柔性铰链及其应用分类

柔性铰链是在发生微小形变时，依靠本身弹性体的特性来传输运动或力的运动副，可以输出高精度的形变量，具有无摩擦、无间隙、运动灵敏、导向精度高等诸多特点［120］，广泛应用在精密机械和仪器仪表等领域，例如精密驱动［121］、精密 定 位 平 台［122］、显 微 镜［123］、流 量 控 制［124］和 精 密 加 工［125］等。图1－23所示为采用柔性铰链放大机构的超磁致伸缩伺服阀。

柔性铰链的种类很多，也有多种分类方法，按照其截面形状的不同，主要分为直角柔性铰链（直板柔性铰链）、倒圆角柔性铰链、直圆柔性铰链、椭圆柔性铰链和抛物线柔性铰链等［53，126，127］，如图1－24所示。截面形状决定了柔性铰链的特性，相对于其他类型的柔性铰链，直角柔性铰链灵敏度高，加工简单，但同时存在明显的应力集中现象。

图1-23　采用柔性铰链放大机构的超磁致伸缩伺服阀

图1-24　截面形状不同的柔性铰链

（a）直角柔性铰链；（b）倒圆角柔性铰链；（c）直圆柔性铰链；（d）椭圆柔性铰链；（e）抛物线柔性铰链

多个柔性铰链联合起来，可形成多方向柔性铰链，按照传递运动的方向不同可分为单向、双向和万向等类型，如图1－25所示。

图1-25　传递方向不同的柔性铰链(www.xing528.com)

（a）单向柔性铰链；（b）双向柔性铰链；（c）万向柔性铰链

在柔性铰链基本结构的基础上，可改进形成多种形式的运动副，常见的几种柔性铰链运动副如图1－26所示，图1－26（a）所示为四杆直线移动副，由四个直圆柔性铰链构成。图1－26（b）所示为多个直角柔性铰链构成的直线移动副，这种柔性铰链移动副与图1－26（a）相比具有更好的轴线精度，很好地控制了垂直与轴线方向的附加位移。图1－26（c）、（d）所示为直角柔性铰链构成的两种转动副，图1－26（e）所示为圆形直角柔性铰链组成的万向联轴节。图1－26（f）所示为直角柔性铰链的变形结构构成的转动副，横截面为十字形，具有较小的转动刚度。

图1-26　常见的几种柔性铰链运动副

（a）四杆直线移动副；（b）直线移动副；（c）、（d）转动副；（e）万向联轴节；（f）变形结构转动副

以上几种柔性铰链运动副有着各自的特点，根据运动范围、轴线漂移、抗扰刚度、应力集中、紧凑性以及可加工性等六方面的性能指标对其进行对比，对比结果见表1－2。可根据应用场合、加工条件来选择具体的应用形式。

表1-2　几种柔性铰链运动副性能指标对比

很多学者对柔性铰链的力学性能进行了分析研究，邵萌等人设计的基于直角柔性铰链的微控平台能够实现大行程、纳米级分辨率和定位精度［128］；杨雪锋采用四个柔性铰链设计了单平行四杆导向机构，推导了导向位移和耦合位移的计算公式［129］；还有一些学者研究了常用结构形式的柔性铰链，对其基本特性进行了研究分析［130，131］，并通过 有限元 法［129］进行 了预测 分 析；有 些 研 究 利用积分法［132］或奇异函数法［133］得到了在目标方向上的等效刚度，Chio等利用刚度矩阵法对机构进行了动力学建模［134］，Lobontiu等推导了用柔度表示柔性铰链的弹性运动方程［135］；宗光华等利用弯曲变形理论建立了柔性铰链平行四杆机构屈曲临界力的数学模型［136］，Ma等通过双梁约束模型得到了非线性特性的解析表达式［137］。