柔性铰链及压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位

1、柔性铰链及柔性铰链机构超精密定位柔性铰链的概念一般描述为：在两部分刚体之间薄弱的柔顺机构，通常可以实现两端刚体之间相对微小的转动。但随着新型柔性铰链不断的出现，已经使柔性铰链不仅仅限于实现绕单一轴线转动。柔性铰链的类型圆弧型柔性铰链板梁型柔性铰链球副型柔性铰链 柔性铰链的特点运动范围极其微小简化结构、免于装配，易于实现小型化无间隙和摩擦，提高重复定位精度易于驱动器集成，高运动灵敏度、高运动分辨率可靠性高,，使用寿命长免于润滑，避免污染柔性铰链与压电致动结合的应用超精密定位工作台超精密机械加工打印头光学自动聚焦压电马达主动式径向空气轴承微夹持器柔性铰链机构超精密定位压电元件作为驱动装置柔性铰链机

2、构作为传动装置压电效应压电效应源于压电晶体，当此类电介质晶体外加机械载荷时，晶体内部的正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两端出现符号相反的束缚电荷。反之，如将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，由于电场的作用而引起电介质晶体内部正负电荷中心产生相对位移，致使压电晶体发生形变，晶体的这种现象称为逆压电效应。压电元件在工程技术中应用较普遍的是由压电陶瓷材料制作而成。通常选用压电常数较大的层叠式压电元件获取微变形,它的线性比较优良,且具有体积小、刚度大、形变相对较大、位移分辨率高和响应迅速的特点。柔性铰链由柔性铰链构成的柔性铰链机构结构紧凑、传动关系明确、无传动空程,并且无摩擦，最适合与压

3、电元件组成微小型结构简洁、频响高的超高精度定位工作台。同时柔性铰链机构还可放大压电致动器的位移，并提供适当的预紧，避免压电致动器承受拉应力。柔性铰链在超精密定位中较多采用的是圆弧型柔性铰链，如图1所示，它运动精度较高，但转动幅度小。超精密测量1978 年美国国家标准局开发了用于光掩模线宽测量的微定位工作台。微定位工作台工作原理工作台可在50lm的工作范围内，以1nm或更高的分辨率将物体线性定位。超精密机械加工在精密连接工艺如激光焊接中，需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的精密工作台。超精密机械加工运动范围为200lm，垂直刚度为6.0N/lm, 频响为364Hz。光学自动聚焦采用压电

4、驱动、柔性铰链机构传动的自动聚焦系统的重复精度达到0.35lm，能对放大倍率为100的物镜聚焦。而用传统的步进马达驱动，滚珠丝杠传动来定位，精度仅为1lm左右，物镜的放大倍率也被限制在40 左右。单驱动多自由度运动机构的原理蠕动式运动的原理图中底板为导磁材料，在多自由度运动机构的固定端 O 以及运动块A、B 和C 上分别安装电磁夹紧机构。蠕动式运动的原理蠕动式运动的原理1、固定端O的电磁夹紧机构吸附(通电)，运动块A 上的电磁夹紧机构松脱(不通电)。2、压电元件 P 加压伸长。3、运动块A上的电磁夹紧机构吸附，固定端O 的电磁夹紧机构松脱。4、压电元件 P 减压收缩。柔性铰链传动机构的对称设计为了确保运动块A无偏转地沿X方向运动和运动块B无偏转地沿Y方向运动，就必须对它们进行导向。平面微小型工作台结论压电元件具有体积小、刚度大、位移分辨率高和响应迅速的特点。由柔性铰链构成的柔性铰链机构结构紧凑、传动关系明确、 无传动空程,并且无摩擦。压电元件和柔性铰链机构结合在超精密测量、超精密加工和光学自动聚焦等超精密定位领域得到应用。结论单驱动多自由度运动机构使超精密定位工作台的结构紧凑蠕动式的运动原理实现多自由度运动和大行程运动单驱动多自由度运动机构的柔性铰链机构采用对称设计以实现运动导向功能用铍青铜