基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設計【文獻綜述】 (2)

1、<p><b>　　文獻綜述</b></p><p>　　基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設計</p><p>　　微執(zhí)行機構的典型之一是微夾鉗，它在微機械零件加工、微機械裝配和生物工程等方面都有較好的應用前景，近來發(fā)展十分迅速。微夾鉗是一種行程小(一般小于毫米級)、精度高(亞微米、納米級) 和分辨率高的微位移夾持機構，它是精密機械和精密儀器的常用裝配工具之

2、一?？梢哉f，微夾鉗是微機電系統(tǒng)領域中的一個關鍵器件，在微操作、微裝配中起著舉足輕重的作用。微夾鉗的本質(zhì)就是一個微執(zhí)行器,它能夠?qū)⑵渌哪芰哭D換成機械能,產(chǎn)生需要的夾持動作和夾持力。</p><p>　　微夾鉗是MEMS（微電子機械系統(tǒng)）中實現(xiàn)微零件裝配、生物醫(yī)學工程中實現(xiàn)細胞微操作的關鍵微執(zhí)行器之一。在MEMS領域，微夾鉗同微動平臺相結合，可對微齒輪、微軸等微零件以及微馬達、微泵等微部件進行拾取、搬運，進而裝配成

3、微部件、微系統(tǒng)；在生物醫(yī)學工程領域，微夾鉗可用來捕捉和釋放細胞，并且它同微沖擊探針相結合，還可實現(xiàn)向細胞內(nèi)注入或從細胞中拾取某一成分等微操作過程。目前，MEMS的設計與制造技術、生物醫(yī)學工程中的分析技術已很成熟，但其微裝配技術、微操作技術卻明顯滯后。這一方面，是由于研制、開發(fā)出具有高性能、可實現(xiàn)微裝配與微操作的器件確實較難；另一方面，是由于實現(xiàn)微裝配與微操作的器件價格較高，致使微裝配與微操作的成本也很高，如MEMS中微裝配的成本占MEM

4、S產(chǎn)品的60% ~80%。因此，研制、開發(fā)高性能、低成本的微裝配與微操作器件，如微夾鉗，已成為當前一個非常重要而緊迫的課題。</p><p>　　目前，微夾鉗按驅(qū)動方式可分為：氣壓式、電磁式、電熱式、靜電式和壓電式。相對于氣壓式、電磁式、電熱式、靜電式微夾鉗，壓電式微夾鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無噪聲等優(yōu)點，從而獲得了廣泛的應用。</p><p>　　目前國內(nèi)外對微夾

5、鉗的研究，從結構上分有柔性鉸鏈式和單雙晶片式。</p><p><b>　　關于柔性鉸鏈的有：</b></p><p>　　榮偉彬、謝暉、孫立寧、莊攀峰在《面向MEMS微裝配的夾持器的設計和實驗研究》中介紹了一種由壓電陶瓷驅(qū)動的用于MEMS微裝配的微夾持器的設計，計算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度。并用ANSYS仿真驗證了數(shù)學計算的準確性。采用了基于視覺的標定方法，標定

6、了微夾持器剛度、張合量、夾持力以及夾持力和張合量的關系。該微夾持器張合量達280 µ m，夾持力達0.1 N，可精確操作200～2000 µ m的微齒輪，實現(xiàn)了微行星齒輪減速器的裝配[2]。</p><p>　　陳海初，王振華，李滿天，孫立寧在《兩級位移放大微夾持器的研究》中介紹了一種利用堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動的具有兩級位移放大的微夾持器。其采用有限元軟件對其進行了張合量、微夾持力的分析，并與實驗

7、研究結合。該微夾鉗具有約300 µ m的微位移張合量[3]。</p><p>　　于杰 付建軍在《基于微系統(tǒng)技術的一種新型夾具》中介紹了一種新型的基于微系統(tǒng)技術的微型夾爪。這種夾爪用硅或玻璃為原材料。其最大的特點是結合了傳感器性能。該微夾鉗通過在夾緊面上生成感應層(如抗壓電層)，使得夾緊力可以轉換為一種電信號，從而調(diào)整對物體的抓取過程[5]。</p><p><b>　

8、　關于單雙晶片的有：</b></p><p>　　陳海，孟中巖，曹長江，張琛在《梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設計和操作原理》中介紹了一種利用梯度功能壓電執(zhí)行囂設計和制作的雙懸臂粱結構的微夾鉗。該微夾鉗整體尺寸為15 mm×2 mm×2 mm，質(zhì)量為120 mg。建立了梯度功能壓電陶瓷懸臂梁的雙層復合梁模型，從該模型和壓電本構方程出發(fā)，分析梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的操作原理。理論推導了該懸

9、臂梁的微位移特性，由微夾鉗的雙懸臂梁結構，得到微夾鉗的頂端張開量，實際測量了梯度功能壓電微夾鉗的頂端張開量，其實際值與理論推導值有較好的一致性[1]。</p><p>　　雷志剛、黃心漢在《機器人壓電陶瓷微操作手的設計》中介紹了一種采用壓電伸縮陶瓷微位移器的機器人微操作手。操作手手指由兩面各粘1 片壓電陶瓷晶片的金屬片構成壓電陶瓷梁。并通過理論和試驗研究，發(fā)現(xiàn)其實驗所得數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)非常接近[4]。</p&

10、gt;<p>　　尹燕麗、朱邦太、陳海龔、曹長江在《毫米級微型機器人操作手的研制和操作特性》中闡述了一種采用單晶片型壓電懸臂梁制作了一種雙懸臂梁結構的微型夾持器，用作毫米級微型機器人的微操作手。該微夾持器整體尺寸為15mm×2mm×2mm 重量為100mg。在50V電場下，該微操作手其最大張口距離可以達到4µ m，最大夾持力為25.7×10-3N[6]。</p><

11、;p>　　蔡建華，黃心漢，呂遐東，王敏在《一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗》中設計了一種雙懸臂梁結構的壓電雙晶片微夾鉗，該微夾鉗由兩個壓電雙晶片驅(qū)動。建立了壓電雙晶片的復合梁模型，并對它的微位移——電壓特性、夾持力——應變特性進行了數(shù)學分析。通過檢測懸臂梁根部的應變信號實現(xiàn)對微夾鉗夾持力的檢測[9]。</p><p>　　對壓電微夾鉗的分析計算方式上，存在有限元分析法分析和傳統(tǒng)經(jīng)驗公式分析。</p&g

12、t;<p>　　利用有限元分析的如榮偉彬、謝暉、孫立寧、莊攀峰在《面向MEMS微裝配的夾持器的設計和實驗研究》中介紹了一種由壓電陶瓷驅(qū)動的用于MEMS微裝配的微夾持器的設計，計算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度，并用ANSYS仿真驗證了數(shù)學計算的準確性。采用了基于視覺的標定方法，標定了微夾持器剛度、張合量、夾持力以及夾持力和張合量的關系。該微夾持器張合量達280µ m，夾持力達0.1N，可精確操作200～2000&#

13、181; m的微齒輪，實現(xiàn)了微行星齒輪減速器的裝配[2]。</p><p>　　利用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的如陳國良、黃心漢、王敏在《面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制》中建立了懸臂梁位移與外電場和外力之間的動靜態(tài)模型以及壓電陶瓷遲滯環(huán)Backlash算子模型。其將Backlash算子用于壓電陶瓷的遲滯環(huán)建模，并以遲滯環(huán)逆模型為前饋補償環(huán)節(jié)設計了壓電陶瓷微夾鉗的前饋加PID反饋的位移復合控制器，提高了控制精度[10]。&

14、lt;/p><p>　　綜上所述，柔性鉸鏈式壓電微夾鉗夾持力大，而雙晶片式壓電微夾鉗張合量大，但是目前這兩種微夾鉗都存在結構復雜、電極線引出不方便等不足。有限元方法的運用減少了設計周期，能模擬各種試驗方案，能節(jié)省成本且增加了其可靠性；而使用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進行分析的方法，設計過程中的計算較為復雜，且不能模擬較多的試驗方案。</p><p>　　在國內(nèi)外越來越重視壓電微夾鉗的情況下，未來研究的雙晶片

15、壓電微夾鉗將具有如下特點：（1）構件少，便于制造，便于裝配；（2）無需鉸鏈或軸承等運動副，運動和力的傳遞利用組成它的某些或全部構件的彈性變形來實現(xiàn)；（3）無摩擦、磨損及傳動間隙，不需潤滑，無效行程小，可實現(xiàn)高精度運動；（4）可存儲彈性能，自身具有回程反力。（5）節(jié)省傳感器,使系統(tǒng)結構緊湊,降低設計安裝難度。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>

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