一种拉压组合式全柔顺双稳态机构的制作方法

本发明属于柔顺机构领域，涉及一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，可用于开关、阀门、继电器、阈值传感、刚度调制等。

背景技术：

双稳态机构不需要外部能量的持续输入，依靠自身特性就能维持稳定平衡位置，它在开关、阀门、继电器、定位装置、空间可展开机构等领域，自适应系统及其领域有诸多应用。全柔顺机构具有单片式结构，适用于MEMS加工工艺，尤其在轻型、微型化领域有着广泛的应用前景，如微型加速度传感器、微型驱动器、MEMS开关等。

现有的柔顺多稳态机构多为柔顺梁在工作过程中均处于受压状态，如中国专利CN201010172017.7、CN201010146584.5，柔顺梁受到压载荷超过临界载荷会发生屈曲，从而导致运动的不稳定，在机械设计中应避免屈曲现象的发生，保证机构运动的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单、稳定性好、造价低廉、工艺性好的平面全柔顺双稳态机构。

本发明所采用的技术方案是：一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：至少包括梭和框架，连接在框架两端的两个第一柔顺梁，连接在梭两端的两个第二柔顺梁，两个第一柔顺梁另一端分别连接刚性连接杆，两个第二柔顺梁另一端分别连接上述刚性连接杆的另一端，梭和框架、两个第一柔顺梁、两个第二柔顺梁、两个刚性连接杆构成以梭和框架为中心的左右对称闭环结构。

所述的以梭和框架为中心的左右对称闭环结构中的梭有两个稳定平衡位置，它沿竖直方向的对称轴线运动，带动整个机构变形，离开第一个稳定平衡位置在经过一个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳定平衡位置，第二个稳定平衡位置是机构中存储的变形能的局部极小值点构成的稳定平衡位置。

所述的柔顺双稳态机构的结构布置形式保证了机构从第一个稳定平衡位置运动到第二个稳定平衡位置过程中，第一柔顺梁始终处于受拉状态，第二柔顺梁始终处于受压状态。

所述的第一柔顺梁的长厚比大于第二柔顺梁的长厚比，以保证受压的梁为短粗梁，受拉的梁为细长梁，这样可避免第二柔顺梁受压发生屈曲而引发的失稳现象。

所述的框架起支撑和固定作用，框架为U型框架结构或由梭、两个第一柔顺梁、两个第二柔顺梁、两个刚性连接杆构成的连接体。

所述的柔顺双稳态机构的主要结构参数有：第一柔顺梁和第二柔顺梁的长度分别为L1和L2、厚度分别为t1和t2、与水平方向正向所成的夹角分别为θ1和θ2，第一柔顺梁与框架连接的端点和第二柔顺梁与梭连接的端点之间的水平距离和竖直距离分别为Lm和Ln，整个结构厚度h；以上结构参数应满足：第一柔顺梁的长度L1大于第二柔顺梁的长度L2，即L1＞L2,；第一柔顺梁的长厚比大于第二柔顺梁的长厚比，即L1/t1＞L2/t2，保证受压的为短粗梁；第一柔顺梁与水平方向正向所成的夹角满足：-90°＜θ1＜90°；第二柔顺梁与水平方向正向所成的夹角满足：0＜θ2＜90°；第一柔顺梁与框架连接的端点和第二柔顺梁与梭连接的端点间的水平距离和竖直距离分别满足：Lm≥L2cosθ2和Ln≥0；整个结构的厚度应h＞0，且机构输入端产生的反力大小与厚度h大小成正比例关系。

所述的柔顺双稳态机构是直线型柔顺双稳态机构且两端固接在框架上。

所述的柔顺双稳态机构的稳定平衡位置及临界力的大小可通过改变柔顺双稳态机构的结构参数来实现。

所述的刚性连接杆为U型框架结构或多边型框架结构，结构应保证与第一柔顺梁和第二柔顺梁在所述的闭环结构中的连接方式不变。

本发明的有益效果是：成功地实现了一种细长梁受拉，短粗梁受压的平面全柔顺双稳态机构。其特征是：当梭从第一个稳态平衡位置向第二个稳态平衡位置运动时，双稳态机构先会经过一个非稳定平衡位置，此后，该双稳态机构将释放存储的变形能并输出力推动梭继续运动，直到双稳态机构跳跃到第二个稳定平衡位置（此位置是机构中存储的变形能的一个局部极小值点，无需外力机构就可以保持在此稳定平衡位置），在整个运动过程中，与框架固接的两段第一柔顺梁始终处于受拉状态，与梭左右固接的两段第二柔顺梁始终处于受压状态，避免了柔顺梁在机构运动过程发生失稳现象，增加了柔顺双稳态机构的稳定性。

由于双稳态机构具有两个稳定平衡位置，可用于开关、阀门、继电器、阈值传感器、刚度调制器、加速度传感器等的设计。具有结构简单、设计容易、稳定性好、造价低廉、工艺性好等特点。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明做一步说明。

图1是本发明实施例1结构示意图，其为全柔顺双稳态机构第一稳定平衡位置示意图。

图2是图1所示全柔顺双稳态机构由第一稳定平衡位置运动到第二稳定平衡位置示意图。

图3是全柔顺双稳态机构1/2模型参数说明图。

图4是两个相同全柔顺双稳态机构平行联接示意图。

图5是全柔顺双稳态机构联接结构由第一稳定平衡位置运动到第二稳定平衡位置示意图。

图中：1、梭；2、刚性连接杆；3、框架；4、第一柔顺梁；5、第二柔顺梁。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图3所示，一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：至少包括梭1和框架3，连接在框架3两端的两个第一柔顺梁4，连接在梭1两端的两个第二柔顺梁5，两个第一柔顺梁4另一端分别连接一个刚性连接杆2，两个第二柔顺梁5另一端分别连接上述刚性连接杆2的另一端，梭1和框架3、两个第一柔顺梁4、两个第二柔顺梁5、两个刚性连接杆2构成以梭1和框架3为中心的左右对称闭环结构。

实施例1的工作状态可由图2来说明。梭1只能沿竖直方向的对称轴线运动，从而带动柔顺梁变形和刚性连接杆转动；当梭1从第一个稳定平衡位置到一个非稳定平衡位置前，整个机构不断存储变形能；当梭1越过非稳定平衡位置向第二个稳定平衡位置移动时，双稳态机构将释放存储的变形能并输出力推动梭1继续向下运动，直至达到第二个稳定平衡位置，此位置是机构中存储的变形能的局部极小值点构成的稳定平衡位置。

所述的以梭1和框架3为中心的左右对称闭环结构中的梭1有两个稳定平衡位置，它沿竖直方向的对称轴线运动，带动整个机构变形，离开第一个稳定平衡位置在经过一个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳定平衡位置，第二个稳定平衡位置是机构中存储的变形能的局部极小值点构成的稳定平衡位置。

所述的柔顺双稳态机构的结构布置形式保证了机构从第一个稳定平衡位置运动到第二个稳定平衡位置过程中，第一柔顺梁4始终处于受拉状态，第二柔顺梁5始终处于受压状态。

所述的第一柔顺梁4的长厚比大于第二柔顺梁5的长厚比，以保证受压的梁为短粗梁，受拉的梁为细长梁，这样可避免第二柔顺梁5（L2）受压发生屈曲而引发的失稳现象。

所述的框架3起支撑和固定作用，框架3为U型框架结构或由梭1、两个第一柔顺梁4、两个第二柔顺梁5、两个刚性连接杆2构成的连接体。

所述的柔顺双稳态机构的主要结构参数有：第一柔顺梁4和第二柔顺梁5的长度分别为L1和L2、厚度分别为t1和t2、与水平方向（X轴）正向所成的夹角分别为θ1和θ2，第一柔顺梁4与框架3连接的端点和第二柔顺梁5与梭1连接的端点间的水平距离和竖直距离分别为Lm和Ln，整个结构厚度h（Z轴方向）。以上结构参数应满足：第一柔顺梁4的长度L1大于第二柔顺梁5的长度L2，即L1＞L2,；第一柔顺梁4的长厚比大于第二柔顺梁5的长厚比，即L1/t1＞L2/t2，保证受压的为短粗梁；第一柔顺梁4与水平方向（X轴）正向所成的夹角满足：-90°＜θ1＜90°；第二柔顺梁5与水平方向（X轴）正向所成的夹角满足：0＜θ2＜90°；第一柔顺梁4与框架3连接的端点和第二柔顺梁5与梭1连接的端点之间的水平距离和竖直距离分别满足：Lm≥L2cosθ2和Ln≥0；整个结构的厚度应h＞0，且机构输入端产生的反力大小与厚度h大小成正比例关系。

例如，选取尺寸:（1）L1=25mm、L2=14mm、t1=0.4mm、t2=0.7mm、θ1=-12°、θ2=12°、Lm=35mm、Ln=20mm、h=6mm，或（2）L1=25mm、 L2=14mm、t1=0.7mm、t2=0.7mm、θ1=-10°、θ2=10°、Lm=40mm、Ln=15mm、h=6mm，均可获得双稳态特性。

所述的柔顺双稳态机构是直线型柔顺双稳态机构且两端固接在框架上。

所述的柔顺双稳态机构的稳定平衡位置及临界力的大小可通过改变柔顺双稳态机构的结构参数来实现。

所述的刚性连接杆2为U型框架结构或多边型框架结构，结构应保证与第一柔顺梁4和第二柔顺梁5在所述的闭环结构中的连接方式不变。

实施例2

如图1、图4、图5所示，实施例2将两个相同的全柔顺双稳态结构平行连接在一起，两个结构呈平行连接以保证双稳态机构的平稳运动，避免梭1在运动过程中发生偏转，其特征是：至少包括梭1和框架3，连接在框架3两端的四个第一柔顺梁4，连接在梭1两端的四个第二柔顺梁5，四个第一柔顺梁4另一端分别连接刚性连接杆2，四个第二柔顺梁5另一端分别连接上述刚性连接杆2的另一端，梭1和框架3、四个第一柔顺梁4、四个第二柔顺梁5、四个刚性连接杆2构成以梭1和框架3为中心的左右对称闭环结构。

实施例2工作状态可由图5来说明。所述的柔顺双稳态机构以梭1和框架3为中心的左右对称闭环结构中的梭1有两个稳定平衡位置，它沿竖直方向的对称轴线运动，带动整个机构变形，第一个稳定平衡位置在经过一个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳定平衡位置，第二个稳定平衡位置是机构中存储的变形能的局部极小值点构成的稳定平衡位置。驱动此连接结构运动所需力的大小为驱动单个双稳态机构所需力的两倍。

所述的柔顺双稳态机构的结构布置形式保证了机构从第一个稳定平衡位置运动到第二个稳定平衡位置过程中，第一柔顺梁4始终处于受拉状态，第二柔顺梁5始终处于受压状态。

所述的第一柔顺梁4的长厚比大于第二柔顺梁5的长厚比，以保证受压的梁为短粗梁，受拉的梁为细长梁，这样可避免第二柔顺梁5（L2）受压发生屈曲而引发的失稳现象。

所述的框架3起支撑和固定作用，框架3是由梭1、四个第一柔顺梁4、四个第二柔顺梁5、四个刚性连接杆2构成的连接体。

所述的柔顺双稳态机构的主要结构参数有：第一柔顺梁4和第二柔顺梁5的长度分别为L1和L2、厚度分别为t1和t2、与水平方向（X轴）正向所成的夹角分别为θ1和θ2，第一柔顺梁4与框架3连接的端点和第二柔顺梁5与梭1连接的端点间的水平距离和竖直距离分别为Lm和Ln，整个结构厚度h（Z轴方向）。以上结构参数应满足：第一柔顺梁4的长度L1大于第二柔顺梁5的长度L2，即L1＞L2,；第一柔顺梁4的长厚比大于第二柔顺梁5的长厚比，即L1/t1＞L2/t2，保证受压的为短粗梁；第一柔顺梁4与水平方向（X轴）正向所成的夹角满足：-90°＜θ1＜90°；第二柔顺梁5与水平方向（X轴）正向所成的夹角满足：0＜θ2＜90°；第一柔顺梁4与框架3连接的端点和第二柔顺梁5与梭1连接的端点间的水平距离和竖直距离分别满足：Lm≥L2cosθ2和Ln≥0；整个结构的厚度应h＞0，且机构输入端产生的反力大小与厚度h大小成正比例关系。

例如，选取尺寸:（1）L1=32mm、L2=17mm、t1=0.7mm、t2=0.9mm、θ1=-10°、θ2=16°、Lm=28mm、Ln=10mm、h=6mm，或（2）L1=30mm、 L2=18mm、t1=0.9mm、t2=0.9mm、θ1=-13°、θ2=16°、Lm=28mm、Ln=10mm、h=6mm，均可获得双稳态特性。

所述的柔顺双稳态机构是直线型柔顺双稳态机构且两端固接在框架上。

所述的柔顺双稳态机构的稳定平衡位置及临界力的大小可通过改变柔顺双稳态机构的结构参数来实现。

所述的刚性连接杆2为U型框架结构或多边型框架结构，结构应保证与第一柔顺梁4和第二柔顺梁5在所述的闭环结构中的连接方式不变。

本发明中，只有图1 中给出了标号，其他图虽未给出标号，但是可以对照图1 清楚说明其他图所表达的意思。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

技术特征：

1.一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：至少包括梭（1）和框架（3），连接在框架（3）两端的两个第一柔顺梁（4），连接在梭（1）两端的两个第二柔顺梁（5），两个第一柔顺梁（4）另一端分别连接刚性连接杆（2），两个第二柔顺梁（5）另一端分别连接上述刚性连接杆（2）的另一端，梭（1）和框架（3）、两个第一柔顺梁（4）、两个第二柔顺梁（5）、两个刚性连接杆（2）构成以梭（1）和框架（3）为中心的左右对称闭环结构。

2.根据权利要求1所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的以梭（1）和框架（3）为中心的左右对称闭环结构中的梭（1）有两个稳定平衡位置，它沿竖直方向的对称轴线运动，带动整个机构变形，离开第一个稳定平衡位置在经过一个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳定平衡位置，第二个稳定平衡位置是机构中存储的变形能的局部极小值点构成的稳定平衡位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的柔顺双稳态机构从第一个稳定平衡位置运动到第二个稳定平衡位置过程中，第一柔顺梁（4）始终处于受拉状态，第二柔顺梁（5）始终处于受压状态。

4.根据权利要求1所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的第一柔顺梁（4）的长厚比大于第二柔顺梁（5）的长厚比。

5.根据权利要求1所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的框架（3）起支撑和固定作用，框架（3）为U型框架结构或由梭（1）、两个第一柔顺梁（4）、两个第二柔顺梁（5）、两个刚性连接杆（2）构成的连接体。

6.根据权利要求1所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的柔顺双稳态机构的主要结构参数有：第一柔顺梁（4）和第二柔顺梁（5）的长度分别为L1和L2、厚度分别为t1和t2、与水平方向正向所成的夹角分别为θ1和θ2，第一柔顺梁（4）和第二柔顺梁（5）末端间的水平距离和竖直距离分别为Lm和Ln，整个结构厚度h；以上结构参数应满足：第一柔顺梁（4）的长度L1大于第二柔顺梁（5）的长度L2，即L1＞L2,；第一柔顺梁（4）的长厚比大于第二柔顺梁（5）的长厚比，即L1/t1≥L2/t2，保证受压的为短粗梁；第一柔顺梁（4）与水平方向正向所成的夹角满足：-90°＜θ1＜90°；第二柔顺梁（5）与水平方向正向所成的夹角满足：0＜θ2＜90°；第一柔顺梁（4）与框架（3）连接的端点和第二柔顺梁（5）与梭（1）连接的端点间的水平距离和竖直距离分别满足：Lm≥L2cosθ2和Ln≥0；整个结构的厚度应h＞0，且机构在输入端产生的反力大小与厚度h大小成正比例关系。

7.根据权利要求1所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的柔顺双稳态机构是直线型双稳态机构且两端固接在框架上。

8.根据权利要求1所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的柔顺双稳态机构的稳定平衡位置及临界力的大小可通过改变双稳态机构的结构参数来实现。

9.根据权利要求1所述的一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：所述的刚性连接杆（2）为U型框架结构或多边型框架结构，结构应保证与第一柔顺梁（4）和第二柔顺梁（5）在所述的闭环结构中的连接方式不变。

技术总结

本发明涉及一种拉压组合式全柔顺双稳态机构，其特征是：整个机构呈左右对称布置，至少包括梭，第一柔顺梁的两端分别与刚性连接杆和框架固接，第二柔顺梁的两端分别固接在梭和刚性连接杆上，第一柔顺梁和第二柔顺梁的尺寸参数相对独立；梭只能是沿竖直方向的对称轴线运动，从而带动整个机构变形，在经过一个非稳定平衡位置后，机构中存储的变形能释放并输出力推动梭直至第二个稳定平衡位置，此位置是机构中存储的变形能的局部极小值点构成的稳定平衡位置。在机构从第一个稳定平衡位置运动到第二个稳定平衡位置过程中，第一柔顺梁始终处于受拉状态，而第二柔顺梁始终处于受压状态。它具有结构简单、设计容易、稳定性好、造价低廉，也便于微小型化、如用于微电子机械系统。

技术研发人员：

韩琪;金开放;陈贵敏

受保护的技术使用者：

西安电子科技大学

文档号码：

201710030265

技术研发日：

2017.01.17

技术公布日：

2017.05.31