壓電致動(dòng)器具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、分辨率高、剛度大和能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，是精 密定位的理想驅(qū)動(dòng)元件。但壓電 致動(dòng)器一般只有幾至幾十微米 的位移，而在許多工程應(yīng)用中需 要更大的運(yùn)動(dòng)范圍。柔性鉸鏈具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無需潤滑、無回退空程、無摩擦、高精度等優(yōu)點(diǎn)。因此在絕大多數(shù)情況下，利用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)是傳遞和放大壓電致動(dòng)器位移最適宜的方法。同時(shí)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)還為壓電致動(dòng)器提供 適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，避免其承受拉應(yīng)力。以下是一些壓電元件驅(qū)動(dòng)、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的典型例子。

超精密定位工作臺(tái)

1978年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局開發(fā)了一個(gè)微定位工作臺(tái)并用于光掩模的線寬測量。為了能在光學(xué)和電子顯微鏡中使用，要求工作臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊并能在真空中工作。如圖10所示，工作臺(tái)采用了壓電元件驅(qū)動(dòng).柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大的方案。壓電元件在低 頻工作時(shí)的能量耗散為零，因此工作臺(tái)沒有內(nèi)部熱源。工作臺(tái)可在50gm的工作范圍內(nèi)，以1nm或更高的分辨率將物體線性定位。工作臺(tái)還被用于其它顯微物體，如生物細(xì)胞、空氣污染顆粒和石棉纖維等的尺寸精密測量。

掃描隧道顯微鏡(STM)測頭的運(yùn)動(dòng)范圍有限，因此有許多科研人員研制了壓電驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的2維超精密工作臺(tái)以擴(kuò)大STM的測量范圍。如美國國家標(biāo)準(zhǔn)局報(bào)道了一個(gè)有500pm ×500gm視場的掃描隧道顯微鏡口 。攜帶樣品的大范圍X—y工作臺(tái)的核心是鋁合金制作的單一柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)．每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向均由一個(gè)壓電塊驅(qū)動(dòng).柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的位移放大比約為18。工作臺(tái)與掃描范圍為8m×8pm的STM測頭協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)大現(xiàn)場測量，該儀器的分辨率約為1nm。利用3個(gè)壓電元件驅(qū)動(dòng)．柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的3自由度運(yùn)動(dòng)。韓國科學(xué)與技術(shù)高級(jí)研究所和密歌根技術(shù)大學(xué)聯(lián)合研制的XYO納米級(jí)超精密工作臺(tái)，由安裝于柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)內(nèi)的3個(gè)壓電致動(dòng)器控制其在X、y和Q方向的運(yùn)動(dòng)。柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)對(duì)壓電元件的變形具有放大作用。工作臺(tái)沿X軸的運(yùn)動(dòng)范圍為41.5m，沿y軸的運(yùn)動(dòng)范圍為47.8m，沿Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為1.565mrad。它被應(yīng)用于半導(dǎo)體的光刻。

利用蠕動(dòng)式原理可將單一壓電元件驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)上3個(gè)不同自由度的位移合成，并實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)。由此可使工作臺(tái)的尺寸微小化，適用于在狹小空間實(shí)現(xiàn)較大行程的操作和定位。

超精密機(jī)械加工

由壓電元件、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)和電容傳感器組成的微定位刀架用于超精密金剛石切削。刀架的行程為5um。微定位刀架自身的分辨率小于1nm，但由位移傳感器決定了其閉環(huán)系統(tǒng)的定位分辨率約為5nm。實(shí)驗(yàn)測得刀具切深控制的分辨率小于25nm。

在精密聯(lián)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)的微動(dòng)臺(tái)。因此設(shè)計(jì)了如圖11所示運(yùn)動(dòng)的微動(dòng)臺(tái),水平內(nèi)置式壓電塊推動(dòng)桿1和桿2，通過對(duì)稱的柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)將壓電塊位移轉(zhuǎn)化為臺(tái)面的垂直運(yùn)動(dòng)。該微動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為200um，垂直剛度為6.0N／um，頻響為364Hz。

打印頭

壓電驅(qū)動(dòng)，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的原理被用于沖 擊式點(diǎn)陣打印機(jī)的打印頭。柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)將壓電塊的位移放大30倍，驅(qū)動(dòng)打印針運(yùn)動(dòng)。同樣的7組打印針組成打印頭。一個(gè)字符可由7×6的點(diǎn)陣組成，由7針陣列的打印頭連續(xù)沖擊色帶進(jìn)行打印。

光學(xué)自動(dòng)聚焦

在自動(dòng)化生產(chǎn)中，顯微鏡結(jié)合圖像處理作為傳感器得到廣泛應(yīng)用。為了獲得高質(zhì)量的圖像而需要高精度的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)。采用壓電驅(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0.035m，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1um左右,物鏡的放大倍率也被限制在40左右。

壓電馬達(dá)

與流行的超聲行波壓電馬達(dá)不同，利用壓電驅(qū)動(dòng)，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)子和靜子問的夾緊和 步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以得到另一種形式的壓電馬達(dá)。 以同樣的運(yùn)動(dòng)原理，還可設(shè)計(jì)成直線馬達(dá)。飛利浦公司設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的直 線馬達(dá)的靜態(tài)定位誤差為30nm，驅(qū)動(dòng)力為3N． 最高速度為34mm／s。壓電直線馬達(dá)的柔性鉸 鏈機(jī)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，并在固定的平行導(dǎo)軌中運(yùn) 動(dòng)，獲得了5nm的位移分辨率、90N／um的速度、 200N的輸出力，以及6mm／s的運(yùn)動(dòng)速度。 利用了柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)放大壓電元件的位移還 制成了徑向諧波馬達(dá)。

壓電馬達(dá)與常規(guī)馬達(dá)相比，在低速情況下可獲得高定位精度，并能承受一定的力矩或力，掉電時(shí) 可通過較高的摩擦力將轉(zhuǎn)子固定，因此適用于直接 驅(qū)動(dòng)。但壓電馬達(dá)的能量轉(zhuǎn)換效率較低，壽命有限，價(jià)格高，功率不大。

主動(dòng)式徑向空氣軸承

空氣軸承具有高精度和低摩擦力而在精密工程領(lǐng)域被廣泛采用，然而由于低的剛度和阻尼使其容 易振動(dòng)，軸和軸承的形狀誤 差也會(huì)使轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)精度 降低。如圖12所示,利用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)配以壓電驅(qū)動(dòng) 閬整空氣墊位置的主動(dòng)式 徑向空氣軸承可精密控制 軸的徑向位移。實(shí)驗(yàn)表明，主動(dòng)式徑向空氣軸承具有近乎無限的靜態(tài)剛度，并 提高了阻尼值，在750r／min的轉(zhuǎn)速下，軸的運(yùn)動(dòng) 精度優(yōu)于21nm。

微夾持器

在微型儀器的裝配、生物細(xì)胞的操作和傲細(xì)外科手術(shù)等領(lǐng)域需要使用微型夾持器。如圖13所示，微夾持器通過柔性鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)將壓電驅(qū)動(dòng)器的 位移放大70倍，使其2個(gè)手指合攏以抓取微小物體。

Arai等心研制的微夾 持器運(yùn)用了2個(gè)壓電塊分別實(shí)現(xiàn)粗定位和精密定位。粗定位的壓電塊通過2級(jí)柔性鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)放大得到最大位移為212.8m，精密定位的壓電塊通過一級(jí)柔性鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)放大得到最大位移為849m。

結(jié)論

柔性鉸鏈具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無需潤滑、 無回退空程、無摩擦、高精度等優(yōu)點(diǎn)。它在精密機(jī) 械 精密測量、微米技術(shù)和納米技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。列舉了柔性鉸鏈在支撐結(jié)構(gòu)、聯(lián)接結(jié)構(gòu)、調(diào)整機(jī) 構(gòu)和測量儀器中的典型應(yīng)用。利用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳 遞和放大壓電致動(dòng)器位移是實(shí)現(xiàn)超精密位移和定位的重要方法，對(duì)其典型例子作了介紹。有助于全面了解和使用柔性鉸鏈及其機(jī)構(gòu)。