新型柔性非對稱壓電微夾鉗設(shè)計*

陳曉東， 胡思雅， 鄧子龍， 高興軍

(遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001)

0 引 言

近年來，隨著微/納技術(shù)、微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)、精密工程等高新科技的快速發(fā)展，引起了人們對微操作與微裝配技術(shù)的廣泛關(guān)注[1,2]。微夾鉗作為微操作的末端執(zhí)行器，與接觸物直接接觸，決定著微操作任務是否成功?，F(xiàn)今常用的驅(qū)動方式有壓電驅(qū)動、靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、電熱驅(qū)動和形狀記憶合金驅(qū)動[3]。與其他驅(qū)動方式相比，壓電驅(qū)動具有反應靈敏、精度高的優(yōu)點[4]。傳統(tǒng)的剛性機構(gòu)因構(gòu)件間存在間隙、摩擦等原因，不符合高精度要求；柔性機構(gòu)無摩擦、無間隙、免裝配的特點更適合微操作系統(tǒng)的應用[5]；但柔性鉸鏈的微位移范圍一般在幾微米到幾十微米之間，為滿足微裝配要求，采用位移放大機構(gòu)對柔性鉸鏈的微位移進行放大。

目前，常用的放大機構(gòu)有基于杠桿放大原理的杠桿放大機構(gòu)[6]、基于三角形放大原理的橋式放大機構(gòu)[7]和菱形放大。橋式放大機構(gòu)和菱形放大機構(gòu)放大倍數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊，但只有在雙向?qū)ΨQ力的作用下才能實現(xiàn)正交位移轉(zhuǎn)換，由于微夾鉗加工過程存在一定的精度誤差以及微夾鉗工作過程中設(shè)備震動、噪聲等因素的影響左右鉗指輸出力會存在一定誤差[8]，導致左右鉗指輸出力不均勻破壞微夾持物。杠桿放大機構(gòu)、橋式放大機構(gòu)和菱形放大機構(gòu)屬于單級放大機構(gòu)，由多個單級放大機構(gòu)組合成多級放大機構(gòu)可以進一步擴大夾持行程。但多級放大機構(gòu)體積明顯增大，不符合微夾鉗的小型化設(shè)計；多級放大機構(gòu)對單級放大機構(gòu)的輸出有一定的抑制作用，導致理論輸出與實際輸出之間的偏差較大；壓電驅(qū)動具有一定的遲滯作用，放大倍數(shù)越高，輸出端位移分辨率越低[9]。

另一方面，從夾持精度角度看，常用的夾持方式有平行夾持、角夾持和真空抽吸夾持三種方式[10]，若夾持對象為球形、圓柱形或者不規(guī)則圖形，相比于角夾持和真空抽吸夾持，平行夾持更穩(wěn)定且可以避免應力集中。Cui Y G等人[8]基于杠桿放大原理設(shè)計的對稱微夾鉗可以實現(xiàn)平行夾持，左右鉗指的實際輸出位移分別為78.35，59.23 μm，實際最大夾持力分別為8.02，9.24 mN，左右鉗指的實際輸出位移和實際最大夾持力均不同，很容易破壞薄壁易破損夾持物；Koo B W等人[11]基于杠桿放大原理設(shè)計的非對稱微夾鉗，實現(xiàn)二自由度夾持，但不能平行夾持，影響夾持精度；Zubir M N M等人[12]基于杠桿放大原理設(shè)計的對稱微夾鉗，實現(xiàn)3.68倍位移放大，通過理論分析證實了左右鉗指的雙向?qū)ΨQ輸出力相同，但在實際夾持過程中，很難滿足左右鉗指輸出力相同的要求。Sun X等人[13]基于杠桿放大原理和三角形放大原理設(shè)計的多級對稱放大機構(gòu)，理論放大比為21.7，仿真放大比為17，實際放大比為16.4，再次證明了實際加工以及操作誤差不可避免，左右鉗指輸出力不能保證相同，文獻[14～16]設(shè)計的對稱微夾鉗同樣有此類問題。

綜上所述,結(jié)構(gòu)簡單、夾持性能穩(wěn)定、高精度更符合微夾鉗的設(shè)計要求，本文基于杠桿放大原理設(shè)計的單極非對稱微夾鉗同時具備結(jié)構(gòu)簡單、夾持性能穩(wěn)定、夾持精度高的優(yōu)點。

1 微夾鉗設(shè)計

圖1為微夾鉗結(jié)構(gòu)圖，尺寸為50.4 mm×80.8 mm×4.5 mm，該結(jié)構(gòu)主要由直圓形柔性鉸鏈、鉗指、杠桿放大機構(gòu)、螺紋固定孔、預緊螺栓組成。微夾鉗采用非對稱結(jié)構(gòu)，避免了因?qū)ΨQ微夾鉗左右鉗指受力不均勻破壞微夾持物，結(jié)構(gòu)更加簡單，減小加工誤差對精度的影響，有效提高了系統(tǒng)的固有頻率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需完成杠桿放大機構(gòu)設(shè)計、直圓形柔性鉸鏈設(shè)計、直片形柔性鉸鏈設(shè)計，進而得出鉗指輸出位移計算公式以及鉗指輸出力計算公式。

圖1 壓電微夾鉗原理

機構(gòu)運動位移放大圖如圖2所示，假設(shè)壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移標記為Din，l24的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動角度為Δθ1，實際輸入位移為D1，則

D1=Dincos Δθ1

(1)

根據(jù)杠桿原理，可以得到如下的比例關(guān)系

(2)

假設(shè)L79的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動角度為Δθ3，實際輸入位移Dout,則存在如下關(guān)系

Dout=D2cos Δθ3

(3)

根據(jù)式(1)～式(3)可知，理論放大比為

(4)

圖2 位移放大機構(gòu)運動圖

2 有限元分析

2.1 微夾鉗材料屬性選取

利用有限元分析軟件ANSYS分別對微夾鉗進行仿真分析。選用材料為7 075鋁合金，彈性模量為71 GPa，泊松比為0.33，密度為2 820 kg/m3，取安全因子為1.8，則許用應力為317 MPa。

2.2 行程分析

通過ANSYS仿真分析微夾鉗的夾持行程。在微夾鉗輸入端施加20 μm輸入位移，對應的位移分析圖如圖3所示，微夾鉗可以實現(xiàn)平行夾持，對應的輸出位移分別為95.398 μm，對應的最大應力為34.363 MPa，遠小于材料屈服強度317 MPa，產(chǎn)品可以安全使用。

圖3 微夾鉗位移分析云圖

3 實 驗

3.1 微夾鉗實物模型

實物模型如圖4所示，微夾鉗所用的材料為鋁合金7075—T6(SN)，采用慢走絲線切割機床一體化加工，加工完成后，對其進行鉆孔和拋光。

圖4 微夾鉗實物原圖

3.2 實驗驗證

為了進一步檢驗微夾持器的性能，通過一系列實驗進行驗證，實驗裝置如圖5所示。

圖5 實驗裝置

圖6表示微夾鉗輸入位移與單邊輸出位移的關(guān)系圖，理論放大倍數(shù)為4.98倍，仿真分析放大倍數(shù)為4.77倍，實驗驗證放大倍數(shù)為4.55倍。仿真值與理論值之間的誤差為4.22 %，這主要由于理論計算只考慮柔性鉸鏈槽口處的變形，將柔性鉸鏈的其他部分視為一個剛性體。理想狀態(tài)下，剛性體部分不發(fā)生變形，實際上，微夾鉗夾持過程中剛性體部分同樣發(fā)生微小變形，這是理論值大于仿真值的原因。實驗值與仿真值之間的誤差為8.43 %，這種誤差主要因為微夾鉗加工過程存在一定的精度誤差以及實驗測試過程中的測量誤差和設(shè)備震動、噪聲等因素的影響。

圖6 單邊輸出位移與輸入位移之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

針對直徑為100～200 μm的微零件，基于柔性鉸鏈與外加柔性四桿機構(gòu)設(shè)計一種柔性壓電驅(qū)動微夾鉗，基于虛功原理以及幾何關(guān)系計算出理論輸入輸出變量，基于有限元分析微夾鉗性能且證實了理論分析的正確性，最后采用慢走絲線切割機床加工出實物原型，搭建實驗平臺，實驗結(jié)果驗證了理論計算與仿真分析的正確性。本文設(shè)計的微夾鉗對此類微夾鉗的研究提供了參考。