新型非對稱階梯式微夾鉗設(shè)計*

陳曉東，胡思雅，鄧子龍，高興軍

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

0 引 言

微電子工業(yè)作為一個多元化行業(yè)，在過去的幾十年里得到了快速的發(fā)展。微操作作為微電子工業(yè)的一項關(guān)鍵技術(shù)[1]，在微/納米技術(shù)[2]、精密加工[3]、生物工程[4]、醫(yī)療科學(xué)[5]等領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。微夾鉗作為微操作的末端執(zhí)行器，與微零件或組件直接接觸。決定著微操作任務(wù)能否成功。

從研究現(xiàn)狀來看，微夾鉗的關(guān)鍵問題包括選取驅(qū)動方式、增加位移放大倍率、提高夾持精度。目前，微夾鉗常用的驅(qū)動方式有壓電驅(qū)動、靜電驅(qū)動、電熱驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動等。相比于其他驅(qū)動方式，壓電驅(qū)動具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、輸出力大的優(yōu)點[6～8]；微夾鉗增加位移放大倍率主要通過位移放大機構(gòu)來完成，常用的放大機構(gòu)有杠桿放大機構(gòu)、橋式放大機構(gòu)和菱形放大機構(gòu)。橋式放大機構(gòu)和菱形放大機構(gòu)將壓電陶瓷置于放大機構(gòu)內(nèi)部，相比于杠桿放大機構(gòu)可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊。杠桿放大機構(gòu)、橋式放大機構(gòu)和菱形放大機構(gòu)均屬于單極放大機構(gòu)。單極放大機構(gòu)放大倍數(shù)有限，擴大夾持行程主要通過多個單極放大機構(gòu)組合成的多級放大機構(gòu)完成[7]，設(shè)計的微夾鉗在應(yīng)用多級放大機構(gòu)的同時在鉗指處采用階梯式設(shè)計，有效提高了夾持位移；提高夾持精度的方式主要包括兩方面：微夾持運動學(xué)精度和微夾持夾持力精度。微夾持運動學(xué)精度主要體現(xiàn)為平行夾持精度，當(dāng)微夾持對象為球形，橢圓形或者不規(guī)則形狀以及薄壁物體時，平行夾持更加穩(wěn)定且可以避免應(yīng)力集中破壞微夾持物[8,9]。微夾持夾持力精度主要體現(xiàn)為夾持力的控制，對稱微夾鉗左右鉗指輸出力很難控制，很容易因受力不均勻易破壞微零件，非對稱微夾鉗有效的避免了這一問題[10]。文獻(xiàn)[11]基于杠桿放大原理設(shè)計的非對稱微夾鉗，實際放大比為6倍，可以實現(xiàn)平行夾持且夾持性能穩(wěn)定，但存在結(jié)構(gòu)不夠緊湊且位移放大倍率低的缺點；文獻(xiàn)[12]基于杠桿放大原理設(shè)計的非對稱微夾鉗，實際放大比為4.16倍，可以實現(xiàn)平行夾持且夾持性能穩(wěn)定，但存在結(jié)構(gòu)不夠緊湊且位移放大倍率低的缺點；文獻(xiàn)[13]基于杠桿放大原理設(shè)計的非對稱微夾鉗，實現(xiàn)二自由度夾持，但結(jié)構(gòu)不夠緊湊且不能平行夾持，影響夾持精度綜上所述，有必要設(shè)計一種位移放大倍率高、夾持精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的壓電驅(qū)動非對稱階梯式微夾鉗。

本文設(shè)計的壓電驅(qū)動非對稱階梯式微夾鉗最大位移放大率為20.566，放大率高、結(jié)構(gòu)緊湊且實現(xiàn)平行夾持。

1 微夾鉗設(shè)計

1.1 微夾鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為微夾鉗結(jié)構(gòu)圖，機構(gòu)的尺寸為43.13 mm×25.75 mm×5 mm。其中,鉗指采用階梯式設(shè)計，上下鉗指夾持位移相差400 μm,有效提高了鉗指的夾持范圍。

圖1 壓電微夾鉗結(jié)構(gòu)

1.2 運動學(xué)模型分析

基于偽剛體模型思想將柔性鉸鏈視為帶扭簧的活動鉸鏈，將連桿視為剛性桿件。因此，對微夾鉗右半部份進(jìn)行分析，其等效模型如圖2所示,對應(yīng)機構(gòu)的主要尺寸如表1所示。

圖2 微夾鉗偽剛體模型

表1 機構(gòu)主要尺寸

lABeθ1i+lBEeθ2i=lAFeθ3i+lEFeθ4i

(1)

lABeθ1i+lBCeθ2i+lCDeθ5i=Seπi/2

(2)

對式(1)、式(2)關(guān)于時間求導(dǎo)

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。

令公式實部和虛部分別相等，存在以下關(guān)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。

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

即

(6)

(7)

位移放大率可表示為

(8)

式中vo和vi分別為輸入端和輸出端速度。vo和vi的速度表示為

(9)

將式(9)代入式(8)可得

(10)

2 有限元分析

設(shè)計參數(shù)如下：微夾鉗和微零件材料為7075鋁合金，彈性模量E=71 GPa，泊松比ν=0.33，屈服強度σ=455 MPa，密度ρ=2 810 kg/m3。

圖3(a)為微夾持器在輸入端施加20 μm輸入位移作用下，未夾持零件時對應(yīng)的位移云圖?？梢郧宄乜吹剑A持器在閉合過程中，鉗指實現(xiàn)平行夾持，有效地避免了寄生位移的產(chǎn)生，單邊最大輸出位移為411.32 μm，位移放大為20.566倍；圖3(b)為應(yīng)力云圖，對應(yīng)的最大應(yīng)變?yōu)?51.87 MPa，小于材料的屈服強度，產(chǎn)品可以安全使用。

圖3 微夾鉗性能分析

3 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)對稱微夾鉗與非對稱微夾鉗的缺點，設(shè)計一種階梯式非對稱微夾鉗。通過有限元仿真分析可以得出，在20 μm輸入位移作用下，最大可夾持位移為811.32 μm微零件，仿真放大比為20.566，傳統(tǒng)夾持位移為411.32 μm，通過階梯式設(shè)計有效提高了400 μm夾持行程。此階梯式設(shè)計方法為同類微夾鉗的研究提供了有益參考。