柔性铰链的应用

　　柔性铰链的中部较为薄弱,在力矩作用下可以产生较明显的弹性角变形,能在机械结构中起到铰链的作用。它与一般铰链的区别是没有机械结构上的间隙,并且有弹性回复力,因而消除了运动中的摩擦和回退空程。柔性铰链主要有两种类型,直梁型柔性铰链和圆弧型柔性铰链,见图1。直梁型柔性铰链有较大的转动范围,但其运动精度较差,转动中心在转动过程中有明显的偏转[1]。圆弧型柔性铰链的运动精　　度较高,但运动行程受到很大的限制,只能实现微小幅度的转动[2]。

　　为了兼顾运动精度和运动范围,有学者提出了椭圆型柔性铰链和圆角型柔性铰链,并给出了相应的计算公式[3]。以上的柔性铰链都　　只对一个转动轴敏感,是单轴柔性铰链。也可以设计双轴柔性铰链,它在2个转动轴上的刚度都很低,但径向刚度很差,不能承受较大的　　径向力[2]。由于圆弧型柔性铰链具有结构紧凑、运动精度高的特点,在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用。　　用线切割的方法取代钻孔来加工圆弧型柔性铰链和柔性铰链机构,使其设计和制造更加简便和准确。

　　1　柔性铰链用于支撑、联接、调整和测量

　　1.1　柔性铰链轴承

　　柔性铰链轴承在现代机器中出现得越来越多[4]。图2是典型的柔性铰链轴承。它可以将轴瓦设计为一体,简化了装配过程并降低了加工的尺寸公差要求。与固定形状的轴承相比,柔性铰链轴承可降低液体滑动摩擦轴承的半速涡动,防止颤振。

　　1.2　柔性铰链联接件

　　图3是由柔性铰链组成的柔性联接器[5]。它只传递垂直于纸面方向的推力,在水平方向和垂直方向移动的刚度很低

　　利用柔性铰链还可设计具有2个转动自由度的弹性万向节,有结构紧凑、传动精密的特点[6]。柔性铰链可以使V型槽的表面能自我调节,避免球与V型槽表面在作用力变化时产生相对运动,见图4[7]。将其运用于由3个球和3个V型槽组成的结合器中,力和位移之间的迟滞现象减少了95%。

　1.3　柔性铰链调整结构

　　图5是基于柔性铰链的光学元件座子[8]。在平台的任一边加上调整螺钉,可使水平表面精密地偏转。它成本低,在小的运动范围内具有　　很高的分辨率。

　　还可设计2个转动自由度的柔性铰链调整机构用于透镜装配[8]。如将来的光盘有更大的存储密度和更高的读取速度,光盘的转速也应随之提高,则要求DVD/CD拾音头的驱动有更大的加速度和更好的线性度。利用柔性铰链机构可以很好地解决这些问题[9]。　　德克萨斯大学设计的光刻对准台中运用了柔性铰链四连杆作为调整机构,见图6[10]。在距离中心10 mm处施加一个4 N的力可使安装模板的平台相对感光基底偏转0.5 mrad。有限元分析表明,当倾斜角为0.38 mrad时,模板的侧向运动小于5 nm。