新型非对称阶梯式微夹钳设计*

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

微电子工业作为一个多元化行业，在过去的几十年里得到了快速的发展。微操作作为微电子工业的一项关键技术[1]，在微/纳米技术[2]、精密加工[3]、生物工程[4]、医疗科学[5]等领域引起了人们的广泛关注。微夹钳作为微操作的末端执行器，与微零件或组件直接接触。决定着微操作任务能否成功。

从研究现状来看，微夹钳的关键问题包括选取驱动方式、增加位移放大倍率、提高夹持精度。目前，微夹钳常用的驱动方式有压电驱动、静电驱动、电热驱动、形状记忆合金驱动等。相比于其他驱动方式，压电驱动具有反应速度快、灵敏度高、输出力大的优点[6～8]；微夹钳增加位移放大倍率主要通过位移放大机构来完成，常用的放大机构有杠杆放大机构、桥式放大机构和菱形放大机构。桥式放大机构和菱形放大机构将压电陶瓷置于放大机构内部，相比于杠杆放大机构可以使结构更加紧凑。杠杆放大机构、桥式放大机构和菱形放大机构均属于单极放大机构。单极放大机构放大倍数有限，扩大夹持行程主要通过多个单极放大机构组合成的多级放大机构完成[7]，设计的微夹钳在应用多级放大机构的同时在钳指处采用阶梯式设计，有效提高了夹持位移；提高夹持精度的方式主要包括两方面：微夹持运动学精度和微夹持夹持力精度。微夹持运动学精度主要体现为平行夹持精度，当微夹持对象为球形，椭圆形或者不规则形状以及薄壁物体时，平行夹持更加稳定且可以避免应力集中破坏微夹持物[8,9]。微夹持夹持力精度主要体现为夹持力的控制，对称微夹钳左右钳指输出力很难控制，很容易因受力不均匀易破坏微零件，非对称微夹钳有效的避免了这一问题[10]。文献[11]基于杠杆放大原理设计的非对称微夹钳，实际放大比为6倍，可以实现平行夹持且夹持性能稳定，但存在结构不够紧凑且位移放大倍率低的缺点；文献[12]基于杠杆放大原理设计的非对称微夹钳，实际放大比为4.16倍，可以实现平行夹持且夹持性能稳定，但存在结构不够紧凑且位移放大倍率低的缺点；文献[13]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，但结构不够紧凑且不能平行夹持，影响夹持精度综上所述，有必要设计一种位移放大倍率高、夹持精度高、结构紧凑的压电驱动非对称阶梯式微夹钳。

本文设计的压电驱动非对称阶梯式微夹钳最大位移放大率为20.566，放大率高、结构紧凑且实现平行夹持。

1 微夹钳设计

1.1 微夹钳结构设计

图1为微夹钳结构图，机构的尺寸为43.13 mm×25.75 mm×5 mm。其中,钳指采用阶梯式设计，上下钳指夹持位移相差400 μm,有效提高了钳指的夹持范围。

图1 压电微夹钳结构

1.2 运动学模型分析

基于伪刚体模型思想将柔性铰链视为带扭簧的活动铰链，将连杆视为刚性杆件。因此，对微夹钳右半部份进行分析，其等效模型如图2所示,对应机构的主要尺寸如表1所示。

图2 微夹钳伪刚体模型

表1 机构主要尺寸

lABeθ1i+lBEeθ2i=lAFeθ3i+lEFeθ4i

(1)

lABeθ1i+lBCeθ2i+lCDeθ5i=Seπi/2

(2)

对式(1)、式(2)关于时间求导

lABω1e(θ1+π/2)i+lBEω2e(θ2+π/2)i=lAFω3e(θ3+π/2)i+

lEFω4e(θ4+π/2)i

(3)

lABω1e(θ1+π/2)i+lBCω2e(θ2+β+π/2)i+lCDω5e(θ5+π/2)i=

(4)

其中,β=arctan2ω/lBC。

令公式实部和虚部分别相等，存在以下关系

(5)

令a=lABsin(θ1-θ4)，b=lBEsin(θ2-θ4)，c=lAFsin(θ3-θ4)，d=lABsin(θ1-θ3)，e=lBEsin(θ2-θ3)，f=lEFsin(θ4-θ3)，g=lABsin(θ1-θ2)，h=lAFsin(θ3-θ2)，i=lEFsin(θ4-θ2)，j=lABsin(θ2-θ1)，k=lAFsin(θ3-θ1)，l=lEFsin(θ4-θ1)，m=lABsinθ1，n=lBCsin(θ2+β),o=lCDsinθ5。

则aω1+bω2=cω3,dω1+eω2=fω4,gω1=hω3+iω4,jω2=kω3+lω4,mω1+nω2+oω5=0

即

(6)

(7)

位移放大率可表示为

(8)

式中vo和vi分别为输入端和输出端速度。vo和vi的速度表示为

(9)

将式(9)代入式(8)可得

(10)

2 有限元分析

设计参数如下：微夹钳和微零件材料为7075铝合金，弹性模量E=71 GPa，泊松比ν=0.33，屈服强度σ=455 MPa，密度ρ=2 810 kg/m3。

图3(a)为微夹持器在输入端施加20 μm输入位移作用下，未夹持零件时对应的位移云图。可以清楚地看到，微夹持器在闭合过程中，钳指实现平行夹持，有效地避免了寄生位移的产生，单边最大输出位移为411.32 μm，位移放大为20.566倍；图3(b)为应力云图，对应的最大应变为351.87 MPa，小于材料的屈服强度，产品可以安全使用。

图3 微夹钳性能分析

3 结 论

针对传统对称微夹钳与非对称微夹钳的缺点，设计一种阶梯式非对称微夹钳。通过有限元仿真分析可以得出，在20 μm输入位移作用下，最大可夹持位移为811.32 μm微零件，仿真放大比为20.566，传统夹持位移为411.32 μm，通过阶梯式设计有效提高了400 μm夹持行程。此阶梯式设计方法为同类微夹钳的研究提供了有益参考。