基于柔性機構(gòu)的大位移壓電驅(qū)動非對稱微夾鉗設計

李 靜

(河南工學院 電子信息工程學院,河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

微操作技術作為前沿科技的一項關鍵技術,在微機電系統(tǒng)(MEMS)、精密工程、光纖對接、生物工程等領域受到廣泛關注[1]。微夾鉗作為微操作的末端執(zhí)行器,主要由驅(qū)動機構(gòu)、位移傳遞機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)[2]構(gòu)成。應用于微夾鉗的常見驅(qū)動方式有壓電驅(qū)動、靜電驅(qū)動、電熱驅(qū)動、記憶合金驅(qū)動、電熱驅(qū)動等[3],相比于其他驅(qū)動方式,壓電驅(qū)動具有響應速度快、靈敏度高、輸出力大的優(yōu)點[4]。現(xiàn)今,微夾鉗的主要研究方向為提高夾持精度、擴大夾持行程[5]。

一方面,平行夾持作為提高夾持精度主要途徑,平行夾持可以夾持不同形狀的不規(guī)則物體；相比于角夾持,平行夾持可以避免對薄壁物體造成應力集中；另一方面,非對稱微夾鉗相對于對稱微夾鉗夾持力的力學精度更容易控制。傳統(tǒng)的剛性機構(gòu)由于其構(gòu)件間摩擦、裝配間隙等問題,很難實現(xiàn)高精度操作,不符合微夾鉗設計要求,柔性機構(gòu)具有無摩擦、免裝配的優(yōu)點,符合產(chǎn)品需求,廣泛應用于微操作領域。

擴大夾持行程主要通過位移放大機構(gòu)完成。目前常見的放大機構(gòu)有杠桿放大機構(gòu)[6]、平行四桿機構(gòu)[7]、菱形放大機構(gòu)[8]、橋式放大機構(gòu)[9]。單級放大機構(gòu)擴大行程有限,大位移高倍數(shù)位移放大主要通過多級放大機構(gòu)完成；文獻[10]采用單級放大原理,理論放大比為4倍,且不能平行夾持；文獻[11]采用單級放大原理,實際夾持行程為190 μm,放大比為9.5倍；文獻[12]采用二級放大原理,實際夾持行程為320 μm,放大比為16倍；文獻[13]雖采用二級放大原理,但鉸鏈約束過多,導致實際放大比僅為4.66倍；文獻[14]采用二級放大原理,實際夾持行程為300 μm,放大比為15倍；文獻[15]采用二級放大原理,實際夾持行程為328 μm,放大比為16.4倍。綜上所述,關于微夾持機構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,但不難發(fā)現(xiàn),提高壓電驅(qū)動微夾鉗放大倍率是一個主要研究方向。提高微夾持精度(夾持力精度和夾持位移精度是必要的。因此,有必要設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)動非對稱微夾鉗。本文設計的壓電驅(qū)動非對稱微夾鉗最大位移放大率為19.1,具有高放大率、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。

1 微夾鉗設計

1.1 夾鉗結(jié)構(gòu)

微夾鉗結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,主要由橋式放大機構(gòu)、杠桿放大機構(gòu)、平行四桿機構(gòu)、螺紋固定孔等結(jié)構(gòu)組成。微夾鉗尺寸為68.8 mm×24.1 mm×5 mm,通過固定座將微夾鉗固定在微操作平臺上,直流電源通電后,壓電陶瓷伸長,使橋式放大機構(gòu)產(chǎn)生向內(nèi)的拉力,通過彎曲梁帶動杠桿放大機構(gòu)向內(nèi)運動,完成微夾鉗的夾持動作。

圖1 微夾鉗結(jié)構(gòu)

1.2 橋式放大機構(gòu)分析

菱形放大機構(gòu)的機構(gòu)圖如圖2所示,壓電陶瓷通電機構(gòu)發(fā)生變形,水平方向發(fā)生的變形量為2Δx,豎直方向發(fā)生的變形量為2Δy。

圖2 菱形機構(gòu)變形

橋式放大機構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu),四條橋式臂的變形量相同,取一條橋式臂進行受力分析,對應的受力分析圖如圖3所示,取圖2左上邊橋式臂AB進行分析,壓電陶瓷產(chǎn)生水平推力后A點沿水平方向向左運動到A′處,B點沿豎直方向向左運動到B′處,設菱形臂AB所受力矩為逆時針,則菱形臂AB所受力矩為2Mr。

圖3 菱形機構(gòu)單臂變形

根據(jù)受力關系,得出關系式如下

(1)

取橋式臂AB上任意一點,距離A點距離為c,對應的力和力矩方程分別為

(2)

根據(jù)卡氏第二定理,橋式臂在x方向的變形量

(3)

式中EA為抗拉剛度,EI為彎曲剛度。

同理,橋式臂在y方向的變形量

(4)

橋式放大機構(gòu)位移放大比

(5)

基于偽剛體模型法[16]對雙杠桿放大機構(gòu)進行分析,機構(gòu)的偽剛體模型如圖4所示,下端杠桿放大機構(gòu)運動帶動上端杠桿放大機構(gòu)發(fā)生二次變形,機構(gòu)未發(fā)生變形時線段OA與水平方向的夾角為θ,機構(gòu)發(fā)生變形后,夾角θ的變化量為Δθ,則存在如下幾何關系

圖4 雙杠桿放大機構(gòu)偽剛體模型

(6)

dp=l5[sin(θ+Δθ)-sinθ]

(7)

在運動過程中,柔性鉸鏈產(chǎn)生微小變形,最大變形量通常不超過本身尺寸的0.1%,則Δθ≈0,所以機構(gòu)的位移放大率可以表示為

(8)

因此,微夾鉗位移放大比

(9)

2 有限元仿真分析

微夾鉗及微零件選材為7075鋁合金,彈性模量E=71 GPa,泊松比ν=0.33,屈服強度σ=80 MPa,密度ρ=2 770 kg/m3。壓電陶瓷選用PST150/2×3/20,標稱位移為20 μm,通150 V直流電后,微夾鉗的位移云圖如圖5所示。輸入端壓電陶瓷伸長量達到標稱位移20 μm后,微夾鉗活動鉗指的單邊輸出位移為381.97 μm,放大倍數(shù)為19.1倍。與之對應應力強度為249.6 MPa,小于鋁合金屈服強度480 MPa,產(chǎn)品正常使用。此時微夾鉗鉗指的偶合位移為0.24 μm。

圖5 有限元性能分析

由圖6(a)可知,壓電陶瓷通電后,壓電陶瓷伸長量與單邊輸出位移均呈線性關系,說明位移傳遞機構(gòu)穩(wěn)定性高；由圖6(b)可知,位移傳遞機構(gòu)的單邊輸出位移和偶合位移呈線性關系,耦合位移率為0.06 %。

圖6 位移傳遞機構(gòu)性能關系

固定微夾鉗的螺紋孔,對微夾鉗進行模態(tài)分析,得出各階模態(tài)對應的固有頻率,為檢測微定位平臺的模態(tài)振型和模態(tài)頻率。取前4階模態(tài)圖,相應的共振頻率如圖7所示。結(jié)果表明,1 034.4 Hz下的第1階模態(tài)是由橋式放大機構(gòu)沿Z軸方向旋轉(zhuǎn)變形引起的。1 723.7 Hz下的第2階模態(tài)、2 439.7 Hz下的第3階模態(tài)是由豎直方向橋式放大機構(gòu)彎曲變形引起的,5 225.3 Hz下的第4階模態(tài)是機構(gòu)整體彎曲變形引起的。

從圖7的4階模態(tài)振型圖可以看出,有限元模態(tài)分析結(jié)果顯示4階模態(tài)與機構(gòu)的廣義坐標對應的模態(tài)一致,是所需要的振型,固有頻率約為5 225.3 Hz,而其余3階不需要的模態(tài)振型會通過自行設計的柔性支撐結(jié)構(gòu)進行抑制,對此,不進行考慮。

圖7 微夾鉗前4階模態(tài)

3 結(jié) 論

本文基于組合方法原理設計一種柔性壓電微夾鉗,為了獲取較大的位移放大比,位移傳遞機構(gòu)采用三級放大機構(gòu)。為了獲取較高的夾持精度,夾持機構(gòu)采用平行夾持,位移傳遞機構(gòu)采用非對稱結(jié)構(gòu)設計。有效提高了微夾鉗的位移放大比和夾持精度。結(jié)合“偽剛體模型”思想,計算出微夾鉗的位移放大比,通過有限元仿真分析得出微夾鉗的性能,結(jié)果表明,本文設計的微夾鉗與同類微夾鉗相比,有著較大的夾持位移和較高的放大倍數(shù)。