新型大位移非對稱微夾鉗設(shè)計(jì)*

陳曉東, 胡思雅, 鄧子龍, 高興軍

(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)

0 引 言

近年來,隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)等高新科技的快速發(fā)展,微操作的研究取得了巨大進(jìn)步[1]。在生命科學(xué)[2]、汽車工業(yè)、信息通訊[3]、精密加工[4]、航天航空[5]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。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(wù)是否成功。

擴(kuò)大夾持位移是微夾鉗研究的關(guān)鍵問題。現(xiàn)今,擴(kuò)大夾持位移主要用過微位移放大機(jī)構(gòu)完成,常用的微位移放大機(jī)構(gòu)主要有杠桿放大機(jī)構(gòu)、橋式放大機(jī)構(gòu)和菱形放大機(jī)構(gòu)[6]。杠桿放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn),但輸出位移較小且結(jié)構(gòu)不夠緊湊；橋式放大機(jī)構(gòu)和菱形放大機(jī)構(gòu)輸出位移大,將壓電陶瓷置于機(jī)構(gòu)內(nèi)部,具有結(jié)構(gòu)緊湊的效果。單一的杠桿放大機(jī)構(gòu)、橋式放大機(jī)構(gòu)和菱形放大機(jī)構(gòu)稱為單級(jí)放大機(jī)構(gòu),由多個(gè)單級(jí)放大機(jī)構(gòu)組成的放大機(jī)構(gòu)稱為多級(jí)放大機(jī)構(gòu)。多級(jí)放大機(jī)構(gòu)可以進(jìn)一步擴(kuò)大微夾鉗的夾持行程,提高放大倍數(shù)[7]。Cui Y G等人[8]基于杠桿放大原理設(shè)計(jì)的對稱微夾鉗可以實(shí)現(xiàn)平行夾持,實(shí)際最大夾持力分別為8.02 mN和9.24 mN,左右鉗指的實(shí)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[9]基于杠桿放大原理設(shè)計(jì)的非對稱微夾鉗,實(shí)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[10]基于杠桿放大原理設(shè)計(jì)的對稱微夾鉗,實(shí)現(xiàn)3.68倍位移放大,通過理論分析證實(shí)了左右鉗指的雙向?qū)ΨQ輸出力相同,但在實(shí)際夾持過程中,很難滿足左右鉗指輸出力相同的要求。Ai W和Xu Q[11]基于杠桿放大原理與橋式放大原理設(shè)計(jì)的對稱放大微夾鉗,理論放大倍數(shù)為12.6倍；Sun X等人[12]基于杠桿放大原理與橋式放大原理設(shè)計(jì)的多級(jí)放大微夾鉗,實(shí)際放大倍數(shù)為16.4倍；文獻(xiàn)[11,12]設(shè)計(jì)的微夾鉗同時(shí)具有放大倍率高的優(yōu)點(diǎn),但不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾持。

綜上所述,有必要設(shè)計(jì)一種放大倍率高、結(jié)構(gòu)緊湊的大位移壓電微夾鉗,本文設(shè)計(jì)的微夾鉗結(jié)構(gòu)緊湊、仿真放大倍率為11.56。

1 模型設(shè)計(jì)

圖1為微夾鉗平面圖,機(jī)構(gòu)的尺寸為46.50 mm×45.12 mm×5 mm。微夾持機(jī)構(gòu)主要由直圓形柔性鉸鏈、直片形柔性鉸鏈、鉗指、杠桿放大機(jī)構(gòu)、菱形放大機(jī)構(gòu)、螺紋固定孔、預(yù)緊螺栓組成。

圖1 微夾鉗平面圖

取微夾鉗右半部分進(jìn)行分析,其偽剛體模型如圖2所示,xin,xout分別壓電陶瓷的輸入位移和微夾鉗指的輸出位移,機(jī)構(gòu)的主要尺寸如表1所示。連桿機(jī)構(gòu)ABC可視為曲柄滑塊機(jī)構(gòu),如圖3所示。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中,Y軸,X軸方向的變形量分別為ΔBy,ΔAx。存在如下關(guān)系

(1)

vAx=wABlOA

(2)

vBy=vBcosθ=wABlOBcosθ

(3)

因連桿AB的長度等于連桿BC的長度,將式(2)、式(3)代入式(1),得出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位移放大比為

(4)

則微夾鉗的理論放大比為

(5)

圖2 微夾鉗PRBM

表1 機(jī)構(gòu)主要尺寸

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

2 仿真分析

微夾鉗設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1)微夾鉗選用材料為7075鋁合金,彈性模量E=71 GPa,泊松比ν=0.33,屈服強(qiáng)度σ=455 MPa,密度ρ=2 810 kg/m3。

2)微夾鉗鉗體厚度為5 mm。

圖4(a),(b)為微夾持器在輸入端施加20 μm輸入位移作用下,未夾持零件時(shí)對應(yīng)的位移云圖和應(yīng)力云圖。如圖4(a)所示,在20 μm輸入位移作用下,鉗指單邊輸出位移為231.14 μm,仿真放大倍率為11.56倍且能實(shí)現(xiàn)平行夾持；在最大輸出位移作用下,微夾鉗最薄弱處所受的最大壓強(qiáng)為227.94。小于材料的屈服強(qiáng)度,產(chǎn)品可以安全使用。

圖4 微夾鉗位移、應(yīng)力分析

圖5為壓電陶瓷輸入位移與鉗指輸出位移之間的關(guān)系,壓電陶瓷輸入位移與鉗指輸出位移具有線性關(guān)系,表明微夾鉗性能穩(wěn)定。理論值與仿真值相比,得出誤差為6.32 %,這主要?dú)w因于二級(jí)放大機(jī)構(gòu)對單級(jí)放大機(jī)構(gòu)有一定的抑制作用。

圖5 壓電陶瓷輸入位移與鉗指輸出位移關(guān)系

3 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)對稱微夾鉗與傳統(tǒng)非對稱微夾鉗的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)一種大大位移非對稱微夾鉗。同時(shí)具備對稱微夾鉗輸出位移大與非對稱微夾鉗鉗指夾持性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。分別通過理論計(jì)算與仿真分析得出輸入位移與輸出位移之間的關(guān)系,得出誤差為6.32 %,在誤差允許的范圍內(nèi),證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性。