1、本科毕业论文（20届）基于有限元的双晶片式压电微夹钳的设计所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要微夹钳是微装配与微操作过程中直接与被操作对象相接触的末端执行器，在微装配与微操作中的起着决定性作用。本文设计和使用有限元分析了一种根据逆压电效应工作的微夹钳。应用压电陶瓷材料，利用压电陶瓷双晶片悬臂梁结构，设计了一种结构新颖，夹持效果好，夹持力准确的的压电微夹钳。建立双晶片悬臂梁结构钳指的有限元模型，运用有限元分析软件ANSYS中的压电耦合场分析，对压电微夹钳的有限元模型进行静动态特性分析。静态特性方面，微夹钳的输出位移同驱动电压之间成线性关系，在50V
2、的最大驱动电压作用下，最大输出位移约为250M，且最大夹持力为0625N；动态特性方面，分别进行模态分析、阶跃响应分析及谐响分析，并得到微夹钳的固有频率及响应时间分别约为50HZ和13MS。在其余细节方面，尽量使用常见材料，如利用紫铜制作钳指基板，利用45号钢制作夹板，降低了制作成本。本文提供了一种微型夹具设计和制造的新途径，其将在微系统元器件的生产和装配中发挥重要的作用，并将推动微夹钳技术的发展，为科技研发、产品生产的进步做出贡献。关键词微夹钳；压电执行器；压电双晶片；有限元分析IIABSTRACTGRIPPERISANACTUATOROFTHEENDOFTHEASSEMBLYANDMICR
3、OOPERATIONPROCESSBYOPERATINGOBJECTDIRECTLYWITHEXPOSED,WHICHPLAYSADECISIVEROLEINTHEASSEMBLEANDMICROOPERATIONTHISPAPERDESIGNEDANDANALYZEDAGRIPPERACCORDINGTOCONVERSEPIEZOELECTRICEFFECTTHISPROJECTUSESPIEZOELECTRICCERAMIC,UTILIZESTRUCTUREOFPIEZOELECTRICBIMORPHSOFCANTILEVERBEAMS,DESIGNAKINDOFPIEZOELECTRIC
4、GRIPPERWITHNOVELSTRUCTURE,GOODGRIPPINGEFFECTANDACCURATEHOLDPOWERBYESTABLISHINGTHEFINITEELEMENTMODELOFTWOCHIPSCANTILEVERSTRUCTURE,USINGTHEPIEZOELECTRICCOUPLINGFIELDANALYSISOFANSYS,THEMICROPIEZOELECTRICCLAMPSOFSTATICANDDYNAMICCHARACTERISTICSOFFINITEELEMENTMODELISANALYZEDFORTHESTATICPERFORMANCE,THEREIS
5、ALINEARRELATIONSHIPBETWEENDISPLACEMENTOFTHESTAGEANDITSDRIVINGVOLTAGETHEMAXIMUMDISPLACEMENTOFTHEMACROGRIPPERISABOUT250MUNDERTHEMAXIMUMVOLT50VFORDYNAMICPERFORMANCE,WITHMODALANALYSIS,STEPRESPONSEANALYSISANDHARMONICRINGANALYSIS,THENATURALFREQUENCYANDTHERESPONSETIMEOFTHESTAGEISABOUT50HZAND13MS,RESPECTIVE
6、LYINTHERESTOFTHEDETAILS,USECOMMONMATERIALS,SUCHASUSINGCOPPERPRODUCTIONCLAMPREFERSTOSUBSTRATES,USING45STEELPRODUCTIONPLYWOOD,WHICHREDUCEDTHECOSTTHISPAPERPROVIDESANEWWAYINMINIATUREFIXTUREDESIGNANDMANUFACTURE,WHICHWILLPLAYANIMPORTANTROLEINTHEMICROSYSTEMCOMPONENTSPRODUCTION,ANDWILLPROMOTETHEDEVELOPMENTO
7、FTHEGRIPPERTECHNOLOGY,ANDMAKECONTRIBUTETOTHESCIENTIFICRESEARCH,PRODUCTANDPRODUCTIONPROGRESSKEYWORDSGRIPPER；PIEZOELECTRIC；BIMORPHS；FINITEELEMENTANALYSISIII目录摘要I目录III1绪论111论文的背景112国内外研究现状213论文的主要工作42微夹钳的初始构型53设计计算631有限元模型632静力学分析733模态分析及谐响分析934阶跃响应分析104微夹钳的详细结构1141微夹钳的结构组成1142微夹钳主体结构1243微夹钳各部分细节135结论与
8、展望1451结论1452进一步工作展望14参考文献15致谢错误未定义书签。附录171绪论11论文的背景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，产生需要的夹持形式和夹持力。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
9、键微执行器之一。在MEMS领域，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、
10、开发高性能、低成本的微装配与微操作器件，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。利用压电陶瓷晶片的逆压电效应所制作的微夹钳称为压电微夹钳，压电微夹钳具有如下优点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。并且，压电微夹钳采用压电组件（压电陶瓷执行2器）来驱动，无噪声且不发热，可实现纳米级的定位精度和重复定位精度以及位移分辨率，它的出现开创了精度进入纳米级
11、的新时代。此压电微夹钳的设计必能推动微装配和微操作领域相关技术的发展。12国内外研究现状由于微夹钳能广泛应用于各类高科技行业中，故国内外学着对微夹钳已进行了各类研究。目前国内外对压电微夹钳的研究，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、庄攀峰在设计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，如图11，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
12、行星齿轮减速器的装配2。图11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，如图12。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。图12两级位移放大的微夹持器模型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，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
13、能压电陶瓷微夹钳的设计和操作3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
14、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，如图13。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。图13微夹钳设计图蔡建华，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梁模型，并对它的微位移电压特性、夹持力应变特性进行
15、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。柔性铰链式压电微夹钳夹持力大的优点，而双晶片式压电微夹钳具有钳指张合量大的优点，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。从对压电微夹钳的分析计算方式上区分，存在有限元分析法分析和传统经验公式分析两种。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4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
16、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。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。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，设计过程中的计算较为复杂，且不能模拟较多的
17、试验方案。13论文的主要工作本项目的主要工作分3个方面，如下压电微夹钳的初始构型此方面根据所要求达到的性能确定微夹钳的大致构型，为下一步的工作做准备。设计计算建立单片双晶片悬臂梁结构的有限元模型，运用ANSYS软件，对其进行有限元分析，包括静力学分析和动力学分析。详细结构确定微夹钳的详细结构，包括如何将电极线方便的引出，如何将整个装置固定；确定钳指指端情况（如如何绝缘）。52微夹钳的初始构型本文设计的压电微夹钳是采用双晶片驱动的，钳指为对称悬臂梁结构。压电陶瓷的尺寸为2MM35MM02MM，基板尺寸为2MM40MM02MM。在一个基板两侧粘贴两块压电陶瓷晶片。如图21所示，在钳指上加载如图所示
18、电压，使压电陶瓷晶片在驱动电压的作用下，每片压电陶瓷晶片的上下表面通电极性不同，晶片基于横向逆压电效应而产生形变，使位于基板外侧的压电陶瓷晶片伸长，位于基板内侧的压电陶瓷晶片缩短，从而使基板向内产生弯曲形变，如此，两片基板同时相对向内弯曲，便可对亚毫米级微小物体和零件进行夹取操作；当驱动电压减小时，两片基板同时恢复到初始状态。因为结构形式是上下对称的，为了节省优化分析时的计算量，只需对设计区域的一半进行优化设计。图21单个钳指示意（左图为加电压方式，右图为加电压工作后产生的效果）本文设计的双晶片压电微夹钳，有两个钳指，四片压电陶瓷晶片，八个电极，考虑到电极数目较多，在结构上加以优化，从而保证在
19、较小尺寸情况下正负电极之间不发生短路，即将压板作为压电陶瓷晶片的正极，将两个基板作为压电陶瓷晶片的负极，在结构上缩减为一个正电极和两个负电极。具体的结构形式见图22。图22夹钳结构63设计计算31有限元模型本文所设计的压电双晶片微夹钳所用的材料为紫铜（作为基板），45号钢（作为夹板）及压电陶瓷晶片，其钳指面积为40MM2MM，基板和两个压电陶瓷片叠加的总厚度为07MM。由于两个钳指在结构上对称，其在这两个方向上的有限元模型以及静、动态特性也相同，所以本文仅对其一个钳指建立有限元模型并进行静、动态特性分析。在建微夹钳的有限元模型时，为提高计算精度，兼顾计算速度，采用四边元法划分网格。如图31所示
20、，应用压电耦合场分析，根据实际工况，在其钳指的根部内侧，与夹板相接处施加约束，并在晶片的各个面加上电压。图32为钳指根部载荷及约束情况。图31单个钳指加载荷及约束图32钳指根部载荷和约束732静力学分析本文设计的压电双晶片微夹钳的张合量为250M，即单个钳指指端的位移变形量为125M。给单个微夹钳钳指施加从0V到50V、间隔为10V的驱动电压，其所产生的输出位移同驱动电压之间成线性关系，如图33。图33驱动电压和钳指指端位移的关系当驱动电压为50V的时候，得到所需的输出位移，如图34。图34驱动电压为50V时，钳指的输出位移8根据图33、图34，可得到微夹钳张合量同驱动电压的关系为S5U（S为
21、张合量，单位M，U为驱动电压，单位为V，且U50V）。为得出钳指张合量和加持力的关系，给微夹钳钳指指端施加从0N到05N、间隔为01N的力，其钳指指端所产生的位移量同力之间成线性关系，如图35。图35力和钳指指端位移量的关系故当在指端施加03125N的力的时候，钳指指端位移达到所需的125M，如图36。图36指端施加03125N的力时，钳指的变形情况根据图35、图36，可得到微夹钳的夹持力同张合量的关系为F00025S（F为驱动电压，单位为N，且F0625N，S为张合量，单位为M，）。9根据以上结果，可得到在驱动电压为50V的时候能得到最大夹持力0625N，假设钳指指端与所夹物体之间的摩擦系数
22、为，则微夹钳的最大夹持重量G0625/，单位为N。33模态分析及谐响分析对本文所设计的微夹钳进行模态分析，结果如图37所示。其中，1阶固有频率别为钳指在Z方向的震动时的固有频率，2阶固有频率为钳指在X方向震动的固有频率，3阶固有频率为钳指在Y方向震动的固有频率，4，5，6阶固有频率分别为绕Z轴，X轴与Y轴旋转时的固有频率。由于微夹钳实际工作时，在X、Y方向不受驱动，且钳指绕X、Y、Z轴转动对夹持效果无影响，所以这5个固有频率可以不必考虑。为获得微夹钳在Z轴方向上的频率响应特性，给微夹钳施加频率从0到5倍固有频率即200HZ、幅值为20V的扫频信号，分析结果如图38所示。由该图可知，通过频率响应
23、分析所获得的微夹钳在其运动方向上的固有频率约为50HZ。图37模态分析10图38Z方向谐响分析34阶跃响应分析为获得微夹钳的时域响应特性，给微夹钳施加10V的阶跃输入电压，如图39所示微夹钳达到稳态值98的相应时间约为13MS，响应非常迅速。图39时域响应特性114微夹钳的详细结构41微夹钳的结构组成整个双晶片压电微夹钳结构由三部分组成微夹钳主体、夹钳支架、夹钳底板。具体见图41。图41微夹钳整体视图微夹钳主体的零件包括基板（2片，紫铜）、基板（1块，45号钢）、电极片（2片，紫铜）、压板（2块，聚四氟乙烯）、压电陶瓷晶片（4片）。具体零件图及相关三维图见附录，图42为微夹钳主体部分爆炸图。图
24、42微夹钳主体爆炸图1242微夹钳主体结构对于微夹钳主体部分，具体结构如图43，44所示。图43主视图图44剖视图如图43，图44所示，夹板2的一端伸出压板1且为正电极引出端，夹板2的另一端的两侧设置有沿夹板中心线对称的钳指3，钳指3包括基板31和粘贴在基板31两侧的压电陶瓷晶片32，基板31与夹板2不接触，其中位于内侧的压电陶瓷晶片32与夹板2贴紧，位于外侧的压电陶瓷晶片32与压板1之间粘贴有正电极片4，正电极片4同时与夹板2贴紧，基板31上设置有伸出压板1的负电极引出端310，基板31的前端为尖端，压板1上设置有预紧螺钉5。1343微夹钳各部分细节图45为微夹钳主体结构三维图。图45微夹钳
25、主体如图45所示，夹板A为正电极，基板B为负电极，AB电极分别连接上对应的正、负电极线。通过螺钉，将图45所示的微夹钳主体与夹钳支架固定；同样，通过螺钉，将夹钳支架与底板固定，具体如图46所示。图46固定形式为便于钳指对物体进行操作，将钳指末端制成如图45所示的的形式，且对微夹钳钳指指端进行加涂绝缘漆处理，以免微夹钳在夹持导电物体时两个钳指导通而对所夹持物体产生破坏。BA145结论与展望51结论本文首先确定了微夹钳的总体结构，然后根据逆压电效应，在ANSYS软件中建立了有限元模型，利用此有限元模型，进行静态分析和动态分析。在进行了有限元分析之后，确定了微夹钳的各部分细节情况。总结本文的工作，可
26、得如下的结论一、在合适的电压范围内，压电陶瓷双晶片悬臂梁结构的变形情况，其电压与变形成线形正比关系，在电压不变的情况下，其指端夹持力与位移变形量成线形反比关系。二、压电陶瓷双晶片悬臂梁虽拥有其固有频率，但当加载电压频率为0HZ时，其产生最大位移变形。52进一步工作展望本文对双晶片式压电微夹钳进行了相应的理论研究，虽然取得了某些成果，但随着认识的不断加深，作者认为还应开展以下几方面的研究工作一、对微夹钳钳指不断加大加载电压，得到其极限电压情况下的极限位移，研究其在大电压情况下，加载电压与变形是否仍然成线形关系，是否存在突变情况。二、在理论研究的基础上，进行试验研究，制作相应的微夹钳模型，对其进行
27、试验测试，比较理论研究结果和试验研究的结果，确定理论与实际是否相同。三、对微夹钳加装反馈装置。如加装相应传感器，得到实时的钳指位移情况及受力情况，以便更好的控制微夹钳的输入电压及相应的张合量，以便能在实际工作中使用得更加精确。四、探寻合适的微夹钳安装装置，比如安装在合适的关节臂上能自由运动，将此实验状态的微夹钳发展为能实际应用的微操作手，使理论走入生产过程。15参考文献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,2005,2143032,363陈
28、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,王敏一种集成微力检测的压电式微夹钳J机器
29、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,HKANGDEVELOPMENTOFAPIEZOELECTRICPOLYMERBASEDSENSORIZEDMICROGRIPPERFORMICROASSEMBLYANDMICROMANIPULATIO
30、NJMICROSYSTEMTECHNOLOGIES,2004,1027528013JCECIL,NGOBINATHDEVELOPMENTOFAVIRTUALANDPHYSICALWORKCELLTOASSEMBLEMICRODEVICESROBOTICSANDCOMPUTERINTEGRATEDMANUFACTURINGJ,2005,1143144114ZHELU,PETERCYCHEN,ANDWEILIN,FORCESENSINGANDCONTROLINMICROMANIPULATIONJAPPLICATIONSANDREVIEWS,2006,116361615MCCARROZZAY,AMENCIASSI,GTIEZZIANDPDARIOTHEDEVELOPMENTOFALIGAMICROFABRICATEDGRIPPERFORMICROMANIPULATIONTASKSJMICROMECHMICROENG1988,814114317附录附录1三维造型图18附录2三维爆炸图19附录3装配图20附录4零件图21222324
