新型柔性非对称压电微夹钳设计*

陈晓东， 胡思雅， 邓子龙， 高兴军

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

0 引 言

近年来，随着微/纳技术、微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)、精密工程等高新科技的快速发展，引起了人们对微操作与微装配技术的广泛关注[1,2]。微夹钳作为微操作的末端执行器，与接触物直接接触，决定着微操作任务是否成功。现今常用的驱动方式有压电驱动、静电驱动、电磁驱动、电热驱动和形状记忆合金驱动[3]。与其他驱动方式相比，压电驱动具有反应灵敏、精度高的优点[4]。传统的刚性机构因构件间存在间隙、摩擦等原因，不符合高精度要求；柔性机构无摩擦、无间隙、免装配的特点更适合微操作系统的应用[5]；但柔性铰链的微位移范围一般在几微米到几十微米之间，为满足微装配要求，采用位移放大机构对柔性铰链的微位移进行放大。

目前，常用的放大机构有基于杠杆放大原理的杠杆放大机构[6]、基于三角形放大原理的桥式放大机构[7]和菱形放大。桥式放大机构和菱形放大机构放大倍数高、结构紧凑，但只有在双向对称力的作用下才能实现正交位移转换，由于微夹钳加工过程存在一定的精度误差以及微夹钳工作过程中设备震动、噪声等因素的影响左右钳指输出力会存在一定误差[8]，导致左右钳指输出力不均匀破坏微夹持物。杠杆放大机构、桥式放大机构和菱形放大机构属于单级放大机构，由多个单级放大机构组合成多级放大机构可以进一步扩大夹持行程。但多级放大机构体积明显增大，不符合微夹钳的小型化设计；多级放大机构对单级放大机构的输出有一定的抑制作用，导致理论输出与实际输出之间的偏差较大；压电驱动具有一定的迟滞作用，放大倍数越高，输出端位移分辨率越低[9]。

另一方面，从夹持精度角度看，常用的夹持方式有平行夹持、角夹持和真空抽吸夹持三种方式[10]，若夹持对象为球形、圆柱形或者不规则图形，相比于角夹持和真空抽吸夹持，平行夹持更稳定且可以避免应力集中。Cui Y G等人[8]基于杠杆放大原理设计的对称微夹钳可以实现平行夹持，左右钳指的实际输出位移分别为78.35，59.23 μm，实际最大夹持力分别为8.02，9.24 mN，左右钳指的实际输出位移和实际最大夹持力均不同，很容易破坏薄壁易破损夹持物；Koo B W等人[11]基于杠杆放大原理设计的非对称微夹钳，实现二自由度夹持，但不能平行夹持，影响夹持精度；Zubir M N M等人[12]基于杠杆放大原理设计的对称微夹钳，实现3.68倍位移放大，通过理论分析证实了左右钳指的双向对称输出力相同，但在实际夹持过程中，很难满足左右钳指输出力相同的要求。Sun X等人[13]基于杠杆放大原理和三角形放大原理设计的多级对称放大机构，理论放大比为21.7，仿真放大比为17，实际放大比为16.4，再次证明了实际加工以及操作误差不可避免，左右钳指输出力不能保证相同，文献[14～16]设计的对称微夹钳同样有此类问题。

综上所述,结构简单、夹持性能稳定、高精度更符合微夹钳的设计要求，本文基于杠杆放大原理设计的单极非对称微夹钳同时具备结构简单、夹持性能稳定、夹持精度高的优点。

1 微夹钳设计

图1为微夹钳结构图，尺寸为50.4 mm×80.8 mm×4.5 mm，该结构主要由直圆形柔性铰链、钳指、杠杆放大机构、螺纹固定孔、预紧螺栓组成。微夹钳采用非对称结构，避免了因对称微夹钳左右钳指受力不均匀破坏微夹持物，结构更加简单，减小加工误差对精度的影响，有效提高了系统的固有频率。在结构设计中，需完成杠杆放大机构设计、直圆形柔性铰链设计、直片形柔性铰链设计，进而得出钳指输出位移计算公式以及钳指输出力计算公式。

图1 压电微夹钳原理

机构运动位移放大图如图2所示，假设压电陶瓷驱动器的输出位移标记为Din，l24的转动转动角度为Δθ1，实际输入位移为D1，则

D1=Dincos Δθ1

(1)

根据杠杆原理，可以得到如下的比例关系

(2)

假设L79的转动转动角度为Δθ3，实际输入位移Dout,则存在如下关系

Dout=D2cos Δθ3

(3)

根据式(1)～式(3)可知，理论放大比为

(4)

图2 位移放大机构运动图

2 有限元分析

2.1 微夹钳材料属性选取

利用有限元分析软件ANSYS分别对微夹钳进行仿真分析。选用材料为7 075铝合金，弹性模量为71 GPa，泊松比为0.33，密度为2 820 kg/m3，取安全因子为1.8，则许用应力为317 MPa。

2.2 行程分析

通过ANSYS仿真分析微夹钳的夹持行程。在微夹钳输入端施加20 μm输入位移，对应的位移分析图如图3所示，微夹钳可以实现平行夹持，对应的输出位移分别为95.398 μm，对应的最大应力为34.363 MPa，远小于材料屈服强度317 MPa，产品可以安全使用。

图3 微夹钳位移分析云图

3 实 验

3.1 微夹钳实物模型

实物模型如图4所示，微夹钳所用的材料为铝合金7075—T6(SN)，采用慢走丝线切割机床一体化加工，加工完成后，对其进行钻孔和抛光。

图4 微夹钳实物原图

3.2 实验验证

为了进一步检验微夹持器的性能，通过一系列实验进行验证，实验装置如图5所示。

图5 实验装置

图6表示微夹钳输入位移与单边输出位移的关系图，理论放大倍数为4.98倍，仿真分析放大倍数为4.77倍，实验验证放大倍数为4.55倍。仿真值与理论值之间的误差为4.22 %，这主要由于理论计算只考虑柔性铰链槽口处的变形，将柔性铰链的其他部分视为一个刚性体。理想状态下，刚性体部分不发生变形，实际上，微夹钳夹持过程中刚性体部分同样发生微小变形，这是理论值大于仿真值的原因。实验值与仿真值之间的误差为8.43 %，这种误差主要因为微夹钳加工过程存在一定的精度误差以及实验测试过程中的测量误差和设备震动、噪声等因素的影响。

图6 单边输出位移与输入位移之间的关系

4 结 论

针对直径为100～200 μm的微零件，基于柔性铰链与外加柔性四杆机构设计一种柔性压电驱动微夹钳，基于虚功原理以及几何关系计算出理论输入输出变量，基于有限元分析微夹钳性能且证实了理论分析的正确性，最后采用慢走丝线切割机床加工出实物原型，搭建实验平台，实验结果验证了理论计算与仿真分析的正确性。本文设计的微夹钳对此类微夹钳的研究提供了参考。