CN115805540A - 一种恒力微夹钳 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种恒力微夹钳，包括直线驱动器，直线驱动器与位移放大机构连接，位移放大机构与恒力机构连接，恒力机构包括第一柔性铰链和位于第一柔性铰链内部的第二柔性铰链，第一柔性铰链和第二柔性铰链均为由斜梁构成的菱形结构且对应的斜梁平行，第一柔性铰链和第二柔性铰链对应的第一角部均与位移放大机构连接，第一角部对侧的第二角部与第一夹臂连接，第二柔性铰链的第三角部和第四角部之间设有直梁，第一夹臂一侧设有固定设置的第二夹臂，本发明的恒力微夹钳使用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及微机电执行器机构技术领域，具体涉及一种恒力微夹钳。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
现有技术中，存在恒力夹钳，能够实现恒力输出，且易于实现小型化，例如专利CN206241884U中公开了一种恒力夹钳，其恒力输出装置包括力传导件、提供负刚度的第一柔性铰链、提供正刚度的第二柔性铰链和基座，其中第一柔性铰链为斜梁，第二柔性铰链为直梁，发明人发现，采用直梁提供正刚度、采用斜梁提供负刚度提供的恒力的行程范围较小，而且上述专利中，无法实现位移放大，不适用于精密和体积小的小位移输出场景中。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种恒力微夹钳，输出的恒力范围大，且适用于小位移输出场景中。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
本发明的实施例提供了一种恒力微夹钳，包括直线驱动器，直线驱动器与位移放大机构连接，位移放大机构与恒力机构连接，恒力机构包括第一柔性铰链和位于第一柔性铰链内部的第二柔性铰链，第一柔性铰链和第二柔性铰链均为由斜梁构成的菱形结构且对应的斜梁平行，第一柔性铰链和第二柔性铰链对应的第一角部均与位移放大机构连接，第一角部对侧的第二角部与第一夹臂连接，第二柔性铰链的第三角部和第四角部之间设有直梁，第一夹臂一侧设有固定设置的第二夹臂。
可选的，所述第一夹臂的一端与第二夹臂配合，另一端设有第一刚性块，第一刚性块与第一柔性铰链和第二柔性铰链的第一角部固定连接。
可选的，所述位移放大机构的输出端设有第二刚性块，第二刚性块与第一柔性铰链和第二柔性铰链的第二角部固定连接。
可选的，所述第二夹臂与外壳固定连接，直线驱动器、位移放大机构及恒力机构位于外壳内部。
可选的，所述直线驱动器采用压电驱动器或电磁驱动器。
可选的，所述位移放大机构包括设置在直线驱动件两个端部的输出架，两个输出架的同侧端部之间设有第一桥式放大机构，第一桥式放大机构的输出刚性体与力传导构件连接，两个力传导构件的同侧端部之间设有第二桥式放大机构，其中一个第二桥式放大机构的输出刚性体与第一柔性铰链和第二柔性铰链的第二角部连接，另一个第二桥式放大机构的输出刚性体与第二夹臂连接。
可选的，两个第一桥式放大机构及其连接的力传导构件相对于直线驱动器的中心线对称设置。
可选的，所述第一桥式放大机构的中部刚性体作为输出刚性体与力传导构件的中部位置连接，所述第二桥式放大机构的中部刚性体作为输出刚性体。
可选的，所述第二夹臂设有多个固定孔，第二夹臂通过固定孔和固定件与外壳固定连接。
可选的，所述外壳包括基座和上壳体，基座与上壳体可拆卸固定连接并形成用于容纳直线驱动器、位移放大机构、恒力机构、第一夹臂和第二夹臂的空间。
本发明的有益效果：
1.本发明的恒力夹钳，第一柔性铰链和第二柔性铰链均采用由斜梁构成的菱形结构，且对应的斜梁相互平行，第一柔性铰链提供正刚度，第二柔性铰链增加一根直梁对其中的一根斜梁运动进行限制，梁屈曲变形从而提供负刚度，与传统的斜梁提供负刚度，直梁提供正刚度相比，夹持力保持恒定的范围更大，使得夹钳的适用性更强。
2.本发明的恒力夹钳，设有位移放大机构，能够对直线驱动件输出的位移进行放大，可以应用在压电陶瓷等输出小位移的场景中，从而使得整个夹钳能够应用于要求精密度更高的场景中，应用范围更广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1外壳内部结构示意图；
图3为本发明实施例1外壳内部结构主视图；
图4为本发明实施例1恒力机构的力与位移关系曲线图；
图5为本发明实施例1恒力机构变形后示意图；
图6为本发明实施例1位移放大机构变形后示意图；
图7为本发明实施例1恒力机构恒力仿真结果示意图；
图8为现有技术恒力机构变形后示意图；
图9为现有技术恒力机构恒力仿真结果示意图；
图10为本发明实施例1正刚度建模示意图；
图11为本发明实施例1负刚度建模示意图一；
图12为本发明实施例1负刚度建模示意图二；
其中，200.第二夹臂，201.第二桥式放大机构，202.固定孔，203.力传导构件，204.第一桥式放大机构，205.固定孔，206.直线驱动件，207.输出架，208.第二柔性铰链，209.第一柔性铰链，210.第一夹臂，210-1.第一刚性块，211.固定板，212.螺钉，213.壳体，214.底座，215.第二刚性块。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种恒力微夹钳，针对专利CN206241884U中公开的恒力夹钳进行改进，以解决其应用范围小的问题。
所述恒力微夹钳包括外壳，外壳内部设置有直线驱动件206、位移放大机构、恒力机构、第一夹臂210和第二夹臂200，直线驱动件206与位移放大机构连接，位移放大机构能够将直线驱动件206输出的位移进行放大，位移放大机构与恒力机构连接，恒力机构与第一夹臂210连接，第二夹臂200与外壳固定，第一夹臂210和第二夹臂200配合，对物体进行夹紧。
相对于专利CN206241884U中公开的恒力夹钳，本实施例对恒力机构进行改进。
本实施例中，恒力机构包括第一柔性铰链209和位于第一柔性铰链内部的第二柔性铰链208，第一柔性铰链209用于提供正刚度，第二柔性铰链208用于提供负刚度，第一柔性铰链209采用由四个斜梁的菱形结构，斜梁为柔性薄壁梁，分别为第一柔性梁、第二柔性梁、第三柔性梁和第四柔性梁，其中第一柔性梁和第二柔性梁构成第一角部，第三柔性梁和第四柔性梁构成第二角部，第二角部位于第一角部的对侧。
第一柔性铰链的另外两个角部为相对设置的第三角部和第四角部。
所述第二柔性铰链208采用由四个斜梁构成的菱形结构，斜梁为柔性薄壁梁，分别为第五柔性梁、第六柔性梁、第七柔性梁和第八柔性梁，其中第五柔性梁与第一柔性梁平行、第六柔性梁与第二柔性梁平行、第七柔性梁与第三柔性梁平行、第八柔性梁与第四柔性梁平行，第一柔性铰链和第二柔性铰链的中心同心设置。第五柔性梁和第六柔性梁形成第二柔性铰链的第一角部，第一角部对侧为第二角部，第二柔性铰链的另外两个角部为第三角部和第四角部。
其中第二柔性铰链的第三角部和第四角部之间设置有直梁。
所述第一夹臂210一端用于与第二夹臂配合夹住物体，另一端设有第一刚性块210-1，第一刚性块210-1与第一柔性铰链209和第二柔性铰链208的第一角部固定，即第一柔性铰链209的第一柔性梁、第二柔性梁，第二柔性铰链208的第五柔性梁和第六柔性梁与第一刚性块固定。
所述第一柔性铰链209和第二柔性铰链208的第二角部通过第二刚性块215与位移放大机构的输出端连接。
第一柔性铰链提供正刚度，第二柔性铰链增加一根直梁对其中的一根斜梁运动进行限制，运动过程中斜梁发生屈曲变形，从而提供负刚度，经仿真验证，与传统的斜梁提供负刚度，直梁提供正刚度相比，微夹钳的夹持力可以保持恒定的范围更长，因为该发明设计的恒力机构用到了正负刚度机构是平行的，梁屈曲变形的范围会更大，从而使得微夹钳的输出夹持力保持恒定的范围会更大，使得夹钳的适用性更强。本实施例的恒力机构的变形如图5所示，其力和位移曲线如图7所示，能够看出，本实施例的方案恒力机构能够保持恒力输出5mm左右的位移，专利CN206241884中公开的恒力机构的变形如图8所示，力和位移曲线如图9所示，其保持恒力输出0.2mm左右的位移，效果明显不如本申请效果。
所述直线驱动件206采用压电驱动器或电磁驱动器，本实施例中，所述直线驱动件采用压电陶瓷，压电陶瓷能够向其两侧输出直线运动，压电陶瓷与位移放大机构连接，能够利用位移放大机构将其直线运动位移进行放大。
通过位移放大机构能够对直线驱动件输出的位移进行放大，可以应用在压电陶瓷等输出小位移的场景中，从而使得整个夹钳能够应用于要求精密度更高的场景中，应用范围更广。
所述位移放大机构包括两个输出架207，分别为第一输出架和第二输出架，还包括第一桥式放大机构、第二桥式放大机构及力传导构件。
具体的，所述压电陶瓷的伸缩方向与第一柔性铰链209和第二柔性铰链208第一角部、第二角部之间的对角线平行，且压电陶瓷沿伸缩方向的中心线与第一角部、第二角部的对角线共线。
所述压电陶瓷沿伸缩方向的一端与第一输出架的中部位置固定，另一端与第二输出架的中部位置固定。
压电陶瓷的伸缩运动能够带动第一输出架和第二输出架做直线运动。
第一输出架和第二输出架的同侧端部之间设有第一桥式放大机构204，压电陶瓷两侧的第一桥式放大机构204相对于压电陶瓷的中心线对称设置。
所述第一桥式放大机构204采用现有桥式放大机构结构即可，其具体结构在此不进行详细叙述。
两个第一桥式放大机构204的外侧均设有力传导构件203，力传导构件203采用刚性的长方体结构，第一桥式放大机构204中部的刚性输出体与力传导构件203的中部位置固定连接。
两个力传导构件203的同侧端部之间设有第二桥式放大机构201，第二桥式放大机构201采用现有桥式放大机构的结构即可，在此不进行详细叙述。
力传导构件203一端的第二桥式放大机构中部的刚性输出体与第二刚性块连接，能够将位移传递给恒力机构。
力传导构件203另一端的第二桥式放大机构201中部的刚性输出体与第二夹臂200固定。
本实施例中，所述第二夹臂200包括位于其中一个力传导构件203外侧的第一部分、与第二桥式放大机构201中部的刚性输出体连接的第二部分，第二部分一端垂直连接第一部分，另一端垂直连接第三部分，第三部分位于另一个力传导构件203外侧。
第三部分与位于恒力机构一侧的L型的第四部分的一端连接，第四部分的另一端连接与第一夹臂210平行的第五部分，第五部分一端与第四部分连接，另一端设有90°折弯部，折弯部与第一夹臂210的端部配合，能够同第一夹臂210配合夹住物体。
所述第一部分和第二部分的连接位置、第二部分和第三部分的连接位置、第一部分的端部和第三部分的端部均设有固定孔202，通过固定孔202和固定件将第二夹臂与外壳固定，本实施例中，固定件采用螺钉或其他螺纹紧固件。
与第二部分固定的第二桥式放大机构的输出刚性体也通过固定孔205和固定件与外壳固定。固定件采用螺钉212或其他螺纹紧固件。
本实施例中，所述外壳包括底座214和壳体213，底座214和壳体213通过螺栓或其他方式可拆卸固定连接。第一夹臂210和第二夹臂200用于夹持物体的端部伸出至外壳外部。
所述外壳还设有固定板211，固定板设有固定孔，用于将整个微夹钳进行固定。
本实施例的工作方法为：
通过直线驱动器206输出朝向第一输出架和朝向第二输出架两个方向的力，推动两个输出架进行位移，带动第一桥式放大机构204向水平方向运动，进行一级位移放大，通过力传导构件203连接作用，带动第二桥式放大机构201进行二级放大，输出边缘向着内侧进行二级位移放大，第二桥式放大机构201与恒力机构连接，最后通过第一夹臂210输出恒定的力。另一侧的第二桥式放大机构201与第二夹臂200连接，两个夹臂一起共同使用，实现夹持功能。
图5为恒力机构的受力变形图，图4给出了第一柔性铰链209即正刚度机构在发生形变时产生的力和位移之间的关系曲线和第二柔性铰链208发生屈曲变形力和位移之间的关系曲线以及正负刚度机构结合组成的恒力机构的力与位移关系曲线，如图10所示，设恒力机构的第一柔性铰链209斜梁长度为Lw，与y轴角度为θt，变形之后的斜梁与变形之前的斜梁夹角为θ3，第一柔性铰链即正刚度机构的刚度为K2，因为采用伪刚体模型，所以斜梁的长度可以计算为R3＝γLw；第二柔性铰链208斜梁长度为Lv，第二柔性铰链变形后梁与y轴方向的夹角为θw，采对第二柔性铰链施加的纵向力为Fo；施加的横向力为Po；用伪刚体法对正刚度机构进行数学建模，计算过程如下：
伪刚体模型移动距离与角度之间的关系：d＝2(R3 cosθt-R3 cos(θt+θ3))
滑块的虚位移为：δd＝-2R3 sin(θt+θ3)δθ3
滑块的虚功：
四个扭转弹簧所做的虚功为：δWt＝-4κ3θ3δθ3
斜梯形梁(菱形结构)所做的总虚功是：δW2＝δWF+δWt
斜梯形梁(菱形结构)受力F与伪刚体角B的关系，可通过整理得到：
根据此公式绘图，可以得到图4中的曲线2。
如图11-图12所示，接着采用链式梁约束模型对负刚度机构进行建模，计算过程如下：
第i根梁的负载平衡方程如下：
第i根梁围绕i-1根梁转可以得到如下公式：
结合上面两个式子可以得到：
θN+αN＝θO
柔性梁端部可表示为：
得到公式：F＝FO cosθW+PO sinθW
根据此公式绘图得到图4的线1，将正刚度曲线2与负刚度曲线1相加，即可得到曲线3，BC段为恒力，因为此时力没有突变，可以实现夹持微小物体且不会损坏的目的。
从图4曲线1随着位移的增加，第一柔性铰链产生的反作用力增大，吸收能量，势能增大；从图4的曲线2可以看出，第二柔性铰链在点B处发生屈曲变形，到达F点之前，其反作用力随着位移的增加而减小，随着位移增加，势能减小，释放能量。如图6所示为桥式放大机构放大之后的三维图，经过ANSYS仿真可以得到其放大比为1：7。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种恒力微夹钳，其特征在于，包括直线驱动器，直线驱动器与位移放大机构连接，位移放大机构与恒力机构连接，恒力机构包括第一柔性铰链和位于第一柔性铰链内部的第二柔性铰链，第一柔性铰链和第二柔性铰链均为由斜梁构成的菱形结构且对应的斜梁平行，第一柔性铰链和第二柔性铰链对应的第一角部均与位移放大机构连接，第一角部对侧的第二角部与第一夹臂连接，第二柔性铰链的第三角部和第四角部之间设有直梁，第一夹臂一侧设有固定设置的第二夹臂。
2.如权利要求1所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，所述第一夹臂的一端与第二夹臂配合，另一端设有第一刚性块，第一刚性块与第一柔性铰链和第二柔性铰链的第一角部固定连接。
3.如权利要求1所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，，所述位移放大机构的输出端设有第二刚性块，第二刚性块与第一柔性铰链和第二柔性铰链的第二角部固定连接。
4.如权利要求1所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，所述第二夹臂与外壳固定连接，直线驱动器、位移放大机构及恒力机构位于外壳内部。
5.如权利要求4所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，所述外壳包括基座和上壳体，基座与上壳体可拆卸固定连接并形成用于容纳直线驱动器、位移放大机构、恒力机构、第一夹臂和第二夹臂的空间。
6.如权利要求1所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，所述直线驱动器采用压电驱动器或电磁驱动器。
7.如权利要求1所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，所述位移放大机构包括设置在直线驱动件两个端部的输出架，两个输出架的同侧端部之间设有第一桥式放大机构，第一桥式放大机构的输出刚性体与力传导构件连接，两个力传导构件的同侧端部之间设有第二桥式放大机构，其中一个第二桥式放大机构的输出刚性体与第一柔性铰链和第二柔性铰链的第二角部连接，另一个第二桥式放大机构的输出刚性体与第二夹臂连接。
8.如权利要求7所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，两个第一桥式放大机构及其连接的力传导构件相对于直线驱动器的中心线对称设置。
9.如权利要求7所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，所述第一桥式放大机构的中部刚性体作为输出刚性体与力传导构件的中部位置连接，所述第二桥式放大机构的中部刚性体作为输出刚性体。
10.如权利要求1所述的一种恒力微夹钳，其特征在于，所述第二夹臂设有多个固定孔，第二夹臂通过固定孔和固定件与外壳固定连接。
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| CN116985629B (zh) * | 2023-09-28 | 2024-04-26 | 华东交通大学 | 一种柔顺恒力机构 |
| CN117944086A (zh) * | 2024-03-26 | 2024-04-30 | 华东交通大学 | 一种具有可调最大钳口的压电驱动柔顺夹持机构 |
| CN117944086B (zh) * | 2024-03-26 | 2024-05-28 | 华东交通大学 | 一种具有可调最大钳口的压电驱动柔顺夹持机构 |
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Application publication date: 20230317 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |