基于MEMS操作機(jī)構(gòu)的微型夾持器設(shè)計(jì)

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

微型夾持器是一種廣泛應(yīng)用于微操作領(lǐng)域的關(guān)鍵儀器。隨著微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)的快速發(fā)展，航天航空、生物學(xué)研究、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及軍工領(lǐng)域的各種專用零部件設(shè)計(jì)得越來(lái)越微小

，這些零部件都具有輕、薄、脆、軟等特性，在裝配、移動(dòng)、夾持等方面都提出了相當(dāng)高的要求。同時(shí)為了不損壞操作對(duì)象，需要微型夾持器具有高精度、高可靠性、高適應(yīng)性以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外不同領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者先后開發(fā)出了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式、集成微力感知式、柔性鉸鏈?zhǔn)降任⑿蛫A持器，打通了微型機(jī)械零部件操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，微型夾持器的設(shè)計(jì)與研發(fā)對(duì)微型機(jī)械的發(fā)展具有重大意義

。

1.1 柔順機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)都采用剛體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的連接，機(jī)構(gòu)中存在的運(yùn)動(dòng)副會(huì)導(dǎo)致很多問(wèn)題，例如：非精密裝配導(dǎo)致的誤差，磨損引起的變形，傳動(dòng)過(guò)程引起的震動(dòng)等

。這些問(wèn)題在微型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)得到放大，甚至直接引起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此無(wú)法采用剛性體進(jìn)行微型夾持器的設(shè)計(jì)。

部分公民環(huán)保意識(shí)薄弱，碳信息披露可以促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，但企業(yè)對(duì)此認(rèn)識(shí)不夠深刻，這些都使碳披露難以發(fā)揮其對(duì)經(jīng)營(yíng)管理的指導(dǎo)作用。這就需要社會(huì)廣泛宣傳低碳經(jīng)濟(jì)理念，提高公民的環(huán)保意識(shí)，進(jìn)而逐步上升到企業(yè)管理層面，使管理者提高環(huán)保責(zé)任意識(shí)，加大對(duì)碳信息的重視。通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握必要的碳披露知識(shí)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

柔順機(jī)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的剛性體機(jī)構(gòu)，它主要依靠柔順機(jī)構(gòu)的柔順體變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞

。柔順機(jī)構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：

(1)減少零件數(shù)量

對(duì)于韻律活動(dòng)教學(xué)而言，歌曲就是教師教學(xué)過(guò)程的催化劑，所以選擇合適的音樂(lè)對(duì)于教學(xué)效果來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。選擇了一首恰到好處的音樂(lè)，不僅能夠讓幼兒心情愉悅，也能夠讓他們興致勃勃地去傾聽。只有幼兒對(duì)歌曲的內(nèi)容真正感興趣、愿意去聽歌曲表達(dá)的內(nèi)容跟含義，他們才有可能在歌曲內(nèi)容的基礎(chǔ)上發(fā)揮自己的想象力，去聯(lián)想與歌曲有關(guān)的內(nèi)容。

式中：

-活動(dòng)件構(gòu)件數(shù)，

-低副約束數(shù)

(2)降低磨損，減少潤(rùn)滑

(3)減輕機(jī)構(gòu)重量

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾持力均勻、便于操作等目的，該微型夾持器采用對(duì)稱性設(shè)計(jì)，故其單邊結(jié)構(gòu)放大比為15。由于采用一級(jí)放大機(jī)構(gòu)，要達(dá)到該放大比，則設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將很大，且撓性增加；采用三級(jí)放大機(jī)構(gòu)，勢(shì)必會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性降低等缺陷，綜合考慮采用二級(jí)放大機(jī)構(gòu)。由于前端機(jī)構(gòu)需要驅(qū)動(dòng)后端機(jī)構(gòu)，故放大比分配前小后大，即15=3×5。

隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的快速發(fā)展，現(xiàn)在主要采用有限元、拓?fù)鋬?yōu)化、偽剛體建模等方法進(jìn)行柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

，極大地提升了設(shè)計(jì)效率和夾持器設(shè)計(jì)精度，且減少了工作量。

1.2 微型夾持器分類

微夾持器作為微型機(jī)械的執(zhí)行部件，需要極高的精度、效率以及穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不用的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)了各式微型夾持器，大致可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用領(lǐng)域、生產(chǎn)工藝和驅(qū)動(dòng)方式幾個(gè)方面對(duì)微型夾持器進(jìn)行區(qū)分。按照不同的驅(qū)動(dòng)方式可以大致將微型夾持器分為壓電驅(qū)動(dòng)式、靜電驅(qū)動(dòng)式、電磁驅(qū)動(dòng)式、熱驅(qū)動(dòng)式、真空吸附式和記憶合金式等

。

壓電驅(qū)動(dòng)式微夾持器主要是通過(guò)給壓電陶瓷施加電場(chǎng)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)特性，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生微小形變，通過(guò)放大機(jī)構(gòu)便可以將該微小形變作為微型夾持器驅(qū)動(dòng)源。

靜電驅(qū)動(dòng)式微夾持器主要是通過(guò)改變激勵(lì)電壓，促使相距較近的兩平行板分別帶上極性相反的電荷，從而產(chǎn)生庫(kù)侖力，利用庫(kù)侖力作為驅(qū)動(dòng)源。

電磁式微夾持器主要是以電磁力作為驅(qū)動(dòng)源，但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)必須含有線圈結(jié)構(gòu)，所以該類微型夾持器一般尺寸較大。

機(jī)構(gòu)的自由度分析

真空吸附式微夾持器主要是通過(guò)調(diào)節(jié)吸管電壓來(lái)產(chǎn)生負(fù)壓，用負(fù)壓吸附操作對(duì)象。但是吸附對(duì)象外部形狀對(duì)夾持成功率影響很大，形狀不符合的對(duì)象會(huì)產(chǎn)生漏氣消除負(fù)壓導(dǎo)致操作失敗。

綜合分析微型夾持器的工作范圍，壓電陶瓷標(biāo)稱位移以及設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)等相關(guān)參數(shù)，本文采用杠桿放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算，放大比為：

2 微型夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 微型夾持器技術(shù)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的微型夾持器，將改變夾持范圍過(guò)小的缺陷，擴(kuò)大其夾持范圍。為了較好地完成MEMS機(jī)構(gòu)中的齒輪軸、齒輪、平衡擺等操作對(duì)象的夾持任務(wù)，故確定以下參數(shù)：末端開口值不小于900μm，且不大于100μm；即：Y

< 100μm，Y

> 900μm。

為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，縮小夾持器的體積，同時(shí)減少傳動(dòng)比和能量的損失；結(jié)合MEMS-PZT堆疊壓電陶瓷的相關(guān)參數(shù)，對(duì)夾持器的輸入技術(shù)指標(biāo)確定為：△X=0～30μm。

2.2 壓電陶瓷選型

石英材料在受到外部壓力的情況下，會(huì)在內(nèi)部發(fā)生電荷移動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。反之，若將石英材料置于電場(chǎng)中時(shí)，石英材料也會(huì)產(chǎn)生微小形變，這種現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)。將逆壓電效應(yīng)運(yùn)用在微型夾持器領(lǐng)域，可以為微型夾持器提供驅(qū)動(dòng)源，壓電陶瓷便是一種理想的驅(qū)動(dòng)器。壓電陶瓷根據(jù)其產(chǎn)生的位移方式不同可以分為直線形位移和彎曲形位移

，直線形位移壓電陶瓷也稱為堆疊式壓電陶瓷，彎曲形位移壓電陶瓷也稱為懸臂梁式壓電陶瓷。本文采用堆疊式壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器，以產(chǎn)生直線形位移。堆疊式壓電陶瓷如圖1所示。

2.3 兩組患者治療前后tPSA、fPSA及睪酮水平比較 常規(guī)治療組患者治療前后tPSA、fPSA水平比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。非那雄胺組患者治療后tPSA、fPSA水平均較治療前明顯降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。非那雄胺組患者治療后tPSA水平較常規(guī)治療組低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。兩組患者治療后睪酮水平均較治療前降低，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表2。

堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有輸出位移小，輸出力大；響應(yīng)速度快；精度高；可實(shí)現(xiàn)直線位移等特點(diǎn)

。根據(jù)哈爾濱溶智納芯科技有限公司提供的壓電陶瓷PZT選型手冊(cè)，選取型號(hào)為RP150/5×5/30的堆疊壓電陶瓷，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.3 理論模型

形狀記憶合金微夾持器是通過(guò)形狀記憶合金材料對(duì)形狀具有記憶和恢復(fù)的特性來(lái)提供驅(qū)動(dòng)源，這種材料的響應(yīng)速度較快，在微機(jī)械領(lǐng)域得到快速發(fā)展。

式中：Δ

-杠桿放大機(jī)構(gòu)輸出位移，Δ

-杠桿放大機(jī)構(gòu)輸入位移。

So we think the learner autonomy should be developed with the guide and controlled by the teacher.Without teachers’guide,it will bedifficult toachieve.

(4)易實(shí)現(xiàn)微型化

熱驅(qū)動(dòng)式微夾持器主要是以熱能為驅(qū)動(dòng)源，現(xiàn)在主要有電熱和光熱兩種能量來(lái)源。

=3

-2

=3×5-2×7=1

取其中3例在發(fā)病年齡、手術(shù)年齡、Lenke分型、角度大小、Risser征等參數(shù)相匹配的患者凹側(cè)和凸側(cè)椎旁肌組織，提取總RNA，測(cè)定RNA純度與質(zhì)量，在5’和3’端分別連接接頭序列，形成帶有接頭的單鏈RNA，反轉(zhuǎn)錄生成RNA/DNA雜交鏈，PCR擴(kuò)增構(gòu)建small RNA-seq cDNA文庫(kù)，采用illumina Hiseq測(cè)序平臺(tái)（上海晶能生物有限公司，中國(guó)）單端測(cè)序模式進(jìn)行高通量測(cè)序。

則微型夾持器的理論放大倍數(shù)

綜合考慮微型夾持器的工作范圍、壓電陶瓷標(biāo)稱位移和工作最大空間，確定

1=4mm；

2=12mm；

3=15mm；

4=75mm。選取鉸鏈寬度

=4mm，鉸鏈高度

=3mm，鉸鏈最小厚度

=0

45mm。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.4 鉸鏈模型

微型機(jī)械通常采用柔順機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞，完成轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)計(jì)，可以有效避免傳統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)副帶來(lái)的各種缺陷。本文采用柔性鉸鏈設(shè)計(jì)微型夾持器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。柔性鉸鏈?zhǔn)腔橐惑w的兩個(gè)構(gòu)件，兩構(gòu)件之間可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)可以避免裝配環(huán)節(jié)引起的誤差，同時(shí)可以減小設(shè)計(jì)尺寸和機(jī)構(gòu)復(fù)雜度。常見的柔性鉸鏈有直梁式和圓弧式如圖3所示

。

2.2 3組術(shù)前、術(shù)后血紅蛋白的比較 A、B、C 3組血紅蛋白術(shù)后各時(shí)點(diǎn)均較術(shù)前明顯升高，3組間術(shù)后3個(gè)月隨訪血紅蛋白差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，術(shù)后6、12個(gè)月B、C組血紅蛋白明顯高于A組，3組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表3。

本文設(shè)計(jì)的微型夾持器采用的是直圓雙圓式柔性鉸鏈。其模型圖如圖4所示，t為鉸鏈最小厚度，R為鉸鏈圓弧半徑

。

3 微型夾持器的設(shè)計(jì)及仿真

3.1 微型夾持器的造型設(shè)計(jì)

通過(guò)微型夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)求出了各關(guān)鍵部位的參數(shù)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)將在三維造型軟件Pro/E中進(jìn)行三維建模。

圖5(a)為微型夾持器的設(shè)計(jì)工程圖，表2為微型夾持器的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)微型夾持器的三維建模和結(jié)構(gòu)修正。圖5(b)為微型夾持器的三維模型。

JDR-30DB絞車可用于3000 m深地?zé)峋?水井)施工，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，可擋內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，電機(jī)具有懸停和過(guò)載功能，提升能力強(qiáng)；采用電氣化控制，安全防護(hù)措施多；具備自動(dòng)送鉆技術(shù)，降低了絞車的運(yùn)行成本，提高了工作環(huán)境舒適程度。該絞車性能特點(diǎn)體現(xiàn)了“安全、先進(jìn)、可靠、環(huán)保、智能”的設(shè)計(jì)原則，既能滿足深孔地?zé)峋┕さ男枨螅部捎糜谒?、煤層氣、?yè)巖氣、油氣井施工，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

3.2 微型夾持器的數(shù)值仿真

使用ANSYS進(jìn)行微型夾持器的數(shù)值仿真，可以得出該微型夾持器的變形情況和受力情況，然后判斷該夾持器的設(shè)計(jì)合理性。

將完成的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，設(shè)置材料為40CrA，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m

。按照壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的最大位移30μm作為輸入?yún)?shù)，設(shè)置好邊界條件，完成網(wǎng)格劃分后進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如下。

蘇州以古典園林、江南水鄉(xiāng)與千年古城見長(zhǎng)，文物古跡眾多，晚明、清朝前期更成為江南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、文化中心之一。蘇州景觀一級(jí)目錄和二級(jí)目錄的數(shù)量緊隨杭州之后，分別為24、60項(xiàng)，山水如虎丘、支硎山和千尺雪等，園林如蘇州織造府、獅子林等，祠廟如范公祠、文廟和三高祠等，都是康、乾二帝重點(diǎn)游覽之處。

基于物聯(lián)網(wǎng)概念的警用倉(cāng)庫(kù)物聯(lián)網(wǎng)報(bào)警信息監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)是集三維信息呈現(xiàn)，多方位信息感知，報(bào)警聯(lián)動(dòng)等技術(shù)于一體的全方位信息呈現(xiàn)系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)接，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段，對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)物資環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)異常問(wèn)題進(jìn)行定位提示，實(shí)現(xiàn)從對(duì)倉(cāng)庫(kù)從物資信息到安防監(jiān)控全方位的信息呈現(xiàn)。

如圖6所示為微型夾持器的變形云圖，在壓電陶瓷輸入最大位移的情況下，夾持器微夾鉗單邊最大位移為0.426mm，雙邊位移為0.852mm，即該微型夾持器最小開口為50μm，小于100μm，符合設(shè)計(jì)要求。

如圖7所示為微型夾持器的應(yīng)力云圖，在壓電陶瓷輸入最大位移的情況下，夾持器的應(yīng)力主要集中在各處柔順鉸鏈，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第一級(jí)放大機(jī)構(gòu)的柔順鉸鏈處，應(yīng)力值為289.06MPa，小于40CrA的許用屈服極限應(yīng)力833MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)MEMS機(jī)構(gòu)裝配以及微小零件夾持要求，設(shè)計(jì)了一種基于柔性鉸鏈的二級(jí)放大微型夾持器。夾持器采用杠桿放大機(jī)構(gòu)，放大比為30；設(shè)計(jì)最大張合量為900μm，最小張合量小于100μm；采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)方式作為驅(qū)動(dòng)源，型號(hào)選取為RP150/5×5/30堆疊式壓電陶瓷；采用直圓式柔性鉸鏈并完成微型夾持器三維模型的建立。并完成該微型夾持器的有限元仿真，仿真結(jié)果顯示其在變形和應(yīng)力方面均表現(xiàn)良好，符合設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)微型夾持器的設(shè)計(jì)方法和微型機(jī)械柔性機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

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