柔性铰链及压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位

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。
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。
Thank you！
Hale Waihona Puke 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。
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。
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 QBe2制作柔性铰链机构，选用铁 镍合金1J50制作电磁夹紧机构和底板 平面工作台的总体尺寸为20 mm x20 mm x 12 mm。
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。
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。
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