一种集成微力检测的压电式微夹钳

针对微装配任务设计了一种双悬臂梁结构的压电双晶片微夹钳,该微夹钳由两个压电双晶片驱动.建立了压电双晶片的复合梁模型,并对它的微位移—电压特性、夹持力—应变特性进行了数学分析.通过检测悬臂梁根部的应变信号实现对微夹钳夹持力的检测.实验证明该微夹钳工作可靠,能够满足微装配机器人装配任务的要求.

集成微力检测与反馈的双晶片微夹持器

微夹持器广泛应用于微装配、生物、医疗等领域。目前复杂武器装备生产中的微小型结构件及系统的夹持和装配还是依靠现场工作人员的经验决定,因此,有必要对微夹持器进行研究。以双晶片微夹持器为例,针对复杂三维微小型结构件及系统,提出了集成微力检测与反馈的组合式微夹持技术并研制了相应的微夹持器;阐述了微力检测与反馈的基本原理,搭建了面向双晶片压电陶瓷微夹持器的基于半导体应变片的微力检测与反馈电路。通过夹持实验实现了微力信号的测量与检测,为夹持、移动和装配过程中的微力测量提供了条件。

微构件力学性能测试技术进展

阐述了微构件力学性能的研究现状与存在的力学性能参数表征问题,而后重点介绍了微构件力学性能测试中相关的驱动方式、微位移检测和微力检测技术。

用于微装配的三维微力传感器的研究

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的性能指标,在x、y、z3个方向的微力测量分辨率为0.001 N,测量精度可达0.005 N,测量范围为-0.5^+0.5 N。最后设计了微装配作业控制系统,并利用该传感器实现力位移混合控制,顺利完成了180μm微型轴与200μm微型孔间的精密微装配实验研究。

适用于ICF靶夹持的多用微夹持器

针对惯性约束聚变靶零件的特点和靶装配应用环境,研制了一种多用微夹持器。该微夹持器以压电陶瓷驱动柔性钳体,集成张合量和夹持力控制功能,可更换各种形状夹口和调整夹口初始开口距离,以适应多种靶零件的夹持。利用有限元分析方法对钳体柔性机构进行了优化设计。通过检测钳体张合时不同部位柔性铰链的应变量,实现了张合量和夹持力的独立控制,并对张合量和夹持力进行了精确标定。实验结果表明:微夹持器张合量达到1 320μm,其控制分辨力为5μm;夹持力为365.0 mN,其控制分辨力1.3 mN。

面向中间尺度零件精密装配的微夹持器

中间尺度零件广泛地被应用于复杂微小型武器系统的研发和生产中。中间尺度零件的尺度范围跨度大,形状种类多样,结构易被损坏,在目前我国武器装备科研生产中主要以手工装配为主,效率低,可靠性差。因此,如何在自动化操作和装配过程中对中间尺度零件进行安全可靠的夹持,一直是微小型武器系统精密装配领域的一个难点。研制了一种针对特征尺寸在亚毫米级至厘米级的轴类和块类零件的跨尺度微夹持器,通过成对的刚性-柔性夹爪以及精密直线运动平台的驱动来实现夹持动作,用粘贴于柔性夹爪上的应变片传感器所构成的电桥来实时测量零件所受夹持力作为控制依据。对柔性夹爪的结构参数进行了优化设计,提出同类夹爪关于所面向零件尺寸的优化设计模型。对柔性夹爪进行仿真分析,确定应变片最佳粘贴位置,推导针对柔性夹爪的特殊结构的应变-夹持力计算模型。夹持-释放实验结果表明,该夹持器能够对中间尺寸零件进行稳定、无损伤的夹持并可获得准确的夹持力信息。

IC晶圆高效稳定传输原理与实现

在超大规模集成电路(IC)制造过程中,晶圆需要在数百道工艺之间频繁传输,晶圆传输能力对整个IC产业的发展至关重要。晶圆传输机器人是IC制造领域的关键设备之一,承担着晶圆定位与快速、平稳搬运任务。随着IC制造向着大尺寸(直径≥300mm)晶圆与小线宽(≤32nm)方向发展,晶圆生产线工序更集中,加工速度更快,工作环境更洁净,这对晶圆传输机器人性能提出了更高要求。为了实现大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输,我们从晶圆传输机器人精确平稳轨迹跟踪控制、面向晶圆传输的微阵列传输面设计以及接触面微力与粘滑检测触觉传感器设计等3个方面开展了研究。针对现有晶圆传输机器人样机中各个运动关节不同步和末端手的振动问题,我们提出把交叉耦合控制技术和输入整形控制同时应用到平面关节型晶圆传输机器人中,达到减小轨迹跟踪时的轮廓误差和消除柔性传动环节引起的末端执行器振动的目的,实现了机器人精确平稳轨迹跟踪控制。针对目前凸点支承式末端执行器传输晶圆时摩擦系数较小、传输效率低下的不足,我们提出了一种基于微米级垂直微阵列结构的新型晶圆传输面设计方法,实验表明该方法有效提高了晶圆传输加速度,可显著提高晶圆传输效率。针对大尺寸晶圆高效可靠传输过程中接触信息检测需求,我们提出了一种新型的晶圆传输接触面微力与粘滑传感器系统方案,即利用压敏导电墨(PSCI)的压阻效应实现三维力测量以及利用电磁感应原理实现粘滑检测,并通过实验验证了该方法的可行性。本文依次从问题提出、国内外研究现状分析、研究特色与实验验证等方面分别对上述3个部分的研究内容进行了分析与阐述。最后,结合上述分析,本文对现阶段的研究成果进行了总结,并提出了下一步的研究设想。