一種夾爪平行移動(dòng)的壓電致動(dòng)微夾鉗的研究.pdf

1、微裝配和微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro Mechanical Systems，MEMS)是兩個(gè)明顯不同但又密切相關(guān)的研究領(lǐng)域。微裝配與微操作是指對微小器件(亞毫米或微米級)的裝配和操作。通過微裝配和微操作技術(shù)可以突破MEMS技術(shù)和工藝的一些限制，制造出由多種不同性能的材料組成的、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的MEMS器件。微夾鉗作為微裝配與微操作系統(tǒng)中的末端執(zhí)行器，在微裝配和微操作過程中直接與被操作對象相接觸，對微裝配與微操作任務(wù)的完成起著決定性

2、作用。隨著微夾鉗的不斷微型化，微夾鉗將成為不同領(lǐng)域的(包括微光學(xué)、微電子學(xué)、微機(jī)械、微流體和生命科學(xué)等領(lǐng)域)微器件裝配與操作過程中不可缺少的工具。特別是需要多種材料、多種工藝制造的混合MEMS器件對微夾持工具不斷提出新的要求和挑戰(zhàn)。因此，研究開發(fā)具有較大輸出位移、較大輸出力、且易于加工制作的微夾鉗具有重要的意義。
　　 本文開發(fā)了一種夾爪平行移動(dòng)的、集成了力和位移傳感器的壓電致動(dòng)微夾鉗，并分別用偽剛體模型法和有限元法對微夾鉗的柔

3、順機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析模擬。建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對微夾鉗的位移和力特性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，該微夾鉗兩夾爪為平行移動(dòng)，單邊夾爪的輸出位移達(dá)150μm，且具有較大的輸出力。通過集成應(yīng)變式力和位移傳感器實(shí)現(xiàn)了微夾鉗夾持力和夾爪位移的測量。
　　 本文的主要研究工作和成果包括：
　　 1.在研究了微夾鉗中的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于雙邊直圓柔性鉸鏈和單邊直圓柔性鉸鏈的微夾鉗的單片柔順位移放大機(jī)構(gòu)，利用平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾爪的平

4、行移動(dòng)，解決了夾爪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微夾鉗在夾持物體時(shí)被夾持物容易脫落的問題。
　　 2.基于偽剛體模型法，對單片柔順機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析，建立了微夾鉗的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和輸入力、輸出力、輸入位移、輸出位移之間的關(guān)系模型，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程建立了柔順機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。理論分析為夾爪平行移動(dòng)的單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制提供了理論基礎(chǔ)。
　　 3.采用ANSYS軟件對柔順機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元線性結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，

5、并對有限元模擬分析結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明理論模型的預(yù)測結(jié)果與有限元模擬結(jié)果一致，而且夾爪為平行移動(dòng)；在材料屈服強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)單邊輸出位移可達(dá)到500μm；一階模態(tài)固有頻率為343.52Hz，固有頻率遠(yuǎn)大于微夾鉗的工作頻率。
　　 4.在理論分析和有限元分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于壓電致動(dòng)的微夾鉗的原型，并對微夾鉗進(jìn)行了特性測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明理論分析和有

6、限元分析能夠較好的模擬柔順機(jī)構(gòu)微夾鉗的性能。微夾鉗的輸出位移與輸入位移呈線性關(guān)系，單邊夾爪位移放大倍數(shù)為16.7，單邊夾爪的最大輸出位移可達(dá)150μm。
　　 5.在微夾鉗中集成了應(yīng)變式力和位置傳感器，通過在微夾鉗不同位置粘貼半導(dǎo)體應(yīng)變片分別實(shí)現(xiàn)夾持力和夾爪位移的測量，使得夾持力的測量不受壓電疊堆執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力的影響，從而避免了復(fù)雜的信號處理。在經(jīng)過合適的標(biāo)定后，實(shí)現(xiàn)了微夾鉗夾持力和夾爪位移的測量。
　　 6.應(yīng)用懸臂梁的