柔性微夾持器的拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、融合機械及電子特性的微電子技術(shù)的最新進展促進了微/納機電系統(tǒng)的出現(xiàn)。MEMS是一新興研究領(lǐng)域，在諸如機械、電子、航空航天、通訊和生物工程等工程領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
　　MEMS器件與其它微型器件相比具有顯著的優(yōu)點，如更小的尺寸、更廉價和更快的響應(yīng)時間。MEMS技術(shù)的進展對一個國家經(jīng)濟發(fā)展及社會進步具有至關(guān)重要的影響。因為信息技術(shù)、計算機技術(shù)、醫(yī)療保健、制造與交通運輸、電力與能源系統(tǒng)和航空航天與國家安全領(lǐng)域取得重大突破皆有懶于微技術(shù)的

2、進步。由于MEMS在微型化發(fā)展方面的潛力，使得MEMS技術(shù)的進展得到研究學者們的廣泛關(guān)注。
　　產(chǎn)品微型化趨勢的日益加強，使得微組裝技術(shù)的進步被看作是對國家經(jīng)濟、人口和社會產(chǎn)生長遠影響的技術(shù)之一。微組裝在過去幾年發(fā)展迅速，是諸如醫(yī)療保健、通訊、國防和航空業(yè)等高附加值領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。
　　微納米定位平臺在機械和電子工業(yè)中是極為重要的。微器件的組裝涉及到尺寸極小的部件的裝配。微夾持器在諸如為了實現(xiàn)微型系統(tǒng)的微型零件的組裝及機電封

3、裝過程中的構(gòu)件組裝等重要場合獲得廣泛應(yīng)用。用于微\納操作的機械手為實現(xiàn)有效的操作必須具備具有能穩(wěn)定并且高精度地抓握不同形狀的物體的能力。微夾持器是微型機器人和微組裝技術(shù)中實現(xiàn)微操作的關(guān)鍵設(shè)備之一。
　　柔性機構(gòu)在微機電系統(tǒng)的設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，柔性機構(gòu)各個部分的變形構(gòu)成了自身的運動。這些柔性結(jié)構(gòu)通過彈性變形來產(chǎn)生所需要的位移，柔性機構(gòu)在很多領(lǐng)域的設(shè)計過程中發(fā)揮了巨大作用，如自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、手持工具、交通運輸、電子和醫(yī)療器械。柔性機構(gòu)

4、的引入可以減少元件的數(shù)量，同時也降低了制造成本，提高了使用性能。
　　在過去幾十年，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念已在越來越多的工程領(lǐng)域中被更廣泛地采用，因為機構(gòu)優(yōu)化可以實現(xiàn)更為合理及經(jīng)濟可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計，更具有材料消耗少的優(yōu)點。它具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，例如在汽車、航空航天和微機電系統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域。拓撲優(yōu)化是一專門用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的功能強大的優(yōu)化方法。拓撲優(yōu)化是在給定設(shè)計域內(nèi)尋找最佳結(jié)構(gòu)分布，最終實現(xiàn)給定目標的最優(yōu)分布的技術(shù)，即拓撲優(yōu)化方法是用來求解結(jié)構(gòu)

5、構(gòu)件材料的最佳分布的。
　　本課題將拓撲優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到2維和3維柔性機構(gòu)的設(shè)計上，這些機構(gòu)有著不同的載荷、邊界條件和功能。提出了一種可實現(xiàn)直線運動及平行運動的新型柔性微米級夾持機構(gòu)。與此同時設(shè)計了一種毫米級夾持器，它能夠在平行運動的同時對抓取物體實現(xiàn)精確定位。
　　研究了柔性夾持器的設(shè)計方法及實現(xiàn)抓取臂平行運動的方法。采用對稱路徑柔性機構(gòu)，拓撲優(yōu)化后的夾持器完成了抓取和抓取臂平行運動的結(jié)合。這種機構(gòu)能夠抓取一個物體并使其做點

6、對點平移。
　　提出了一種3維柔性微米級夾持結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化方法，這種機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)直線運動并完成抓取臂的平行運動。通過 ANSYS在給定設(shè)計域內(nèi)建立了3維有限元分析模型。
　　拓撲優(yōu)化程序是通過商業(yè)軟件 ANSYS完成的。在給定設(shè)計區(qū)域內(nèi)，建立了2維和3維有限元分析模型。平均柔度（最大總體結(jié)構(gòu)剛度）被作為目標函數(shù)來考慮，使其在給定設(shè)計量的前提下尋找能夠?qū)⑵骄岫瓤刂圃谌〉貌牧戏植嫉淖钚≈?。材料剛度、密度等特性參?shù)化的材料模型是

7、建立在已知的各向同性材料 SIMP模型基礎(chǔ)之上的。采用ANSYS程序中的優(yōu)化算法來做最優(yōu)判別準則，它是通過APDL來實現(xiàn)的。
　　研究了四種能夠?qū)崿F(xiàn)沿直線平行運動的柔性微米級夾持機構(gòu)模型，并闡明了這些機構(gòu)的最佳配置，建立了機構(gòu)3維有限元模型。這些柔性微米級夾持結(jié)構(gòu)能應(yīng)用于直徑為400μm物體的拾取。同時，提出并討論了能夠?qū)崿F(xiàn)夾持臂平行運動的納米級夾持器的最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)，建立了3維有限元模型。
　　論證了實現(xiàn)納米、微米級物體的微