柔性鉸鏈及壓電驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)超精密定位

1、柔性鉸鏈及柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)超精密定位柔性鉸鏈的概念一般描述為：在兩部分剛體之間薄弱的柔順機(jī)構(gòu)，通常可以實(shí)現(xiàn)兩端剛體之間相對(duì)微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。但隨著新型柔性鉸鏈不斷的出現(xiàn)，已經(jīng)使柔性鉸鏈不僅僅限于實(shí)現(xiàn)繞單一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。柔性鉸鏈的類型圓弧型柔性鉸鏈板梁型柔性鉸鏈球副型柔性鉸鏈 柔性鉸鏈的特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍極其微小簡化結(jié)構(gòu)、免于裝配，易于實(shí)現(xiàn)小型化無間隙和摩擦，提高重復(fù)定位精度易于驅(qū)動(dòng)器集成，高運(yùn)動(dòng)靈敏度、高運(yùn)動(dòng)分辨率可靠性高,，使用壽命長免于潤滑，避免污染柔性鉸鏈與壓電致動(dòng)結(jié)合的應(yīng)用超精密定位工作臺(tái)超精密機(jī)械加工打印頭光學(xué)自動(dòng)聚焦壓電馬達(dá)主動(dòng)式徑向空氣軸承微夾持器柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)超精密定位壓電元件作為驅(qū)動(dòng)裝置柔性鉸鏈機(jī)

2、構(gòu)作為傳動(dòng)裝置壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)源于壓電晶體，當(dāng)此類電介質(zhì)晶體外加機(jī)械載荷時(shí)，晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體兩端出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。反之，如將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體置于電場中，由于電場的作用而引起電介質(zhì)晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移，致使壓電晶體發(fā)生形變，晶體的這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電元件在工程技術(shù)中應(yīng)用較普遍的是由壓電陶瓷材料制作而成。通常選用壓電常數(shù)較大的層疊式壓電元件獲取微變形,它的線性比較優(yōu)良,且具有體積小、剛度大、形變相對(duì)較大、位移分辨率高和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。柔性鉸鏈由柔性鉸鏈構(gòu)成的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)關(guān)系明確、無傳動(dòng)空程,并且無摩擦，最適合與壓

3、電元件組成微小型結(jié)構(gòu)簡潔、頻響高的超高精度定位工作臺(tái)。同時(shí)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)還可放大壓電致動(dòng)器的位移，并提供適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，避免壓電致動(dòng)器承受拉應(yīng)力。柔性鉸鏈在超精密定位中較多采用的是圓弧型柔性鉸鏈，如圖1所示，它運(yùn)動(dòng)精度較高，但轉(zhuǎn)動(dòng)幅度小。超精密測量1978 年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局開發(fā)了用于光掩模線寬測量的微定位工作臺(tái)。微定位工作臺(tái)工作原理工作臺(tái)可在50lm的工作范圍內(nèi)，以1nm或更高的分辨率將物體線性定位。超精密機(jī)械加工在精密連接工藝如激光焊接中，需要較大運(yùn)動(dòng)范圍、結(jié)構(gòu)緊湊、高剛度、垂直運(yùn)動(dòng)的精密工作臺(tái)。超精密機(jī)械加工運(yùn)動(dòng)范圍為200lm，垂直剛度為6.0N/lm, 頻響為364Hz。光學(xué)自動(dòng)聚焦采用壓電

4、驅(qū)動(dòng)、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的重復(fù)精度達(dá)到0.35lm，能對(duì)放大倍率為100的物鏡聚焦。而用傳統(tǒng)的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)來定位，精度僅為1lm左右，物鏡的放大倍率也被限制在40 左右。單驅(qū)動(dòng)多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的原理圖中底板為導(dǎo)磁材料，在多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定端 O 以及運(yùn)動(dòng)塊A、B 和C 上分別安裝電磁夾緊機(jī)構(gòu)。蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的原理蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的原理1、固定端O的電磁夾緊機(jī)構(gòu)吸附(通電)，運(yùn)動(dòng)塊A 上的電磁夾緊機(jī)構(gòu)松脫(不通電)。2、壓電元件 P 加壓伸長。3、運(yùn)動(dòng)塊A上的電磁夾緊機(jī)構(gòu)吸附，固定端O 的電磁夾緊機(jī)構(gòu)松脫。4、壓電元件 P 減壓收縮。柔性鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)稱設(shè)計(jì)為了確保運(yùn)動(dòng)塊A無偏轉(zhuǎn)地沿X方向運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)塊B無偏轉(zhuǎn)地沿Y方向運(yùn)動(dòng)，就必須對(duì)它們進(jìn)行導(dǎo)向。平面微小型工作臺(tái)結(jié)論壓電元件具有體積小、剛度大、位移分辨率高和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。由柔性鉸鏈構(gòu)成的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)關(guān)系明確、 無傳動(dòng)空程,并且無摩擦。壓電元件和柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)合在超精密測量、超精密加工和光學(xué)自動(dòng)聚焦等超精密定位領(lǐng)域得到應(yīng)用。結(jié)論單驅(qū)動(dòng)多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使超精密定位工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)緊湊蠕動(dòng)式的運(yùn)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)和大行程運(yùn)動(dòng)單驅(qū)動(dòng)多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向功能用鈹青銅