CN1376631A - 一种压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手,属于微机电系统技术领域,包括微致动器、柔性放大机构、尺寸预调机构和微夹持手;柔性放大机构固定在安装板上,尺寸预调机构固定在柔性放大机构的上部,微夹持手置于尺寸预调机构的上部,微致动器镶嵌于柔性放大机构的横向顶杆和支撑杆之间。本发明设计的微夹持手,空间结构紧凑,运动与力传递的可靠性强,非线性误差小,在微机械精密加工、微装配、微型机器人等领域将有广泛的应用前景。

Description

一种压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手

技术领域

本发明涉及一种压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手，属于微机电系统(MEMS)技术领域，可应用于微定位、微装配、微型机器人等微操作技术领域。

背景技术

微机电系统是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它汇集电子、机械、材料、制造、测量以及物理、化学和生物中新生长出的(包括交叉的、不同层次的)微小和微观领域的科学技术群体，被认为是21世纪的核心技术。在该领域，微操作技术涉及到微定位、微加工、微装配、微器件制作以及微型机器人等不同研究方向。微夹持技术由于其在微观领域的重要作用，备受各国研究工作者的重视。目前，国内外在这方面做了一定实验研究工作，研制出多种多样的微夹钳，但均不甚理想，如工作行程很小，不能对微小尺寸范围内不同尺寸量级和形状的微器件进行操作，夹持系统的互换性和兼容性不足，适用范围很窄。以压电元件驱动的传统微夹钳通常受压电元件尺寸限制，难以做的很小，且压电元件的逆压电效应产生的变形量通常只有几～十几微米，不能满足微观领域内多种微器件操作的要求，在一定程度上限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是设计一种压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手，克服已有技术的不足之处，采用压电驱动输出位移，利用柔性铰链新型机械增幅机构，按照杠杆原理对微位移进行定量放大，并使夹持范围可调。

本发明设计的压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手，包括微致动器、柔性放大机构、尺寸预调机构和微夹持手；柔性放大机构固定在安装板上，尺寸预调机构固定在柔性放大机构的上部，微夹持手置于尺寸预调机构的上部；微夹持手的上部为钳爪，下部的夹持手通过铰链与插在尺寸预调机构的螺旋副中的固定杆相铰接；位于微夹持手下部、与夹持手铰接的拉动杆，与尺寸预调机构中的弹性拉杆的一端相对固定；弹性拉杆的另一端与柔性放大机构相对固定；尺寸预调机构包括预调旋钮、丝杠、螺旋副和V型槽导轨，预调旋钮置于丝杠的一端，丝杠穿过二个螺旋副，二个螺旋副沿V型槽导轨滑动；柔性放大机构包括支撑杆、横向顶杆、竖向右拉杆、横向摆动杆，竖向左拉杆和Z形连接杆，上述各杆之间通过弹性薄臂联接；微致动器镶嵌于柔性放大机构的横向顶杆和支撑杆之间。

本发明设计的压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手，空间结构紧凑，运动与力传递的可靠性强，非线性误差小；其中的压电式驱动器分辨率高、承载力强、输出精度高、稳定性好；其中的柔性放大机构无机械摩擦、无间隙，因而精度和稳定性高，适用于微操作系统中微小位移的传递与放大；尺寸预调机构通过旋向相对的单根细牙丝杠，可按照被夹持器件的基本尺寸来调整微夹持手钳爪的初始距离，并利用锁紧螺母锁定，同时可保证机构的微型化，所需操作空间的相对较小，因此在我国微机械精密加工、微装配、微型机器人等领域将有广泛的应用前景。

附图说明：

图1是本发明设计的压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手的结构示意图；

图2是本发明装置中柔性放大机构的平面图；

图3是本发明装置中尺寸预调机构的结构示意图；

图4是本发明装置的工作原理图；

图5是本发明的柔性铰链数学模型。

图1-图5中，1为安装板；2为微致动器，21为顶面、22为底面，3为柔性放大机构，31为支撑杆、32为横向顶杆、33为竖向右拉杆、34为横向摆动杆、35为竖向左拉杆、36为Z形连接杆，37、38、39、310、311、312、313和314均为弹性薄臂；4为尺寸预调机构，41为螺旋副、42为旋钮、43为丝杠、44为底座、45为“V”型槽导轨；5为微夹持手，51为固定杆、52为柔性铰链、53为拉动杆、54为钳爪；6为弹性拉杆。

具体实施方式

如图1所示，本发明设计的压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手，包括微致动器2、柔性放大机构3、尺寸预调机构4和微夹持手5。柔性放大机构固定在安装板1上，尺寸预调机构4固定在柔性放大机构3的上部，微夹持手5置于尺寸预调机构4的上部。微夹持手的上部为钳爪54，下部的夹持手通过柔性铰链52与插在尺寸预调机构4的螺旋副41中的固定杆53相铰接。位于微夹持手下部、与夹持手铰接的拉动杆53，与尺寸预调机构中的弹性拉杆6的一端相对固定。弹性拉杆6的另一端与柔性放大机构3相对固定。尺寸预调机构4包括预调旋钮42、丝杠43、螺旋副41和V型槽导轨45，预调旋钮42置于丝杠43的一端，丝杠穿过二个螺旋副41，二个螺旋副沿V型槽导轨45滑动。柔性放大机构3包括支撑杆31、横向顶杆32、竖向右拉杆33、横向摆动杆34，竖向左拉杆35和Z形连接杆36，上述各杆之间通过弹性薄臂联接。微致动器2镶嵌于柔性放大机构的横向顶杆32和支撑杆31之间，通过柔性铰链将驱动器输出微位移放大，带动夹持手，实现对微小尺寸的物体的夹持；尺寸预调机构可按微器件基本尺寸量级对夹持手钳爪距离进行调整。

上述装置中的微致动器2的形状为六面体或圆柱体，包括两个有平面度要求的光滑平面：21为顶面和22为底面，其中底面22与柔性放大机构3中的支撑杆31接触，顶面21与柔性放大机构的横向顶杆32相接触。微驱动器2可采用压电陶瓷材料或电致伸缩材料制成，其尺寸根据柔性放大机构位移输出范围及分辨率设定。

柔性放大机构3如图2所示，由六部分铰链杆组成：支撑杆31、横向顶杆32、纵向右拉杆33、横向摆动杆34、纵向左拉杆35及Z形连接杆36，各铰链杆之间分别通过弹性薄臂37、38、39、310、311、312、313和314相互连接为一体。柔性放大机构3的整体形状为多面体，各组成部分尺寸比例由整个柔性放大机构3的位移放大倍数确定。柔性放大机构3可采用单晶硅、多晶硅、钢或者优质合金等材料，材料不同整个机构的输出位移和力都将相应变化。柔性放大机构3可通过线切割或激光加工等特种加工工艺技术实现。鉴于目前经济和设备条件，线切割具有一定的现实性。在柔性放大机构3的支撑杆31通过通孔将其固定于安装板1上。通孔半径在满足机械强度要求的前提下与柔性机构尺寸呈比例关系。

尺寸预调机构如图3所示，由螺旋副41(一对)、旋钮42、丝杠43、底座44(一对)以及“V”型槽导轨45等部分构成。螺旋副41底面与“V”型槽导轨45间隙配合，顶面通过螺钉与微夹持手5连接。旋钮42用来转动丝杠43，带动螺旋副41沿“V”型槽导轨45相向滑动，从而实现微器件夹持5的基本尺寸预调，以满足较大范围夹持要求。螺旋副41带有锁紧螺钉，基本尺寸预调后，以来完成微夹持手钳爪54间距的固定。

微夹持手5如图1所示，由固定杆51、柔性铰链52、拉动杆53和钳爪54等组成，整个结构为单晶硅或多晶硅材料，采用微细加工工艺加工。钳爪54的夹持接触面为锯齿形，如图1中局部放大所示，其目的是克服或减小被夹持微器件与钳爪54之间微观表面力，如范德瓦尔斯力、表面张力以及静电力等干扰力的影响。

本发明的工作过程结合图4说明如下：系统工作时，首先确定被夹持微器件的基本尺寸，然后利用尺寸预调机构4对微夹持手5中的钳爪54的初始间隙进行调整。初始工作完成后，接着利用逆压电或电致伸缩原理，对微致动器2输入稳定直流电压，产生初始微位移和力，传递到柔性放大机构3的横向顶杆32。经过柔性铰链位移多级放大，位移和力通过弹性拉杆6传递到微夹持手5的固定杆51，使之沿力的方向移动。固定杆的位移又通过柔性铰链52传递到钳爪54，并被二次放大，最终实现满足设计要求的微夹持手5夹持动作：“夹紧”和“松开”。

通常柔性铰链设计方法需要进行大量计算，并且涉及微积分，运算非常复杂，因此精度和准确度很难保证。鉴于此，本发明自行建立了柔性铰链数学模型，如图5所示，其中，α为极坐标系内截面与极坐标轴的夹角，θ为柔性铰链的转角，R为柔性铰链圆弧半径、t为柔性铰链最小厚度、b为柔性铰链的宽度。依据该模型，采用Rombers数值积分方法推导了柔性铰链转角刚度k相应设计理论公式： $k=1/_{{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{12R\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{Eb}{(2R+t-2R\sin \mathrm{\α})}^3}\mathrm{d\α}..........\left(1\right)}$

该系统的技术指标如下：

整个系统总放大比：108；

最大输出位移：1.512mm；

位移分辨率：0.1μm；

本发明的一个实施例外形尺寸：长×宽×高＝92×57×14mm³，微驱动器2采用压电陶瓷材料，长×宽×高＝20×5×5mm³，最大输出位移S₀＝14μm。柔性放大机构3材料采用优质钢材，通过线切割与电火花技术两种特种加工工艺加工完成。柔性放大机构3横向顶杆32尺寸：长×宽＝14.5×2.5mm²；纵向右拉杆33长×宽＝11.5×2.5mm²；横向摆动杆34长×宽＝17.5×2.5mm²，与之相连的弹性薄臂311与两端弹性薄臂310、312距离比为5∶10；纵向左拉杆35长×宽＝4.5×2.5mm²；Z形连接杆36长×宽＝18×2.5mm²；微夹持手5的柔性铰链52到其固定杆51的水平距离为4mm。

钢材的弹性模量E：2.1×10⁴kg/mm²；

柔性机构铰链圆弧半径R：1.0mm；

柔性机构铰链最小厚度t：0.5mm；

柔性机构铰链最小宽度b：5mm；

微致动器电源：0～300V高压稳压直流电；柔性放大机构放大比： $R_1=\frac{l_2}{l_1}\×\frac{l_4}{l_3}\×\frac{l_6}{l_5}=\frac{12}{4}\×\frac{10}{5}\×\frac{21}{7}=18$ 微夹持手放大比： $R_2=\frac{l_8}{l_7}=\frac{24}{4}=6$

最大输出位移：Smax＝S₀×R＝S₀×R₁×R₂＝14×18×6＝1.512×10³μm

本实例应用于微器件装配系统中，作为微装配器件的操作工具，实际应用效果良好。上述实例为小型柔性机构，按照本发明原理，缩微致动器以及柔性放大机构等各组成部分的相对尺寸，同样可以设计制作出具有驱动、放大、夹持功能的微小型夹持系统。

Claims (1)

1、一种压电式柔性驱动放大可调量程微夹持手，其特征在于该夹持手包括微致动器、柔性放大机构、尺寸预调机构和微夹持手；所述的柔性放大机构固定在安装板上，尺寸预调机构固定在柔性放大机构的上部，微夹持手置于尺寸预调机构的上部；所述的微夹持手的上部为钳爪，下部的夹持手通过铰链与插在尺寸预调机构的螺旋副中的固定杆相铰接；位于微夹持手下部、与夹持手铰接的拉动杆，与尺寸预调机构中的弹性拉杆的一端相对固定，弹性拉杆的另一端与柔性放大机构相对固定；所述的尺寸预调机构包括预调旋钮、丝杠、螺旋副和V型槽导轨，预调旋钮置于丝杠的一端，丝杠穿过二个螺旋副，二个螺旋副沿V型槽导轨滑动；所述的柔性放大机构包括支撑杆、横向顶杆、竖向右拉杆、横向摆动杆，竖向左拉杆和Z形连接杆，上述各杆之间通过弹性薄臂联接；微致动器镶嵌于柔性放大机构的横向顶杆和支撑杆之间。

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