CN103111997B - 用于微马达自动理线的电机驱动式微夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于夹持微米级马达引线的夹持器——电机驱动式微夹持器。它包括电机(1)、平移台(2)、连接块(3)、上连接块(4)、二维平台(5)、侧连接块(6)、上钳臂(7)、下钳臂(8)、夹持针(9；电机(1)与平移台(2)装配在一起，平移台(2)固定在连接块(3)上，上连接块(4)连接平移台(2)，二维平台(5)上表面与上连接块(4)连接，上钳臂(7)与二维平台(5)下表面连接，下钳臂(8)与连接块(3)底侧连接，夹持针(9)装在上下钳臂的前段，两个侧连接块(6)分别固定在上连接块(4)和下钳臂(8)上，在侧连接块上装有两个接近传感器(10)。与其他微夹持器相比，本发明结构独特新颖，输出位移大、夹持力大、动作响应快。具有更好的刚性夹持和更好的通用性。

Description

用于微马达自动理线的电机驱动式微夹持器

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域中的微执行器类，在微机械零件加工、微装配和生物工程等方面都有较广泛的应用，具体涉及一种夹持微型马达线圈转子的引线，并将引线夹持到焊盘上的夹持器。

背景技术

随着高新技术的迅速发展，精密机械领域的研究朝着微小化和智能化的方向发展。该领域涉及到机械、电子、生物、化学等学科，它研究和控制物质结构的功能尺寸或分辨能力，达到微米至纳米等级。这样，一种微操作尺度十分细微的微细结构就成为微机械领域的一个重要研究方向。由此可见微夹持或微操作系统的重要性，而微夹持器技术是此系统的关键,其性能优劣直接影响到夹持动作的成败。

目前国内研制的一些微夹持器，主要有电磁驱动微夹持器、电热式微夹持器、形状记忆合金微夹持器、静电力微夹持器、压电驱动式微夹持器、组合式微夹持器等等。它们在驱动方式、动作原理、结构等方面都有自己的特点，但也存在着一些问题，表现在：微夹持器张合量较小，夹持物体不稳定，动作响应较慢，夹持力小等。比如：电磁驱动式微夹持器，其特点是：动作响应快，便于控制，但电磁驱动元件的大小决定了夹持器的体积，当微构件的外形尺寸小于一定尺寸后，很难把它集成在内。所以目前利用电磁驱动的微机械只能做到毫米级；电热式微夹持器，其特点是：加热元件采用传统的机械加工，比较容易实现，但是体积较大，不易实现微集成；形状记忆合金微夹持器，其特点是：形状记忆合金SMA由于其特殊的相变机理，经过一定的热处理和记忆训练后，它对原有的形状具有记忆能力。SMA是热驱动元件，本身即是功能元件，又是结构材料，便于实现结构的简化和小型化。但缺点是耗电大，驱动频率不高，实用上有一定的局限性；静电力微夹持器，其特点是：采用静电力驱动方法，结构简单，操作方便，但是驱动力较小，因此在某种特定的环境下有一定的使用局限性；压电驱动式微夹持器，其特点是：该微夹持器有铰链放大机构，可以得到较大的张合量，也可以保证有较大的夹持力，但是精度不高，达不到夹持微米级马达引线的技术要求；组合式微夹持器，其特点是：电动和电压驱动结合在一起，充分发挥了两者的优点，定位精度可达1um～4um，具有大行程和准确的夹持力，但结构大，传感器集成度不高。

综上各类微夹持器的优缺点，考虑到夹持稳定性、夹持速率、夹持刚性和寿命等因素，这些微夹持器只能在现有实验室使用，不足以形成产品，因此，这些微夹持器的通用性和适用性较差。

发明内容

为了克服现有微夹器通用性较差的缺陷，我们对驱动方式和结构进行了改变，发明了一种具有广泛通用性和适用性的微夹持器。

一种用于夹持微米级马达引线的电机驱动式微夹持器，其特征在于：包括电机1、平移台2、连接块3、上连接块4、二维平台5、侧连接块6、上钳臂7、下钳臂8、夹持针9；电机1与平移台2通过丝杠连接，平移台2固定在连接块3上，上连接块4连接平移台2，二维平台5上表面与上连接块4连接，上钳臂7与二维平台5下表面连接，下钳臂8与连接块3底侧连接，两个侧连接块6分别固定在上连接块4和下钳臂8上，在侧连接块上放置两个接近传感器10。

电机旋转通过丝杠传动转化为平移台的上下运动，平移台通过连接块与二维平台连接，上钳臂又与二维平台连接，进而平移台上下运动可以为上钳臂提供驱动力。电机选用如普通直流电机、步进电机或伺服电机驱动。

电机驱动式微夹持器工作时，利用电机转动带动丝杠传动来实现上钳臂的上下运动，从而得到夹取和释放的动作。本发明中夹持针的独特设计不仅能够有大的夹持力保证夹持效果，而且适合在显微镜下微操作。与现有其他微夹持器相比，本发明具有夹持力大、张合量大、动作响应快等特点，而且容易控制，使用寿命较长，具有更大的通用性和实用价值。

附图说明

图1微夹持器整体结构图

图2各组件间相互关系方框图

图3电机和平移台结构示意图

图4接近传感器控制结构示意图

图5夹持针结构示意图

图6上钳臂结构示意图

图7下钳臂结构示意图

具体实施方式

一种用于夹持微米级马达引线的电机驱动式微夹持器，其特征在于：包括电机1、平移台2、连接块3、上连接块4、二维平台5、侧连接块6、上钳臂7、下钳臂8、夹持针9；电机1与平移台2通过丝杠连接，平移台2固定在连接块3上，上连接块4连接平移台2，二维平台5上表面与上连接块4连接，上钳臂7与二维平台5下表面连接，下钳臂8与连接块3底侧连接，两个侧连接块6分别固定在上连接块4和下钳臂8上，在侧连接块上放置两个接近传感器10。

上钳臂与二维平台下表面连接，下钳臂与连接块连接。上下钳臂的中间部分设计的窄而厚，能够保证足够的夹持刚度。

二维平台上台面跟上连接块连接，下台面与上钳臂连接，用内六角扳手调节二维平台前端的内六角螺孔，可以对上钳臂前后左右四个方位进行微调，使上下钳臂正好相对。

在侧连接块上装有两个接近传感器(10)，接近传感器穿过上侧连接块，用两个扁螺母将其固定在侧连接块上，通过两个传感器来控制微夹持器的张合量。

固定组件包括连接块3、上连接块4和侧连接块6。连接块3一侧用M4普通圆头螺钉与平移台连接，底侧与下钳臂8连接，上连接块4通过内六角螺钉一角块连接平移台2，一角块跟二维平台5相连。侧连接块6分为上侧连接块和下侧连接块，上侧连接块跟上连接块用内六角螺钉连接，其上开有两个孔，用于固定两个接近传感器10，下侧连接块设计有两个开有螺纹孔的凸台，用于拧两个平头螺钉，根据接近传感器10的检测距离，调整下侧连接块上的两个平头螺钉的垂直距离，当接近传感器10靠近平头螺钉达到设定距离时会停止，当接近传感器10远离平头螺钉时检测不到金属会停止，从而可以控制上钳臂上下移动的夹持和释放动作。

微调组件主要是二维平台5，二维平台5上台面跟上连接块4用内六角螺钉连接，下台面与上钳臂7的上表面通过螺钉连接，用内六角扳手可以调节二维平台前端的内六角螺孔，可以对上钳臂7前后左右四个方位进行微调，使上下钳臂正好相对。

钳臂组件包括上钳臂7和下钳臂8。上钳臂7与二维平台5下表面连接，下钳臂8与连接块3用内六角螺钉连接。

钳尖组件主要是夹持针9，为夹持弹性较大的微马达引线，专门设计了微米级钳尖组件，夹持针前端厚度不超过500um，宽度不超过200um，两片夹持针分别与上下两个钳臂连接。

现结合附图1-7对本发明作进一步详细阐述。用于微马达自动理线的电机驱动式微夹持器主要包括驱动力组件、固定组件、微调组件、钳臂组件和钳尖组件。

驱动力组件包括电机1和平移台2。电机采用混合式步进电机，型号是8H38-0604A。平移台选用的是北京微纳光科的迷你型电动平移台，型号是WN267TA20H。平移台一侧通过内六角螺钉与连接块3连接在一起，另一侧与上连接块4通过内六角螺钉连接在一起，电机转动通过丝杠传功控制调节台上下移动，因此电机的旋转运动转化成平移台的直线运动，为上钳臂提供驱动力，平移台移动范围是20mm。

固定组件包括连接块3、上连接块4和侧连接块6。材料选择铝合金，连接块3设计成一个L型的块，在L底端和前段分别攻M4和M6的螺纹孔，这样可以使下钳臂8与连接块3通过内六角螺钉紧密连接在一起，避免了下钳臂的晃动。在L型连接块背面开有四个直径为Φ7mm的沉孔，沉孔深度为7mm，而且四个沉孔的中心位于直径为Φ25mm的圆上。上连接块4上角宽度为8mm，侧边上攻有三个M4的螺纹孔。下角宽度为10mm。上角跟二维平台5通过内六角螺栓连接，下角与平移台2用内六角螺栓连接起来。侧连接块6包括上侧连接块和下侧连接块，上侧连接块一边开有三个Φ3.5mm的沉孔，沉孔深度为3.5mm。用于跟上连接块4侧边的装配。另一边开有两个Φ12.5mm的通孔，用于固定两个接近传感器10，接近传感器穿过上侧连接块，分别用两个扁螺母将其固定在侧连接块上，接近传感器选用欧姆龙圆柱形直流三线式NPN型，型号为E2E-X5ME1-Z 直径尺寸选M12，该型号接近传感器并列布置时受干扰距离是2cm，因此设计两个孔的距离是22mm，这样可以避免两个接近传感器的相互干扰。下侧连接块对应于上侧连接块两个Φ12.5mm孔处，加工2个高度为5mm，外径为Φ6mm的凸台，凸台上开有两个M4的螺纹孔，用于拧两个M4平头螺钉，当接近传感器靠近平头螺钉时，即发出控制信号，当远离平头螺钉时同样发出控制信号，设定第一个接近传感器离平头螺钉的距离为4.5mm，当接近传感器靠近此平头螺钉4.5mm时停止。调节另一个接近传感器到平头螺钉的距离是10mm，当接近传感器远离此平头螺钉10mm时停止。

微调组件主要是二维平台5，选用北京微纳光科的手动二维平台。二维平台前端有一个内六角的凸台螺孔，用内六角扳手可以调节二维平台前端的内六角螺孔，可以对上钳臂7前后左右四个方位进行微调，使上下钳臂正好相对。

钳臂组件包括上钳臂7和下钳臂8，钳臂组件采用铝合金材料。上钳臂7总长164mm，下钳臂8总长210.5mm，钳臂部分宽度为5mm，中间部分锥度为1/15，前段锥度为2/7，这样的钳臂结构设计可以保证有较大的夹持刚性。钳臂尖端部分长10mm，宽8mm，高1.5mm。尖端部分开有两个M2的螺纹孔，用于跟夹持针9配合。在下钳臂8钳臂末端侧面开有两个M4的螺纹孔，用于跟下侧连接块用内六角螺钉固定。

钳尖组件主要是夹持针9，夹持针选用不锈钢材料。总长为15.5mm，末端长度为10mm，宽度8mm，厚度0.6mm，其上开有两个Φ2.2mm的孔，间距为6mm。中间上表面部分锥度为1/2，两侧锥度为1/1.7，中间宽度为0.6mm，夹持针前端部分宽度为0.15mm，厚度为0.2mm，夹持针的独特设计便于在显微镜下进行微操作。

电机驱动式微夹持器工作时，电机与平移台配合可以将电机的旋转运动转化成平移台的直线运动，平移台与上连接块装配在一起而上连接块与二维平台用内六角螺钉装配在一起，上钳臂又与二维平台下端装配在一起，所以当电机正传时上钳臂下移，电机反转时上钳臂上移，从而通过电机正反转可以使上钳臂上下移动，同时通过接近传感器来控制上钳臂上下移动的范围，以此来实现夹取和释放的动作。二维平台的作用是对微夹持器的上钳臂进行前后左右移动的微调，这样可以随时调节上侧夹持针的相对位置以保证上下两个夹持针正好相对，更好的夹持微马达上的引线。在微夹持器的上下两个侧连接块上我们设计加上两个接近传感器，一个传感器可以控制上钳臂下移的距离，另一个传感器控制其上移的距离，这样可以通过调节平头螺钉的垂直距离来调节微夹持器的张合量。在已知夹持的微小构件直径尺寸下，调节平头螺钉的位置，控制上钳臂下移的距离，这样就可以使微夹持器夹紧构件实现自动夹取功能；同时实现控制微夹持力的大小保证不破坏到被夹持的微马达引线。

本发明最突出特点：一是只要钳尖部分夹持针的刚性足够，夹持力可以很大，实验得出该微夹持器夹持力可达8N；二是该微夹持器将电机的旋转运动与接近传感器相结合，电机的旋转运动转化成上钳臂的上下运动，实现了对微小构件的夹取和释放，通过接近传感器来控制夹持力的大小；三是夹持稳定，张合量大，精度高，可实现多种微小尺寸物体的夹持；四是适合形成产品，在生产线上使用。因此，本发明具有更好地实用价值。

Claims (1)

1.一种用于夹持微米级马达引线的电机驱动式微夹持器，其特征在于：包括电机(1)、平移台(2)、连接块(3)、上连接块(4)、二维平台(5)、侧连接块(6)、上钳臂(7)、下钳臂(8)、夹持针(9)；电机(1)与平移台(2)通过丝杠连接，电机采用混合式步进电机；平移台(2)固定在连接块(3)上，上连接块(4)连接平移台(2)，二维平台(5)上表面与上连接块(4)连接，上钳臂(7)与二维平台(5)下表面连接，调节二维平台(5)前端的内六角螺孔对上钳臂前后、左右四个方位进行微调，使上钳臂和下钳臂正好相对；通过控制电机(1)正反转控制上钳臂(7)上下移动，下钳臂(8)与连接块(3)底侧连接，侧连接块(6)包括上侧连接块和下侧连接块，上侧连接块固定在上连接块(4)上，下侧连接块固定在下钳臂(8)上，在上侧连接块上放置两个接近传感器(10)，接近传感器穿过上侧连接块，分别用扁螺母将接近传感器固定，下侧连接块上对应于接近传感器处，加工凸台，一个接近传感器对应一个凸台，凸台上开有螺纹孔，用于拧平头螺钉，根据接近传感器(10)的检测距离，调整下侧连接块上的两个平头螺钉的垂直距离，当接近传感器(10)靠近平头螺钉，其中一个传感器检测到平头螺钉时会停止，当接近传感器(10)远离平头螺钉，另一个传感器检测不到平头螺钉会停止。