压电双轴驱动柔顺微夹钳设计与控制

提出了一种压电双轴驱动对称结构的柔顺微夹钳。该微夹钳由2个对称分布的桥式放大器组成,每个桥式放大器分别连接到一个杠杆机构来放大输出位移。利用虚功原理和拉格朗日方程建立运动学和动力学模型。考虑到各参数对机械结构的影响,分析机构的静力学和动力学特性,同时采用有限元方法对建立的模型进行评估和验证。为了进一步揭示所设计的微夹钳的性能,利用线切割方法加工出了微夹钳样机。采用动态面控制算法对系统进行了一系列控制实验来说明微夹持器的运动特性。结果表明:微夹持器的左、右放大器的放大倍率分别为11.25和11.67,其位移跟踪性能好,通过夹持纸片,检测了末端微夹持力的大小,验证了前面设计分析的正确性和可行性。

面向软材料搓动夹持的微夹钳设计与分析

为实现软材料在微纳尺度的夹持与搓动等操作,提出了一种基于压电驱动的具有搓动夹持功能的微夹钳装置。基于桥式放大器和杠杆机构的联合放大作用,增大了压电陶瓷驱动器输出端有限行程。通过正交布置的柔性铰链机构,实现搓动与夹持两自由度方向上的运动解耦。对机构的放大倍数和刚度等参数,建立了理论建模,并进行了有限元分析,验证了设计的合理性。夹持方向和搓动方向的位移放大倍数分别为11.30和8.11,行程分别达到了225,162μm,第一阶固有频率为164.81 Hz。

基于微型泵和颗粒阻塞的通用柔性微夹钳设计

针对自动化分拣系统中夹持装置很难实现微型化的问题,提出并制备一种通用柔性微夹钳。研究利用电共轭流体产生的射流和颗粒材料产生的堵塞实现柔性抓取的工作原理。微夹钳的整体结构包括1个带有电共轭流体射流发生器的微型泵和1个小型颗粒阻塞夹持器。通过调节微型泵中薄膜中的气压,颗粒阻塞夹持器可以迅速抓取各种尺寸和形状的物体。通过弹性膜的变形分析,推导出微夹钳数学模型并验证其抓取性能。最后,制备的微夹钳原型的外径为14 mm,总长度为40 mm,末端直径为10 mm。研究结果表明:选取二乙二醇丁醚醋酸酯作为工作液时,在颗粒材料填充率为50%且电压为4 kV的条件下,微夹钳的最大抓取力为93 mN,可在0.6 s内迅速完成多种形状精密件的抓取。

压电微夹钳钳指位移与夹持力的检测

为避免在利用压电微夹钳夹持微对象过程中可能造成微对象的损伤或脱落,提出用电阻应变片来检测压电微夹钳的钳指位移与夹持力。采用柔性杠杆放大机构设计了微夹钳,该微夹钳结构微小且紧凑、钳指可平动、指尖夹持灵敏度高。基于悬臂梁弯曲变形理论及有限元方法,分析了用于检测钳指位移与夹持力的微夹钳弹性敏感单元的应变特性。分析结果表明:敏感单元的最大应变部位靠近其底端,钳指位移与夹持力同敏感单元的应变成正比;实验标定了钳指位移与夹持力同弹性敏感单元应变的关系,标定结果表明两种关系均为线性关系;最后实验测试了钳指位移与夹持力的大小。结果表明:在150V的最大电压下,不夹持微对象时钳指的最大位移为78.35μm,夹持Φ0.3mm、长8mm的微轴时钳指的夹持力为9.24μN。

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.

微夹钳研究的进展与展望

微夹钳技术是微机械技术的重要内容之一。本文首先论述了微夹钳的应用背景，回顾了微夹钳技术研究的历史及现状；对目前国内外所研究的微夹钳进行了分类，并对其结构工艺与工作原理进行了分析；最后，对微夹钳技术的发展进行了展望。

微夹钳技术发展现状及应用研究

微夹钳是最典型的微执行器，它可以充当机器人手爪，配合各种多自由度驱动装置成为微机器人。微夹钳单元技术与微装配、微操作、微焊接、微封装等系统技术紧密地联系在一起。由于它的重要性和广泛的应用，近年来已成为微机械领域研究的热点。本文首先介绍了微小领域中物体夹持的物理背景，阐述了粘附力的规律和解决方法；详细介绍了已有的微夹钳的研究进展状况，结合作者的科研工作，阐述了有代表性的几种微夹钳的工作原理及工艺制作方法；指出了微夹钳的发展和功能优化方向，以期对微夹钳的研究工作起到一定借鉴作用。

压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。

电热驱动镍微夹钳的设计及制作

为实现微系统产业化开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳,采用电热驱动方式、V形梁阵列式电热驱动器为钳体部分提供输入位移,钳体部分应用拓扑优化方法进行设计以实现输入位移放大。金属镍作为制作微夹钳的材料,用紫外光刻微电铸脱模技术工艺制作了电热镍微夹钳。通过正交试验,得到加工SU-8铸模的最优工艺参数,对影响工艺质量的各个因素进行详细讨论并给出解决方法,并加工出了钳体尺寸在毫米量级,最小特征尺寸为10μm,厚度为30μm的电热微夹钳。对制作的微夹钳在0～2.5V直流电压下进行动态测试,夹持端位移最大可达67μm,最大夹持力可达0.8N,可以满足微机电系统微操作的夹持要求。

电热微夹钳的热效应分析和数值模拟

介绍了一种新型多晶硅电热微夹钳,该夹钳在V形电热微驱动器的作用下,能够产生近似线性的位移和产生较大的夹持力。在全面考虑了空气对流、辐射、热传导及材料特性等各种因素的情况下,建立了该电热微夹钳的有限元模型,利用该模型分别进行了稳态和瞬态的仿真分析,模拟出输出位移和温度场随电压的变化情况,以及电热微夹钳的热响应时间。对仿真的结果进行了讨论。

微夹钳传动分析

以压电驱动式微夹钳为例进行微夹钳传动系分析,按传统的静力平衡和机构运动几何关系及柔性铰假设方法推导出其速比和转角简化计算公式.将该简化公式计算结果与实测结果比较表明,计算值与实测值相比误差较大,说明按这种传统方法推导出的简化计算公式是不适用的.因此,根据实测结果按曲线拟合方法给出修正的该简化计算公式,其计算结果与实测值相近.

一种压电致动微夹钳及其开环位移特性

微夹钳是微装配与微操作过程中直接与被操作对象相接触的末端执行器,对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用.介绍了一种采用压电致动的微夹钳的工作原理、结构组成及实验原型,该微夹钳采用一种基于双边和单边直圆柔性铰链的单片柔顺机构实现微位移传递/放大功能,同时实现微夹钳夹爪平行移动.针对本文研究和开发的一种微夹钳的原型建立了实验装置并进行了开环位移特性测试.实验结果表明,微夹钳的夹爪能够实现平行移动,夹爪的输出位移与输入位移呈线性关系,且微夹钳单边夹爪输出位移最大可达150μm.

柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化

提出了一种柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化方法:首先基于机构的类型综合方法和伪刚体概念选择微夹钳的柔性机构,然后对柔性机构进行单元划分以建立其刚度模型,进而对其几何尺寸进行优化设计。对一种由V形电热驱动器驱动的柔性电热微夹钳进行了设计与尺寸优化。为了验证方法的合理性,利用ANSYS软件对优化结果进行仿真分析并对仿真结果进行了对比。分析表明,优化结果能够满足设计要求,从而证明了设计方法的高效率和可靠性。

压电微夹钳的位移自感知反馈复合控制

采用自感知方法获取压电微夹钳钳指位移,构成自感知反馈复合控制系统。根据反映钳指位移、表面电荷、夹持力、驱动电压之间关系的压电悬臂梁Smits方程,提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;引入死区算子对传统PI模型进行改进,建立了压电微夹钳钳指位移的迟滞模型;以对偏差的抛物线积分、对输出的先行微分分别代替常规PID控制器中的积分项和微分项,设计出了压电微夹钳的改进PID反馈控制器;将前馈控制器与PID反馈控制器相结合,并采用自感知反馈方式,设计出了压电微夹钳的闭环控制系统。实验结果表明：在自感知反馈复合控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.24 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.7μm的变幅值三角波参考位移以及最大位移为14.1μm的任意波形参考位移作用下,压电微夹钳的自感知反馈复合控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.02-0.04μm之间变化。自感知反馈控制的实验结果与传感器反馈控制基本相同,从而表明压电微夹钳的自感知反馈控制是有效的。

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明:当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7μm、26.1μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5μm、32.8μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 k Hz、0.62 k Hz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。

基于Dahl模型的压电陶瓷微夹钳控制研究

针对微零件装配工艺的需要,开发了一套基于压电陶瓷驱动的微夹钳,建立了压电陶瓷驱动微夹钳位移与电压的关系模型,针对压电陶瓷迟滞现象提出了基于Dahl模型的前馈补偿控制和PID混合控制算法,微装配实验证明该模型结构控制效果好,能达到控制要求。

基于有限元分析的ICF靶半自动装配系统的微夹钳设计

根据惯性约束聚变(ICF)靶零件的特点,确定用于ICF靶半自动装配系统微夹钳的技术指标,并完成其结构设计。该微夹钳采用柔性铰链机构和压电陶瓷驱动,可根据需要更换不同形状和开口距离的夹口,以适应夹持不同靶零件。以压电陶瓷的2种极限参数为载荷,分析了微夹钳的张合量、应力分布、应变量,并采用非线性接触分析对夹持力和夹持效果进行了模拟。通过多次有限元分析和优化设计,确定了微夹钳的最佳尺寸结构。从各项分析结果表明:该微夹钳各项性能参数满足ICF靶装配的要求。

串联死区算子的压电微夹钳PI迟滞模型

针对Prandtl-Ishlinskii（PI）模型要求被描述对象的初载曲线为凸函数,且模型与其逆模型都应关于算子中心对称的不足,通过引入死区算子对PI模型进行改进,以使其更好地描述具有非凸、非奇对称的压电陶瓷材料的迟滞特性。基于实测的压电微夹钳初载曲线,采用等分阈值方式,并通过使改进PI模型与实测初载曲线间的误差函数为最小,辨识出改进PI模型的参数,建立了压电微夹钳的迟滞模型。实验结果表明,在微夹钳15.2μm的最大位移范围内,模型误差的变化范围为-0.310～0.156μm,所建模型能很好地描述压电微夹钳的迟滞特性。

柔性电热镍微夹钳结构设计及加工测试研究

把柔性机构的设计方法——伪刚体法应用于柔性微夹钳的设计中，得到一种新结构形式的电热微夹钳，用UV—LIGA方法进行加工制作，并进行动态性能测试．从对称的平面十杆刚性机构得到其伪刚体模型，对伪刚体模型进行优化并柔性化得到放大20倍的柔性微夹钳钳体，通过仿真验证了设计的正确性和可靠性．V形电热驱动器与柔性钳体集成到一起，形成柔性电热微夹钳．用SU-8胶做电铸铸模，钛和二氧化硅做牺牲层，铜做种子层，在氨基磺酸镍电铸液中进行电铸，加工出最小特征尺寸10μm，厚度30μm的电热镍微夹钳．最后对制作的微夹钳在0～1．5V直流电压下进行动态测试，夹持端位移最大可达24μm．

SMA微夹钳的研究

ＳＭＡ（形状记忆合金）是本世纪六十年代出现的一种功能材料，具有广阔的应用前景。目前，ＳＭＡ主要用作工程材料，如管接头、工程弹簧等。本文试图利用ＳＭＡ的形状记忆特性，制作微小的功能夹持器，用于微机械零部件的装配中；并从马氏体热弹性变形出发，对这种ＳＭＡ微夹钳的设计原理、动力学特性、变位量的可控性及其与温度的关系进行了深入的研究。在文章最后，讨论了ＳＭＡ微夹钳工作过程中的能量转化关系。