基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計(jì)【文獻(xiàn)綜述】 (2)

1、<p><b>　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計(jì)</p><p>　　微執(zhí)行機(jī)構(gòu)的典型之一是微夾鉗，它在微機(jī)械零件加工、微機(jī)械裝配和生物工程等方面都有較好的應(yīng)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(jí))、精度高(亞微米、納米級(jí)) 和分辨率高的微位移夾持機(jī)構(gòu)，它是精密機(jī)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(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)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(gè)微執(zhí)行器,它能夠?qū)⑵渌哪芰哭D(zhuǎn)換成機(jī)械能,產(chǎn)生需要的夾持動(dòng)作和夾持力。</p><p>　　微夾鉗是MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）中實(shí)現(xiàn)微零件裝配、生物醫(yī)學(xué)工程中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞微操作的關(guān)鍵微執(zhí)行器之一。在MEMS領(lǐng)域，微夾鉗同微動(dòng)平臺(tái)相結(jié)合，可對(duì)微齒輪、微軸等微零件以及微馬達(dá)、微泵等微部件進(jìn)行拾取、搬運(yùn)，進(jìn)而裝配成

3、微部件、微系統(tǒng)；在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，微夾鉗可用來捕捉和釋放細(xì)胞，并且它同微沖擊探針相結(jié)合，還可實(shí)現(xiàn)向細(xì)胞內(nèi)注入或從細(xì)胞中拾取某一成分等微操作過程。目前，MEMS的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程中的分析技術(shù)已很成熟，但其微裝配技術(shù)、微操作技術(shù)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(shí)現(xiàn)微裝配與微操作的器件確實(shí)較難；另一方面，是由于實(shí)現(xiàn)微裝配與微操作的器件價(jià)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(dāng)前一個(gè)非常重要而緊迫的課題。</p><p>　　目前，微夾鉗按驅(qū)動(dòng)方式可分為：氣壓式、電磁式、電熱式、靜電式和壓電式。相對(duì)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(diǎn)，從而獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微夾

5、鉗的研究，從結(jié)構(gòu)上分有柔性鉸鏈?zhǔn)胶蛦坞p晶片式。</p><p><b>　　關(guān)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(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究》中介紹了一種由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的用于MEMS微裝配的微夾持器的設(shè)計(jì)，計(jì)算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度。并用ANSYS仿真驗(yàn)證了數(shù)學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性。采用了基于視覺的標(biāo)定方法，標(biāo)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(guān)系。該微夾持器張合量達(dá)280 µ m，夾持力達(dá)0.1 N，可精確操作200～2000 µ m的微齒輪，實(shí)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(jí)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(dòng)的具有兩級(jí)位移放大的微夾持器。其采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了張合量、微夾持力的分析，并與實(shí)驗(yàn)

7、研究結(jié)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(shù)的一種新型夾具》中介紹了一種新型的基于微系統(tǒng)技術(shù)的微型夾爪。這種夾爪用硅或玻璃為原材料。其最大的特點(diǎn)是結(jié)合了傳感器性能。該微夾鉗通過在夾緊面上生成感應(yīng)層(如抗壓電層)，使得夾緊力可以轉(zhuǎn)換為一種電信號(hào)，從而調(diào)整對(duì)物體的抓取過程[5]。</p><p><b>　

8、　關(guān)于單雙晶片的有：</b></p><p>　　陳海，孟中巖，曹長(zhǎng)江，張琛在《梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計(jì)和操作原理》中介紹了一種利用梯度功能壓電執(zhí)行囂設(shè)計(jì)和制作的雙懸臂粱結(jié)構(gòu)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(fù)合梁模型，從該模型和壓電本構(gòu)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(dǎo)了該懸

9、臂梁的微位移特性，由微夾鉗的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，得到微夾鉗的頂端張開量，實(shí)際測(cè)量了梯度功能壓電微夾鉗的頂端張開量，其實(shí)際值與理論推導(dǎo)值有較好的一致性[1]。</p><p>　　雷志剛、黃心漢在《機(jī)器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計(jì)》中介紹了一種采用壓電伸縮陶瓷微位移器的機(jī)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(gòu)成壓電陶瓷梁。并通過理論和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)江在《毫米級(jí)微型機(jī)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(jié)構(gòu)的微型夾持器，用作毫米級(jí)微型機(jī)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(chǎng)下，該微操作手其最大張口距離可以達(dá)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(cè)的壓電式微夾鉗》中設(shè)計(jì)了一種雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電雙晶片微夾鉗，該微夾鉗由兩個(gè)壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)。建立了壓電雙晶片的復(fù)合梁模型，并對(duì)它的微位移——電壓特性、夾持力——應(yīng)變特性進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。通過檢測(cè)懸臂梁根部的應(yīng)變信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)微夾鉗夾持力的檢測(cè)[9]。</p><p>　　對(duì)壓電微夾鉗的分析計(jì)算方式上，存在有限元分析法分析和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究》中介紹了一種由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的用于MEMS微裝配的微夾持器的設(shè)計(jì)，計(jì)算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度，并用ANSYS仿真驗(yàn)證了數(shù)學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性。采用了基于視覺的標(biāo)定方法，標(biāo)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(guān)系。該微夾持器張合量達(dá)280µ m，夾持力達(dá)0.1N，可精確操作200～2000&#

13、181; m的微齒輪，實(shí)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(yàn)公式的如陳國(guó)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(chǎng)和外力之間的動(dòng)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(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了壓電陶瓷微夾鉗的前饋加PID反饋的位移復(fù)合控制器，提高了控制精度[10]。&

14、lt;/p><p>　　綜上所述，柔性鉸鏈?zhǔn)綁弘娢A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(jié)構(gòu)復(fù)雜、電極線引出不方便等不足。有限元方法的運(yùn)用減少了設(shè)計(jì)周期，能模擬各種試驗(yàn)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(yàn)公式進(jìn)行分析的方法，設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算較為復(fù)雜，且不能模擬較多的試驗(yàn)方案。</p><p>　　在國(guó)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(diǎn)：（1）構(gòu)件少，便于制造，便于裝配；（2）無需鉸鏈或軸承等運(yùn)動(dòng)副，運(yùn)動(dòng)和力的傳遞利用組成它的某些或全部構(gòu)件的彈性變形來實(shí)現(xiàn)；（3）無摩擦、磨損及傳動(dòng)間隙，不需潤(rùn)滑，無效行程小，可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)；（4）可存儲(chǔ)彈性能，自身具有回程反力。（5）節(jié)省傳感器,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,降低設(shè)計(jì)安裝難度。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

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