低寄生位移柔性平行微夹持器拓扑优化设计

针对压电驱动柔性微夹持器在夹持过程中易产生旋转和滑移现象,不能很好地实现稳定夹持的问题,采用连续体结构拓扑优化方法设计了柔性微夹持器。采用固体各向同性材料惩罚模型拓扑描述方法,将输出位移与输入位移比最大、旋转角度最小、寄生位移最小和末端刚度作为优化目标。使用分层序列法将拓扑优化问题分为两个阶段,建立了柔性平行微夹持器的拓扑优化设计模型,用优化准则法求解得到低寄生位移柔性平行微夹持器,与未抑制旋转角度和寄生位移的微夹持器进行仿真对比,验证了算法的有效性。加工微夹持器并测得单位寄生旋转和相对寄生位移分别为0.00138427 mrad/μm和0.7%,具有较低的寄生位移和旋转角度,能够实现平行夹持,验证了设计的有效性。

柔性铰链微夹持机构的研究

在研究柔性铰链的基础上,介绍了平面柔性铰链微夹持机构的设计与制作,并对此进行了张合实验.利用解析法和实验,分别得出了平面柔性铰链夹持机构的放大倍数和总张合量.通过调整杠杆机构各个臂长之间的关系,就可以改变微夹持机构的放大倍数和输出的大小,夹持部分的张和量是输入位移的96倍.研究结果表明,平面柔性铰链微夹持机构的输入和输出位移具有良好的线性度,放大倍数可以根据需要进行调整.采用压电陶瓷作为动力组件,通过对压电陶瓷施加电压的调节来精确控制其张合量的大小,可用于对微型零件的操作,因此具有精度高、易控制、性能稳定的优点,可集成于微型装配系统中,并具有广阔的应用前景.

基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。

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。

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。

基于有限元方法的柔性铰链式微夹持器优化设计

设计了一种以柔性铰链为转动副的微夹持器。微夹持器采用压电陶瓷驱动,具有结构简单、加工方便、夹持范围大等优点。在设计过程中,采用有限元方法,推导了柔性铰链的刚度矩阵与一致质量矩阵,优化了微夹持器的结构尺寸。为了验证算法的正确性,根据优化后的尺寸建立了几何模型,并利用ANSYS有限元分析软件对夹持器进行了静力学和动力学分析,分析结果与计算结果吻合较好,说明了算法的正确性。

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。

新型集成三维微力检测微夹持器

提出了一种以压阻检测技术为基础,压电陶瓷为微驱动元件,具有两级位移放大且集成三维微力传感器的微夹持器。采用有限元软件对微操持器放大机构和传感器弹性体进行分析,并给出了传感器的标定方法。实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点,满足了预计的设计要求,传感器最大量程为10 mN,X向与Y向的分辨率均为2.4μN,Z向的分辨率为4.2μN;同时也验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性,当压电陶瓷驱动电压取200 V时,微夹持器的张合量达到最大值274μm。

两级位移放大微夹持器的研究

微夹持器是完成微操作、微装配作业任务的重要工具,其体积、质量、张合量、微夹持力等是微夹持器设计过程中的重要指标。利用压电陶瓷作为微驱动元件设计了一种具有两级位移放大的微夹持器,并采用有限元软件对其进行张合量、微夹持力的分析。经实验测试,验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性。

一种集成三维微力传感器的微夹持器研制

微操作中力的检测与控制是实现无损伤操作的关键。因此,该文提出了一种以压阻检测技术为基础,集成三维微力传感器的微夹持器。传感器标定实验结果表明,该传感器具有耦合小,测量分辨率高,线性度好的优点。传感器量程为-10^+10 mN,在x、y向的分辨率均为2.4μN,z向的分辨率为4.2μN。微夹持器采用压电陶瓷驱动两级柔性放大机构,实现张合量300μm,完成了微夹持实验。

柔顺微夹持机构理论分析与实验

微操作系统中柔顺微夹持机构作为执行端是完成微操作的关键部件。提出了一种新型柔顺微夹持机构,利用虚功原理建立了该微夹持机构的伪刚体模型,推导了微夹持机构的位移方程,得到了该微夹持机构的输入位移与输出位移以及驱动力与输出位移关系。建立了该微夹持机构的三维模型,并在ANSYS软件中进行仿真,将仿真结果与理论结果进行比较,验证理论模型的准确性。最终加工了该微夹持机构并进行了实验,将实验数据与理论值、仿真值进行对比,进一步验证了理论模型的准确性。

具有力感知功能的四臂式MEMS微夹持器研制

为使夹持器小型集成化且夹持力可控,采用体硅加工技术研制了一种基于单晶硅的、具有微力检测功能的新型四臂式MEMS微夹持器。以压阻检测技术为基础,利用MEMS侧面压阻刻蚀工艺将力传感器集成在微夹持器的夹持臂末端,实现夹持力的微力检测。采用有限元软件分析,微夹持器机构和传感器弹性体,并通过S型柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化为夹持臂末段的转动,然后结合四臂式的末段结构,有效地扩展夹持器的夹持范围。利用硅玻璃键合技术实现夹持臂的电隔离,通过施加80V电压,夹持臂的单臂运动范围为25μm,夹持器的夹持范围为30～130μm。实验标定出传感器的最大量程在1mN以上,分辨率为3μN,可以实现夹持力的有效反馈。

基于体硅工艺的静电致动微夹持器制作工艺分析

介绍了一种基于体硅工艺的大尺寸、大深宽比梳状静电致动微夹持器的制作工艺。对微夹持器制作中的关键工艺进行分析,重点分析ICP蚀刻工艺的蚀刻时间对结构的影响,总结导致器件失效的原因,探讨了减少失效的方法。加工过程中采用分步加工的办法控制蚀刻时间,成功的释放了宽6μm,厚60μm,等效长度达5470μm的悬臂梁型微夹持臂。研制出一种良好性能的具有S形柔性结构夹持臂的梳状静电致动微夹持器。

集成三维力传感器的微夹持器设计与试验

设计了一种集成三维力传感器微夹持器,通过压电陶瓷堆驱动和柔性铰链放大来实现夹持动作.微夹持器的弹性体为2个L型结构,对L型结构进行了优化设计和受力仿真分析,在2个L型结构的相应敏感部位分别粘贴3组应变片对空间三维力进行测量.通过试验验证了微夹持器的合理性和实用性.

复合式MEMS微夹持器的研制

为实现对亚毫米微小构件稳定夹取及可靠释放等操作,研制了一种复合式微夹持器。采用有限元软件分析了微夹持器的机构及动力特性。应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与气动吸放集成构成复合式驱动,气动吸放的引入改善了微夹持器的操作性能,S形柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化成末端夹爪的转动实现了夹持操作。两种不同尺寸的微夹持器,有效扩展了微夹持器的夹持范围。根据微夹持器的操作控制需求,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及气压控制系统。在80V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移可达25μm。针对100～200μm的小球进行了微操作实验,实验结果表明,静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的气路正压力能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现可靠的释放操作。微夹持器基本满足100～200μm微小构件的操作需求。

一种具有力传感的微夹持器设计与标定

为了避免微夹持器在夹持微小对象过程中对其造成损伤或脱落,要求对夹持力进行预测和控制。提出了一种将电阻式应变片集成于微夹持器结构实现结构-传感一体化设计。以夹持力产生的应变最大、压电陶瓷驱动力产生的应变最小为目标对传感单元的尺寸参数进行优化设计。采用最小二乘方法分别标定压电驱动器输入电压、夹持力与力传感单元应变之间的关系。结果表明,描述驱动电压与传感单元应变的关系为3阶多项式,力传感单元应变与夹持力之间的关系为线性关系。可得出夹持力与驱动电压之间的关系为3阶多项式,利用该关系式可实现预测和控制夹持力。所提出的设计思路和标定方法为微夹持器设计提供一种新思路。

基于柔性铰链的二级放大微夹持器的研究

微夹持器是微装配系统的关键部件,设计了一种以柔性铰链为基础的二级位移放大机构的夹持器,该夹持器由压电陶瓷驱动。计算了夹持器的放大倍数和柔性铰链的节点应力,并对夹持器的最大张合量、放大倍数、夹持力和刚度进行有限元仿真分析。分析结果表明:夹持器的结构设计满足实际应用要求,对实现微小零件的自动装配有实际意义。

电热微夹持器的结构设计与数值仿真分析

微型机械电子系统(MEMS)是近年来研究的热点,其中微夹持器的研究受到越来越多的关注。文中采用有限元软件ANSYS对平行梁结构电热微夹持器进行了数值仿真分析,模拟出微夹持器的输出位移、末端刚度、夹持力与响应时间等性能参数随结构尺寸的变化情况,并对仿真的结果进行了讨论。

体硅工艺静电致动微夹持器的试验研究

对一种梳状静电致动微夹持器的特性进行了测试。采用显微镜 -CCD -微机测试方案 ,微夹持器的状态信息通过数据采集及图像处理获取 ,得到“电压 -位移”特性曲线并建立了数学方程。对特性方程的分析表明理论设计与试验结果的一致性与合理性。并分析了从设计、加工到测试过程中引起理论设计与实际器件性能差异的主要因素 ,表明现有的微机械设计理论与加工水平存在一定的不足。由试验结果中获取了相关微机械器件的设计经验。

基于Kriging模型的微夹持器优化设计

为了综合平衡一种新型微夹持器的张合量、夹持力灵敏度与快速响应,提出一种Kriging模型的优化方法。采用拉丁超立方抽样方法确定试验点,采用ANSYS计算各试验点对应的响应值。进行相关性分析以确定对性能影响较大的结构参数,并将其作为优化设计变量。采用Kriging理论建立能反映性能指标与设计变量之间关系的非线性模型,并建立多目标优化模型。比较分析优化前与优化后的各性能指标可知,放大倍数增大了7.4%,固有频率增大了16.46%,输出刚度增大了9.84%,最大应力减小了5.75%,说明所提出的性能优化方法有效。