侧的螺杆可视为悬臂，当导杆作轴向位移时，螺杆可发生径向弹性变形以减小膜片内的张力，进而允许导杆实现毫米级轴向位移。

2、基于局部弯折的膜片和刚性的机架