胡俊峰， 蔡建陽(yáng)

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

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基于振動(dòng)控制的微小物體釋放操作方法與實(shí)驗(yàn)研究

胡俊峰， 蔡建陽(yáng)

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

針對(duì)微夾持器在夾持微小物體過(guò)程中的黏著問(wèn)題，提出了一種基于壓電振動(dòng)控制的釋放操作方法。應(yīng)用彈性黏著理論證明了可利用壓電振動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生的慣性力克服微夾持器與微小物體之間的黏著力，說(shuō)明了該釋放操作方法的可行性。采用實(shí)驗(yàn)方法建立反映壓電微夾持器振動(dòng)特性的動(dòng)態(tài)模型，基于該模型得出穩(wěn)定釋放微小物體時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸入電壓幅值和頻率應(yīng)滿足的條件。以一種微夾持器為對(duì)象搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行微小物體的釋放實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：所提出的釋放操作方法是可行的；同時(shí)微小物體的尺寸越小、釋放越困難，需要越大的慣性力克服其受到的黏著力。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械學(xué)； 微夾持器； 釋放操作； 黏著； 振動(dòng)

0 引言

微夾持器為微操作的末端執(zhí)行器[1-3]，廣泛應(yīng)用于兵器科學(xué)與技術(shù)、半導(dǎo)體設(shè)備、光學(xué)元件制造、微零件裝配、生物科學(xué)等眾多領(lǐng)域。如在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中，微夾持器可用于抓取和裝配微構(gòu)件[4-5]；在生物工程領(lǐng)域，微夾持器可用于抓取細(xì)胞，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行微操作[6-7]。由于微夾持器的操作對(duì)象具有輕、薄等特點(diǎn)，黏著是造成微小物體操作困難的最主要因素之一[8]。由于表面效應(yīng)所產(chǎn)生的范德華力、毛細(xì)作用力、靜電力等黏著力，會(huì)使微夾持器出現(xiàn)拾取后無(wú)法穩(wěn)定釋放現(xiàn)象。由于釋放是微夾持操作的重要階段，其成功與否對(duì)整個(gè)過(guò)程起決定性作用，因此微小物體釋放控制操作日益成為微操作領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，需要尋找合適的方法消除黏著效應(yīng)對(duì)其夾持操作的影響。

目前，微夾持釋放操作方面主要采用通過(guò)改變夾持器結(jié)構(gòu)特征減小黏著力的影響以完成釋放。Arai等在夾持器上涂上一層導(dǎo)電膜可有效減少靜電力對(duì)釋放操作的影響，在微夾持器的夾持臂涂上 Hamaker常數(shù)較小的材料涂層，以減少范德華作用力的影響，并在末端執(zhí)行器表面加工了微型錐體結(jié)構(gòu)，以增加執(zhí)行器的表面粗糙度以降低黏著力，減小釋放難度[9]。另外一種途徑是通過(guò)改變環(huán)境特性，如在干燥環(huán)境中進(jìn)行釋放操作，干燥環(huán)境可減小表面張力對(duì)微操作釋放的影響。Fearing等[10]在真空環(huán)境下進(jìn)行微操作，避免潮濕空氣產(chǎn)生的表面張力的影響，還在缺氧環(huán)境下進(jìn)行微操作，在這種情況下夾持器和被操作對(duì)象上將不會(huì)形成本征氧化層，降低了表面張力的影響。但是，上述方法均要對(duì)微夾持器進(jìn)行特殊的處理，成本較高，而且效果不夠理想。另外一種方法是通過(guò)改變外界力克服黏著力實(shí)現(xiàn)釋放，該方法依靠微夾持器末端執(zhí)行器的慣性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力克服黏著力的影響，該方法易于實(shí)現(xiàn)。

本文針對(duì)微夾持器在夾持操作過(guò)程中的黏著問(wèn)題，提出了一種利用壓電陶瓷高頻響特性的振動(dòng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微小物體的釋放操作?；陴ぶ碚摲治稣駝?dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)微小物體釋放操作的可行性，采用實(shí)驗(yàn)方法建立反映壓電微夾持器的振動(dòng)特性模型，通過(guò)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的頻率與幅值實(shí)現(xiàn)微小物體的釋放，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 微夾持的釋放操作過(guò)程示意Fig.1 Schematic diagram of release operation process of a micro gripper

圖2 黏著接觸示意Fig.2 Schematic diagram of adhesive contact

1 可行性分析

微夾持器對(duì)微小物體進(jìn)行拾取操作時(shí)，釋放過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常釋放的失效情況，由圖1可知，微夾持器對(duì)微小物體進(jìn)行夾持操作時(shí)，當(dāng)微夾持器張開(kāi)其夾持臂，微小物體由于其受到黏著力的作用使其與夾持臂黏附在一起，使微小物體不能正常釋放，造成了微夾持操作失敗。因此，為了使微夾持釋放操作能夠順利完成，需要克服黏著力對(duì)微小物體的影響使其能夠正常釋放。提出一種對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸入電壓施加動(dòng)態(tài)信號(hào)，使夾持臂進(jìn)行微幅振動(dòng)從而使微小物體與其分離，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

為了分析基于振動(dòng)效應(yīng)的釋放方法可行性，需要建立微夾持在夾持微小物體操作過(guò)程中黏著模型，采用JKR彈性黏著理論[11]建立該模型。由JKR理論可知，在外力作用下，兩個(gè)彈性固體相互接觸時(shí)會(huì)黏著在一起。黏著接觸示意如圖2所示，當(dāng)兩個(gè)微小物體接觸時(shí)，它們的接觸區(qū)域等效為圓形，圖2中R1、R2分別表示兩個(gè)黏著在一起的彈性固體的半徑，d為兩彈性固體之間的中心距離，并且d

對(duì)于微夾持操作，微夾持器夾持臂等效為平面，由于微小物體尺寸很小，可視為球體，則它們之間的接觸模型可等效為球體- 平面接觸模型，如圖2所示。根據(jù)接觸模型可知：當(dāng)δ>0時(shí)，微小物體與夾持臂之間存在黏著力使其黏著；當(dāng)δ≤0時(shí)，表示克服黏著力作用實(shí)現(xiàn)微小物體與夾持臂進(jìn)行分離。在微小物體與夾持臂的動(dòng)態(tài)接觸情況下，考慮材料阻尼和慣性因素，微小物體在黏著力作用下的動(dòng)態(tài)模型如圖3所示，F(xiàn)δ表示黏著力，可視作一個(gè)與彈性壓縮量δ相關(guān)的非線性彈簧，F(xiàn)d表示阻尼力，F(xiàn)a為克服黏著力的外部載荷，它們之間的關(guān)系可表示為

圖3 動(dòng)態(tài)模型Fig.3 Dynamic model

(1)

式中：m表示微小物體的質(zhì)量；β阻尼系數(shù)。當(dāng)微小物體與夾持臂在黏著情況下，對(duì)其施加微幅振動(dòng)，利用振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力克服它們之間的黏著力，設(shè)da為微小物體在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的位移，則(1)式可表示為

(2)

由(2)式可知，當(dāng)微小物體在振動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力可克服黏著力的作用改變彈性壓縮量δ，可使δ達(dá)到微小物體與夾持臂分離的臨界狀態(tài)，從而使其得到釋放。設(shè)對(duì)微夾持器夾持臂施加一正弦振動(dòng)位移為

da=Aosin2πfot,

(3)

式中：fo為振動(dòng)頻率；Ao為振動(dòng)幅值，則微小物體所受的慣性力為

(4)

由(4)式可得慣性力的幅值為

(5)

由(5)式可知，慣性力Fa與夾持臂振動(dòng)頻率fo和振動(dòng)幅值A(chǔ)o呈正比關(guān)系。由于微夾持器采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的頻率和幅值以調(diào)節(jié)達(dá)到釋放要求的夾持臂振動(dòng)頻率與幅值，所以需要建立驅(qū)動(dòng)器輸入電壓與夾持臂輸出位移之間的幅頻特性。

圖4 微夾持器的等效模型Fig.4 Equivalent model of micro-gripper

2 微夾持器振動(dòng)模型

為了建立壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸入電壓與微夾持器夾持臂輸出位移之間的幅頻特性，將微夾持器與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)關(guān)系可以采用系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示。為了求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，將壓電微夾持器等效為如圖4所示的等效模型。如圖4所示，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器呈電容特性[13-14]，圖4中C、R、Ka、Vi、Vo和x分別表示驅(qū)動(dòng)器的等效電容、等效電阻、放大系數(shù)、輸入電壓、輸出電壓和輸出位移。微夾持器可簡(jiǎn)化為如圖4所示的質(zhì)量- 彈簧- 阻尼系統(tǒng)，圖4中mg為其質(zhì)量，F(xiàn)、x分別為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出力與輸出位移，K為夾持器的剛度，μ為其阻尼系數(shù)。

由Kirchhoff定理可得

(6)

由(6)式可得Vo到Vi的傳遞函數(shù)為

(7)

式中：T為時(shí)間常數(shù)，T=RC. 疊堆型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器采用多片壓電陶瓷片黏結(jié)而成，驅(qū)動(dòng)器輸出位移x可表示為

x=nd33Vi,

(8)

式中：d33為應(yīng)變系數(shù)；n為壓電陶瓷片個(gè)數(shù)。聯(lián)合(7)式和(8)式可得驅(qū)動(dòng)器輸出位移到輸入電壓之間的傳遞函數(shù)為

(9)

式中：K1=nd33Ka. 由(9)式可知，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器可等效為1階慣性系統(tǒng)，則需要確定參數(shù)K1和T. 當(dāng)對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加階躍電壓信號(hào)Va，其響應(yīng)可表示為

x(t)=K1(1-e-t/T)Va.

(10)

由(10)式表示的階躍響應(yīng)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，由于當(dāng)t=4T時(shí)，1階系統(tǒng)的響應(yīng)已達(dá)穩(wěn)態(tài)值的98%，在實(shí)際工程中認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值，則可得參數(shù)K1和T分別為

(11)

式中：ts表示系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98 %所需時(shí)間。設(shè)Kp為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的剛度，y為微夾持器的輸出位移，則驅(qū)動(dòng)器作用在夾持器的輸出力為

F=Kpx,

(12)

則微夾持器的動(dòng)力學(xué)方程可表示為

(13)

對(duì)(13)式進(jìn)行拉氏變換并化為標(biāo)準(zhǔn)形式：

(14)

由(14)式可知，要確定微夾持器的模型，需要確定參數(shù)K2、ωn和ξ，其中參數(shù)ωn和ξ可采用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試方法得到。聯(lián)合(9)式和(14)式可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(15)

對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加階躍電壓Ua，由終值定理可得微夾持器響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值為

(16)

由(16)式可得K2為

(17)

由(17)式可知，由于K1值可由(11)式得到，只要確定微夾持器階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)就可確定參數(shù)K2值。根據(jù)幅頻特性與傳遞函數(shù)之間關(guān)系可得微夾持器輸入電壓與輸出位移之間幅頻特性為

(18)

式中：ω為角頻率，ω=2πf0. 聯(lián)合(5)式和(18)式可得慣性力的幅值為

(19)

由(19)式可知，慣性力與壓電驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的幅值呈正比關(guān)系，與其頻率呈非線性關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)配置

為了進(jìn)行基于振動(dòng)控制的釋放操作實(shí)驗(yàn)研究，搭建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電源、微夾持器、信號(hào)發(fā)生器、單極電容位移傳感器及其信號(hào)調(diào)理器組成。80VS12型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器為哈爾濱芯明天公司生產(chǎn)并內(nèi)置了位移傳感器，電壓取值范圍為0～150 V；XE-501型驅(qū)動(dòng)電源為哈爾濱芯明天公司生產(chǎn)，功率放大倍數(shù)為15；信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為AFG-2000型；單極電容位移傳感器和信號(hào)調(diào)理器為美國(guó)PI公司生產(chǎn)，型號(hào)分別為D-E20.200和E-712，傳感器分辨率為0.2 μm，線性度為0.3%.

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experimental system

圖6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.6 Experimental process

圖7 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器階躍響應(yīng)Fig.7 Step response of piezoelectric actuator

圖8 微夾持器階躍響應(yīng)Fig.8 Step response of micro gripper

圖9 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)Fig.9 Experimental modal

圖10 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的頻響曲線Fig.10 Frequency response curves of experimental modal

3.2 微夾持器幅頻特性

首先，為了采用實(shí)驗(yàn)方法確定微夾持器傳遞函數(shù)所需的參數(shù)T、K1和K2，需要測(cè)量驅(qū)動(dòng)器和微夾持器的階躍響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，一階躍電壓信號(hào)Vo=4V通過(guò)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)(D/A)卡將工控機(jī)輸出的電壓經(jīng)功率放大作為壓電驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓Vi=60V，采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的位移傳感器經(jīng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(A/D)卡測(cè)量出驅(qū)動(dòng)器的輸出位移x，采用位移傳感器測(cè)量所對(duì)應(yīng)的微夾持器的輸出位移y，位移信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理器通過(guò)USB接口輸入工控機(jī)。

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和微夾持器的階躍響應(yīng)分別如圖7和圖8所示。由圖7可知，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的階躍響應(yīng)為1階系統(tǒng)，其響應(yīng)穩(wěn)定值為46.9μm，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98%所需時(shí)間ts為0.002s，由(11)式可得參數(shù)T=0.002/4=0.000 5s，K1=46.9/4=11.72. 由圖8可知，微夾持器的階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值為143μm，由(17)式可得參數(shù)K2=143/46.9=3.05.

然后，為了確定微夾持器的固有頻率ωn和阻尼比ξ，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法[15]得到，其過(guò)程如圖9所示：1)采用錘擊法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試，使用力錘沿如圖9所示的點(diǎn)A、點(diǎn)B、點(diǎn)C、點(diǎn)D進(jìn)行敲擊，產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的激勵(lì)；2)采用美國(guó)PCB公司的Model356A16型加速度傳感器測(cè)量加速度響應(yīng)信號(hào)，傳感器位于如圖9所示的點(diǎn)E位置，測(cè)量4個(gè)不同力錘敲擊位置所對(duì)應(yīng)的加速度信號(hào)。為了消除噪聲干擾，采用多次平均，設(shè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)為5；3)采用上海東華測(cè)試公司生產(chǎn)的DH5922N型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)得到激勵(lì)點(diǎn)和各測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間歷程信號(hào)，利用測(cè)試系統(tǒng)軟件DHDAS求出各測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)如圖10所示。采用導(dǎo)納圓法對(duì)4組頻響數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到微夾持器的固有頻率ωn為375Hz，阻尼比ξ為0.01.

最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的所有參數(shù)T、K1、K2、ωn和ξ代入(15)式，可得微夾持器的傳遞函數(shù)為

(20)

將s=j2πf0代入(20)式，可得微夾持器輸入電壓與輸出位移之間幅頻特性為

(21)

為了驗(yàn)證所建立模型的正確性，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為6V，頻率范圍為[0Hz-500Hz]的線性掃頻正弦信號(hào)作用于微夾持器，采用位移傳感器分別測(cè)量得到微夾持器對(duì)應(yīng)不同頻率的振動(dòng)幅值A(chǔ)0如圖11所示。將Vo=6V代入(21)式可得由模型計(jì)算所得到的幅值隨頻率的變化如圖11所示。由圖11可知，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的幅值A(chǔ)0的最大值分別為130μm與125μm，所對(duì)應(yīng)的頻率f0分別為380Hz和370Hz，二者相接近，說(shuō)明所建立的微夾持器振動(dòng)模型的正確性。

圖11 電壓為6 V對(duì)應(yīng)的位移幅值Fig.11 Displacement amplitudes corresponding to 6 V

3.3 釋放實(shí)驗(yàn)

由于基于振動(dòng)效應(yīng)的釋放操作是利用振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力克服黏著力實(shí)現(xiàn)釋放操作，需要分析微小物體所受的慣性力，以便調(diào)節(jié)慣性力。將(21)式代入(19)式可得到微小物體受到的慣性力Fa為

(22)

圖12 慣性力與頻率的關(guān)系Fig.12 Relation between inertia force and frequency

圖13 慣性力等高線Fig.13 Contour line of inertia force

圖14 微小物體的釋放Fig.14 Release of small objects

圖15 不同頻率作用下微小物體的釋放情況Fig.15 Release of small objects at different frequencies

由(22)式可知，慣性力Fa與微小物體的質(zhì)量m 、驅(qū)動(dòng)電壓幅值Vo之間的關(guān)系為線性關(guān)系，與驅(qū)動(dòng)電壓的頻率之間的關(guān)系為非線性。首先，分析Fa與f0的關(guān)系，不失一般性，設(shè)m=1mg、Vo=1V，將其代入(22)式可得Fa與f0之間的關(guān)系如圖12所示。由圖12可知：當(dāng)頻率f0<260Hz或f0>400Hz時(shí)，慣性力接近于0；當(dāng)頻率260≤f0≤400Hz時(shí)，慣性力范圍為[0.01μN(yùn)0.18μN(yùn)]；且當(dāng)頻率接近于320Hz時(shí)，慣性力達(dá)到最大值0.18μN(yùn)，則當(dāng)進(jìn)行釋放操作時(shí)驅(qū)動(dòng)器的頻率應(yīng)在該范圍內(nèi)變化。

然后，確定微小物體釋放操作所需的驅(qū)動(dòng)電壓幅值Vo，為不失一般性，設(shè)m=1mg，由于驅(qū)動(dòng)器輸入電壓Vo的范圍為[0V10V]，由(22)式可得驅(qū)動(dòng)電壓頻率和幅值范圍分別為[260Hz400Hz]和[0V10V]時(shí)慣性力的等高線如圖13所示。由圖13可知，慣性力范圍為[0.1μN(yùn)1.8μN(yùn)]，慣性力為大于1μN(yùn)的電壓范圍為[5V10V]，且頻率約為320Hz時(shí)微小物體所受的慣性力最大。同時(shí)，由于慣性力與質(zhì)量m呈正比，則微小物體所受的慣性力范圍為[0.1μN(yùn)1.8μN(yùn)]。

由于實(shí)驗(yàn)操作對(duì)象需要具有輕、薄等特點(diǎn)，且能黏著在夾持臂上，下面分別通過(guò)對(duì)小紙球和塑料薄片進(jìn)行釋放操作。

采用質(zhì)量為1 mg的小紙球進(jìn)行釋放實(shí)驗(yàn)，當(dāng)對(duì)小紙球進(jìn)行夾持操作進(jìn)行釋放時(shí)出現(xiàn)如圖14所示的黏著現(xiàn)象。根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，微小物體所受黏著力的量級(jí)約為1 μN(yùn)，因此為了實(shí)現(xiàn)微小物體的正常釋放，對(duì)其施加的慣性力Fa需要大于黏著力，根據(jù)圖13所示的慣性力等高線可知，驅(qū)動(dòng)電壓Vo的幅值范圍應(yīng)為[5 V 10 V]. 根據(jù)釋放時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓頻率和幅值范圍分別為[260 Hz 400 Hz]和[5 V 10 V]，當(dāng)對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器施加頻率為300 Hz、幅值為7 V的正弦信號(hào)時(shí)，小紙球能夠?qū)崿F(xiàn)正常釋放，其釋放狀態(tài)如圖14所示。

采用長(zhǎng)、寬分別為3 mm×3 mm，厚度約為50～60 μm的塑料薄片進(jìn)行釋放實(shí)驗(yàn)。塑料薄片的質(zhì)量約為1.5 mg，根據(jù)圖13所示的慣性力等高線可知，則薄片所受的慣性力范圍為[0.15 μN(yùn) 2.7 μN(yùn)]。慣性力為大于1 μN(yùn)的驅(qū)動(dòng)電壓Vo的幅值和頻率范圍分別為[3 V 10 V]、[260 Hz 400 Hz]。當(dāng)對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器施加頻率為320 Hz、幅值為5 V正弦信號(hào)，塑料薄片能夠?qū)崿F(xiàn)正常釋放，其釋放狀態(tài)如圖14所示。

為了說(shuō)明微操作對(duì)象的正常釋放與施加驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)頻率和幅值的關(guān)系，對(duì)粘著質(zhì)量約為1 mg的小紙球分別施加頻率為150 Hz、320 Hz和500 Hz，幅值依次為1 V、2 V、3 V、4 V、5 V、6 V、7 V、8 V、9 V和10 V的正弦信號(hào)進(jìn)行釋放操作，小紙球釋放情況如圖15所示。由圖15可知：當(dāng)電壓頻率為150 Hz和500 Hz時(shí)，小紙球釋放失敗；而當(dāng)頻率為320 Hz時(shí)，小紙球釋放成功。由圖13所示的慣性力等高線可知：由于當(dāng)頻率為150 Hz和500 Hz時(shí)，小紙球受到的慣性力太小不足以克服其受到的黏著力；而當(dāng)頻率為320 Hz時(shí)，小紙球受到的慣性力可以克服其受到的黏著力，從而使其正常釋放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電壓頻率和幅值的工作范圍為[260 Hz 400 Hz]和[5 V 10 V]。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)釋放不同大小的微小物體時(shí)的條件是不同的，分別對(duì)黏著在夾持臂上直徑D分別為0.1 mm、0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分別為0.1 mg、0.5 mg、1 mg、2 mg、3 mg、4 mg的小紙球進(jìn)行釋放實(shí)驗(yàn)，當(dāng)對(duì)其施加同一頻率為320 Hz的電壓，各小紙球成功釋放時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓幅值如圖16所示。由圖16可知，小球的直徑越小，其釋放越困難，需要更大的慣性力克服其受到的黏著力。

圖16 釋放不同大小的微小物體所需的電壓Fig.16 Voltages required to release the different small objects

4 結(jié)論

針對(duì)微夾持器在夾持微小物體過(guò)程中的黏著問(wèn)題，提出一種基于振動(dòng)控制的釋放操作方法。采用彈性黏著理論證明該方法的可行性，利用微夾持器的夾持臂振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力可克服微小物體與夾持臂之間的黏附力。為了便于控制微小物體的正常釋放，采用實(shí)驗(yàn)方法建立了壓電微夾持器的振動(dòng)模型，得出正常釋放微小物體時(shí)壓電驅(qū)動(dòng)器輸入電壓幅值和頻率應(yīng)滿足的范圍。以一種微夾持器為對(duì)象搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)小紙球和塑料薄片進(jìn)行釋放操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的釋放操作方法的可行性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微小物體的尺寸越小，釋放越困難，需要越大的慣性力克服其受到的黏著力。

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Release Operation Method and Experiment of Micro Objects Based on Vibration Effect

HU Jun-feng, CAI Jian-yang

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China)

A release operation method based on piezoelectric vibration control is proposed to solve the adhesion problem of micro gripper in the process of clamping tiny objects. It is proved by the theory of elastic adhesion that the inertia force caused by the piezoelectric vibration effect can be used to overcome the adhesion between the micro gripper and small object. And it is illustrated that the proposed method is feasible. A dynamic model for illustrating the vibration characteristics of the piezoelectric micro-gripper is established by using the experimental method. The conditions on the amplitude and frequency of input voltage of the actuator during the stable release of the micro objects are obtained based on the proposed model. An experimental platform with a micro gripper is built in order to carry on the experiments on the release of small objects. The experimental results show that the proposed method is feasible, and the smaller the sizes of the tiny objects are, more difficult the release is. The greater inertia force is needed to overcome the adhesion force. Key words: mechanics; micro gripper; release operation; adhesion; vibration

2016-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265016、51565016)

蔡建陽(yáng)(1991—)，男，碩士研究生。E-mail: 449288516@qq.com

胡俊峰(1978—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:hjfsuper@126.com

TH113.1

A

1000-1093(2017)04-0802-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.023