柔性铰链与压电致动结合的应用

压电致动器具有运动平稳、分辨率高、刚度大和能量转换效率高等特点，是精 密定位的理想驱动元件。但压电 致动器一般只有几至几十微米 的位移，而在许多工程应用中需 要更大的运动范围。柔性铰链具有运动平稳、无需润滑、无回退空程、无摩擦、高精度等优点。因此在绝大多数情况下，利用柔性铰链机构是传递和放大压电致动器位移最适宜的方法。同时柔性铰链机构还为压电致动器提供 适当的预紧，避免其承受拉应力。以下是一些压电元件驱动、柔性铰链机构传动的典型例子。

超精密定位工作台

1978年美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量。为了能在光学和电子显微镜中使用，要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。如图10所示，工作台采用了压电元件驱动.柔性铰链机构进行位移放大的方案。压电元件在低 频工作时的能量耗散为零，因此工作台没有内部热源。工作台可在50gm的工作范围内，以1nm或更高的分辨率将物体线性定位。工作台还被用于其它显微物体，如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。

扫描隧道显微镜(STM)测头的运动范围有限，因此有许多科研人员研制了压电驱动柔性铰链机构传动的2维超精密工作台以扩大STM的测量范围。如美国国家标准局报道了一个有500pm ×500gm视场的扫描隧道显微镜口 。携带样品的大范围X—y工作台的核心是铝合金制作的单一柔性铰链机构．每个运动方向均由一个压电块驱动.柔性铰链机构的位移放大比约为18。工作台与扫描范围为8m×8pm的STM测头协同工作实现大现场测量，该仪器的分辨率约为1nm。利用3个压电元件驱动．柔性铰链机构传动可实现平面内的3自由度运动。韩国科学与技术高级研究所和密歌根技术大学联合研制的XYO纳米级超精密工作台，由安装于柔性铰链机构内的3个压电致动器控制其在X、y和Q方向的运动。柔性铰链机构对压电元件的变形具有放大作用。工作台沿X轴的运动范围为41.5m，沿y轴的运动范围为47.8m，沿Z轴的转动范围为1.565mrad。它被应用于半导体的光刻。

利用蠕动式原理可将单一压电元件驱动的柔性铰链机构上3个不同自由度的位移合成，并实现大行程运动。由此可使工作台的尺寸微小化，适用于在狭小空间实现较大行程的操作和定位。

超精密机械加工

由压电元件、柔性铰链机构和电容传感器组成的微定位刀架用于超精密金刚石切削。刀架的行程为5um。微定位刀架自身的分辨率小于1nm，但由位移传感器决定了其闭环系统的定位分辨率约为5nm。实验测得刀具切深控制的分辨率小于25nm。

在精密联接工艺，如激光焊接中，需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的微动台。因此设计了如图11所示运动的微动台,水平内置式压电块推动杆1和杆2，通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。该微动台的运动范围为200um，垂直刚度为6.0N／um，频响为364Hz。

打印头

压电驱动，柔性铰链机构传动的原理被用于冲 击式点阵打印机的打印头。柔性铰链机构将压电块的位移放大30倍，驱动打印针运动。同样的7组打印针组成打印头。一个字符可由7×6的点阵组成，由7针阵列的打印头连续冲击色带进行打印。

光学自动聚焦

在自动化生产中，显微镜结合图像处理作为传感器得到广泛应用。为了获得高质量的图像而需要高精度的自动聚焦系统。采用压电驱动，柔性铰链机构传动的自动聚焦系统的重复精度达到0.035m，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1um左右,物镜的放大倍率也被限制在40左右。

压电马达

与流行的超声行波压电马达不同，利用压电驱动，柔性铰链机构传动实现动子和静子问的夹紧和 步进转动，可以得到另一种形式的压电马达。 以同样的运动原理，还可设计成直线马达。飞利浦公司设计的压电驱动，柔性铰链机构传动的直 线马达的静态定位误差为30nm，驱动力为3N． 最高速度为34mm／s。压电直线马达的柔性铰 链机构采用一体化设计，并在固定的平行导轨中运 动，获得了5nm的位移分辨率、90N／um的速度、 200N的输出力，以及6mm／s的运动速度。 利用了柔性铰链机构放大压电元件的位移还 制成了径向谐波马达。

压电马达与常规马达相比，在低速情况下可获得高定位精度，并能承受一定的力矩或力，掉电时 可通过较高的摩擦力将转子固定，因此适用于直接 驱动。但压电马达的能量转换效率较低，寿命有限，价格高，功率不大。

主动式径向空气轴承

空气轴承具有高精度和低摩擦力而在精密工程领域被广泛采用，然而由于低的刚度和阻尼使其容 易振动，轴和轴承的形状误 差也会使转轴的运动精度 降低。如图12所示,利用柔性铰链机构配以压电驱动 阆整空气垫位置的主动式 径向空气轴承可精密控制 轴的径向位移。实验表明，主动式径向空气轴承具有近乎无限的静态刚度，并 提高了阻尼值，在750r／min的转速下，轴的运动 精度优于21nm。

微夹持器

在微型仪器的装配、生物细胞的操作和傲细外科手术等领域需要使用微型夹持器。如图13所示，微夹持器通过柔性铰链杠杆机构将压电驱动器的 位移放大70倍，使其2个手指合拢以抓取微小物体。

Arai等心研制的微夹 持器运用了2个压电块分别实现粗定位和精密定位。粗定位的压电块通过2级柔性铰链杠杆机构放大得到最大位移为212.8m，精密定位的压电块通过一级柔性铰链杠杆机构放大得到最大位移为849m。

结论

柔性铰链具有结构简单、运动平稳、无需润滑、 无回退空程、无摩擦、高精度等优点。它在精密机 械 精密测量、微米技术和纳米技术等领域应用广泛。列举了柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机 构和测量仪器中的典型应用。利用柔性铰链机构传 递和放大压电致动器位移是实现超精密位移和定位的重要方法，对其典型例子作了介绍。有助于全面了解和使用柔性铰链及其机构。