1、本科毕业论文（20届）基于有限元的单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摘要摘要随着科技的不断发展，许多领域朝着微小型化发展，工艺精度也进入亚微米甚至纳米精度。然而，无论哪种方式加工出的微机械零件都需要一种操作尺寸十分精细的微动装配微机械系统，而微夹钳技术是此微系统的关键。微夹钳作为一种典型的微执行机构，不仅可称为微机器人的抓手，而且在微机零件的加工、装配、生物工程和光学领域均有很好的应用前景。本文中，我们将对单晶片式压电微夹钳进行研究，通过有限元分析方法，采用ANSYS软件对微夹钳进行静力分析，研究电压于钳指张合量，力与钳指张合量
2、的关系，并由此得出相应加载电压与钳指夹持力的关系。另一方面，我们同样采用有限元分析法对钳指进行模态分析、谐响分析、瞬态相应分析，完成各动力性能的模拟测试，最终确定钳指的结构尺寸并使用三维软件做出相应的三维结构图。本文中所采用的微夹钳结构简单有效，这种钳指可作为微操作机器人最重要的操作手，可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。此外这种钳指还可以运用在操作纳米微粒，装配微纳米电子器件，甚至复杂的纳米电路。关键词微夹钳；压电执行器；压电单晶片；有限元分析IIABSTRACTWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHN
3、OLOGYINMANYFIELDSTOWARDMICROMINIATURIZATION,DEVELOPMENT,PROCESSACCURACYALSOENTERSUBMICRONEVENNANOPRECISIONHOWEVER,NOMATTERWHICHWAYTHEMICROMECHANICALPARTSPROCESSINGOPERATIONSIZEWILLREQUIREAVERYMETICULOUSBUDGEASSEMBLYMICROMECHANICALSYSTEM,ANDTHEGRIPPERTECHNOLOGYISTHEKEYTOTHEMICROSYSTEMGRIPPERASAKINDOF
4、TYPICALMICROACTUATORS,NOTONLYCANBECALLEDMICROROBOTINTHEAGRIBUSINESSANDMICROCOMPUTERPARTSPROCESSING,ASSEMBLING,BIOLOGICALENGINEERINGANDOPTICALFIELDSAREVERYGOODAPPLICATIONPROSPECTSINTHISARTICLE,WEWILLBEINCRYSTALCHIPMICROPIEZOELECTRICCLAMP,THROUGHTHEFINITEELEMENTANALYSISMETHOD,USEOFANSYSSOFTWAREGRIPPER
5、STATICANALYSIS,RESEARCHONVOLTAGEONTHECLAMPREFERSTODISPLACEMENT,FORCEANDCLAMPREFERSTOTHEAMOUNTOFDISPLACEMENTRELATIONSHIP,WHICHCONCLUDEDTHATTHECORRESPONDINGWITHPLIERSREFERSTOLOADVOLTAGECLAMPINGFORCERELATIONSHIPONTHEOTHERHAND,WEALSOFINITEELEMENTANALYSISTOCLAMPREFERSTOCONDUCTMODALANALYSIS,HARMONICRINGAN
6、ALYSIS,TRANSIENTCORRESPONDINGANALYSIS,THEDYNAMICPERFORMANCEOFTHECOMPLETEFINALLYDETERMINEDSIMULATIONS,THESTRUCTURESIZEANDCLAMPREFERSTOTHEUSEOF3DSOFTWAREMAKESTHECORRESPONDINGTHREEDIMENSIONALSTRUCTUREINTHISPAPERTHEGRIPPERSTRUCTUREISSIMPLEANDEFFECTIVE,THECLAMPREFERTOASTHEMOSTIMPORTANTMICROROBOTANUNEXPER
7、IENCEDOPERATOR,CANBEWIDELYUSEDINNANOSCIENCEEXPERIMENTRESEARCH,BIOLOGICALPROJECTANDMEDICINEEXPERIMENTRESEARCH,THEMICRO/NANOTEACHINGRESEARCH,ETCMOREOVERTHECLAMPREFERSTOSTILLCANUSENANOPARTICLESINOPERATION,MICRO/NANOELECTRONICDEVICES,ASSEMBLYCOMPLEXNANOCIRCUITEVENKEYWORDSMICROGRIPPER；PIEZOELECTRICACTUAT
8、ORS；PIEZOELECTRICUNIMORPHS；FINITEELEMENTANALYSISIII目录摘要I目录III1绪论111背景112目前国内外研究现状113论文的主要工作32初始结构设计43设计计算531静力分析532模态分析933谐响分析1034瞬态响应114详细结构115结论与展望1451结论1452展望14参考文献15致谢错误未定义书签。附录1711绪论11背景微夹钳即微型机械手、微夹持器，主要用于精细操作。随着科技的不断发展，上世纪60年代发展起来的微电子技术和集成电路，已构成人类文明的重要基础。而大规模集成电路的出现在许多领域引发了一场微小型化革命。微电子技术的巨大成功使
9、微米/纳米技术应运而生。与此同时，相应的工艺装备的定位精度也进入亚微米甚至纳米精度。实际上，无论哪种途径加工出的微机械零件都需要一种操作尺寸十分细微的微动系统装配微机械。因此，微夹钳及与其相关的研究已成为国内外微机械研究领域的一个前沿课题。微夹钳主按能量供给和驱动方式现如今有基本可分为以下几种静电式微夹钳、电磁式微夹钳、形状记忆合金微夹钳、液体吸附式微夹钳、光捕获微夹钳和压电式微夹钳。本文将对压电式微夹钳进行进一步讲述与分析计算。微夹钳为能加工出微米、纳米级别的机械零件所需要的一种操作尺寸十分细微的微动系统装配微机械。微夹钳技术是此微系统的关键。微夹钳作为一种典型的微执行机构，不仅可称为微机器
10、人的抓手，而且在微机零件的加工、装配、生物工程和光学领域均有很好的应用前景。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，可应用于微操作、微装配领域，其可以作为微操作机器人的手臂，具有高精确度的特征，因此，压电式微夹钳现已成为最常用和众所周知的一种形式，压电陶瓷微位移器是开发MEMS（微机电子机械系统的关键元件之一。12目前国内外研究现状最早使用的微操作方式之一为真空吸附，它采用直径很细的玻璃管来吸附微小物体,达到摄取微小物体的目的,该方式简单易行，但是还不能实现对微小物体的自如操作继而，NIKOLASCHRONIS等研制了单细胞操作SU8微夹钳9见图1。RICARD
11、OPEREZ等人研究设计了硅技术的压电微机器人力传感器10，见图2。PETERCY等人设计了力传感和显微操作控制电机11；KIM等设计了静电型微镊子，采用半导体加工工艺制作而成，最大张开距离为10UM，驱动电压50V；SUZUKI设计了热伸缩型悬臂梁结构的微型镊子12；HADDAB等设计制作了压电悬臂梁式2的微型镊子13。国内对微小夹钳的研究起步较晚，主要是研究了形状记忆合金和压电型微夹钳。MIYAZAKI作品14,15中我们可以了解到关于样品和微型机器人之间相互作用力的有关研究结果。图1单细胞操作SU8微夹钳图2压电微机器人力传感器综观各国在微操作器方面的报道可以看出，国际上研制成功的微操作
12、手主要还是以两爪的微夹钳为主，外形尺寸从几毫米到几厘米不等，所用的加工工艺主要有3种精密机械加工技术、半导体加工工艺和最近几年兴起的LIGA加工工艺。近几年国内对压电陶瓷微夹钳研究日益成熟，其中单晶片形式被广泛应用。上海交通大学建立了一个50MM50MM的微装配实验平台，利用2MM的电磁型微型电动机，制作了8MM6MM5MM的微型机器人小车，为了完成微型机器人对微型零件的操作，需要为微型机器人小车装置一个可以对徽器件进行操作的微机械手。分析了现有的微型操作器的设计方法，结合他们的微型机器人操作系统，研制了一个双悬臂梁式压电微夹持器1。华中科技大学甫志刚、黄心汉的机器人压电陶瓷微操作手的设计中同
13、样也提到了使用单晶片压电陶瓷悬臂梁为基本结构的微夹钳，其夹持距离在20150UM之间。对锥心物块进行了实际操作实验，取得良好的效果2，图3为该钳指夹持过程实际效果图。武汉图3手爪夹持和释放锥形靶的实际操作情况3理工大学陈国良、黄心汉、王敏的面向微装配的压电陶瓷微夹钳建模与控制3。上海交通大学陈海、孟中岩、曹长江、张琛的梯度功能压电陶瓷微夹钳的设计和操作原理4，胡斌梁、陈国良的压电陶瓷微夹钳迟滞环自适应逆控制研究6都对单晶片式的悬臂梁微夹钳进行过深入的研究并且取得了实际有效的效果。哈尔滨工业大学陈立国、荣伟彬、孙立宁的面向微操作的组合式微夹持器5，华中科技大学蔡建华黄心汉、吕遐东、王敏的一种集成
14、微力检测的压电式微夹钳7，华中科技大学曾祥进、黄心汉、王敏的基于DAHL模型的压电陶瓷微夹钳控制研究8同样对双晶片式微夹钳有深入研究。到目前为止，压电式微夹钳一般可分为两种结构柔性铰链式、悬臂梁式。本文将对悬臂梁式微夹钳进行进一步阐述。对于微夹钳的计算有一般经验公式计算与有限元分析计算。一般经验公式计算法计算公式相对简单，但由于其只能对于规则零件进行计算，在实际应用中常常会遇到不规则零件而无法求解计算。有限元分析法虽然计算复杂，但解决了实际应用中经验公式法无法准确计算的问题，能够对不规则零件进行各种静态，动态分析。本文采用有限元分析法对微夹钳的进行分析计算。13论文的主要工作基于压电陶瓷单晶片
15、结构，采用有限元分析法，设计由压电陶瓷执行器驱动、张合量为200UM的微夹钳。通过该设计，了解压电微夹钳的应用领域，掌握单晶片式压电微夹钳的设计过程，进而掌握零、部件的一般设计过程。拟解决的主要问题基于微夹钳应用同时具有良好的张合特性和刚度特性要求，确定微夹钳钳指羁绊的材料；基于前人微夹钳结构较复杂，设计出一种结构相对简单，工作精度高的结构；基于压电陶瓷单晶片执行器总体结构小，确定微夹钳的结构形式与几何尺度时必须做到精确与可行；基于所确定的微夹钳的几何尺度，采用有限元分析法，确定微夹钳的张合量同驱动电压的关系、夹持力同张合量的关系以及最大夹持重量，分析静态响应，动态响应；分别基于PRO/E、A
16、UTOCAD绘制微夹钳的三维造型图，装配图与零件图。42初始结构设计以往的研究中，其结构都相对比较复杂，因此我们希望设计一种结构简单，功能稳定且易于加工的结构且电极引出线方便，有利于推进单晶片微夹钳的进步。我们采用单晶片型压电悬臂梁UNIMORPH作为夹持器的驱动器，单晶片型压电悬臂梁具有位移大，工艺简单等优点。悬臂粱结构如图4所示。通过研究压电悬臂梁的操作特性，从微夹持器的二悬臂梁结构出发，即可推知微夹钳的操作特性。定义3一或Z一方向为极化方向。L一和2一方向X一和Y一方向与3一方向相互垂直。图中O、P和M分别代表电极片、压电PIEZOELECTRIC层和金属META1基板层。当给悬臂梁施加
17、一与压电层极化方向相反的电场时，压电层由于逆压电效应而产生应变，压电层沿长度方向伸长，由于基板层没有产生伸长应变而限制压电层的伸长变形，从而压电层伸长变形带动双层悬臂梁产生伸长和弯曲两种变形。实验中将对电极片施加正电压，对基板施加负电压。OMZXY图4悬臂梁结构P53设计计算31静力分析本节静力分析主要包括电压与钳指张合量的关系和力与钳指张合量的关系。当微夹钳电极片接通电源正极，钳指接电源负极时，钳指将伸长并向内弯曲，使夹钳具有夹持特性。由于压电陶瓷的这种特性，接下来我们将首先通过ANSYS软件进行分析研究加载电压与夹钳钳指张合量的关系。本文采用的压电陶瓷晶片尺寸为02235。图5为微夹钳在A
18、NSYS软件中采用四边元划分网格效果图，约束于钳指末端至末端8MM。图5钳指网格划分与约束在研究电压与钳指末端张合量的关系时，分别对电极片即压电陶瓷片外层施加5V、10V、15V、20、225V电压，钳指电压为0V，使压电陶瓷片上下表面产生相应电压差，压电陶瓷片将伸长并带动钳指向内弯曲。如图6为加载电压225V时钳指指端的张合量为101UM，整个钳指张合量202UM达到要求。6图6电压225V时钳指Z轴张合量由ANSYS模拟实验得，钳指在0225V电压下钳指末端偏执量S与电压U的关系为图表1电压/V5101520225张合量/UM2234326478721010图表1钳指在电压023V时的指端
19、Z轴位移量由此得电压与钳指张合量的关系为线性关系。如图7所示7图7钳指在电压023V时的指端Z轴位移量在研究钳指末端受力与钳指末端张合量的关系时，对钳指末端施加载荷，下面是通过ANSYS软件进行分析研究钳指末端受力与夹钳钳指张合量的关系。图8为微夹钳在ANSYS软件中采用四边元划分网格效果图，约束于钳指末端至末端8MM。受力于钳指末端，Z轴方向向上（压电陶瓷晶片在下，钳指在上）。图8钳指加载力05V10V15V20V225VU/VS/UM101806040208分别对钳指末端施加005N、010N、015N、020N、025N、0278N力，使压电陶瓷片与钳指向内弯曲。如图9为加载载荷0278
20、N时钳指指端的张合量为101UM，整个钳指张合量202UM达到要求。图9加载0278N时钳指Z轴张合量为101UM由ANSYS模拟实验得，钳指在00278N载荷下钳指末端偏置量S与电压U的关系为图表2载荷/N0050100150200278张合量/UM2054236037861010图表2钳指在加载力00278N时的指端Z轴位移量由实验得，钳指指端在00278N力时钳指末端偏执量与力的关系见图109图10钳指指端在受力00278N时的指端Z轴位移量由实验所得，通过相等偏置量可得，在未夹持零件时，电压、力与钳指Z轴位移的关系为S4489U1S3633F2由关系式（1）、（2）可得，在未夹持零部件
21、时力与电压的同等效果关系式关系为U809F3因此，当微夹钳夹持直径为D/UM的零件时，电压于夹持力F0的关系为D3633F1F1为钳指自身内应力FF0F1U809FF0U/809D/3633其中，D单位UM；F单位N；U单位V。32模态分析模态分析可以看物体的固有频率，当外界激励达到物体固有频率就会共振。在本实验中，我们将对微夹钳进行6阶模态分析，以研究微夹钳的固有频率特000501015020278F/NS/UM1018060402010性。其中我们采用的压电陶瓷晶片密度为75G/CM3,铜片密度为896G/CM3。图11为实验所得微夹钳的6阶模态分析情况图11单晶片微夹钳的6阶模态分析图9
22、显示为ANSYS对该微夹钳的6阶实验模态分析，模拟了该单晶片式微夹钳的固有振动特性。33谐响分析下面是对微夹钳的谐响分析，响应区间为0400HZ。当频率达到312时响应达到峰值，如图12所示图12微夹钳的谐响分析1134瞬态响应下面是对微夹钳的瞬态响应分析，当时间达到04102S时响应达到95，在044时趋于平稳，如图13所示图13微夹钳的瞬态分析4详细结构微夹钳钳指的主要零件有9个，由5部分组成，由外向内分别为压板（1）；电极片（2）；压电陶瓷晶片（3）；钳指（4）；夹板（5）。夹板主要用于整个钳指的固定，并且采用这种形式固定方便拆装，当某个零件损坏（如电极片）时，可直接将夹板和整个钳指拆卸
23、对损坏的零件进行更换。具体钳指装配图见图13，其爆炸图见图1412图14微夹钳外形图15微夹钳各结构各零件材料见图表3表3微夹钳各零件材料材料夹板（5）45钳指（4）紫铜压电陶瓷晶片（3）压电陶瓷晶片电极片（2）紫铜压板（1）聚四氟乙烯13图15所示为微夹钳的装配方式，其中电极片2接电源正极，夹板接电源负极，当加电压时压电陶瓷晶片由于压电效应伸长，带动钳指外表面伸长，钳指向内弯曲达到夹持效果。同理，当电极片2接电源负极，夹板接电源正极时，钳指将反方向向外弯曲。具体引线在装配中见图16图16钳指固定在平台上图16为微夹钳在平台上的固定情况。钳指通过螺钉M1将夹板（5）连带整个钳指固定在支持架上，
24、支持架通过M6螺钉固定在平台上。其中钳指各零件具体结构尺寸见附录。145结论与展望51结论本文中，我们对单晶片式压电微夹钳进行研究，设计了一种结构简单有效的悬臂梁式单晶片微夹钳，通过有限元分析方法，采用ANSYS软件对微夹钳进行静力分析，研究电压于钳指张合量，力与钳指张合量的关系，由此得出相应加载电压与钳指夹持力的关系。另一方面，采用有限元分析法对钳指进行模态分析、谐响分析、瞬态相应分析，得到相应动态响应曲线，完成各动力性能的模拟测试，最终确定了钳指的结构尺寸并使用三维软件做出相应的三维结构图。本文中所采用的微夹钳结构简单有效，这种钳指可作为微操作机器人最重要的操作手，可广泛应用于纳米科学实验
25、研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。总体取得了理想的结果。52展望我们所研究的悬臂梁式单晶片式压电陶瓷微夹钳作为典型结构形式，不仅结构简单，加工较其他微夹钳容易，其可操作性高，应用领域必将十分广泛。将来进一步的工作必将为钳指的进一步精细化，使得这种钳指可作为微操作机器人最重要的操作手，可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。此外这种钳指可作为机器人在IC工业中纳米器件的装配与加工方面也有良好的应用前景，如可以利用它操作纳米微粒，装配微纳米电子器件，甚至复杂的纳米电路。这意味着，未来利用纳米电路制成的电脑和家用电器，可以“想要它有多小，就能做多
26、小”，甚至可以“塞进牙缝”；而未来利用纳米操作技术制作的微型机器人，也可以钻入人体替病人疏通血管，或在肉眼看不见的微观世界里，完成人们自己不可能完成的任务。15参考文献1尹燕丽,朱邦太,陈海龚,曹长江毫米级微型机器人操作手的研制和操作特性光学J精密工程2001,965315342甫志刚,黄心汉机器人压电陶瓷微操作手的设计J先进制造技术,2004,232）2122,353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,2006,1611113411384陈海,孟中岩,曹长江,张琛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,2002,3656206235陈立国,
27、荣伟彬,孙立宁面向微操作的组合式微夹持器J哈尔滨工业大学学报,2006,3868628646胡斌梁,陈国良压电陶瓷微夹钳迟滞环自适应逆控制研究J中国机械工程,2006,1787988017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机器人2006,28159648曾祥进,黄心汉,王敏基于DAHL模型的压电陶瓷微夹钳控制研究J中国机械工程,2008,1977667699NIKOLASCHRONISANDLUKEPLEEELECTROTHERMALLYACTIVATEDSU8MICROGRIPPERFORSINGLECELLMANIPULATIONINSOLUTIONJJOURNA
28、LOFMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS2005,14485786310RICARDOPEREZ,NICOLASCHAILLET,KRZYSZTOFDOMANSKI,PAWELJANUS,PIOTRGRABIECFABRICATION,MODELINGANDINTEGRATIONOFASILICONTECHNOLOGYFORCESENSORINAPIEZOELECTRICMICROMANIPULATORJSENSORSANDACTUATORSA128200636737511ZHELU,PETERCYCHEN,ANDWEILIN,MEMBER,IEEEFORCESENSI
29、NGANDCONTROLINMICROMANIPULATIONJIEEETRANSACTIONSONSYSTEMS,MAN,ANDCYBERNETICS2006,36671372412RICARDOPREZ,JOLAGNUS,CDRICCLVY,ARNAUDHUBERT,ANDNICOLASCHAILLETMODELING,FABRICATION,ANDVALIDATIONOFAHIGHPERFORMANT2DOFPIEZOACTUATORFORMICROMANIPULATION,IEEE/ASMETRANSMECHATRONICS1020051611711613HIGHPERFORMANCE
30、2DOFPIEZOACTUATORFORMICROMANIPULATIONJIEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS2005,10216117114HTMIYAZAKI,YTOMIZAWA,KKOYANO,TSATO,NSHINYA,ADHESIONFORCEMEASUREMENTSYSTEMFORMICROOBJECTSINASCANNINGELECTRONMICROSCOPE,REVSCIINSTRUM7120003123313115HTMIYAZAKI,TSATO,MECHANICALASSEMBLYOFTHREEDIMENSIONALMICROSTRUCTURESFROMNEPARTICLES,ADVROB11199716918517附录附录一18附录二19附录三20附录四21222324
