CN103331748A

CN103331748A - 基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳

Info

Publication number: CN103331748A
Application number: CN2013102316786A
Authority: CN
Inventors: 孙先涛; 陈伟海; 周锐; 张建斌; 陈文杰
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103331748B

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，该微夹钳包括有基座、预紧螺钉、运动传递机构、第一固定螺钉、第二固定螺钉、压电陶瓷驱动器和垫片；基座与运动传递机构通过第一固定螺钉和第二固定螺钉固定安装，预紧螺钉安装在运动传递机构的后端，压电陶瓷驱动器和垫片安装在运动传递机构的第一切缝内。本发明设计的微夹钳通过运动传递机构中的两级放大机构能够实现闭合式微夹钳的平行抓取。

Description

基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳

技术领域

本发明涉及一种夹持装置，更特别地说，是指一种基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳。

背景技术

目前，微操作和微装配被广泛应用在微机电系统、光纤装配、生物工程和小型元器件的电子封装等研究领域。其中，微夹钳是一个重要的设备，主要用来夹持和操作直径小于100微米的微物体，例如，光纤、木纤维等。由于微夹钳自身具有独特的灵活性，微夹钳可以实现拾起、夹持和移动等微操作。

一个微夹钳通常包含一个驱动器和一个运动传递机构。目前用于微夹钳的驱动方式主要有电热驱动、电磁驱动、压电驱动、静电驱动和形状记忆合金驱动。在这些驱动器中，压电驱动是一种被广泛应用的驱动，它具有无限高的分辨率、快速响应、大的驱动力、宽的动态响应范围等优点。而压电陶瓷（PZT）是一种常见的利用压电驱动的无机非金属材料。当对压电材料施加压力，它便会产生电位差；加载电压，则产生机械力。

在2009年2月5日，在期刊Sensors and Actuators A:Physical上公开的《Development of a novel flexure-based microgripper for high precisionmicro-object manipulation》，文中公开了一种具有一级放大的运动传递机构。

微夹钳具有三种常见的末端夹持方式：平行（parallel）夹持、角（angular）夹持和真空吮吸（vacuum suction）夹持。角夹持中由于夹持端具有一定的倾斜角度，当夹持具有规则几何形状的光纤时，容易引起光纤的滑动；真空吮吸夹持主要用在平面上操作，而不规则平面的物体容易引起真空吮吸设备的气体泄漏，进而导致夹持的失败。相对于角夹持和真空吮吸夹持，为了夹持具有任意几何形状的物体，平行夹持是一种非常适合的夹持方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有两级放大运动传递机构的压电陶瓷驱动的小型化平行夹持微夹钳。本发明采用两级放大运动传递机构来克服压电陶瓷有限的输出运动，因此在保证微夹钳具有较高的抓取精度的前提下，能够实现微夹钳末端较大的变形。本发明运动传递机构采用一体化结构设计及加工，运用线切割加工工艺，从而避免了多个零部件安装所带来的装配误差。为了实现微夹钳的小型化，压电陶瓷嵌安装在微夹钳内，利用末端的螺钉对压电陶瓷进行预紧，从而保证微夹钳具有较好的动态特性。

本发明的一种基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，该微夹钳包括有基座（1）、预紧螺钉（2）、运动传递机构（3）、第一固定螺钉（4A）、第二固定螺钉（4B）、压电陶瓷驱动器（5）和垫片（6）；

压电陶瓷驱动器（5）安装于运动传递机构（3）上的第一切缝（501）内，且压电陶瓷驱动器（5）的一端与后限位板的内凸台（36D）之间安装有垫片（6），压电陶瓷驱动器（5）的另一端位于中间刚性梁（304）处，但不与中间刚性梁（304）接触；垫片（6）为薄板结构；

基座（1）上设有凸台体（1D）、凹台体（1E）；所述凸台体（1D）上设有第一螺纹孔（1A）、第二螺纹孔（1B）、沉头孔（1C），沉头孔（1C）位置第一螺纹孔（1A）与第二螺纹孔（1B）之间；在所述沉头孔（1C）中放置螺钉，通过螺钉与沉头孔的配合能够实现将基座（1）与安装载体进行固定安装。

所述凹台体（1E）与运动传递机构（3）装配后，形成有间隙（7）；

所述第一螺纹孔（1A）用于螺纹连接第一固定螺钉（4A）；所述第二螺纹孔（1B）用于螺纹连接第二固定螺钉（4B）；

预紧螺钉（2）安装在运动传递机构（3）的第三螺纹孔（36C）中；

运动传递机构（3）上切割有第一切缝（351）、第二切缝（352）、第三切缝（353）、第四切缝（354）、第五切缝（355）和第六切缝（356）；运动传递机构（3）上设有夹持端（31）、左输出板（32）、右输出板（33）、左限位板（34）、右限位板（35）、后限位板（36）、第一左刚性梁（301）、第二左刚性梁（302）、第三左刚性梁（303）、中间刚性梁（304）、左柔性梁（311）、右柔性梁（312）、第一右刚性梁（321）、第二右刚性梁（322）、第三右刚性梁（323）；后限位板（36）上设有第一通孔（36A）、第二通孔（36B）、第三螺纹孔（36C）和内凸台（36D）；所述第一通孔（36A）用于第一固定螺钉（4A）穿过；所述第二通孔（36B）用于第二固定螺钉（4B）穿过；所述第三螺纹孔（36C）用于安装预紧螺钉（2），且预紧螺钉（2）的端部与垫片（6）接触；所述内凸台（36D）处用于放置垫片（6）。

第一切缝（351）位于运动传递机构（3）的中部，也是第三左刚性梁（303）、第二左刚性梁（302）、中间刚性梁（304）、第一右刚性梁（321）、第二右刚性梁（322）和后限位板（36）围成的封闭空腔；第一切缝（351）内安装有压电陶瓷驱动器（5）；

第二切缝（352）位于运动传递机构（3）的左端部，也是左限位板（34）、左输出板（32）、第一左刚性梁（301）和后限位板（36）围成的封闭空腔。

第三切缝（353）位于运动传递机构（3）的右端部，也是右限位板（35）、右输出板（33）、第一右刚性梁（321）和后限位板（36）围成的封闭空腔。

第四切缝（354）位于运动传递机构（3）的上部，也是左输出板（32）、第一左刚性梁（301）、左柔性梁（311）、第二左刚性梁（302）、中间刚性梁（304）、第二右刚性梁（322）、右柔性梁（312）、第一右刚性梁（321）和右输出板（33）围成的封闭空腔。

第五切缝（355）位于运动传递机构（3）的左下部，也是第一左刚性梁（301）、左柔性梁（311）、第三左刚性梁（303）和后限位板（36）围成的封闭空腔。

第六切缝（356）位于运动传递机构（3）的右下部，也是第一右刚性梁（321）、右柔性梁（312）、第三右刚性梁（323）和后限位板（36）围成的封闭空腔。

本发明小型化平行夹持微夹钳的优点在于：

①为了避免装配误差的产生，运动传递机构为一体化线切割加工而成，而压电陶瓷驱动器通过螺钉预紧的方式嵌套在运动传递机构内。

②在运动传递机构上设有两级放大机构，该两级放大机构被用来放大压电陶瓷驱动器的输出位移，在保证微夹钳具有较高的抓取精度的前提下，实现微夹钳较大的位移输出，进而保证微夹钳可以夹取具有较大几何尺寸的微物体。

③运动传递机构上设计的第二级放大机构集成在平行四边形上，由于平行四边形独特的几何特性，微夹钳可以实现平行夹持，该夹取方式较角夹持和真空吮吸夹持方式更能有效地抓取各种具有不同几何形状的微物体，例如，具有复杂几何表面结构的木纤维。

④运动传递机构通过改变第一级放大机构中倾斜杆的倾斜方向，能够得到两种具有不同末端输出方向的微夹钳：闭合式微夹钳和张开式微夹钳。

⑤运动传递机构通过柔性元素的变形来实现运动的输出，避免了传统刚体机构带来的间隙、摩擦、撞击和润滑，进一步保证微夹钳的末端抓取精度。

⑥运动传递机构采用柔性铰链和左右对称布置的柔性梁的结构设计，其中柔性铰链具有较高的定位精度，但是由于自身的结构原因而无法实现较大的变形。相反，柔性梁的定位精度较差，但是它可以实现较大的变形。将两种柔性元素的结合起来可以更大的发挥各自的优点，进而提高微夹钳的性能。

附图说明

图1是本发明小型化柔性微夹钳的外部结构图。

图1A是本发明小型化柔性微夹钳的分解图。

图2是本发明运动传递机构的结构图。

图2A是在本发明运动传递机构的正视角度下的刚性梁、柔性梁的标注图。

图2B是在本发明运动传递机构的正视角度下的变形点的标注图。

图3是本发明小型化柔性微夹钳的运动传递的运动示意图。

1.基座	1A.第一螺钉孔	1B.第二螺钉孔
			1C.沉头孔	1D.凸台体	1E.凹台体
2.预紧螺钉	3.运动传递机构	31.夹持端
			32.左输出板	33.右输出板	34.左限位板
35.右限位板	36.后限位板	36A.第一通孔
			36B.第二通孔	36C.第三螺纹孔	36D.内凸台
301.第一左刚性梁	302.第二左刚性梁	303.第三左刚性梁
			304.中间刚性梁	311.左柔性梁	312.右柔性梁
321.第一右刚性梁	322.第二右刚性梁	323.第三右刚性梁
			351.第一切缝	352.第二切缝	353.第三切缝
354.第四切缝	355.第五切缝	356.第六切缝
			361.AA变形点	362.AB变形点	363.AC变形点
371.BA变形点	372.BB变形点	373.BC变形点
			374.BD变形点	381.CA变形点	382.CB变形点

383.CC变形点	384.CD变形点	391.DA变形点
			392.DB变形点	393.DC变形点	4A.第一固定螺钉
4B.第二固定螺钉	5.压电陶瓷驱动器
			6.垫片	7.间隙

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，该微夹钳包括有基座1、预紧螺钉2、运动传递机构3、第一固定螺钉4A、第二固定螺钉4B、压电陶瓷驱动器5和垫片6；基座1与运动传递机构3通过第一固定螺钉4A和第二固定螺钉4B固定安装，预紧螺钉2安装在运动传递机构3的后端，压电陶瓷驱动器5和垫片6安装在运动传递机构3的第一切缝351内。

本发明设计的微夹钳通过运动传递机构3中的两级放大能够实现闭合式微夹钳的平行抓取。

（一）基座1

参见图1、图1A所示，基座1上设有凸台体1D、凹台体1E；所述凸台体1D上设有第一螺纹孔1A、第二螺纹孔1B、沉头孔1C，沉头孔1C位置第一螺纹孔1A与第二螺纹孔1B之间；在所述沉头孔1C中放置螺钉，通过螺钉与沉头孔的配合能够实现将基座1与安装载体（如减震台、二自由度平台、三自由度平台）进行固定安装。

所述凹台体1E与运动传递机构3装配后，形成有间隙7。间隙7的设计阻止了运动传递机构3在运动过程中与基座1之间的摩擦。

所述第一螺纹孔1A用于螺纹连接第一固定螺钉4A；所述第二螺纹孔1B用于螺纹连接第二固定螺钉4B。

在本发明中，基座1加工材料为金属，如铝合金。

（二）预紧螺钉2

参见图1、图1A所示，预紧螺钉2安装在运动传递机构3的第三螺纹孔36C中。穿过运动传递机构3的第三螺纹孔36C后的预紧螺钉2的端部与垫片6接触，实现对压电陶瓷驱动器5在装配过程中的位置进行预调节。

（三）运动传递机构3

参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，运动传递机构3是在一板材上采用线切割加工工艺一体化制作而成。板材上切割去除的部分称为切缝，切缝能够实现柔性铰链变形，切缝的尺寸既是柔性铰链变形的位移量。

本发明设计的运动传递机构3上切割有第一切缝351、第二切缝352、第三切缝353、第四切缝354、第五切缝355和第六切缝356，如图2A所示。

第一切缝351位于运动传递机构3的中部，也是第三左刚性梁303、第二左刚性梁302、中间刚性梁304、第一右刚性梁321、第二右刚性梁322和后限位板36围成的封闭空腔；第一切缝351内安装有压电陶瓷驱动器5。

第二切缝352位于运动传递机构3的左端部，也是左限位板34、左输出板32、第一左刚性梁301和后限位板36围成的封闭空腔。

第三切缝353位于运动传递机构3的右端部，也是右限位板35、右输出板33、第一右刚性梁321和后限位板36围成的封闭空腔。

第四切缝354位于运动传递机构3的上部，也是左输出板32、第一左刚性梁301、左柔性梁311、第二左刚性梁302、中间刚性梁304、第二右刚性梁322、右柔性梁312、第一右刚性梁321和右输出板33围成的封闭空腔。

第五切缝355位于运动传递机构3的左下部，也是第一左刚性梁301、左柔性梁311、第三左刚性梁303和后限位板36围成的封闭空腔。

第六切缝356位于运动传递机构3的右下部，也是第一右刚性梁321、右柔性梁312、第三右刚性梁323和后限位板36围成的封闭空腔。

本发明设计的运动传递机构3上设有夹持端31、左输出板32、右输出板33、左限位板34、右限位板35、后限位板36、第一左刚性梁301、第二左刚性梁302、第三左刚性梁303、中间刚性梁304、左柔性梁311、右柔性梁312、第一右刚性梁321、第二右刚性梁322、第三右刚性梁323。

第二左刚性梁302的上端与中间刚性梁304的左端接合处为AA变形点361，如图2A、图2B所示。

第二左刚性梁302的下端与左柔性梁311的右端和第三左刚性梁303的上端的接合处为AB变形点362，如图2A、图2B所示。

第三左刚性梁303的下端与后限位板36的接合处为AC变形点363，如图2A、图2B所示。连接AA变形点361、AB变形点362和AC变形点363构成左倾斜杆。

第二右刚性梁322的上端与中间刚性梁304的右端接合处为DA变形点391，如图2A、图2B所示。

第二右刚性梁322的下端与右柔性梁312的左端和第三右刚性梁323的上端的接合处为DB变形点392，如图2A、图2B所示。

第三右刚性梁323的下端与后限位板36的接合处为DC变形点393，如图2A、图2B所示。连接DA变形点391、DB变形点392和DC变形点393构成右倾斜杆。

第二切缝352的上部与左限位板34的接合处为BA变形点371；第二切缝352的上部与第一左刚性梁301的上端的接合处为BB变形点372；第二切缝352的下部与后限位板36的接合处为BC变形点373；第二切缝352的下部与第一左刚性梁301的下端的接合处为BD变形点374，如图2、图2A、图2B所示；连接BA变形点371、BB变形点372、BC变形点373和BD变形点374构成左平行四边形。

第七切缝357的上部与右限位板35的接合处为CA变形点381；第七切缝357的上部与第一右刚性梁321的上端的接合处为CB变形点382；第七切缝357的下部与后限位板36的接合处为CC变形点383；第七切缝357的下部与第一右刚性梁321的下端的接合处为CD变形点384，如图2、图2A、图2B所示；连接CA变形点381、CB变形点382、CC变形点383和CD变形点384构成右平行四边形。

后限位板36上设有第一通孔36A、第二通孔36B、第三螺纹孔36C和内凸台36D；所述第一通孔36A用于第一固定螺钉4A穿过；所述第二通孔36B用于第二固定螺钉4B穿过；所述第三螺纹孔36C用于安装预紧螺钉2，且预紧螺钉2的端部与垫片6接触；所述内凸台36D处用于放置垫片6。

在本发明中，运动传递机构3加工材料为金属，如铝合金。

（四）第一级放大机构

在本发明中，第三左刚性梁303、第二左刚性梁302、中间刚性梁304、第二右刚性梁322和第三右刚性梁323构成第一级放大机构。

（五）第二级放大机构

在本发明中，左柔性梁311、第一左刚性梁301和左输出板32构成左侧第二级放大机构，右柔性梁312、第一右刚性梁321和右输出板33构成右侧第二级放大机构。

（六）压电陶瓷驱动器5

压电陶瓷驱动器5安装于运动传递机构3上的第一切缝501内，且压电陶瓷驱动器5的一端与后限位板的内凸台36D之间安装有垫片6，压电陶瓷驱动器5的另一端位于中间刚性梁304处，但不与中间刚性梁304接触。

在本发明中，压电陶瓷驱动器5选用Thorlabs厂家生产的型号为AE0505D16F驱动器。该驱动器的驱动电压为0～150V、最大位移是17.4微米。

（七）垫片6

参见图1、图1A所示，垫片6为薄板结构。垫片6选用塑料材料加工。

垫片6置于压电陶瓷驱动器5的一端与后限位板的内凸台36D之间。

在本发明中，垫片6介于压电陶瓷驱动器5与预紧螺钉2之间，垫片6的设计有利于避免因预紧螺钉2的拧入而引起的压电陶瓷驱动器5的旋转，同时也是保护在拧入预紧螺钉2时预紧螺钉2端部对压电陶瓷驱动器5的破坏。

（八）闭合式微夹钳的运动传递方式

参见图3所示，在压电陶瓷驱动器5产生的输入力F作用下，该输入力F首先作用到中间刚性板304上；

然后，中间刚性板304在受到作用力F的条件下，中间刚性板304将产生向夹持端31的一个位移，该位移运动的实现主要通过AA变形点361和DA变形点391沿y轴正方向的运动；以及AB变形点362沿x轴正方向和y轴正方向的运动，同时DB变形点392沿x轴负方向和y轴正方向的运动来进一步引起第二左刚性梁302和第三左刚性梁303的刚性运动，同时第二右刚性梁322和第三右刚性梁323的刚性运动；而AC变形点363和DC变形点393则为向夹持端31闭合运动的固定点；

进一步地，引起左柔性梁311沿X轴正方向的运动，同时右柔性梁312沿X轴负方向的运动；

此时，左柔性梁311的运动使第一左刚性梁301和左限位板34产生顺时针的旋转，由于平行四边形独特的几何特性，左输出板32在沿X轴正方向运动的同时也有沿Y轴负方向的运动；其中，BA变形点371和BB变形点372与左输出板32也具有相同的运动而BC变形点373和BD变形点374为固定点；

此时，右柔性梁312的运动使第一右刚性梁321和右限位板35产生逆时针的旋转，由于平行四边形独特的几何特性，右输出板33在沿X轴负方向运动的同时也有沿Y轴负方向的运动。其中，CB变形点382和CA变形点381与左输出板32也具有相同的运动而CC变形点383和CD变形点384为固定点。

本发明设计的微夹钳中左输出板32沿Y轴负方向的运动不会影响微夹钳的末端的抓取精度；综上所述，该微夹钳实现了闭合式微夹钳。

Claims

1.一种基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：该微夹钳包括有基座（1）、预紧螺钉（2）、运动传递机构（3）、第一固定螺钉（4A）、第二固定螺钉（4B）、压电陶瓷驱动器（5）和垫片（6）；

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：微夹钳通过运动传递机构（3）中的两级放大能够实现闭合式微夹钳的平行抓取。

3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：第三左刚性梁（303）、第二左刚性梁（302）、中间刚性梁（304）、第二右刚性梁（322）和第三右刚性梁（323）构成第一级放大机构。

4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：左柔性梁（311）、第一左刚性梁（301）和左输出板（32）构成左侧第二级放大机构，右柔性梁（312）、第一右刚性梁（321）和右输出板（33）构成右侧第二级放大机构。

5.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：

第二左刚性梁（302）的上端与中间刚性梁（304）的左端接合处为AA变形点（361）；第二左刚性梁（302）的下端与左柔性梁（311）的右端和第三左刚性梁（303）的上端的接合处为AB变形点（362）；第三左刚性梁（303）的下端与后限位板（36）的接合处为AC变形点（363）。连接AA变形点（361）、AB变形点（362）和AC变形点（363）构成左倾斜杆。

第二右刚性梁（322）的上端与中间刚性梁（304）的右端接合处为DA变形点（391）；第二右刚性梁（322）的下端与右柔性梁（312）的左端和第三右刚性梁（323）的上端的接合处为DB变形点（392）；第三右刚性梁（323）的下端与后限位板（36）的接合处为DC变形点（393）。连接DA变形点（391）、DB变形点（392）和DC变形点（393）构成右倾斜杆。

第二切缝（352）的上部与左限位板（34）的接合处为BA变形点（371）；第二切缝（352）的上部与第一左刚性梁（301）的上端的接合处为BB变形点（372）；第二切缝（352）的下部与后限位板（36）的接合处为BC变形点（373）；第二切缝（352）的下部与第一左刚性梁（301）的下端的接合处为BD变形点（374）；连接BA变形点（371）、BB变形点（372）、BC变形点（373）和BD变形点（374）构成左平行四边形。

第七切缝（357）的上部与右限位板（35）的接合处为CA变形点（381）；第七切缝（357）的上部与第一右刚性梁（321）的上端的接合处为CB变形点（382）；第七切缝（357）的下部与后限位板（36）的接合处为CC变形点（383）；第七切缝（357）的下部与第一右刚性梁（321）的下端的接合处为CD变形点（384）；连接CA变形点（381）、CB变形点（382）、CC变形点（383）和CD变形点（384）构成右平行四边形。

在压电陶瓷驱动器（5）产生的输入力F作用下，该输入力F首先作用到中间刚性板（304）上；

然后，中间刚性板（304）在受到作用力F的条件下，中间刚性板（304）将产生向夹持端（31）的一个位移，该位移运动的实现主要通过AA变形点（361）和DA变形点（391）沿y轴正方向的运动；以及AB变形点（362）沿x轴正方向和y轴正方向的运动，同时DB变形点（392）沿x轴负方向和y轴正方向的运动来进一步引起第二左刚性梁（302）和第三左刚性梁（303）的刚性运动，同时第二右刚性梁（322）和第三右刚性梁（323）的刚性运动；而AC变形点（363）和DC变形点（393）则为向夹持端（31）闭合运动的固定点；

进一步地，引起左柔性梁（311）沿X轴正方向的运动，同时右柔性梁（312）沿X轴负方向的运动。

6.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：基座（1）为金属材料。

7.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：运动传递机构（3）为金属材料。

8.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，其特征在于：垫片（6）为塑料材料。