專利名稱：一種壓電式柔性驅(qū)動放大可調(diào)量程微夾持手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電式柔性驅(qū)動放大可調(diào)量程微夾持手，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，可應(yīng)用于微定位、微裝配、微型機器人等微操作技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明設(shè)計的壓電式柔性驅(qū)動放大可調(diào)量程微夾持手，包括微致動器、柔性放大機構(gòu)、尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)和微夾持手；柔性放大機構(gòu)固定在安裝板上，尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)固定在柔性放大機構(gòu)的上部，微夾持手置于尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)的上部；微夾持手的上部為鉗爪，下部的夾持手通過鉸鏈與插在尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)的螺旋副中的固定桿相鉸接；位于微夾持手下部、與夾持手鉸接的拉動桿，與尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)中的彈性拉桿的一端相對固定；彈性拉桿的另一端與柔性放大機構(gòu)相對固定；尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)包括預(yù)調(diào)旋鈕、絲杠、螺旋副和V型槽導(dǎo)軌，預(yù)調(diào)旋鈕置于絲杠的一端，絲杠穿過二個螺旋副，二個螺旋副沿V型槽導(dǎo)軌滑動；柔性放大機構(gòu)包括支撐桿、橫向頂桿、豎向右拉桿、橫向擺動桿，豎向左拉桿和Z形連接桿，上述各桿之間通過彈性薄臂聯(lián)接；微致動器鑲嵌于柔性放大機構(gòu)的橫向頂桿和支撐桿之間。
本發(fā)明設(shè)計的壓電式柔性驅(qū)動放大可調(diào)量程微夾持手，空間結(jié)構(gòu)緊湊，運動與力傳遞的可靠性強，非線性誤差??；其中的壓電式驅(qū)動器分辨率高、承載力強、輸出精度高、穩(wěn)定性好；其中的柔性放大機構(gòu)無機械摩擦、無間隙，因而精度和穩(wěn)定性高，適用于微操作系統(tǒng)中微小位移的傳遞與放大；尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)通過旋向相對的單根細牙絲杠，可按照被夾持器件的基本尺寸來調(diào)整微夾持手鉗爪的初始距離，并利用鎖緊螺母鎖定，同時可保證機構(gòu)的微型化，所需操作空間的相對較小，因此在我國微機械精密加工、微裝配、微型機器人等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。


圖1-圖5中，1為安裝板；2為微致動器，21為頂面、22為底面，3為柔性放大機構(gòu)，31為支撐桿、32為橫向頂桿、33為豎向右拉桿、34為橫向擺動桿、35為豎向左拉桿、36為Z形連接桿，37、38、39、310、311、312、313和314均為彈性薄臂；4為尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)，41為螺旋副、42為旋鈕、43為絲杠、44為底座、45為“V”型槽導(dǎo)軌；5為微夾持手，51為固定桿、52為柔性鉸鏈、53為拉動桿、54為鉗爪；6為彈性拉桿。
上述裝置中的微致動器2的形狀為六面體或圓柱體，包括兩個有平面度要求的光滑平面21為頂面和22為底面，其中底面22與柔性放大機構(gòu)3中的支撐桿31接觸，頂面21與柔性放大機構(gòu)的橫向頂桿32相接觸。微驅(qū)動器2可采用壓電陶瓷材料或電致伸縮材料制成，其尺寸根據(jù)柔性放大機構(gòu)位移輸出范圍及分辨率設(shè)定。
柔性放大機構(gòu)3如圖2所示，由六部分鉸鏈桿組成支撐桿31、橫向頂桿32、縱向右拉桿33、橫向擺動桿34、縱向左拉桿35及Z形連接桿36，各鉸鏈桿之間分別通過彈性薄臂37、38、39、310、311、312、313和314相互連接為一體。柔性放大機構(gòu)3的整體形狀為多面體，各組成部分尺寸比例由整個柔性放大機構(gòu)3的位移放大倍數(shù)確定。柔性放大機構(gòu)3可采用單晶硅、多晶硅、鋼或者優(yōu)質(zhì)合金等材料，材料不同整個機構(gòu)的輸出位移和力都將相應(yīng)變化。柔性放大機構(gòu)3可通過線切割或激光加工等特種加工工藝技術(shù)實現(xiàn)。鑒于目前經(jīng)濟和設(shè)備條件，線切割具有一定的現(xiàn)實性。在柔性放大機構(gòu)3的支撐桿31通過通孔將其固定于安裝板1上。通孔半徑在滿足機械強度要求的前提下與柔性機構(gòu)尺寸呈比例關(guān)系。
尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)如圖3所示，由螺旋副41(一對)、旋鈕42、絲杠43、底座44(一對)以及“V”型槽導(dǎo)軌45等部分構(gòu)成。螺旋副41底面與“V”型槽導(dǎo)軌45間隙配合，頂面通過螺釘與微夾持手5連接。旋鈕42用來轉(zhuǎn)動絲杠43，帶動螺旋副41沿“V”型槽導(dǎo)軌45相向滑動，從而實現(xiàn)微器件夾持5的基本尺寸預(yù)調(diào)，以滿足較大范圍夾持要求。螺旋副41帶有鎖緊螺釘，基本尺寸預(yù)調(diào)后，以來完成微夾持手鉗爪54間距的固定。
微夾持手5如圖1所示，由固定桿51、柔性鉸鏈52、拉動桿53和鉗爪54等組成，整個結(jié)構(gòu)為單晶硅或多晶硅材料，采用微細加工工藝加工。鉗爪54的夾持接觸面為鋸齒形，如圖1中局部放大所示，其目的是克服或減小被夾持微器件與鉗爪54之間微觀表面力，如范德瓦爾斯力、表面張力以及靜電力等干擾力的影響。
本發(fā)明的工作過程結(jié)合圖4說明如下系統(tǒng)工作時，首先確定被夾持微器件的基本尺寸，然后利用尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)4對微夾持手5中的鉗爪54的初始間隙進行調(diào)整。初始工作完成后，接著利用逆壓電或電致伸縮原理，對微致動器2輸入穩(wěn)定直流電壓，產(chǎn)生初始微位移和力，傳遞到柔性放大機構(gòu)3的橫向頂桿32。經(jīng)過柔性鉸鏈位移多級放大，位移和力通過彈性拉桿6傳遞到微夾持手5的固定桿51，使之沿力的方向移動。固定桿的位移又通過柔性鉸鏈52傳遞到鉗爪54，并被二次放大，最終實現(xiàn)滿足設(shè)計要求的微夾持手5夾持動作“夾緊”和“松開”。
通常柔性鉸鏈設(shè)計方法需要進行大量計算，并且涉及微積分，運算非常復(fù)雜，因此精度和準確度很難保證。鑒于此，本發(fā)明自行建立了柔性鉸鏈數(shù)學(xué)模型，如圖5所示，其中，α為極坐標(biāo)系內(nèi)截面與極坐標(biāo)軸的夾角，θ為柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角，R為柔性鉸鏈圓弧半徑、t為柔性鉸鏈最小厚度、b為柔性鉸鏈的寬度。依據(jù)該模型，采用Rombers數(shù)值積分方法推導(dǎo)了柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角剛度k相應(yīng)設(shè)計理論公式k=1/∫0π12RsinαEb(2R+t-2Rsinα)3dα..........(1)]]>該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下整個系統(tǒng)總放大比108；最大輸出位移1.512mm；位移分辨率0.1μm；本發(fā)明的一個實施例外形尺寸長×寬×高＝92×57×14mm3，微驅(qū)動器2采用壓電陶瓷材料，長×寬×高＝20×5×5mm3，最大輸出位移S0＝14μm。柔性放大機構(gòu)3材料采用優(yōu)質(zhì)鋼材，通過線切割與電火花技術(shù)兩種特種加工工藝加工完成。柔性放大機構(gòu)3橫向頂桿32尺寸長×寬＝14.5×2.5mm2；縱向右拉桿33長×寬＝11.5×2.5mm2；橫向擺動桿34長×寬＝17.5×2.5mm2，與之相連的彈性薄臂311與兩端彈性薄臂310、312距離比為5∶10；縱向左拉桿35長×寬＝4.5×2.5mm2；Z形連接桿36長×寬＝18×2.5mm2；微夾持手5的柔性鉸鏈52到其固定桿51的水平距離為4mm。
鋼材的彈性模量E2.1×104kg/mm2；柔性機構(gòu)鉸鏈圓弧半徑R1.0mm；柔性機構(gòu)鉸鏈最小厚度t0.5mm；柔性機構(gòu)鉸鏈最小寬度b5mm；微致動器電源0～300V高壓穩(wěn)壓直流電；柔性放大機構(gòu)放大比R1=l2l1×l4l3×l6l5=124×105×217=18]]>微夾持手放大比R2=l8l7=244=6]]>最大輸出位移Smax＝S0×R＝S0×R1×R2＝14×18×6＝1.512×103μm本實例應(yīng)用于微器件裝配系統(tǒng)中，作為微裝配器件的操作工具，實際應(yīng)用效果良好。上述實例為小型柔性機構(gòu)，按照本發(fā)明原理，縮微致動器以及柔性放大機構(gòu)等各組成部分的相對尺寸，同樣可以設(shè)計制作出具有驅(qū)動、放大、夾持功能的微小型夾持系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種壓電式柔性驅(qū)動放大可調(diào)量程微夾持手，其特征在于該夾持手包括微致動器、柔性放大機構(gòu)、尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)和微夾持手；所述的柔性放大機構(gòu)固定在安裝板上，尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)固定在柔性放大機構(gòu)的上部，微夾持手置于尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)的上部；所述的微夾持手的上部為鉗爪，下部的夾持手通過鉸鏈與插在尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)的螺旋副中的固定桿相鉸接；位于微夾持手下部、與夾持手鉸接的拉動桿，與尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)中的彈性拉桿的一端相對固定，彈性拉桿的另一端與柔性放大機構(gòu)相對固定；所述的尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)包括預(yù)調(diào)旋鈕、絲杠、螺旋副和V型槽導(dǎo)軌，預(yù)調(diào)旋鈕置于絲杠的一端，絲杠穿過二個螺旋副，二個螺旋副沿V型槽導(dǎo)軌滑動；所述的柔性放大機構(gòu)包括支撐桿、橫向頂桿、豎向右拉桿、橫向擺動桿，豎向左拉桿和Z形連接桿，上述各桿之間通過彈性薄臂聯(lián)接；微致動器鑲嵌于柔性放大機構(gòu)的橫向頂桿和支撐桿之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電式柔性驅(qū)動放大可調(diào)量程微夾持手,屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域,包括微致動器、柔性放大機構(gòu)、尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)和微夾持手;柔性放大機構(gòu)固定在安裝板上,尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)固定在柔性放大機構(gòu)的上部,微夾持手置于尺寸預(yù)調(diào)機構(gòu)的上部,微致動器鑲嵌于柔性放大機構(gòu)的橫向頂桿和支撐桿之間。本發(fā)明設(shè)計的微夾持手,空間結(jié)構(gòu)緊湊,運動與力傳遞的可靠性強,非線性誤差小,在微機械精密加工、微裝配、微型機器人等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B81B5/00GK1376631SQ01140450
公開日2002年10月30日 申請日期2001年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月7日
發(fā)明者李慶祥, 李玉和, 白立芬, 李勇 申請人:清華大學(xué)