基于有限元的双晶片式压电微夹钳的设计【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化基于有限元的双晶片式压电微夹钳的设计微执行机构的典型之一是微夹钳，它在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等方面都有较好的应用前景，近来发展十分迅速。微夹钳是一种行程小一般小于毫米级、精度高亚微米、纳米级和分辨率高的微位移夹持机构，它是精密机械和精密仪器的常用装配工具之一。可以说，微夹钳是微机电系统领域中的一个关键器件，在微操作、微装配中起着举足轻重的作用。微夹钳的本质就是一个微执行器,它能够将其它的能量转换成机械能,产生需要的夹持动作和夹持力。微夹钳是MEMS（微电子机械系统）中实现微零件装配、生物医学工程中实现细胞微操作的关键微执行器之一。在MEMS领

2、域，微夹钳同微动平台相结合，可对微齿轮、微轴等微零件以及微马达、微泵等微部件进行拾取、搬运，进而装配成微部件、微系统；在生物医学工程领域，微夹钳可用来捕捉和释放细胞，并且它同微冲击探针相结合，还可实现向细胞内注入或从细胞中拾取某一成分等微操作过程。目前，MEMS的设计与制造技术、生物医学工程中的分析技术已很成熟，但其微装配技术、微操作技术却明显滞后。这一方面，是由于研制、开发出具有高性能、可实现微装配与微操作的器件确实较难；另一方面，是由于实现微装配与微操作的器件价格较高，致使微装配与微操作的成本也很高，如MEMS中微装配的成本占MEMS产品的6080。因此，研制、开发高性能、低成本的微装配与

3、微操作器件，如微夹钳，已成为当前一个非常重要而紧迫的课题。目前，微夹钳按驱动方式可分为气压式、电磁式、电热式、静电式和压电式。相对于气压式、电磁式、电热式、静电式微夹钳，压电式微夹钳由于压电陶瓷执行器具有体积小、刚度大、不发热、无噪声等优点，从而获得了广泛的应用。目前国内外对微夹钳的研究，从结构上分有柔性铰链式和单双晶片式。关于柔性铰链的有荣伟彬、谢晖、孙立宁、庄攀峰在面向MEMS微装配的夹持器的设计和实验研究中介绍了一种由压电陶瓷驱动的用于MEMS微装配的微夹持器的设计，计算了夹持器本体的放大倍数和刚度。并用ANSYS仿真验证了数学计算的准确性。采用了基于视觉的标定方法，标定了微夹持器刚度、

4、张合量、夹持力以及夹持力和张合量的关系。该微夹持器张合量达280M，夹持力达01N，可精确操作2002000M的微齿轮，实现了微行星齿轮减速器的装配2。陈海初，王振华，李满天，孙立宁在两级位移放大微夹持器的研究中介绍了一种利用堆叠式压电陶瓷驱动的具有两级位移放大的微夹持器。其采用有限元软件对其进行了张合量、微夹持力的分析，并与实验研究结合。该微夹钳具有约300M的微位移张合量3。于杰付建军在基于微系统技术的一种新型夹具中介绍了一种新型的基于微系统技术的微型夹爪。这种夹爪用硅或玻璃为原材料。其最大的特点是结合了传感器性能。该微夹钳通过在夹紧面上生成感应层如抗压电层，使得夹紧力可以转换为一种电信号

5、，从而调整对物体的抓取过程5。关于单双晶片的有陈海，孟中岩，曹长江，张琛在梯度功能压电陶瓷微夹钳的设计和操作原理中介绍了一种利用梯度功能压电执行嚣设计和制作的双悬臂粱结构的微夹钳。该微夹钳整体尺寸为15MM2MM2MM，质量为120MG。建立了梯度功能压电陶瓷悬臂梁的双层复合梁模型，从该模型和压电本构方程出发，分析梯度功能压电陶瓷微夹钳的操作原理。理论推导了该悬臂梁的微位移特性，由微夹钳的双悬臂梁结构，得到微夹钳的顶端张开量，实际测量了梯度功能压电微夹钳的顶端张开量，其实际值与理论推导值有较好的一致性1。雷志刚、黄心汉在机器人压电陶瓷微操作手的设计中介绍了一种采用压电伸缩陶瓷微位移器的机器人微

6、操作手。操作手手指由两面各粘1片压电陶瓷晶片的金属片构成压电陶瓷梁。并通过理论和试验研究，发现其实验所得数据与理论数据非常接近4。尹燕丽、朱邦太、陈海龚、曹长江在毫米级微型机器人操作手的研制和操作特性中阐述了一种采用单晶片型压电悬臂梁制作了一种双悬臂梁结构的微型夹持器，用作毫米级微型机器人的微操作手。该微夹持器整体尺寸为15MM2MM2MM重量为100MG。在50V电场下，该微操作手其最大张口距离可以达到4M，最大夹持力为257103N6。蔡建华，黄心汉，吕遐东，王敏在一种集成微力检测的压电式微夹钳中设计了一种双悬臂梁结构的压电双晶片微夹钳，该微夹钳由两个压电双晶片驱动。建立了压电双晶片的复合

7、梁模型，并对它的微位移电压特性、夹持力应变特性进行了数学分析。通过检测悬臂梁根部的应变信号实现对微夹钳夹持力的检测9。对压电微夹钳的分析计算方式上，存在有限元分析法分析和传统经验公式分析。利用有限元分析的如荣伟彬、谢晖、孙立宁、庄攀峰在面向MEMS微装配的夹持器的设计和实验研究中介绍了一种由压电陶瓷驱动的用于MEMS微装配的微夹持器的设计，计算了夹持器本体的放大倍数和刚度，并用ANSYS仿真验证了数学计算的准确性。采用了基于视觉的标定方法，标定了微夹持器刚度、张合量、夹持力以及夹持力和张合量的关系。该微夹持器张合量达280M，夹持力达01N，可精确操作2002000M的微齿轮，实现了微行星齿轮

8、减速器的装配2。利用传统经验公式的如陈国良、黄心汉、王敏在面向微装配的压电陶瓷微夹钳建模与控制中建立了悬臂梁位移与外电场和外力之间的动静态模型以及压电陶瓷迟滞环BACKLASH算子模型。其将BACKLASH算子用于压电陶瓷的迟滞环建模，并以迟滞环逆模型为前馈补偿环节设计了压电陶瓷微夹钳的前馈加PID反馈的位移复合控制器，提高了控制精度10。综上所述，柔性铰链式压电微夹钳夹持力大，而双晶片式压电微夹钳张合量大，但是目前这两种微夹钳都存在结构复杂、电极线引出不方便等不足。有限元方法的运用减少了设计周期，能模拟各种试验方案，能节省成本且增加了其可靠性；而使用传统经验公式进行分析的方法，设计过程中的计

9、算较为复杂，且不能模拟较多的试验方案。在国内外越来越重视压电微夹钳的情况下，未来研究的双晶片压电微夹钳将具有如下特点（1）构件少，便于制造，便于装配；（2）无需铰链或轴承等运动副，运动和力的传递利用组成它的某些或全部构件的弹性变形来实现；（3）无摩擦、磨损及传动间隙，不需润滑，无效行程小，可实现高精度运动；（4）可存储弹性能，自身具有回程反力。（5）节省传感器,使系统结构紧凑,降低设计安装难度。参考文献1孟中岩,曹长江等梯度功能压电陶瓷微夹钳的设计和操作原理J上海交通大学学报,2002,3656206232荣伟彬,谢晖,孙立宁,庄攀峰面向MEMS微装配的夹持器的设计和实验研究J机械设计与研究,

10、2005,2143032,363陈海初,王振华,李满天,孙立宁两级位移放大微夹持器的研究J压电与声光,2005,2733003024雷志刚,黄心汉机器人压电陶瓷微操作手的设计J兵工自动化,2004,2322122,355于杰,付建军基于微系统技术的一种新型夹具J航天制造技术,2002618206尹燕丽,陈海龚等毫米级微型机器人操作手的研制和操作特性J光学精密工程,2001,965315347王代华,杨群一种压电致动微夹钳及其开环位移特性J纳米技术与精密工程,2010147538陈海初压电陶瓷驱动球基微驱动器的动力学研究J光学精密工程,2007,1522482539蔡建华,黄心汉,吕遐东,王敏一

11、种集成微力检测的压电式微夹钳J机器人,2006,281596410陈国良,黄心汉,王敏面向微装配的压电陶瓷微夹钳建模与控制J高技术通讯,2006,16111134113811SKNAH,ZWZHONGAMICROGRIPPERUSINGPIEZOELECTRICBACTUATIONFORMICROOBJECTMANIPULATIONJSENSORSANDACTUATORS,2007,A13321822412DHKIM,BKIM,HKANGDEVELOPMENTOFAPIEZOELECTRICPOLYMERBASEDSENSORIZEDMICROGRIPPERFORMICROASSEMBLYAN

12、DMICROMANIPULATIONJMICROSYSTEMTECHNOLOGIES,2004,1027528013JCECIL,NGOBINATHDEVELOPMENTOFAVIRTUALANDPHYSICALWORKCELLTOASSEMBLEMICRODEVICESROBOTICSANDCOMPUTERINTEGRATEDMANUFACTURINGJ,2005,1143144114ZHELU,PETERCYCHEN,ANDWEILIN,FORCESENSINGANDCONTROLINMICROMANIPULATIONJAPPLICATIONSANDREVIEWS,2006,1163615MCCARROZZAY,AMENCIASSI,GTIEZZIANDPDARIOTHEDEVELOPMENTOFALIGAMICROFABRICATEDGRIPPERFORMICROMANIPULATIONTASKSJMICROMECHMICROENG1988,8141143