弹性铰链研究

　　1　引　言

　　近年来,随着对超精密加工机械和测量器械的导向精度要求越来越高[1_3],特别是精密微位移工作台、半导体制造装置等领域应用的精密运动机构对构件间的连接形式提出更高的要求。弹性铰链以其体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏性高等优点广泛地应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴、形波导管天线等仪器仪表中,并获得了前所未有的高精度和稳定性[4]。弹性铰链在这些超微定位机构中广泛应用,从而开创了进入超微定位机构和纳米级的新时代。

　　弹性铰链是一种带圆弧切口的一体化结构的新型铰链,如图1所示,可以用于绕轴作复杂运动的有限角位移,并且其弹性变形是可逆的。

　　2　弹性铰链的类型

　　弹性铰链有单轴和双轴两种类型,单轴弹性铰链较双轴弹性铰链应用更为广泛。单轴弹性铰链按截面形状又可分为圆形和矩形两种,由于矩形截面的单轴弹性铰链加工简单,因而最为常用。矩形截面的单轴弹性铰链有单轴双圆弧和单轴单圆弧两种型式[5],分别如图2中a, b所示。弹性铰链按其切口形状还可以划分为圆弧形、椭圆形、矩形、双曲线形等多种形式。

　　3　弹性铰链的性能

　　弹性铰链虽然具有摩擦小、精度高等优点,但另一方面其刚度较低,如果为了弥补这方面缺陷,而将切口部分加厚,则又会因为弹性变形而造成很大的能量损失,使其性能不能充分的发挥;当利用其作微位移放大机构的时候还要考虑其拉伸刚度的影响,因为弹性铰链的拉伸会抵消部分初始发生器的位移,而使放大倍数明显降低。所以,通过研究弹性铰链的各个参数,对弹性铰链的性能进行分析非常重要。

　　3.1　单轴弹性铰链切口形状的研究

　　弹性铰链切口形状最初即为圆弧形状,现在也依然用的最为广泛,早在1965年,美国学者Paros便对此形状的弹性铰链作了分析研究,并得出了其设计公式[6]。后来,有人又开始研究其它切口形状如矩形、椭圆、角部修形的矩形、多次曲线等形状的弹性铰链性能[7_8]。根据弹性铰链的切口形状的不同,在力学性能上也存在着差异,故要根据不同的场合来选择不同形状的弹性铰链。有人亦在研究一种使弹性铰链的力学性能最好的切口形状,即对弹性铰链形状进行最优化设计[8_10]。

　　3.1.1　弹性铰链的拉伸刚度和转角刚度[6]

　　1)拉伸刚度

　　当在X轴向施加拉力Fx时,铰链伸长量为:

　　2)转角刚度

　　当在Z轴回转方向施加弯矩Mx时,铰链转角为

　　式中:f(x)为弹性铰链形状的表达函数,E为材料弹性模量。