CN108436451B - 一种微夹钳的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微夹钳的制造方法，该微夹钳能够在兼顾较大行程的同时，又具有紧凑结构，同时该制造方法基于微操作已经具有的显微镜环境，便于实现微夹钳的在线校准，减小微操作过程中的准备时间，减少工作量，提高微操作效率。

Description

一种微夹钳的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微夹钳制造方法，特别是适于在微米尺度应用的压电微夹钳的制造方法，属于微操作和微装配技术领域。
背景技术
目前，微操作和微装配技术被广泛的应用在微机电系统、管线专配、生物工程和小型元器件的电子封装等研究领域。其中，微夹钳是器件组装过程中不可或缺的重要设备，主要用来实现直径小于200微米的微物体的夹持，移动，释放等操作。
微夹钳通常由驱动装置和位移传递装置所构成。目前微夹钳常用的驱动方式有电热驱动、电磁驱动、压电驱动、静电驱动、形状记忆合金等。在这些驱动中，由于压电驱动特有的大驱动力，高响应频率，大带宽和高分辨率等优点，被广泛的用作微夹钳的驱动。另外，由于部分的操作需要在扫描电镜的真空环境中完成，压电驱动不产生磁场的特性，促使其广泛的应用在基于扫描电镜的微操作中。压电驱动通过采用压电陶瓷材料，利用在其两端加载一定的电势差的方式产生位移和输出力。
由于微夹钳主要操作直径在200微米尺度及以下的材料，夹持精度成为微夹钳主要考虑的性能之一。为提高微夹钳的夹持精度，一般通过内部结构集成位置传感器的方式形成位置反馈，实现微夹钳夹持状态的实时监测，此方法对提高了微夹钳的夹持精度有较大帮助。但是，集成的位置传感器在使用前都需要进行校准，目前一般采用通过将微夹钳安装在激光位移测定装置上进行校准，再将微夹钳取下安装在微动移动平台上进行相应的微尺度物体的操作。此方法具有较高的校准精度，但是不能实现实时的在线的校准，并且在将微夹钳二次安装到微动移动平台的过程中，由于固定方式的差异，导致误差的引入，降低了微夹钳的夹持精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在兼顾较大行程的同时，又具有紧凑结构微夹钳的制造方法。
本发明的技术方案如下。
一种微夹钳的制造方法，其中
所述微夹钳包括：安装板、预紧螺钉、微夹钳主体、半圆形垫片、驱动装置、紧定螺钉、第一应变片、第二应变片、末端钳口；所述微夹钳主体包括上输出梁、第一级放大系统和第二级放大系统；两级放大系统分别包括对称布置的第一竖放大梁、第二竖放大梁、第一横放大梁和第二横放大梁；
所述制造方法包括如下步骤：
步骤S1，将安装板、微夹钳主体、紧定螺钉放在超声波清洗器中进行零件的清洁，取出晾干；
步骤S2，将测量位移变化的两个应变片通过环氧树脂胶粘结在微夹钳的第二级放大系统的第一横放大梁和第二横放大梁处；
步骤S3，将安装板放水平，将装有应变片的微夹钳主体通过紧定螺钉固定在安装板上，调整好微夹钳主体与安装板的位置后成对角线依次紧固紧定螺钉，然后将预紧螺钉装入微夹钳主体中，并使预紧螺钉的前端不超出上输出梁靠近驱动装置的一端；
步骤S4，将驱动装置成左右对称安装在微夹钳主体的中间部位，在显微镜下预紧预紧螺钉使得末端钳口处出现合适的位移。
优选地，所述步骤S1中的清洁时间为10分钟。
优选地，所述微夹钳主体为一个整体，采用线切割加工完成。
优选地，所述微夹钳主体中相邻的放大梁采用柔性铰链直接连接。
优选地，所述微夹钳主体还包括左前固定端、右前固定端和中心固定块。
优选地，所述左前固定端、右前固定端和中心固定块的厚度大于微夹钳主体的可移动部件。
优选地，所述左前固定端、右前固定端和中心固定块的厚度大于微夹钳主体的可移动部件0.5mm。
优选地，所述微夹钳主体的结构尺寸为18×32×3.5mm。
优选地，所述步骤S2还包括在粘接好的应变片上涂抹一层薄密封胶。
优选地，所述驱动装置为压电驱动装置、电磁驱动装置或电热驱动装置。
通过以上技术方案，本发明能够取得以下技术效果。
一方面，制造出的微夹钳在保证微夹钳较大夹持范围的同时，兼顾微夹钳高紧凑的结构，提高微夹钳的灵活性。
另一方面，本发明的制造方法基于微操作已经具有的显微镜环境，便于实现微夹钳的在线校准，减小微操作过程中的准备时间，减少工作量，提高微操作效率。
附图说明
图1是本发明的微夹钳系统结构示意图。
图2是图1中的微夹钳主体结构图。
图3是本发明的微夹钳放大倍数计算原理图。
图4是本发明的微夹钳在线校准原理图。
图中各个附图标记的含义如下：1.安装板，2.预紧螺钉，3.微夹钳主体，4.半圆形垫片，5.驱动装置，6.紧定螺钉，7.第一应变片，8.第二应变片，9.末端钳口，10.上输出梁，11.第一级放大系统第一竖放大梁，12.第一级放大系统第一横放大梁，13.第二级放大系统第一竖放大梁，14.第二级放大系统第一横放大梁，15.右前固定端，16.右前连接梁，17.位移合并梁，18.右复原梁，19.右夹子，20.左夹子，21.左复原梁，22.左前连接梁，23.左前固定端，24.第二级放大系统第二横放大梁，25.第二级放大系统第二竖放大梁，26.中心固定块，27.第一级放大系统第二横放大梁，28.第一级放大系统第二竖放大梁。
具体实施方式
如附图1，本发明的微夹钳包括有安装板1、预紧螺钉2、微夹钳主体3、半圆形垫片4、驱动装置5、紧定螺钉6、第一应变片7、第二应变片8、末端钳口9组成。微夹钳主体3通过紧定螺钉6和安装板1固定组装，两个应变片通过环氧树脂胶粘结在微夹钳主体3上，实时的输出微夹钳末端探针的位置状态。驱动装置5采用堆叠方式制造的压电陶瓷，通过一端固定在微夹钳主体1上，另一端通过与半圆形垫片4接触，将产生的位移传递到微夹钳的主体结构上。微夹钳设计为左右对称的方式实现一个压电驱动实现两侧探针的同步位移，进一步扩大微夹钳的可夹持尺寸。
为减小微夹钳的结构尺寸，本发明采用双级杠杆放大结构实现压电驱动输出位移的扩大。首级行程放大系统由第一级放大系统第一竖放大梁11、第一级放大系统第一横放大梁12和第一级放大系统第二横放大梁27、第一级放大系统第二竖放大梁28组成，完成PZT输出的第一次位移放大。二级放大系统由第二级放大系统第一竖放大梁13、第二级放大系统第一横放大梁14和第二级放大系统第二横放大梁24、第二级放大系统第二竖放大梁25组成，完成对一级放大系统的再次放大，两级放大系统可实现在小PZT输出位移的情况下实现微夹钳末端钳口输出较大的位移，满足微操作对夹持尺度的需求。同时，为实现可移动部件(10～14,16～19,20～22，24～28)位移的顺利传递，本发明微夹钳固定部件右前固定端15、左前固定端23、中心固定块26在厚度上大于可移动部件0.5mm。
为了进一步减小微夹钳的结构尺寸，本发明采用柔性铰链的方式实现PZT输出位移的传输，整个微夹钳为一个整体，通过线切割加工完成，本发明微夹钳主体的结构尺寸为18×32×3.5mm，具有紧凑的结构尺寸。并且，由于柔性铰链直接连接两个相邻的梁，可以避免位移在传统旋转副中传输存在的机械摩擦和回程差影响夹持精度的问题，另外，微夹钳加工方式单一，其加工精度易于保证且不需要再次装配，本发明微夹钳共由22个柔性铰链组合而成，如图2所示。
图3中各个参数的含义如下。
A～J柔性铰链节点；VA～VI铰链节点移动速度；
Figure GDA0002420830930000041
首级放大、次级放大、位移合成机构瞬时旋转中心角速度；diPZT输出位移；l1～l6微夹钳放大梁长度。
本发明通过粘结在第二级放大系统第一横放大梁14和第二级放大系统第二横放大梁24上的应变片检测右夹子19和左夹子20处位移的变换情况，需要保证应变片处发生的位移与右夹子19和左夹子20处输出的位移为线性的关系。由于本发明微夹钳为对称结构，因此微夹钳只取一半进行讨论即可。微夹钳的放大倍数为K，首级、二级、钳口放大倍数依次为K1、K2、K3，则如图3所示，以C(由中心固定块26固定得到)为旋转中心，可得：
vA＝vB·sinα
vB＝ωCl1/sinα
vD＝ωC·(l1+l2)
由瞬时速度不能突变为基础，首级放大倍数为：
K1＝dD/di≈vD/vA＝(l1+l2)/l1
同理可得：
K2＝dG/dD≈vG/vD＝(l3+l4)/l3
K3＝dI/dH≈vI/vG＝l6/l5
整理可得：
K＝K1K2K3＝(l1+l2)(l3+l4)l6/l1l3l5
由此可得，微夹钳的放大倍数仅与其自有结构尺寸相关，因此粘结在第二级放大系统第一横放大梁14和第二级放大系统第二横放大梁24上的应变片可以实现右夹子19和左夹子20处位移的准确表示。
下面介绍微夹钳在线校准的过程。首先将组装好的微夹钳通过安装板1上的安装孔安装在三维移动平台上，将微夹钳放在需要进行微操作观测的显微镜下，调整显微镜完成放大倍数调整和对焦前期准备工作，在驱动装置5上加载0～150V,频率为1Hz的正弦波，并通过视频录制功能记录微夹钳末端的连续3次开合情况。保持微夹钳当前的安装位置不变，通过编写好的视频处理算法，对微夹钳的视频进行帧提取和位移计算处理，处理过程如图4所示。首先加载一帧显微镜采集到的图像(图4a)，为提高校准精度，首先对得到的校准图像进行高斯模糊处理，去除干扰噪声(图4b)，然后对图像进行二值化处理，分割背景和前景中的微夹钳(图4c)，由于二值化后的微夹钳的图像依旧存在些许的噪点，通过腐蚀与膨胀的处理算法去除前景中微夹钳内部的噪点，同时保证不影响后期的校准精度(图4d)，然后通过微夹钳的末端钳口处于微夹钳的最右端，通过轮廓识别可以得到微夹钳的两个末端钳口顶点(图4e)，最终通过计算微夹钳末端钳口顶点垂直距离间的像素数与像素值大小之积，可得到微夹钳钳口当前的位移情况(图4f)。依次加载剩余的视频帧完成3次开合过程的位移数值，将位移数值取平均后的数值与加载的正弦信号进行对比，得到特定时刻PZT加载电压与微夹钳末端位移关系，完成微夹钳的校准过程。完成校准后的微夹钳即可通过应变片的输出电压确定当前钳口发生位移的大小。
下面介绍微夹钳的组装过程。首先将安装板1、微夹钳主体3、紧定螺钉6放在超声波清洗其中进行零件的清洁10分钟，取出晾干。由于第二级放大系统第一横放大梁14和第二级放大系统第二横放大梁24处在位移二级放大的位置，更容易产生较大的变形，有利于位移变化的高精度检测。因此，先将测量位移变化的应变片通过环氧树脂胶粘结在在微夹钳的第二级放大系统第一横放大梁14和第二级放大系统第二横放大梁24处，由于应变片极易受到湿度和和温度变化的影响，在粘接好的应变片上涂抹一层薄密封胶，既保证了应变片尽量少受湿度变化的影响，同时使应变片更加牢固的固定在微夹钳主体上。将安装板1放水平，将装有应变片的微夹钳主体3通过紧定螺钉6固定在安装板1上，调整好微夹钳主体3与安装板1的位置后成对角线依次紧固紧定螺钉6，然后将预紧螺钉2装入微夹钳主体3中，并使预紧螺钉2的前端不超出上输出梁10靠近驱动装置5的一端。将驱动装置5成左右对称安装在微夹钳主体3的中间部位，在显微镜下预紧预紧螺钉2使得末端钳口9处出现合适的位移后完成微夹钳的组装工作。
下面介绍微夹钳的工作过程。微夹钳位移的传输首先从驱动装置5开始，在驱动装置5上加载0～150V之间的上升电压时，驱动装置5会在0～9微米行程之间逐渐伸长，由于中心固定块26受到紧定螺钉6的固定作用不能产生位移，因此驱动装置5的位移首先传输到微夹钳主体3上，再通过螺纹传输到上输出梁10上，产生远离驱动装置5的位移，并且使柔性铰链产生远离驱动装置5的位移，柔性铰链、第一级放大系统第一竖放大梁11、第一级放大系统第一横放大梁12、中心固定块26和中心固定块26、第一级放大系统第二横放大梁27、第一级放大系统第二竖放大梁28构成放大杠杆结构，将来自第一级放大系统第一竖放大梁11和中心固定块26的位移在弹性范围内进行首级同步放大，柔性铰链、第二级放大系统第一竖放大梁13、第二级放大系统第一横放大梁14、右前固定端15和左前固定端23、第二级放大系统第二横放大梁24、第二级放大系统第二竖放大梁25再次构成放大杠杆结构，将来自第二级放大系统第一竖放大梁13和第二级放大系统第二竖放大梁25的位移进行二次放大，在第二级放大系统第一竖放大梁13和第二级放大系统第二竖放大梁25位移的作用下，第二级放大系统第一横放大梁14和第二级放大系统第二横放大梁24分别绕柔性铰链在弹性范围内产生顺时针和逆时针的同步运动，第二级放大系统第一横放大梁14和第二级放大系统第二横放大梁24的位移通过右前连接梁16和左前连接梁22的连接，将位移在位移合并梁17处合并，在右复原梁18、左复原梁21和位移合并梁17共同的作用下，右夹子19和左夹子20分别产生顺时针和逆时针的同步运动，将放大后的位移在右夹子19和左夹子20上输出。当加载在驱动装置5上的电压由高逐渐降低到0时，在柔性铰链弹性力的作用下，可移动部件实现原始位置的复位，等待下一次位移传输的到来。微夹钳通过三维移动移动平台配合使用，可完成微米尺寸物体夹持、搬运以及释放等操作，应用范围广泛。

Claims (10)

1.一种微夹钳的制造方法，其中
所述微夹钳包括：安装板(1)、预紧螺钉(2)、微夹钳主体(3)、半圆形垫片(4)、驱动装置(5)、紧定螺钉(6)、第一应变片(7)、第二应变片(8)、末端钳口(9)；所述微夹钳主体(3)包括上输出梁(10)、第一级放大系统和第二级放大系统；两级放大系统分别包括对称布置的第一竖放大梁、第二竖放大梁、第一横放大梁和第二横放大梁；
所述制造方法包括如下步骤：
步骤S1，将安装板(1)、微夹钳主体(3)、紧定螺钉(6)放在超声波清洗器中进行零件的清洁，取出晾干；
步骤S2，将测量位移变化的两个应变片通过环氧树脂胶粘结在微夹钳的第二级放大系统第一横放大梁(14)和第二级放大系统第二横放大梁(24)处；
步骤S3，将安装板(1)放水平，将装有应变片的微夹钳主体(3)通过紧定螺钉(6)固定在安装板(1)上，调整好微夹钳主体(3)与安装板(1)的位置后成对角线依次紧固紧定螺钉(6)，然后将预紧螺钉(2)装入微夹钳主体(3)中，并使预紧螺钉(2)的前端不超出上输出梁(10)靠近驱动装置的一端；
步骤S4，将驱动装置(5)成左右对称安装在微夹钳主体(3)的中间部位，在显微镜下预紧预紧螺钉(2)使得末端钳口(9)处出现合适的位移。
2.根据权利要求1所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中的清洁时间为10分钟。
3.根据权利要求1所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述微夹钳主体(3)为一个整体，采用线切割加工完成。
4.根据权利要求1所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述微夹钳主体(3)中相邻的放大梁采用柔性铰链直接连接。
5.根据权利要求1所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述微夹钳主体(3)还包括左前固定端(23)、右前固定端(15)和中心固定块(26)。
6.根据权利要求5所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述左前固定端(23)、右前固定端(15)和中心固定块(26)的厚度大于微夹钳主体(3)的可移动部件。
7.根据权利要求6所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述左前固定端(23)、右前固定端(15)和中心固定块(26)的厚度大于微夹钳主体(3)的可移动部件0.5mm。
8.根据权利要求7所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述微夹钳主体(3)的结构尺寸为18×32×3.5mm。
9.根据权利要求1所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述步骤S2还包括在粘接好的应变片上涂抹一层薄密封胶。
10.根据权利要求1所述的微夹钳的制造方法，其特征在于，所述驱动装置(5)为压电驱动装置、电磁驱动装置或电热驱动装置。
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