陳曉東， 胡思雅， 鄧子龍， 高興軍

(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

0 引 言

近年來，隨著微/納技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)、精密工程等高新科技的快速發(fā)展，引起了人們對(duì)微操作與微裝配技術(shù)的廣泛關(guān)注[1,2]。微夾鉗作為微操作的末端執(zhí)行器，與接觸物直接接觸，決定著微操作任務(wù)是否成功?，F(xiàn)今常用的驅(qū)動(dòng)方式有壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)[3]。與其他驅(qū)動(dòng)方式相比，壓電驅(qū)動(dòng)具有反應(yīng)靈敏、精度高的優(yōu)點(diǎn)[4]。傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)因構(gòu)件間存在間隙、摩擦等原因，不符合高精度要求；柔性機(jī)構(gòu)無摩擦、無間隙、免裝配的特點(diǎn)更適合微操作系統(tǒng)的應(yīng)用[5]；但柔性鉸鏈的微位移范圍一般在幾微米到幾十微米之間，為滿足微裝配要求，采用位移放大機(jī)構(gòu)對(duì)柔性鉸鏈的微位移進(jìn)行放大。

目前，常用的放大機(jī)構(gòu)有基于杠桿放大原理的杠桿放大機(jī)構(gòu)[6]、基于三角形放大原理的橋式放大機(jī)構(gòu)[7]和菱形放大。橋式放大機(jī)構(gòu)和菱形放大機(jī)構(gòu)放大倍數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊，但只有在雙向?qū)ΨQ力的作用下才能實(shí)現(xiàn)正交位移轉(zhuǎn)換，由于微夾鉗加工過程存在一定的精度誤差以及微夾鉗工作過程中設(shè)備震動(dòng)、噪聲等因素的影響左右鉗指輸出力會(huì)存在一定誤差[8]，導(dǎo)致左右鉗指輸出力不均勻破壞微夾持物。杠桿放大機(jī)構(gòu)、橋式放大機(jī)構(gòu)和菱形放大機(jī)構(gòu)屬于單級(jí)放大機(jī)構(gòu)，由多個(gè)單級(jí)放大機(jī)構(gòu)組合成多級(jí)放大機(jī)構(gòu)可以進(jìn)一步擴(kuò)大夾持行程。但多級(jí)放大機(jī)構(gòu)體積明顯增大，不符合微夾鉗的小型化設(shè)計(jì)；多級(jí)放大機(jī)構(gòu)對(duì)單級(jí)放大機(jī)構(gòu)的輸出有一定的抑制作用，導(dǎo)致理論輸出與實(shí)際輸出之間的偏差較大；壓電驅(qū)動(dòng)具有一定的遲滯作用，放大倍數(shù)越高，輸出端位移分辨率越低[9]。

另一方面，從夾持精度角度看，常用的夾持方式有平行夾持、角夾持和真空抽吸夾持三種方式[10]，若夾持對(duì)象為球形、圓柱形或者不規(guī)則圖形，相比于角夾持和真空抽吸夾持，平行夾持更穩(wěn)定且可以避免應(yīng)力集中。Cui Y G等人[8]基于杠桿放大原理設(shè)計(jì)的對(duì)稱微夾鉗可以實(shí)現(xiàn)平行夾持，左右鉗指的實(shí)際輸出位移分別為78.35，59.23 μm，實(shí)際最大夾持力分別為8.02，9.24 mN，左右鉗指的實(shí)際輸出位移和實(shí)際最大夾持力均不同，很容易破壞薄壁易破損夾持物；Koo B W等人[11]基于杠桿放大原理設(shè)計(jì)的非對(duì)稱微夾鉗，實(shí)現(xiàn)二自由度夾持，但不能平行夾持，影響夾持精度；Zubir M N M等人[12]基于杠桿放大原理設(shè)計(jì)的對(duì)稱微夾鉗，實(shí)現(xiàn)3.68倍位移放大，通過理論分析證實(shí)了左右鉗指的雙向?qū)ΨQ輸出力相同，但在實(shí)際夾持過程中，很難滿足左右鉗指輸出力相同的要求。Sun X等人[13]基于杠桿放大原理和三角形放大原理設(shè)計(jì)的多級(jí)對(duì)稱放大機(jī)構(gòu)，理論放大比為21.7，仿真放大比為17，實(shí)際放大比為16.4，再次證明了實(shí)際加工以及操作誤差不可避免，左右鉗指輸出力不能保證相同，文獻(xiàn)[14～16]設(shè)計(jì)的對(duì)稱微夾鉗同樣有此類問題。

綜上所述,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾持性能穩(wěn)定、高精度更符合微夾鉗的設(shè)計(jì)要求，本文基于杠桿放大原理設(shè)計(jì)的單極非對(duì)稱微夾鉗同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾持性能穩(wěn)定、夾持精度高的優(yōu)點(diǎn)。

1 微夾鉗設(shè)計(jì)

圖1為微夾鉗結(jié)構(gòu)圖，尺寸為50.4 mm×80.8 mm×4.5 mm，該結(jié)構(gòu)主要由直圓形柔性鉸鏈、鉗指、杠桿放大機(jī)構(gòu)、螺紋固定孔、預(yù)緊螺栓組成。微夾鉗采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，避免了因?qū)ΨQ微夾鉗左右鉗指受力不均勻破壞微夾持物，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，減小加工誤差對(duì)精度的影響，有效提高了系統(tǒng)的固有頻率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需完成杠桿放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、直圓形柔性鉸鏈設(shè)計(jì)、直片形柔性鉸鏈設(shè)計(jì)，進(jìn)而得出鉗指輸出位移計(jì)算公式以及鉗指輸出力計(jì)算公式。

圖1 壓電微夾鉗原理

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移放大圖如圖2所示，假設(shè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出位移標(biāo)記為Din，l24的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為Δθ1，實(shí)際輸入位移為D1，則

D1=Dincos Δθ1

(1)

根據(jù)杠桿原理，可以得到如下的比例關(guān)系

(2)

假設(shè)L79的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為Δθ3，實(shí)際輸入位移Dout,則存在如下關(guān)系

Dout=D2cos Δθ3

(3)

根據(jù)式(1)～式(3)可知，理論放大比為

(4)

圖2 位移放大機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖

2 有限元分析

2.1 微夾鉗材料屬性選取

利用有限元分析軟件ANSYS分別對(duì)微夾鉗進(jìn)行仿真分析。選用材料為7 075鋁合金，彈性模量為71 GPa，泊松比為0.33，密度為2 820 kg/m3，取安全因子為1.8，則許用應(yīng)力為317 MPa。

2.2 行程分析

通過ANSYS仿真分析微夾鉗的夾持行程。在微夾鉗輸入端施加20 μm輸入位移，對(duì)應(yīng)的位移分析圖如圖3所示，微夾鉗可以實(shí)現(xiàn)平行夾持，對(duì)應(yīng)的輸出位移分別為95.398 μm，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為34.363 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度317 MPa，產(chǎn)品可以安全使用。

圖3 微夾鉗位移分析云圖

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 微夾鉗實(shí)物模型

實(shí)物模型如圖4所示，微夾鉗所用的材料為鋁合金7075—T6(SN)，采用慢走絲線切割機(jī)床一體化加工，加工完成后，對(duì)其進(jìn)行鉆孔和拋光。

圖4 微夾鉗實(shí)物原圖

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)微夾持器的性能，通過一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

圖6表示微夾鉗輸入位移與單邊輸出位移的關(guān)系圖，理論放大倍數(shù)為4.98倍，仿真分析放大倍數(shù)為4.77倍，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證放大倍數(shù)為4.55倍。仿真值與理論值之間的誤差為4.22 %，這主要由于理論計(jì)算只考慮柔性鉸鏈槽口處的變形，將柔性鉸鏈的其他部分視為一個(gè)剛性體。理想狀態(tài)下，剛性體部分不發(fā)生變形，實(shí)際上，微夾鉗夾持過程中剛性體部分同樣發(fā)生微小變形，這是理論值大于仿真值的原因。實(shí)驗(yàn)值與仿真值之間的誤差為8.43 %，這種誤差主要因?yàn)槲A鉗加工過程存在一定的精度誤差以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中的測(cè)量誤差和設(shè)備震動(dòng)、噪聲等因素的影響。

圖6 單邊輸出位移與輸入位移之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

針對(duì)直徑為100～200 μm的微零件，基于柔性鉸鏈與外加柔性四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一種柔性壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗，基于虛功原理以及幾何關(guān)系計(jì)算出理論輸入輸出變量，基于有限元分析微夾鉗性能且證實(shí)了理論分析的正確性，最后采用慢走絲線切割機(jī)床加工出實(shí)物原型，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算與仿真分析的正確性。本文設(shè)計(jì)的微夾鉗對(duì)此類微夾鉗的研究提供了參考。