CN1640630A - 一种柔性微夹钳 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种柔性微夹钳，属于微型机械领域执行器类。柔性微夹钳由微夹钳钳体、预紧楔形块、压电陶瓷、柔性铰链、钳臂、预紧螺钉组成；压电陶瓷通过预紧楔形块和预紧螺钉固定在钳体的中间，柔性铰链和钳臂组成了位移放大机构。它适用于微小机械零件的夹持及生物医学领域用于夹持微小的生物细胞组织等。

Description

一种柔性微夹钳
技术领域    本发明属于微型机械领域执行器类。
现有技术    微夹钳则是一种典型的微执行机构，可以完成微小零件的夹取和运送及装配。它在微机械零件的加工和装配，生物工程和光学研究等领域有着广泛的应用前景。但是目前微夹钳的设计大多是基于工程经验，缺乏系统的设计方法，大连理工大学学报Vol.43，No.4公开的微夹钳如图1所示。它包括压电陶瓷1、柔性铰链2、微夹钳钳臂3、机座4、夹片5。由于压电陶瓷的输出位移小于微夹钳所要求的开合量，则需要放大机构对压电陶瓷的运动范围进行放大，以满足微夹钳所需的开合量。放大机构由柔性铰链、微夹钳钳臂和夹片组成，它对压电陶瓷的运动范围采用单级放大，以柔性铰链作支点来实现微夹钳的张开与闭合单一的机械动作，开合量不够大，不能满足某些特殊场合的需要。
发明内容    本发明的目的是克服传统的基于工程经验设计方法设计出的微夹钳产品的缺陷，采用拓扑优化方法设计微夹钳的结构，针对不同的工作情况和夹持对象设计出性能各异的微夹持机构，得到最优的微夹钳形式，并且使夹取、运送及装配方便、灵活、可靠。它适用于微小机械零件的夹持及生物医学领域用于夹持微小的生物细胞组织等。
本发明的技术方案是一种柔性微夹钳，由微夹钳钳体1，预紧楔形块2，压电陶瓷3，钳臂4，预紧螺钉5，电源引线6、7和多重柔性铰链I组成。压电陶瓷通过预紧楔形块2和预紧螺钉5固定在钳体1的中间，多重柔性铰链I和钳臂4组成了位移放大机构。
多重柔性铰链I由单切口柔性铰链A、B、D、F、G和双切口柔性铰链C、E组成。
本发明的效果是以柔性结构拓扑优化的数学模型为基础，采用SIMP(SolidIsotropic Microstructure with Penalty)方法完成微夹钳的概念设计，如图3所示。利用有限元分析软件，在拓扑优化设计的初始结构上，针对具体的夹持对象确定了微夹钳的结构形式，克服传统的基于工程经验的微夹钳的设计方法的不足，针对具体的工作情况和夹持对象，得到最优的微夹钳结构形式，充分利用压电陶瓷的输出位移。柔性微夹钳结构简单，柔性好，使用灵活、方便。
附图说明    附图1是传统微夹钳结构示意图，其中：1-压电陶瓷，2-柔性铰链，3-微夹钳钳臂，4-机座，5-夹片。附图2是柔性微夹钳结构示意图，其中：1-微夹钳钳体，2-预紧楔形块，3-压电陶瓷，4-钳臂，5-预紧螺钉，6、7-电源引线，I-多重柔性铰链，A-单切口柔性铰链，B-单切口柔性铰链，C-双切口柔性铰链，D-单切口柔性铰链，E-双切口柔性铰链，F-单切口柔性铰链，G-单切口柔性铰链。附图3是拓扑优化方法设计的微夹钳的初始结构图。
具体实施    下面结合附图详细说明本发明的实施，工作时先固定好微夹钳，利用微夹钳钳体端部的通孔，将其安装在机座上。然后调整预紧螺钉，使得钳口有一个合适的初始宽度。将压电陶瓷3通过引线6、7与控制电源相连。当压电陶瓷3两端通过控制电源施加直流电压后，在直流电压的作用下，压电陶瓷3将在图2所示的方向产生伸长变形。首先以单切口柔性铰链A、G为支点，将压电陶瓷3伸长变形转化为双切口柔性铰链C、E的转角位移，由于双切口柔性铰链C、E到单切口柔性铰链A的距离大于单切口柔性铰链B、F到单切口柔性铰链A、G的距离，这样形成了初级放大；然后，以单切口柔性铰链D为支点，将双切口柔性铰链C、E的转角位移转化为钳臂4的转角位移，因为上、下钳臂的转角位移方向相反，最终的效果即为将压电陶瓷3伸长变形转化为钳口的闭合动作，由于双切口柔性铰链C、E到单切口柔性铰链D的距离远小于钳口端部到单切口柔性铰链D的距离，这样形成了二级放大。去掉压电陶瓷3两端直流电压后，由于多重柔性铰链I所储存的弹性能将使得多重柔性铰链I恢复原状，这样所形成的效果即为将压电陶瓷3缩短变形转化为钳口的张开动作。因此，通过多重柔性铰链I和钳臂4组成的位移放大机构将压电陶瓷3的微小变形放大，并将其转化为钳口处的张合动作，夹持物体。
压电陶瓷3通过预紧楔形块2和预紧螺钉5固定在钳体的中间，通过调节预紧螺钉6可以使楔形块2产生水平方向的位移；进而压紧压电陶瓷3使多重柔性铰链I产生转角位移，钳臂5产生摆动，这样就可以改变钳口处的初始开口尺寸。同时，压电陶瓷3的布置形式也充分利用了压电陶瓷产生的输出位移。

Claims (2)

1.一种柔性微夹钳由微夹钳钳体[1]，预紧楔形块[2]，压电陶瓷[3]，钳臂[4]，预紧螺钉[5]电源引线[6、7]和多重柔性铰链[I]组成，其特征是压电陶瓷[3]通过预紧楔形块[2]和预紧螺钉[5]固定在钳体[1]的中间，多重柔性铰链[I]和钳臂[5]组成了位移放大机构。
2.根据权利要求1所述的一种柔性微夹钳，其特征是其多重柔性铰链[I]由单切口柔性铰链[A]、[B]、[D]、[F]、[G]和双切口柔性铰链[C]、[E]组成。
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