CN108406738A - 一种二自由度微夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二自由度微夹持器，所述微夹持器是采用板材线切割一体成型的非对称式结构，包括差动位移放大机构、杠杆位移放大机构和基体；差动位移放大机构设置于该夹持器中心线的右侧；杠杆位移放大机构设置于微夹持器中心线的左侧；差动位移放大机构设有L型杆件Ⅰ、L型杆件Ⅱ、L型杆件Ⅲ和输入杆件和水平杆件；杠杆位移放大机构与基体采用柔性铰链Ⅲ连接，在杠杆位移放大机构的两端设有输入端和输出端，杠杆位移放大机构的输入端由压电陶瓷驱动器Ⅱ驱动。本发明体积小、结构紧凑、具有两自由度、制造成本低，具有较大的位移放大倍数，能够实现夹持力测量与反馈，能够适用于不同应用领域。

Description

一种二自由度微夹持器

技术领域

本发明属于微器件装配领域，特别是涉及一种二自由度微夹持器。

背景技术

近年来，随着微电子产业的蓬勃发展，微电子产业的发展已成为衡量一个国家综合实力的重要标志，成为促进国民经济持续发展和国家战略性基础产业安全的重要保障。随着微电子产业的持续发展，其相关行业器件不断向着微型化、高性能和高集成度方向发展，对于装配和操作的质量要求越来越严格，因此对微器件封装的质量和效率提出了更高的要求。

传统的微夹持器大多只有一个自由度，无法满足对微夹持器自由度有更高要求的应用领域，这严重限制了微夹持器的应用范围。微夹持器一般处于微操作系统的最末端，直接与被操作对象接触，为保证稳定夹持，不使被夹持物体发生松动，需确保两钳口末端的相对运动为平行运动。为使被操作对象能够被搓动一个较大的角度，微夹持器Y向的位移应足够大。此外，由于微夹持器开合频繁，微夹持器钳口处需要有很强的耐磨性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种二自由度微夹持器，该微夹持器体积小、结构紧凑、能实现X向和Y向两自由度运动、制造成本低，并且运动精度高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种二自由度微夹持器，所述微夹持器是采用板材线切割一体成型的非对称式结构，包括差动位移放大机构、杠杆位移放大机构和基体；所述差动位移放大机构设置于该夹持器中心线的右侧；所述杠杆位移放大机构设置于微夹持器中心线的左侧；

所述差动位移放大机构设有L型杆件Ⅰ、L型杆件Ⅱ、L型杆件Ⅲ和输入杆件和水平杆件；所述L型杆件Ⅰ和L型杆件Ⅱ之间通过连接杆和柔性铰链VIII相连，所述输入杆件两端各形成有一个与所述基体连接的柔性平行双板机构Ⅰ；在所述输入杆件和所述基体之间设有压电陶瓷驱动器Ⅰ，所述压电陶瓷驱动器Ⅰ采用契型块预紧；L型杆件的末端外侧设有一个差动位移放大机构的输出端；差动位移放大机构的上侧设有一平行四边形机构Ⅰ，所述平行四边形机构Ⅰ是由柔性铰链Ⅰ连接形成，在所述平行四边形机构Ⅰ的末端形成有钳口Ⅰ；所述钳口Ⅰ通过柔性铰链Ⅱ与所述输出端相连；

所述杠杆位移放大机构与所述基体采用柔性铰链Ⅲ连接，在所述杠杆位移放大机构的两端设有输入端和输出端，所述杠杆位移放大机构的输入端由压电陶瓷驱动器Ⅱ驱动；压电陶瓷驱动器Ⅱ通过预紧螺栓与基体相连，在所述杠杆位移放大机构的左侧设有一平行四边形机构Ⅱ，所述平行四边形机构Ⅱ是由柔性铰链Ⅳ连接形成，所述平行四边形机构Ⅱ设有输出端和输入端，在所述平行四边形机构Ⅱ的输出端上形成有与其平行的柔性双平行板机构Ⅱ，在所述柔性双平行板机构Ⅱ的端部上形成有钳口Ⅱ；所述杠杆位移放大机构的输出端与位于其外侧的所述平行四边形机构Ⅱ的输入端通过柔性铰链Ⅴ连接。

进一步的，所述柔性双平行板机构Ⅱ上粘贴有金属应变片。

进一步的，所述基体上设有定位螺栓孔。

进一步的，钳口Ⅱ上开有V型槽。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

采用压电陶瓷驱动器作为微夹持器的驱动源，可以明显降低微夹持器的整体质量和运动惯量。另外压电陶瓷驱动器具有体积小、刚度高、响应速度快、位移分辨率高等特点，利用压电陶瓷驱动器驱动杠杆位移放大机构和差动位移放大机构从而带动钳口开合，可以有效改善夹持器的静动态特性。将压电陶瓷驱动器设置在夹持器内部，使夹持器结构紧凑。采用平行四边形机构大大减小了钳口处的寄生位移，实现了钳口的平行运动，能够避免由于夹持分力引起微器件松动，能够有效提高夹持器的夹持稳定性和精度。通过在差动放大机构输入端横梁两端对称布置两个柔性平行双板机构，来保差动放大机构输入端横梁沿直线运动，从而保证夹持器在急启急停情况下钳口的运动精度。此外采用杠杆位移放大机构和平行四边形机构两级放大，能够将压电陶瓷驱动器Ⅱ的输出位移进行放大，使夹持器具有较大的张合量，能够实现对不同尺寸微小物体的稳定夹持；采用差动位移放大机构对压电陶瓷驱动器Ⅰ的输出位移进行放大，能够实现较大的搓动角度。采用金属应变片作为夹持器夹持力的反馈元件，能够实现夹持力的测量与实时反馈，从而提夹持器工作的稳定性，防止夹持力过大使被夹持物体遭到破坏。该夹持器具有两个自由度，能实现夹和搓两个动作，采用一体成型结构，不需要贵重材料，制作成本低。综上所述，本发明体积小、结构紧凑、具有两自由度、制造成本低，具有较大的位移放大倍数，能够实现夹持力测量与反馈，能够适用于不同应用领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的部分结构示意图，包含差动位移放大机构；

图3为本发明的部分结构示意图，包含基体、平行四边形机构、杠杆位移放大机构和钳口；

图4本发明部分结构示意图，包含基体、平行四边形机构和钳口；

图5为本发明的部分结构示意图，包含开有V型槽的钳口；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

请参阅图1～图5，一种二自由度微夹持器，该夹持器是采用板材线切割一体成型的，包括杠杆位移放大机构3、差动位移放大机构9和基体1，杠杆位移放大机构3和差动位移放大机构9分别位于夹持器的左右两侧。

差动位移放大机构9设有与基体1连接的的输入杆件9-8、L型杆件9-1、9-2、9-4以及与X轴平行的连接杆9-3；输入杆件9-8的两端各形成有一个与基体1连接的柔性平行双板机构Ⅰ11，在输入杆件9-8与基体1之间设有压电陶瓷驱动器Ⅰ12，压电陶瓷驱动器Ⅰ12设有预紧契型块10；L型杆件9-1、9-4与基体1间通过柔性铰链Ⅵ9-9连接，与输入杆件9-8间通过柔性铰链Ⅶ9-7连接；L型杆件9-1、9-4与L型杆件9-2间通过柔性铰链VIII9-5连接；L型杆件9-2的末端外侧设有差动位移放大机构的输出端9-6；差动位移放大机构的输出端通过柔性铰链Ⅱ9-10与所述钳口Ⅰ7链接，钳口Ⅰ7的右侧设有平行四边形机构Ⅰ8，平行四边形机构Ⅰ8是由柔性铰链Ⅰ8-1连接形成的。

杠杆位移放大机构3位于夹持器左侧，杠杆位移放大机构3与基体1采用柔性铰链Ⅲ3-1连接，在杠杆位移放大机构3的输入端设有压电陶瓷驱动器Ⅱ13，压电陶瓷驱动器Ⅱ13设有预紧螺栓14，预紧螺栓14连接在基体1上；在基体1的一侧形成有平行四边形机构Ⅱ2，平行四边形机构Ⅱ2位于杠杆位移放大机构3的左侧。平行四边形机构Ⅱ2设有输出端和输入端，平行四边形机构Ⅱ2的输入端与杠杆位移放大机构3的的输出端通过柔性铰链Ⅴ3-2连接，平行四边形机构Ⅱ2的输出端形成有与其平行的柔性平行双板机构Ⅱ5，平行四边形机构Ⅱ2是采用柔性铰链Ⅳ2-1连接形成的。在柔性平行双板机构Ⅱ5的端部上形成有钳口Ⅱ6。

具体的，本发明采用非对称结构，能够实现微夹持器的两自由度运动，使微夹持器结构紧凑。为了保证夹持器的加工精度，该夹持器采用线切割一体成型结构。本实施例中通过在可动输入杆件9-8的两端形成与基体1连接的柔性平行双板机构11，来保证差动放大机构的输入杆件9-8沿Y轴运动，从而保证线夹在急启急停情况下钳口的运动精度。

在本实施例中，柔性平行双板机构Ⅱ5为柔性梁，在柔性平行双板机构Ⅱ5上粘贴有金属应变片4。当钳口Ⅱ6夹紧物体时，柔性梁会产生柔性变形，通过测量金属应变片4的输出量可以实现夹持力的测量与反馈，进而通过控制压电陶瓷驱动器Ⅱ13的输入信号，可以实现对夹持力的控制。

本发明微夹持器的工作原理如下：

该微夹持器在使用时，将基体1固定在机体上。当在压电陶瓷驱动器Ⅱ13的两端施加驱动电压时，压电陶瓷驱动器Ⅱ13将伸长，驱动杠杆位移放大机构3绕柔性铰链Ⅲ3-1逆时针转动，拉动柔性铰链V3-2，带动平行四边形机构Ⅱ2运动，平行四边形机构Ⅱ2通过柔性平行双板机构Ⅱ5带动钳口Ⅱ6运动，实现钳口Ⅱ6闭合以夹紧物体。当撤掉压电陶瓷驱动器Ⅱ13两端的驱动电压后，压电陶瓷驱动器Ⅱ13将恢复至原长，夹持器在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置，钳口Ⅱ6张开从而释放物体。通过调节预紧螺栓14可以改变压电陶瓷驱动器Ⅱ13的预紧力，能够调节两钳口的间距，以满足夹持不同尺寸物体的需要。钳口Ⅱ6通过柔性平行双板机构Ⅱ5与平行四边形机构Ⅱ2连接，当钳口Ⅱ6夹紧物体时，柔性平行双板机构Ⅱ5会产生柔性变形，通过测量金属应变片4的输出量可以实现夹持力测量与反馈。平行四边形机构Ⅱ2在夹持器中既起到杠杆机构的作用，具有位移放大功能，又起到导向作用，具有减小甚至消除寄生位移的功能。

当在压电陶瓷驱动器Ⅰ12的两端施加驱动电压时，压电陶瓷驱动器Ⅰ12将伸长，驱动输入杆件9-8沿Y轴方向运动，拉动柔性铰链Ⅶ9-7，带动两L型杆件绕柔性铰链Ⅵ9-9转动，拉动柔性铰链VIII9-5，带动L型杆件9-1、9-4运动，L型杆件9-2通过柔性铰链Ⅱ带动钳口Ⅰ7运动，实现钳口Ⅰ7沿Y轴方向运动以搓动物体。当撤掉压电陶瓷驱动器Ⅰ12两端的驱动电压后，压电陶瓷驱动器Ⅰ12将恢复至原长，夹持器在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置，钳口Ⅰ7恢复到原位置。钳口Ⅰ7右侧与平行四边形机构Ⅰ8连接，所述平行四边形机构Ⅰ8在夹持器中起到导向作用，具有减小甚至消除寄生位移的功能。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二自由度微夹持器，其特征在于，所述微夹持器是采用板材线切割一体成型的非对称式结构，包括差动位移放大机构(9)、杠杆位移放大机构(3)和基体(1)；所述差动位移放大机构(9)设置于该夹持器中心线的右侧；所述杠杆位移放大机构(3)设置于微夹持器中心线的左侧；

所述差动位移放大机构(9)设有L型杆件Ⅰ(9-1)、L型杆件Ⅱ(9-2)、L型杆件Ⅲ(9-4)和输入杆件(9-8)和水平杆件(9-3)；所述L型杆件Ⅰ(9-1)和L型杆件Ⅱ(9-2)之间通过连接杆(9-3)和柔性铰链VIII(9-5)相连，所述输入杆件(9-8)两端各形成有一个与所述基体(1)连接的柔性平行双板机构Ⅰ(11)；在所述输入杆件(9-8)和所述基体(1)之间设有压电陶瓷驱动器Ⅰ(12)，所述压电陶瓷驱动器Ⅰ(12)采用契型块(10)预紧；L型杆件(9-2)的末端外侧设有一个差动位移放大机构(9)的输出端(9-6)；差动位移放大机构(9)的上侧设有一平行四边形机构Ⅰ(8)，所述平行四边形机构Ⅰ(8)是由柔性铰链Ⅰ(8-1)连接形成，在所述平行四边形机构Ⅰ(8)的末端形成有钳口Ⅰ(7)；所述钳口Ⅰ(7)通过柔性铰链Ⅱ(9-10)与所述输出端(9-6)相连；

所述杠杆位移放大机构(3)与所述基体(1)采用柔性铰链Ⅲ(3-1)连接，在所述杠杆位移放大机构(3)的两端设有输入端和输出端，所述杠杆位移放大机构(3)的输入端由压电陶瓷驱动器Ⅱ(13)驱动；压电陶瓷驱动器Ⅱ(13)通过预紧螺栓(14)与基体(1)相连，在所述杠杆位移放大机构(3)的左侧设有一平行四边形机构Ⅱ(2)，所述平行四边形机构Ⅱ(2)是由柔性铰链Ⅳ(2-1)连接形成，所述平行四边形机构Ⅱ(2)设有输出端和输入端，在所述平行四边形机构Ⅱ(2)的输出端上形成有与其平行的柔性双平行板机构Ⅱ(5)，在所述柔性双平行板机构Ⅱ(5)的端部上形成有钳口Ⅱ(6)；所述杠杆位移放大机构(3)的输出端与位于其外侧的所述平行四边形机构Ⅱ(2)的输入端通过柔性铰链Ⅴ(3-2)连接。

2.根据权利要求1所述一种二自由度微夹持器，其特征在于，所述柔性双平行板机构Ⅱ(5)上粘贴有金属应变片。

3.根据权利要求1所述一种二自由度微夹持器，其特征在于，所述基体(1)上设有定位螺栓孔。

4.根据权利要求1所述一种二自由度微夹持器，其特征在于，钳口Ⅱ(6)上开有V型槽。