多層壓電微夾鉗設(shè)計(jì)與靜動(dòng)態(tài)特性分析*

蔡永根，肖國(guó)華，楊少增

（浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315012）

0 引言

在微操作系統(tǒng)與微裝配系統(tǒng)中，作為終端操作手的微夾鉗是微操作系統(tǒng)中的核心部分，圖1所示為微夾鉗在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)是人工耳蝸柔性微電極裝配系統(tǒng)，作為末端執(zhí)行器的微夾鉗可將微納米級(jí)的電極絲穿入鎢針之中，為微操作系統(tǒng)下步的操作提供了方便[1-2]。

圖1 微夾鉗在MEMS中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外正在研究的微夾鉗種類各式各樣，根據(jù)對(duì)微夾鉗驅(qū)動(dòng)方式的不同可將其分為形狀記憶式、真空吸附式、靜電式、電磁式、電（光）熱式、壓電式等[3-6]。壓電式微夾鉗具有體積小、剛度高、響應(yīng)快、輸出力大、位移分辨率高、不發(fā)熱、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外研究者都對(duì)壓電式微夾鉗開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了一些研究成果。壓電微夾鉗從結(jié)構(gòu)上主要分為懸臂梁式和柔性放大結(jié)構(gòu)式。懸臂梁式鉗指張合量大，但輸出夾持力小；而柔性放大結(jié)構(gòu)式可產(chǎn)生較大的夾持力，但因需要對(duì)壓電疊堆執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)位移進(jìn)行放大，故其體積較大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院劉暢等[7]研制的用于微裝配機(jī)器人系統(tǒng)的壓電雙晶片懸臂梁式微夾鉗，鉗指長(zhǎng)為30 mm，給微夾鉗施加最大驅(qū)動(dòng)電壓150 V 時(shí)，利用應(yīng)變片測(cè)得單個(gè)鉗指的偏轉(zhuǎn)位移為0.9 mm，微夾鉗的最大開(kāi)口量達(dá)到1.8 mm。法國(guó)弗郎什孔泰大學(xué)B Tamadazte 等[8]為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)微夾鉗在夾持方向和垂直于夾持方向的微位移，采用分割電極的方法把壓電雙晶片式鉗指電極區(qū)分割成2 個(gè)部分，使鉗指在不同區(qū)域施加電壓能產(chǎn)生不同方向的運(yùn)動(dòng)，該夾鉗夾持方向與垂直于的最大位移分別為320 μm、200 μm，最大夾持力分別為55 mN、10 mN。寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院崔玉國(guó)等[9]設(shè)計(jì)出一種懸臂梁式壓電雙晶片微夾鉗，并提出了基于積分電荷的鉗指位移與夾持力的自感知方法，可以省掉外部微位移與微力傳感器，在31.59 μm的最大鉗指位移范圍內(nèi)，修正后自感知位移的最大偏差為0.78 μm；在35.91 mN的最大鉗指夾持力范圍內(nèi)，修正后自感知夾持力的最大偏差為0.24 mN。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[10]、南京航空航天大學(xué)[11]、韓國(guó)[12]、德國(guó)[13]、法國(guó)[14]等也開(kāi)展了壓電式微夾鉗的相關(guān)研究。

本文在各位學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種輸出位移大、靜動(dòng)態(tài)性能良好的新型多層壓電微夾鉗。

1 壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研制的壓電雙晶片微夾鉗，如圖2 所示，分別為微夾鉗三維模型總裝圖和加工實(shí)物圖，其總體結(jié)構(gòu)包括2 個(gè)鉗指、1 個(gè)定位塊、2 個(gè)驅(qū)動(dòng)電極片、底座、壓塊、螺栓和螺母等7 部分。該微夾鉗總裝配圖整體尺寸為44.5 mm×13.5 mm×14.5 mm。

圖2 雙晶片壓電微夾鉗

壓電雙晶片微夾鉗每個(gè)鉗指由2 片壓電晶片（其材料為PZT5）及1 片黃銅基板（H59）粘貼而成。設(shè)計(jì)基板時(shí)，由于所設(shè)計(jì)微夾鉗結(jié)構(gòu)屬于微小、精密結(jié)構(gòu)，對(duì)材料的機(jī)械加工以及材料屬性有很高的要求，選擇黃銅作為基板的加工材料原因有：（1）較高的耐腐蝕性、耐磨性，且表面光滑容易與壓電陶瓷晶片粘接在一起；（2）黃銅材料具有良好的切屑性能，適合加工高精度零部件；（3）黃銅材料具有良好的彈性，壓電陶瓷晶片驅(qū)動(dòng)基板變形使鉗指產(chǎn)生夾持方向的位移，去掉驅(qū)動(dòng)電壓后，基板可以依靠良好的彈性性能使鉗指恢復(fù)到施加驅(qū)動(dòng)電壓前的狀態(tài)。此外，設(shè)計(jì)基板時(shí)，基板太薄，鉗指操作微對(duì)象時(shí)容易產(chǎn)生彎曲變形和振蕩，太厚會(huì)減小鉗指的輸出位移，經(jīng)過(guò)仿真軟件ANSYS 分析后，本文將基板厚度定為0.4 mm；基板又被作為驅(qū)動(dòng)電壓地電極引入端，為了使輸入電極線更加規(guī)整，將基板設(shè)計(jì)成折角形狀作為電極線的引入端；基板頂端作為鉗指指尖與被操作物體直接接觸，將基板頂端設(shè)計(jì)成具有圓弧度的細(xì)長(zhǎng)型指尖，便于夾持微對(duì)象且不易破壞到微對(duì)象，如圖3 所示，單鉗指結(jié)構(gòu)大小為39 mm×2 mm×0.8 mm。

圖3 單鉗指結(jié)構(gòu)

定位塊的加工材料選為鋁合金7075，鋁合金7075是經(jīng)消除應(yīng)力的鋁鎂鋅銅合金，屬于超硬鋁合金，具有熱導(dǎo)性良好、抗腐蝕性能強(qiáng)、耐磨性、加工后不會(huì)發(fā)生變形和翹曲等優(yōu)點(diǎn)，常被用作航空材料。本文設(shè)計(jì)的定位塊如圖4 所示，一是用來(lái)調(diào)節(jié)兩鉗指之間的初始間隙，二是作為鉗指驅(qū)動(dòng)電極端；為了使驅(qū)動(dòng)電極線較為規(guī)整，在定位塊的末端設(shè)計(jì)一個(gè)微孔來(lái)連接驅(qū)動(dòng)電壓的電極線；定位塊與壓電陶瓷晶片直接接觸，當(dāng)鉗指上的壓電陶瓷雙晶片受到外部驅(qū)動(dòng)電壓作用帶動(dòng)基板使鉗指產(chǎn)生位移時(shí)，定位塊末端與壓電陶瓷晶片之間會(huì)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力會(huì)致使壓電陶瓷晶片受到破壞，為了避免壓電陶瓷晶片受到破壞，本文將定位塊末端設(shè)計(jì)成圓弧狀，可有效降低剪切應(yīng)力對(duì)壓電陶瓷晶片產(chǎn)生的破壞。

圖4 定位塊結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電極片（其材料為黃銅）一端與鉗指外晶片表面粘接，另一端與定位塊相粘接，驅(qū)動(dòng)電極片可將施加在定位塊上的驅(qū)動(dòng)電壓傳輸?shù)姐Q指外晶片上。

綜合以上設(shè)計(jì)，該壓電微夾鉗還具有有以下優(yōu)點(diǎn)：基板還可作為施加在壓電晶片上驅(qū)動(dòng)電壓的負(fù)極，定位塊可作為施加在壓電晶片上驅(qū)動(dòng)電壓正極；由此，負(fù)電極由一般情況下的4個(gè)縮減為2個(gè)，正電極由一般情況下的4個(gè)縮減為1個(gè)，此設(shè)計(jì)有效地精簡(jiǎn)了結(jié)構(gòu)，增加了空間的利用率。

2 微夾鉗驅(qū)動(dòng)原理

本文設(shè)計(jì)的微夾鉗驅(qū)動(dòng)原理描述如下：利用壓電微夾鉗的壓電陶瓷晶片橫向逆壓電效應(yīng)，同時(shí)給構(gòu)成微夾鉗的某一鉗指中的兩晶片施加相同的驅(qū)動(dòng)電壓，如圖5所示，其中由于上晶片電極化強(qiáng)度P和電場(chǎng)E方向相反而伸長(zhǎng)，下晶片由于電極化強(qiáng)度P和電場(chǎng)E方向相同而縮短，由此驅(qū)動(dòng)鉗指產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，構(gòu)成微夾鉗的另一鉗指中的兩壓電晶片的極化方向與上述鉗指兩壓電晶片的極化方向相反，當(dāng)給該鉗指施加同樣的電壓時(shí)，此鉗指便向上運(yùn)動(dòng)，從而完成微夾鉗的夾持動(dòng)作。

3 微夾鉗靜動(dòng)態(tài)特性有限元分析

3.1 有限元分析模型

在對(duì)微夾鉗進(jìn)行ANSYS 仿真分析時(shí)，將繪制好的三維模型圖導(dǎo)入仿真軟件ANSYS 中，如圖6 所示，由于基板末端處地電極引入端折角部分對(duì)鉗指輸出位移影響很小，為減少ANSYS 劃分模塊數(shù)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用自由網(wǎng)格法劃分網(wǎng)格，只對(duì)鉗指有效部分進(jìn)行有限元分析；進(jìn)行有限元分析時(shí)，把壓電陶瓷晶片、定位塊、基板粘接成一體，對(duì)微夾鉗鉗指根部和定位塊末端端面施加全約束，在雙晶片兩表面施加相同的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖6 微夾鉗有限元模型

3.2 微夾鉗靜力特性分析

給微夾鉗有限元仿真時(shí)，分別給每個(gè)鉗指上的兩片壓電晶片同時(shí)施加120 V 的驅(qū)動(dòng)電壓（本文所使用的壓電晶片最大承受電壓為120 V），得出有限元仿真結(jié)果：鉗指指尖頂端產(chǎn)生的位移量為177.8 μm，如圖7所示。

圖7 鉗指輸出位移

給微夾鉗施加間隔為10 V、0～120 V 的驅(qū)動(dòng)電壓，鉗指所產(chǎn)生的位移與施加的電壓、鉗指表面產(chǎn)生的電荷與施加的電壓之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 鉗指輸出位移與電壓之間關(guān)系

3.3 模態(tài)分析

圖9 所示為多層壓電微夾鉗的前10 階固有頻率，圖10所示為前4階的模態(tài)。

圖9 前10階固有頻率

圖10 前4階的模態(tài)

3.3 頻率響應(yīng)分析

給鉗指兩側(cè)壓電晶片施加幅值為60 V（每片壓電晶片為60 V）、頻率為0～2 000 Hz、設(shè)置為100 步的掃頻信號(hào)，經(jīng)有限元仿真分析，其頻率響應(yīng)特性如圖11 所示，一階固有頻率為765 Hz，與模態(tài)分析的結(jié)果基本相同；鉗指表面電荷的固有頻率為750 Hz。

圖11 鉗指輸出位移的頻率響應(yīng)

3.4 階躍響應(yīng)分析

給微夾鉗施加幅度為15 V（每層壓電晶片為15 V）、持續(xù)時(shí)間為0.2 s（為了更直觀地觀測(cè)鉗指有無(wú)振蕩）的階躍電壓，經(jīng)有限元分析結(jié)果可知，鉗指穩(wěn)態(tài)位移為23.05 μm，響應(yīng)時(shí)間0.074 s，位移響應(yīng)與電荷響應(yīng)均較平坦，無(wú)振蕩，如圖12所示。

圖12 鉗指位移同時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)一種新的多層壓電懸臂梁微夾鉗，首先對(duì)壓電微夾鉗的壓電陶瓷晶片、基板、定位塊、電極片、微夾鉗固定裝置等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及材料的選擇；然后利用有限元軟件對(duì)微夾鉗的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)多層壓電懸臂梁微夾鉗具有較大的輸出位移、響應(yīng)較為平坦、無(wú)超調(diào)、無(wú)振蕩，其靜動(dòng)態(tài)特性較為良好；接著，對(duì)設(shè)計(jì)好的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，并裝配出壓電微夾鉗實(shí)物，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建做準(zhǔn)備。