CN103737586B - 用于夹持微型马达引线的气动式微夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于夹持微米级马达引线的夹持器—气动式微夹持器。它包括四自由度控制台(1)、连接板(2)、双轴式气缸(3)、上钳臂(4)、夹持针(5)、下钳臂(6)、微型二维调节台(7)；四自由度控制台(1)与连接板(2)通过内六角螺钉连接，双轴气缸(3)固定在连接板(2)上，上钳臂(4)连接双轴气缸(3)，夹持针(5)固定在上钳臂(4)的前端上侧，微型二维调节台(7)通过内六角螺栓与连接板(2)连接，下钳臂(6)与微型二维调节台(7)通过螺钉连接，另一片夹持针(5)与下钳臂(6)前端用螺钉固定。与其他微夹持器相比，本发明结构独特新颖，控制简单，调节方便，夹持速度快，张合量大，稳定性高。具有更好的刚性夹持和更好的通用性。

Description

用于夹持微型马达引线的气动式微夹持器

技术领域

本发明属于微操作机器人领域中的末端执行器类，这类微夹持器通常用于抓取或夹持微小物体或微小构件(微米至纳米级)，具体涉及一种夹持微型马达线圈转子的引线，并将引线夹持到线圈焊盘上的夹持器。

背景技术

近年来，随着纳米技术和微机电系统的迅猛发展，精密机械领域的研究朝着微小化和智能化的方向发展。微操作是在亚微米到微米级精度范围内，对尺寸在微米到亚毫米级的微小操作对象进行稳定、可靠的操作技术。随着空间机械及生物医学领域的蓬勃发展，微操作技术逐渐成为国内外的研究热点。微夹持器是微操作的重要组成部分之一，其任务包括完成对微小器件的夹持、移动、放置等工作。微夹持器的研究已成为国内外微操作技术研究领域中的一项关键技术，在微物体的操作和装配、生物技术和光学等领域均有很好的应用前景。例如，在医学和生物学，特别是在动植物基因工程等领域中进行的细胞注射、细胞切割和微细手术都离不开微夹持器。

目前用于微操作机器人系统的微夹持器按驱动方式分类，主要有电磁驱动式微夹持器、电热式微夹持器、形状记忆合金式微夹持器、静电力微夹持器、压电驱动式微夹持器、真空吸附式微夹持器等等。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，主要表现在：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，精度高，承载能力大。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，无法实现进一步微型化，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，变形率大，本身即是驱动材料，又是结构材料，便于实现结构的简化和小型化。但缺点是冷却时反应比较慢，疲劳寿命较短，因此在实际应用中有一定的局限性；静电力微夹持器，其特点是：采用静电力驱动方法，结构简单，易实现小型化和微型化，但是驱动力较小，输出位移小，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；真空吸附式微夹持器，其特点是：通过控制玻璃吸管内部正负压的大小来调节吸附力和释放力。优点是玻璃吸管易于更换，成本低廉，但是该类微夹持器要求被吸附物体表面尽量光滑，便于吸附。

综上各类微夹持器的优缺点，现有微夹持器夹持范围都在几百微米以下，如果夹持范围扩大，其夹持精度和分辨率就会相应降低，影响夹持的通用性和灵活性。

发明内容

为了克服现有微夹持器在通用性和灵活性较差的缺陷，解决夹持范围和分辨率之间的矛盾，我们采用一种全新的驱动方式，结合满足夹持刚性的外形结构，发明了一种具有广泛通用性和适用性的气动式微夹持器。

一种用于夹持微米级马达引线的气动式微夹持器，其特征在于：包括四自由度控制台1、连接板2、双轴气缸3、上钳臂4、夹持针5、下钳臂6、微型二维调节台7；四自由度控制台1与连接板2连接，双轴气缸3固定在连接板2上，上钳臂4连接双轴气缸3，夹持针5固定在上钳臂4的前端上侧，微型二维调节台7与连接板2连接，下钳臂6与微型二维调节台7连接，另一片夹持针5与下钳臂6前端用螺钉固定。

进一步，所述上钳臂与双轴气缸两根活塞杆连接。

进一步，所述的微型二维调节台一侧台面与连接板固定在一起，另一侧台面与下钳臂固定在一起。

进一步，采用滑台气缸作为驱动源。

进一步，采用二维平移台调节微夹持器的整合量。

进一步，下钳臂与二维平移台台面固定部分呈“工”字形，既能保证稳定固定，又能减少下钳臂重量。

进一步，夹持针分别固定在上、下钳臂前端，夹持针前端呈锥子状，便于夹持微米级引线。

使用气缸作为驱动力元件，调节气缸进气口和出气口气压控制活塞杆同时伸出和返回，活塞杆前端与上钳臂用内六角螺钉固定，进而活塞杆伸出和返回运动可以为上钳臂提供驱动力。气缸选用双轴气缸，因为单轴气缸驱动上钳臂上下运动时存在活塞杆旋转的问题，但双轴气缸的两根活塞杆跟上钳臂固定在一起，驱动上钳臂上下运动可以避免上钳臂旋转的问题。

气动式微夹持器工作时，利用气泵对双轴气缸充气推动活塞杆伸出和返回来实现上钳臂的上下运动，从而实现夹取和释放的动作。本发明中对夹持针的结构做了进一步的改善，不仅有足够的夹持力保证加持效果，而且结构尺寸比以往夹持针尺寸小，更适合在显微镜下进行微操作。与现有其他微夹持器相比，本发明具有夹持力大、动作响应快、张合量大等优点，而且通过调节连接在双轴气缸上的两个节流阀来控制进出口气流的大小，进而控制上钳臂的上下运动，操作简单方便，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气动式微夹持器整体结构图

图2各组件间相互关系方框图

图3四自由度控制台结构示意图

图4双轴气缸结构示意图

图5微型二维调节台结构示意图

图6上钳臂结构示意图

图7下钳臂结构示意图

图8夹持针结构示意图

具体实施方式

一种用于夹持微米级马达引线的气动式微夹持器，其特征在于：包括四自由度控制台1、连接板2、双轴气缸3、上钳臂4、夹持针5、下钳臂6、微型二维调节台7；四自由度控制台1与连接板2通过四个内六角螺钉连接，双轴气缸3用四个长螺钉固定在连接板2上，上钳臂4用两个内六角螺钉固定在双轴气缸3上，夹持针5用圆头螺钉固定在上钳臂4的前端上侧，微型二维调节台7通过四个内六角螺栓固定在连接板2上，下钳臂6通过四个内六角螺钉与微型二维调节台7通过螺钉连接，另一片夹持针5与下钳臂6前端下侧用圆头螺钉固定。

上钳臂与双轴气缸两根活塞杆连接，下钳臂固定在微型二维调节台上。上下钳臂的底端固定部分设计的较宽便于固定，中间部分设计的较窄，能够保证足够的夹持刚度。

微型二维调节台的一侧台面跟下钳臂连接，旋转其一侧的微调旋钮可以微小调节下钳臂的左右位置，使上下钳臂正好相对，避免夹持微小构件时两个夹持针的错位。

上钳臂与双轴气缸的两根活塞杆固定，下钳臂与微型二维调节台一侧台面固定，气缸的行程固定，当气缸伸出最大距离时，调节微型二维调节台的下侧微调旋钮可以改变下钳臂与上钳臂之间的距离，以此可以根据被夹持构建的大小来控制张合量。

用于夹持微马达引线的气动式微夹持器包括驱动力组件、固定组件、微调组件、钳臂组件和钳尖组件。

驱动力组件包括四自由度控制台1和双轴气缸2。四自由度控制台1控制整个微夹持器系统的移动和旋转，双轴气缸2主要为上钳臂提供驱动力，驱动上钳臂上下运动，实现夹取和释放动作。

固定组件主要是连接板2，连接板2与四自由度控制台1通过内六角螺钉连接，与双轴气缸3用四个长螺钉连接，与微型二维调节台7用四个内六角螺钉连接。连接板2主要起到一个桥梁的作用，使四自由度控制台的移动和旋转通过连接板2实现微夹持器的三坐标移动和角度的旋转。

微调组件主要是微型二维调节台7，微型二维调节台7的一个台面与连接板2固定，另一台面与下钳臂6用四个内六角螺钉固定，旋转一侧的微调旋钮可以使下钳臂与上钳臂钳尖处真好相对，避免夹持微小构件时夹持针相互错位，损坏被夹持对象。

钳臂组件包括上钳臂4和下钳臂6。上钳臂4与双轴气缸3的两根活塞杆连接，下钳臂6与微型二维调节台7用内六角螺钉连接。

钳尖组件主要是夹持针5，两片夹持针分别与上下两个钳臂用圆头螺钉连接。为了夹持弹性较大，直径约为50-80um的微型马达引线，专门改进了钳尖组件，夹持针5的前端厚度不超过500um，宽度不超过200um。

现结合附图1-8对本发明作进一步详细阐述。用于夹持微型马达引线的气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。

驱动力组件包括四自由度控制台1和双轴气缸2。四自由度控制台选用的是北京维纳光科仪器公司的平移台，由三个型号为42BYG250CⅡ电动平移台和一个型号为WN33RA120S的电动旋转台组合而成。双轴气缸采用亚德客气缸，型号为TDA10×10，即双轴气缸的缸径为10mm，行程为10mm。为双轴气缸提供气压的气泵选用上海捷豹无油空气压缩泵，型号为FB-45/7。控制双轴气缸进出口气压的电磁阀选用亚德客二位三通电磁阀，型号为：4V210-08。与双轴气缸进气口和出气口连接微调节气流大小的节流阀，型号为SL6-M5。

固定组件主要是连接板2，连接板采用铝合金材料，表面氧化处理，长为150mm，宽为70mm，厚度为10mm。连接板上有四个Φ6.5mm的沉头孔，沉头孔均布在直径为Φ25mm的圆上，沉头孔深度为6mm，沉孔外径为Φ10mm。用四个M6的内六角螺钉可以将连接板2与四自由度控制台1紧密连接在一起。连接板上侧有四个Φ2mm的螺纹孔，用于固定双轴气缸2。螺纹孔的下侧有四个Φ4mm的螺纹孔，用于固定微型二维调节台7。连接板2作为一个中间桥梁作用，将微夹持器部件与四自由度控制台1联系在一起，随着四自由度控制台方位和角度的改变而改变微夹持器的整体位置和角度。

微调组件主要是微型二维调节台7，选用大恒光电的GCM-125201AM手动精密平移台，精密手动平移台通过钢丝滚珠无间隙导轨提供直线运动，采用测微丝杆驱动，平移台运动平滑，无爬行，整个平移台的系统分辨率为0.001mm。微型二维平移台的一侧台面通过4个M4的内六角螺钉与连接板2固定，另一侧台面与下钳臂6通过4个M4内六角螺钉固定，调节手动平移台侧面的螺杆，可以对台面进行微调，进而调节下钳臂的位置，使上钳臂与下钳臂在夹持针处正好相对，避免上下钳臂运动夹取微小构件时相互错位损坏被夹持对象。调节手动平移台下侧的旋钮可以调节台面上下运动，进而控制下钳臂上下移动。由于上钳臂与双轴气缸固定在一起，双轴气缸行程一定，当调节下侧旋钮使下钳臂上下移动时可以改变整个微夹持器的张合量。根据被夹持对象的大小调节下侧旋钮，调节完毕固定好旋钮，防止微夹持器夹持次数过多出现旋钮偏转的现象。

钳臂组件包括上钳臂4和下钳臂6，钳臂组件采用铝合金材料。上钳臂7总长87mm，下钳臂6总长69.5mm。上钳臂与双轴气缸固定部分，长度为40mm，宽度为10mm，厚度为3mm。下钳臂与微型二维平移台固定部分为一个工型设计，工型四个角上分别有四个M4的螺纹孔，工型结构中间部分宽度为16mm。上下钳臂中间部分厚度为3mm，上下钳臂与夹持针固定部分长度为20mm，宽度为10mm，厚度为1mm。上下钳臂这样的钳臂结构设计可以保证有较大的夹持刚性。上下钳臂尖端部分开有两个M2的螺纹孔，用于跟夹持针5固定。

钳尖组件主要是夹持针5，夹持针选用不锈钢材料。总长为15.5mm，与上下钳臂固定部分长度为10mm，宽度为8mm，厚度为0.6mm，其上开有两个Φ2.1mm的通孔，通孔间距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，夹持针结构的完善设计使其更便于在显微镜下进行微操作。

气动式微夹持器工作时，通过气泵为双轴气缸提供气压，气压推动气缸的两根活塞杆伸出和返回的往复运动，为上钳臂提供驱动力，驱动上钳臂上下运动，实现夹持器夹取和释放动作。调节连接在双轴气缸上的节流阀可以微调进出口的气压，达到双轴气缸伸出时速度相对较慢，返回时迅速返回的效果，这样可以使得上钳臂向下运动夹取微小构件时速度相对缓慢，保护被夹持对象，当释放构件时迅速释放，可以节约整个夹持过程的时间。微型二维平移台的作用有两个：一个是调节下钳臂与上钳臂的相对位置，确保上下钳臂正好相对，避免夹持构件时相互错位对构件的损坏；二是调节整个微夹持器的张合量，上钳臂固定在双轴气缸上，气缸的行程一定，上钳臂下移的距离就一定，因而只能通过调节微型平移台来调节下钳臂的位置，进而调节整个微夹持器的张合量。根据被夹持对象的结构尺寸调整微型二维平台的下侧旋钮，当被夹持构件尺寸相对较小时，调节旋钮使下钳臂上移，减小张合量；当被夹持构件结构尺寸相对较大时，调节旋钮使下钳臂下移，增大张合量。实际应用中根据被夹持微小构件的尺寸通过几次夹持实验调节下钳臂的位置，确保不会破坏被夹持对象。此微夹持器张合量的改变方法控制简单，调节方便，易于实用。

本发明最突出特点：一是上下钳臂和夹持针结构的完善设计使得整个微夹持器的夹持刚性增大，实验得出该气动式微夹持器的夹持力可达8N；二是该微夹持器利用气缸作为驱动器，将气缸活塞杆的伸缩运动转化为上钳臂的上下运动，实现对微小构件的夹取和释放，通过调节微型二维平移台来改变下钳臂的上下位移来改变微夹持器的张合量，方法独特、新颖、操作简单；三是可以通过调节气缸的进出口气压大小达到夹持器在夹持物体时速度相对缓慢，在释放物体时速度相对较快的目的，此种效果既能在夹持物体时保护被夹持对象又能在释放物体时迅速释放缩短时间；四是夹持速度快，夹持稳定，张合量大，可实现多种尺寸微小构件的夹持；五是适合形成产品，在生产线上使用。因此，本发明具有更好地实用价值。

Claims (5)

1.一种用于夹持微米级马达引线的气动式微夹持器，其特征在于：包括四自由度控制台(1)、连接板(2)、双轴气缸(3)、上钳臂(4)、夹持针(5)、下钳臂(6)、微型二维调节台(7)；四自由度控制台(1)与连接板(2)连接，双轴气缸(3)固定在连接板(2)上，上钳臂(4)连接双轴气缸(3)，夹持针(5)固定在上钳臂(4)的前端上侧，微型二维调节台(7)与连接板(2)连接，下钳臂(6)与微型二维调节台(7)连接，另一片夹持针(5)与下钳臂(6)前端用螺钉固定。

2.根据权利要求1所述的用于夹持微米级马达引线的气动式微夹持器，其特征在于：所述上钳臂与双轴气缸两根活塞杆连接。

3.根据权利要求1所述的用于夹持微米级马达引线的气动式微夹持器，其特征在于：所述的微型二维调节台(7)一侧台面与连接板固定在一起，另一侧台面与下钳臂固定在一起。

4.根据权利要求1所述的用于夹持微米级马达引线的气动式微夹持器，其特征在于：下钳臂与微型二维调节台(7)台面固定部分呈“工”字形。

5.根据权利要求1所述的用于夹持微米级马达引线的气动式微夹持器，其特征在于：夹持针分别固定在上、下钳臂前端，夹持针前端呈锥子状。