面向精密制造的微材料特性檢測機構

陸 震

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

陳學東

(華中科技大學 機械科學與工程學院,武漢 430074)

何廣平

(北方工業(yè)大學 機電工程學院,北京 100144)

面向精密制造的微材料特性檢測機構

陸 震

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

陳學東

(華中科技大學 機械科學與工程學院,武漢 430074)

何廣平

(北方工業(yè)大學 機電工程學院,北京 100144)

微機電系統(tǒng)(MEMS,Micro Electromechanical Systems)在航空航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事等領域中有著廣泛的應用前景.其材料力學性能的測試目前是其性能測試的薄弱環(huán)節(jié),它涉及到微位移、精密定位和載荷/位移測量.采用傳統(tǒng)“機械”制造技術,由于摩擦、間隙、爬行和多環(huán)節(jié)傳動誤差積累等原因而無法實現(xiàn).為此,提出了一種冗余驅動全柔性并聯(lián)機構和壓電陶瓷驅動器所組成的新型測量平臺.在推導 4RRR冗余驅動并聯(lián)機構運動學逆問題方程的基礎上,經(jīng)過最佳拓撲選擇、運動學分析,并基于動力學優(yōu)化,確定了微位移/精密定位運動平臺主要結構尺寸.實驗表明:采用該平臺,可以滿足 MEMS材料力學性能測量所需的微位移和精確定位要求.

微機電系統(tǒng);冗余驅動;全柔性機構

微機電系統(tǒng)(MEMS,Micro Electromechanical Systems)是一種適于批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及相應的信號處理和控制、通信接口、電源等微電子器件在一體的能完成特定功能的微系統(tǒng).EMS技術最初是借鑒上個世紀 50年代的微電子技術,在大規(guī)模半導體芯片工藝基礎上發(fā)展起來的.與微電子系統(tǒng)不同,MEMS涉及機、電、光等多種信號介質和多個物理場,各種微構件通過變形實現(xiàn)運動和功能,其尺度一般在亞微米到毫米級,屬于微觀或介觀的尺度范圍.受加工工藝、尺寸效應和表面缺陷等因素的影響,微構件力學性能無法以宏觀力學所能解釋,它涉及到微流體、微潤滑、微觀材料力學等基礎理論問題,其材料力學性能的研究是個重要的理論問題,包括硬度、彈性模量、屈服強度、斷裂強度、疲勞強度等.微構件的尺寸越小,它所表現(xiàn)的尺寸效應越突出,迫切需要方便可靠的測試方法和測試儀器.需要檢測的參數(shù)主要包括微機械量、微幾何量、微材料特性和電參數(shù).其中電參數(shù)的檢測技術成熟,而微材料特性檢測目前是 MEMS測量技術的薄弱環(huán)節(jié).這些涉及到微位移、精密定位和載荷/位移測量.定位精度和分辨率從微米、亞微米到納米,并要求有足夠的驅動力、運動范圍和控制精度.采用常規(guī)的電動機、機構、運動副的傳動方式往往由于摩擦、間隙、爬行和多環(huán)節(jié)傳動誤差積累等原因而無法實現(xiàn),必須尋找新型的驅動元件和傳動機構.

本文采用冗余驅動的全柔性并聯(lián)機構和壓電陶瓷的驅動器組成了 MEMS材料力學性能測試裝置.整個裝置由精密定位子系統(tǒng)、載荷/位移測量子系統(tǒng)、試件夾持子系統(tǒng)和測控子系統(tǒng)組成,本文主要討論精密定位子系統(tǒng).

1 全柔性機構

上世紀 80年代提出了全柔性機構或稱為柔順機構(comp lian mechanism)的概念[1].它與通常意義下的柔性機構(flexible linkage)研究有本質不同.在柔性機構中,人們考慮的是如何避免或消除因其自身所具有的彈性造成的變形和振動.而在全柔性機構的研究中,人們恰恰關心的是利用機構元素的彈性實現(xiàn)運動和力的傳遞.其優(yōu)點是:①整體化或單片化設計可簡化結構,免于裝配,統(tǒng)計表明,裝配成本占整個制造成本的 50%.②無傳統(tǒng)運動副構成的機械系統(tǒng)的間隙和摩擦,可實現(xiàn)高精度運動.③無磨損,提高了系統(tǒng)的工作壽命.④免于潤滑,沒有潤滑劑對外界的污染,也沒有外界灰塵對機構運轉的不利影響.⑤由于取消了軸承等剛度薄弱環(huán)節(jié),系統(tǒng)的綜合剛度好.全柔性機構可分為集中柔度全柔性機構和分布柔度全柔性機構.采用并聯(lián)的全柔性機構可以很好地實現(xiàn) MEMS微機械力學性能測試.全柔性機構的柔性鉸鏈本身有變形誤差,并聯(lián)機構運動鏈的布置.可以限制這種誤差的累積和放大,良好的整體剛度能夠保證機構有較高的定位精度和抗擾動能力.并聯(lián)機構的結構緊湊,這與全柔性機構作為緊密定位系統(tǒng)執(zhí)行機構的要求相吻合.并聯(lián)機構的對稱結構還可以補償溫度變化和加工等因素引起的誤差,從整體上提高系統(tǒng)的運動精度和定位精度,同時對稱性結構也便于加工和模塊化.而并聯(lián)機構工作空間小的缺點對全柔性機構是無關緊要的.并聯(lián)機構在實際運用中,還存在著奇異位形、避障性能差、驅動鉸鏈載荷分配不合理等問題.若在并聯(lián)機構中采用冗余驅動方式可以較好地解決這些問題.常見的并聯(lián)機構冗余驅動方式有 2種:①將并聯(lián)機構的某些被動鉸鏈變?yōu)橹鲃鱼q鏈;②在并聯(lián)機構中增加零約束的驅動分支.圖 1為2自由度的非冗余驅動并聯(lián)機構和 2種冗余驅動的并聯(lián)機構.對于傳統(tǒng)的微間隙剛性機構,冗余驅動是難以實現(xiàn)的,必須采用復雜的控制系統(tǒng)和控制策略,解決由于冗余驅動引起的驅動器間的力紛爭問題.但是對于微動全柔性機構卻是易于實現(xiàn)的,并能顯著改善機構的力傳遞性能.本文以圖2所示的 3自由度冗余驅動并聯(lián)機構作為微材料特性檢測的微位移和精密定位系統(tǒng)的機械本體.其設計過程包括最優(yōu)拓撲選擇、運動學建模和模型分析、機構力傳遞性能優(yōu)化和機構全柔性化.

圖1 2自由度平面并聯(lián)機構和冗余驅動并聯(lián)機構

圖2 3自由度冗余驅動并聯(lián)機構

2 最優(yōu)拓撲選擇和運動學模型

上述 4支鏈平面并聯(lián)機構由 4個 RRR支鏈將運動平臺和機架連接起來形成.如果各支鏈的連架鉸鏈均為驅動鉸鏈,如圖 2中實心圓所示,則機構為冗余驅動方式.各支鏈具有 2種構型,如圖3中的實線和虛線所示.對于 4個支鏈應該有 8種不同組合,考慮到對稱性,實際上是 4種拓撲構型.由在工作空間中 Jacobian矩陣的條件數(shù)計算可知,其中 4支鏈走向為同一方向的構型,即圖 2所示的構型,具有最好的運動各向同性特征[2].圖 4為所設計的 4RRR平面冗余驅動并聯(lián)機構運動簡圖.為簡化設計,取固定平臺為正方形,動平臺也為正方形,它們的邊長為 H和 C.各支鏈的兩個桿長分別為 a和 b.機構的主要參數(shù)為:C=H=80mm,a=b=25mm.動平臺標志線 OC1與 x軸的初始夾角 β0=82°.冗余驅動機構的運動學正問題方程是超定方程組,即矛盾方程組,是無解的,輸入變量必須滿足一定的相容條件,才有準確解.與正問題不同,其逆問題是可解的.與動平臺相連的鉸鏈為 Ci(i=1,2,3,4)在固定坐標系中的坐標為

圖3 支鏈的兩種裝配構型

圖4 4RRR平面并聯(lián)機構

若已知動平臺的位姿 x,y,β,鉸鏈 Ci(i=1,2,3,4)的坐標還可以表示為

由方程(3)進行機構運動學逆問題位移分析,分別考慮動平臺平動和純轉動 2種情況,機構輸入角 θ1,θ2,θ3,θ4在各位置的變化分別如表 1和表 2所示.

表 1 平臺平動 Δx=Δy=2.5mm,Δb=0時各輸入角位移 (°)

表 2 平臺純轉動 Δx=Δy=0,Δb=5°時各輸入角位移 (°)

機構運動位形圖如圖 5和圖 6所示.將式(3)兩邊對時間求導,可得到機構的速度方程為

圖5 動平臺平動時機構位形圖

圖6 動平臺純轉動時機構位形圖

在完成上述機構運動學位置逆解問題后,可以由方程(4)得到機構速度正解方程,其中 Jacobian矩陣為

其條件數(shù)可以用來優(yōu)化機構的力傳遞性能.

3 機構力傳遞性能優(yōu)化

機構 Jacobian矩陣的條件數(shù)為

可以證明矩陣 J的條件數(shù) 0≤cond≤1,同時可用于評價機構的局部運動傳遞能力和力傳遞能力,機構在對應于 σmin的方向上的運動傳遞能力和力傳遞能力很差[3].因此,優(yōu)化機構的結構參數(shù),使機構在全工作空間中雅可比矩陣的條件數(shù)均最大化是機構優(yōu)化設計目標.為此構造如下優(yōu)化模型:

式中,s為整個工作空間;pi為待優(yōu)化的機構參數(shù);分別為 pi的取值下界和上界.采用遺傳算法搜索[4]可得到機構參數(shù)的優(yōu)化結果為 C=H=80mm,a=b=25mm,動平臺初始轉角 β0=82°.將其做成柔性機構,其外形、實物照片分別如圖7、圖 8所示 .

圖7 4RRR全柔性機構

圖8 4RRR全柔性機構裝置實物照片

4 結 論

采用冗余驅動的并聯(lián)全柔性機構可以滿足MEMS系統(tǒng)微位移和精確定位的要求.所需的輸入角位移和驅動力可以由壓電陶瓷驅動器提供.存在多余分支的冗余驅動并聯(lián)機構在機構參數(shù)相同的條件下,不同拓撲結構具有不同的運動性能.對于結構全對稱的平面 4分支 3自由度并聯(lián)冗余驅動機構而言,各支鏈旋轉方向相同時具有最佳的運動學和力學各向同性特征.為進一步提高冗余驅動并聯(lián)機構的運動性能,以全局運動學性能評價指標進行了優(yōu)化,提出的優(yōu)化數(shù)學模型和優(yōu)化方法可用于其他冗余驅動并聯(lián)機構的優(yōu)化設計.

References)

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[8]Merlet JP.Direct kinematics of planar parallel manipulators[C]∥Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Minneapolis,Minnesota:ICRA,1996

(編 輯:劉登敏)

Micro-material-test mechanism oriented precision technique

Lu Zhen

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Chen Xuedong

(School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

He Guangping

(College of Mechanical Electronical Engineering,North University of Technology,Beijing 100144,China)

Micro electromechanical systems(MEMS)have vast vistas of application in the aeronautics,astronautics,automobile,bioengineering,environmental management,military,etc.However,the material tests are the bottleneck of the property test for MEMS.That is concerned with subtle motion,precision location,and the measurement of tiny load/displacement.Traditional mechanical manufacture is helpless for the mission duo to friction,clearance,crawl,and error-accumulation of multi-trans mission.For this reason,a new type of the redundantly actuated compliant parallel mechanism with piezoelectric actuators was proposed.Based on the inverse kinematics of the redundantly actuated compliant parallel mechanism,and by means of optimum topology,kinematical analysis,and dynamical optimization,the key dimensions of the mechanism were determined.The experiment demonstrates the mechanism is capable in the subtle motion,precision location,and the measurement of tiny load/displace ment for the MEMS material test.

micro electromechanical systems;redundantly actuated;compliantmechanism.

TP 242

A

1001-5965(2010)03-0328-05

2009-03-02

國家重點實驗室開放基金資助項目

陸 震(1942-),男,江蘇無錫人,教授,zhenluh@buaa.edu.cn.