基于有限元的單晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計(jì)【開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　基于有限元的單晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計(jì)</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的微電子技術(shù)和集成電路，已構(gòu)成人類文明的重要基礎(chǔ)。大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)在許多領(lǐng)

2、域引發(fā)了一場(chǎng)微小型化革命。微電子技術(shù)的巨大成功使微米/納米技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)相應(yīng)的工藝裝備的定位進(jìn)度也進(jìn)入亞微米甚至納米精度。實(shí)際上，無(wú)論哪種途徑加工出的微機(jī)械零件都需要一種操作尺寸十分細(xì)微的微動(dòng)系統(tǒng)裝配微機(jī)械。因此，微夾鉗及與其相關(guān)的研究已成為國(guó)民、內(nèi)外微機(jī)械研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。</p><p>　　微夾鉗主按能量供給和驅(qū)動(dòng)方式現(xiàn)如今有基本可分為以下幾種：靜電式微夾鉗、電磁式微夾鉗、形狀記憶合金微夾鉗、

3、液體吸附式微夾鉗、光捕獲微夾鉗和壓電式微夾鉗。其中壓電式微夾鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于微操作、微裝配領(lǐng)域，其可以作為微操作機(jī)器人的手臂，具有高精確度的特征，因此，電式微夾鉗現(xiàn)已成為最常用和眾所周知的一種形式，壓電陶瓷微位移器是開(kāi)發(fā)MEMS（微機(jī)電子機(jī)械系統(tǒng))的關(guān)鍵元件之一。</p><p>　　以往的研究中，其結(jié)構(gòu)都相對(duì)比較復(fù)雜，因此我們希望設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能穩(wěn)定且

4、易于加工的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題</p><p>　　2.1研究的基本內(nèi)容</p><p>　　基于壓電陶瓷單晶片結(jié)構(gòu)，采用有限元分析法，設(shè)計(jì)由壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、張合量為200um的微夾鉗。通過(guò)該設(shè)計(jì)，了解壓電微夾鉗的應(yīng)用領(lǐng)域，掌握單晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)而掌握零、部件的一般設(shè)計(jì)過(guò)程。</p><

5、;p>　　2.2擬解決的主要問(wèn)題</p><p>　　基于微夾鉗應(yīng)用同時(shí)具有良好的張合特性和剛度特性要求，確定微夾鉗鉗指羈絆的材料；</p><p>　　基于前人微夾鉗結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作精度高的結(jié)構(gòu)；</p><p>　　基于壓電陶瓷單晶片執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)小，確定微夾鉗的結(jié)構(gòu)形式與幾何尺度時(shí)必須做到精確與可行；</p><

6、;p>　　基于所確定的微夾鉗的幾何尺度，采用有限元分析法，確定微夾鉗的張合量同驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、夾持力同張合量的關(guān)系以及最大夾持重量，分析靜態(tài)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)；</p><p>　　分別基于Pro/E、AutoCAD繪制微夾鉗的三維造型圖，裝配圖與零件圖。</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　首先確定鉗指基板的材料，結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸

7、；然后學(xué)習(xí)有限元分析，利用該軟件對(duì)壓電陶瓷單晶片執(zhí)行器進(jìn)行計(jì)算，從而分析微夾鉗張合量同驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、夾持力同張合量的關(guān)系以及最大夾持重量；使用Pro/E繪制微夾鉗的三維造型圖、裝配圖與零件圖；</p><p>　　四、研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>　　確定壓電微夾鉗的材料、結(jié)構(gòu)形式以及幾何尺寸?；趬弘娞沾蓡尉瑘?zhí)行器，采用有限元分析法，確定微夾鉗張合量同驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、加持力同

8、張合量的關(guān)系以及最大夾持重量；繪制微夾鉗的三維造型圖、裝配圖與零件圖。</p><p>　　[1-4周] 查閱文獻(xiàn)，完成外文翻譯、文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告（4周）；</p><p>　　[5-6周] 確定壓電微夾鉗的材料、結(jié)構(gòu)形式以及幾何尺寸（2周）；</p><p>　　[7-12周] 基于壓電陶瓷單晶片執(zhí)行器，采用有限元分析法，確定微夾鉗張合量同驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、

9、加持力同張合量的關(guān)系以及最大夾持重量（5周）；</p><p>　　[13 周] 繪制微夾鉗的三維造型圖、裝配圖與零件圖（1周）</p><p>　　[14 周] 撰寫(xiě)畢業(yè)論文（1周）。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　尹燕麗, 朱邦太, 陳海龔, 曹長(zhǎng)江. 毫米級(jí)微型機(jī)器人操作手

10、的研制和操作特性. 光學(xué)[J]. 精密工程 2001, 9(6): 531~534.</p><p>　　甫志剛, 黃心漢. 機(jī)器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計(jì)[J]. 先進(jìn)制造技術(shù), 2004, 23(2）: 21~22, 35.</p><p>　　陳國(guó)良, 黃心漢, 王敏. 面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制①[J]. 高技術(shù)通訊, 2006, 16(11): 1134~1138.<

11、;/p><p>　　陳海, 孟中巖, 曹長(zhǎng)江, 張 琛. 梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計(jì)和操作原理[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 36(5): 620~623.</p><p>　　陳立國(guó), 榮偉彬, 孫立寧. 面向微操作的組合式微夾持器[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 38(6): 862~864.</p><p>　　胡斌梁, 陳國(guó)良. 壓電陶瓷微

12、夾鉗遲滯環(huán)自適應(yīng)逆控制研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2006, 17(8): 798~801.</p><p>　　蔡建華, 黃心漢, 呂遐東, 王敏. 一種集成微力檢測(cè)的壓電式微夾鉗[J]. 機(jī)器人. 2006, 28(1): 59~64.</p><p>　　曾祥進(jìn), 黃心漢, 王敏. 基于Dahl模型的壓電陶瓷微夾鉗控制研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2008, 19(7): 766

13、~769.</p><p>　　Nikolas Chronis and Luke P. Lee. Electrothermally Activated SU-8 Microgripper for Single Cell Manipulation in Solution. [J]. JOURNAL OF MICROELE CTROME CHANICAL SYSTEMS. 2005, 14(4): 857~863.&

14、lt;/p><p>　　Ricardo Perez,Nicolas Chaillet, Krzysztof Domanski, Pawel Janus, Piotr Grabiec. Fabrication, modeling and integration of a silicon technology force sensor in a piezoelectric micro-manipulator[J]. Se

15、nsors and Actuators A 128. 2006:367~375.</p><p>　　Zhe Lu, Peter C. Y. Chen, and Wei Lin, Member,IEEE. Force Sensing and Control in Micromanipulation[J]. IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS. 2

16、006, 36(6): 713~724.</p><p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　基于有限元的單晶片式微夾鉗的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1 序論</b></p><p>　　20世紀(jì)60年代

17、發(fā)展起來(lái)的微電子技術(shù)和集成電路，已構(gòu)成人類文明的重要基礎(chǔ)。大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)在許多領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)微小型化革命。微電子技術(shù)的巨大成功使微米/納米技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而加工出的微米、納米級(jí)別的機(jī)械零件需要一種操作尺寸十分細(xì)微的微動(dòng)系統(tǒng)裝配微機(jī)械。由此可見(jiàn)微夾持或微操作系統(tǒng)的重要性，而微夾鉗技術(shù)是此微系統(tǒng)的關(guān)鍵。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅可稱為微機(jī)器人的抓手，而且在微機(jī)零件的加工、裝配、生物工程和光學(xué)領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。因此，微夾鉗

18、及與其相關(guān)的研究已成為國(guó)民、內(nèi)外微機(jī)械研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。其中又以壓電陶瓷晶片作為驅(qū)動(dòng)力最為眾所周知。</p><p><b>　　1.1 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　真空吸附是最早使用的微操作方式之一，它采用直徑很細(xì)的玻璃管來(lái)吸附微小物體,達(dá)到攝取微小物體的目的,該方式簡(jiǎn)單易行，但是還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的自如操作.繼而，Nikolas Chronis等

19、研制了單細(xì)胞操作SU-8微夾鉗[9]；Ricardo Perez等人研究設(shè)計(jì)了硅技術(shù)的壓電微機(jī)器人力傳感器[10]；Peter C. Y.等人設(shè)計(jì)了力傳感和顯微操作控制電機(jī)[11]；Kim等設(shè)計(jì)了靜電型微鑷子，采用半導(dǎo)體加工工藝制作而成，最大張開(kāi)距離為10um，驅(qū)動(dòng)電壓50V；Suzuki設(shè)計(jì)了熱伸縮型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子；Haddab等設(shè)計(jì)制作了壓電懸臂梁式的微型鑷子。國(guó)內(nèi)對(duì)微小夾鉗的研究起步較晚，主要是研究了形狀記憶合金和壓電型微夾

20、鉗。綜觀各國(guó)在微操作器方面的報(bào)道可以看出，國(guó)際上研制成功的微操作手主要還是以兩爪的微夾鉗為主，外形尺寸從幾毫米到幾厘米不等，所用的加工工藝主要有3種：精密機(jī)械加工技術(shù)、半導(dǎo)體加工工藝和最近幾年興起的LIGA 加工工藝。近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)壓電陶瓷微夾鉗研究日益成熟，其中單晶片形式被廣泛應(yīng)用。上海交通大學(xué)建立了一個(gè)50mm×50mm的微裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用2mm的電磁型微型電動(dòng)機(jī)，</p><p><b>

21、;　　2 正文</b></p><p>　　微夾鉗主按能量供給和驅(qū)動(dòng)方式現(xiàn)如今有基本可分為以下幾種：靜電式微夾鉗、電磁式微夾鉗、形狀記憶合金微夾鉗、液體吸附式微夾鉗、光捕獲微夾鉗和壓電式微夾鉗。其中壓電式微夾鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于微操作、微裝配領(lǐng)域，其可以作為微操作機(jī)器人的手臂，具有高精確度的特征，因此，電式微夾鉗現(xiàn)已成為最常用和眾所周知的一種形式，壓電

22、陶瓷微位移器是開(kāi)發(fā)MEMS（微機(jī)電子機(jī)械系統(tǒng))的關(guān)鍵元件之一。</p><p>　　以往的研究中，其結(jié)構(gòu)都相對(duì)比較復(fù)雜，因此我們希望設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能穩(wěn)定且易于加工的結(jié)構(gòu)且電極引出線方便，有利于推進(jìn)單晶片微夾鉗的進(jìn)步。</p><p>　　我們采用單晶片型壓電懸臂梁(Unimorph)作為夾持器的驅(qū)動(dòng)器，單晶片型壓電懸臂梁位移太，備工藝簡(jiǎn)單。懸臂粱結(jié)構(gòu)如圖 l所示。</p>

23、<p>　　通過(guò)研究壓電懸臂梁的操作特性，從微夾持器的二懸臂梁結(jié)構(gòu)出發(fā)，即可推知微夾鉗的操作特性。定義3一或z一方向?yàn)闃O化方向。l一和2一方向(x一和y一方向)與3一方向相互垂直。 圖中P和分別代表壓電(piezoelectric)層和金屬(meta1)基板層。</p><p>　　當(dāng)給懸臂梁施加一與壓電層極化方向相反的電場(chǎng)時(shí)，壓電層由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生應(yīng)變，壓電層沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，由于基板層沒(méi)有產(chǎn)生

24、伸長(zhǎng)應(yīng)變而限制壓電層的伸長(zhǎng)變形，從而壓電層伸長(zhǎng)變形帶動(dòng)雙層懸臂梁產(chǎn)生伸長(zhǎng)和彎曲兩種變形。</p><p>　　在日益進(jìn)步的工業(yè)發(fā)展情況下，對(duì)加工精度的要求越來(lái)越高，必然要求對(duì)加工要求精細(xì)化，微小化。單晶片式壓電陶瓷微夾鉗作為典型結(jié)構(gòu)形式，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工較其他微夾鉗容易，其可操作性高，應(yīng)用領(lǐng)域必將十分廣泛。其中這種鉗指可作為微操作機(jī)器人最重要的操作手，可廣泛應(yīng)用于納米科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、生物工程與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、微納米

25、科研教學(xué)等領(lǐng)域。此外這種機(jī)器人在IC工業(yè)中納米器件的裝配與加工方面也有良好的應(yīng)用前景，如可以利用它操作納米微粒，裝配微納米電子器件，甚至復(fù)雜的納米電路。這意味著，未來(lái)利用納米電路制成的電腦和家用電器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞進(jìn)牙縫”；而未來(lái)利用納米操作技術(shù)制作的微型機(jī)器人，也可以鉆入人體替病人疏通血管，或在肉眼看不見(jiàn)的微觀世界里，完成人們自己不可能完成的任務(wù)。</p><p><b&g

26、t;　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　尹燕麗, 朱邦太, 陳海龔, 曹長(zhǎng)江. 毫米級(jí)微型機(jī)器人操作手的研制和操作特性. 光學(xué)[J]. 精密工程 2001, 9(6): 531~534.</p><p>　　甫志剛, 黃心漢. 機(jī)器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計(jì)[J]. 先進(jìn)制造技術(shù), 2004, 23(2）: 21~22, 35.</p><p>　

27、　陳國(guó)良, 黃心漢, 王敏. 面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制①[J]. 高技術(shù)通訊, 2006, 16(11): 1134~1138.</p><p>　　陳海, 孟中巖, 曹長(zhǎng)江, 張 琛. 梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計(jì)和操作原理[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 36(5): 620~623.</p><p>　　陳立國(guó), 榮偉彬, 孫立寧. 面向微操作的組合式微夾持器[J

28、]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 38(6): 862~864.</p><p>　　胡斌梁, 陳國(guó)良. 壓電陶瓷微夾鉗遲滯環(huán)自適應(yīng)逆控制研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2006, 17(8): 798~801.</p><p>　　蔡建華, 黃心漢, 呂遐東, 王敏. 一種集成微力檢測(cè)的壓電式微夾鉗[J]. 機(jī)器人. 2006, 28(1): 59~64.</p>&

29、lt;p>　　曾祥進(jìn), 黃心漢, 王敏. 基于Dahl模型的壓電陶瓷微夾鉗控制研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2008, 19(7): 766~769.</p><p>　　Nikolas Chronis and Luke P. Lee. Electrothermally Activated SU-8 Microgripper for Single Cell Manipulation in Solution.

30、 [J]. JOURNAL OF MICROELE CTROME CHANICAL SYSTEMS. 2005, 14(4): 857~863.</p><p>　　Ricardo Perez,Nicolas Chaillet, Krzysztof Domanski, Pawel Janus, Piotr Grabiec. Fabrication, modeling and integration of a si

31、licon technology force sensor in a piezoelectric micro-manipulator[J]. Sensors and Actuators A 128. 2006:367~375.</p><p>　　Zhe Lu, Peter C. Y. Chen, and Wei Lin, Member,IEEE. Force Sensing and Control in Mi

32、cromanipulation[J]. IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS. 2006, 36(6): 713~724.</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字 </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b>&l

33、t;/p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　基于有限元的單晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，許多領(lǐng)域朝著微小型化發(fā)展，工藝精度也進(jìn)入亞微米甚至納米精度。然而，無(wú)論哪種方式加工出的微機(jī)械零件都需要

34、一種操作尺寸十分精細(xì)的微動(dòng)裝配微機(jī)械系統(tǒng)，而微夾鉗技術(shù)是此微系統(tǒng)的關(guān)鍵。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅可稱為微機(jī)器人的抓手，而且在微機(jī)零件的加工、裝配、生物工程和光學(xué)領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。本文中，我們將對(duì)單晶片式壓電微夾鉗進(jìn)行研究，通過(guò)有限元分析方法，采用ANSYS軟件對(duì)微夾鉗進(jìn)行靜力分析，研究電壓于鉗指張合量，力與鉗指張合量的關(guān)系，并由此得出相應(yīng)加載電壓與鉗指夾持力的關(guān)系。另一方面，我們同樣采用有限元分析法對(duì)鉗指進(jìn)行模態(tài)分析、

35、諧響分析、瞬態(tài)相應(yīng)分析，完成各動(dòng)力性能的模擬測(cè)試，最終確定鉗指的結(jié)構(gòu)尺寸并使用三維軟件做出相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)圖。本文中所采用的微夾鉗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，這種鉗指可作為微操作機(jī)器人最重要的操作手，可廣泛應(yīng)用于納米科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、生物工程與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、微納米科研教學(xué)等領(lǐng)域。此外這種鉗指還可以運(yùn)用在操作納米微粒，裝配微納米電子器件，甚至復(fù)雜的納米電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微夾鉗；壓電執(zhí)行器；壓電單晶片；有限元分析<

36、;/p><p>　　Abstract：With the continuous development of science and technology in many fields toward micro miniaturization, development, process accuracy also enter sub-micron even nano precision. However, no mat

37、ter which way the micro mechanical parts processing operation size will require a very meticulous budge assembly micro mechanical system, and the gripper technology is the key to the micro system. Gripper as a kind of ty

38、pical micro actuators, not only can be called micro robot in the agri-business a</p><p>　　Key words：micro gripper；Piezoelectric actuators ；piezoelectric unimorphs；Finite element analysis</p><p>

39、<b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要11</b></p><p><b>　　目　錄13</b></p><p><b>　　1緒論14</b></p><p><b>　　1.1背景14</b>

40、</p><p>　　1.2目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14</p><p>　　1.3論文的主要工作16</p><p>　　2初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17</p><p><b>　　3設(shè)計(jì)計(jì)算17</b></p><p>　　3.1靜力分析17</p><p>　　3.

41、2模態(tài)分析22</p><p>　　3.3諧響分析23</p><p>　　3.4瞬態(tài)響應(yīng)24</p><p><b>　　4詳細(xì)結(jié)構(gòu)24</b></p><p>　　5結(jié)論與展望27</p><p><b>　　5.1結(jié)論27</b></p&g

42、t;<p><b>　　5.2展望27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p><b>　　附錄30</b></p><p><b>　　緒論</b>&l

43、t;/p><p><b>　　背景</b></p><p>　　微夾鉗即微型機(jī)械手、微夾持器，主要用于精細(xì)操作。隨著科技的不斷發(fā)展，上世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的微電子技術(shù)和集成電路，已構(gòu)成人類文明的重要基礎(chǔ)。而大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)在許多領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)微小型化革命。微電子技術(shù)的巨大成功使微米/納米技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，相應(yīng)的工藝裝備的定位精度也進(jìn)入亞微米甚至納米精度。實(shí)際上，

44、無(wú)論哪種途徑加工出的微機(jī)械零件都需要一種操作尺寸十分細(xì)微的微動(dòng)系統(tǒng)裝配微機(jī)械。因此，微夾鉗及與其相關(guān)的研究已成為國(guó)內(nèi)外微機(jī)械研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。</p><p>　　微夾鉗主按能量供給和驅(qū)動(dòng)方式現(xiàn)如今有基本可分為以下幾種：靜電式微夾鉗、電磁式微夾鉗、形狀記憶合金微夾鉗、液體吸附式微夾鉗、光捕獲微夾鉗和壓電式微夾鉗。本文將對(duì)壓電式微夾鉗進(jìn)行進(jìn)一步講述與分析計(jì)算。</p><p>　　微夾

45、鉗為能加工出微米、納米級(jí)別的機(jī)械零件所需要的一種操作尺寸十分細(xì)微的微動(dòng)系統(tǒng)裝配微機(jī)械。微夾鉗技術(shù)是此微系統(tǒng)的關(guān)鍵。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅可稱為微機(jī)器人的抓手，而且在微機(jī)零件的加工、裝配、生物工程和光學(xué)領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。</p><p>　　壓電式微夾鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于微操作、微裝配領(lǐng)域，其可以作為微操作機(jī)器人的手臂，具有高精確度的特征，因此，

46、壓電式微夾鉗現(xiàn)已成為最常用和眾所周知的一種形式，壓電陶瓷微位移器是開(kāi)發(fā)MEMS（微機(jī)電子機(jī)械系統(tǒng))的關(guān)鍵元件之一。</p><p><b>　　目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　最早使用的微操作方式之一為真空吸附，它采用直徑很細(xì)的玻璃管來(lái)吸附微小物體,達(dá)到攝取微小物體的目的,該方式簡(jiǎn)單易行，但是還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的自如操作.繼而，Nikolas Chr

47、onis等研制了單細(xì)胞操作SU-8微夾鉗[9]見(jiàn)圖1。Ricardo Perez等人研究設(shè)計(jì)了硅技術(shù)的壓電微機(jī)器人力傳感器[10]，見(jiàn)圖2。Peter C. Y.等人設(shè)計(jì)了力傳感和顯微操作控制電機(jī)[11]；Kim等設(shè)計(jì)了靜電型微鑷子，采用半導(dǎo)體加工工藝制作而成，最大張開(kāi)距離為10um，驅(qū)動(dòng)電壓50V；Suzuki設(shè)計(jì)了熱伸縮型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子[12]；Haddab等設(shè)計(jì)制作了壓電懸臂梁式的微型鑷子[13]。國(guó)內(nèi)對(duì)微小夾鉗的研究起步較

48、晚，主要是研究了形狀記憶合金和壓電型微夾鉗。Miyazaki作品[14,15]中我們可以了解到關(guān)于樣品和微型機(jī)器人之間相互作用力的有關(guān)研究結(jié)果。</p><p>　　圖1 單細(xì)胞操作SU-8微夾鉗 圖2 壓電微機(jī)器人力傳感器 </p><p>　　綜觀各國(guó)在微操作器方面的報(bào)道可以看出，國(guó)際上研制成功的微操作手主要還是以兩爪的微夾鉗為主，外形尺寸從幾毫米到幾厘米不等，所用的加工工

49、藝主要有3種：精密機(jī)械加工技術(shù)、半導(dǎo)體加工工藝和最近幾年興起的LIGA 加工工藝。近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)壓電陶瓷微夾鉗研究日益成熟，其中單晶片形式被廣泛應(yīng)用。上海交通大學(xué)建立了一個(gè)50mm×50mm的微裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用2mm的電磁型微型電動(dòng)機(jī)，制作了8mm×6mm×5mm的微型機(jī)器人小車(chē)，為了完成微型機(jī)器人對(duì)微型零件的操作，需要為微型機(jī)器人小車(chē)裝置一個(gè)可以對(duì)徽器件進(jìn)行操作的微機(jī)械手。分析了現(xiàn)有的微型操作器的設(shè)計(jì)方法

50、，結(jié)合他們的微型機(jī)器人操作系統(tǒng)，研制了一個(gè)雙懸臂梁式壓電微夾持器[1]。華中科技大學(xué)甫志剛、黃心漢的機(jī)器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計(jì)中同樣也提到了使用單晶片壓電陶瓷懸臂梁為基本結(jié)構(gòu)的微夾鉗，其夾持距離在20-150um之間。對(duì)錐心物塊進(jìn)行了實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，取得良好的效果[2]，圖3為該鉗指夾持過(guò)程實(shí)際效果圖。武漢</p><p>　　圖3 手爪夾持和釋放錐形靶的實(shí)際操作情況</p><p>　　

51、理工大學(xué)陳國(guó)良、黃心漢、王敏的面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制[3]。上海交通大學(xué)陳海、孟中巖、曹長(zhǎng)江、張琛的梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計(jì)和操作原理[4]，胡斌梁、陳國(guó)良的壓電陶瓷微夾鉗遲滯環(huán)自適應(yīng)逆控制研究[6] 都對(duì)單晶片式的懸臂梁微夾鉗進(jìn)行過(guò)深入的研究并且取得了實(shí)際有效的效果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳立國(guó)、榮偉彬、孫立寧的面向微操作的組合式微夾持器[5]，華中科技大學(xué)蔡建華黃心漢、呂遐東、王敏的一種集成微力檢測(cè)的壓電式微夾鉗[7]，華

52、中科技大學(xué)曾祥進(jìn)、黃心漢、王敏的基于Dahl模型的壓電陶瓷微夾鉗控制研究[8]同樣對(duì)雙晶片式微夾鉗有深入研究。</p><p>　　到目前為止，壓電式微夾鉗一般可分為兩種結(jié)構(gòu)：柔性鉸鏈?zhǔn)?、懸臂梁式。本文將?duì)懸臂梁式微夾鉗進(jìn)行進(jìn)一步闡述。對(duì)于微夾鉗的計(jì)算有一般經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與有限元分析計(jì)算。一般經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法計(jì)算公式相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于其只能對(duì)于規(guī)則零件進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)遇到不規(guī)則零件而無(wú)法求解計(jì)算。有限元分析

53、法雖然計(jì)算復(fù)雜，但解決了實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)驗(yàn)公式法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的問(wèn)題，能夠?qū)Σ灰?guī)則零件進(jìn)行各種靜態(tài)，動(dòng)態(tài)分析。本文采用有限元分析法對(duì)微夾鉗的進(jìn)行分析計(jì)算。</p><p><b>　　論文的主要工作</b></p><p>　　基于壓電陶瓷單晶片結(jié)構(gòu)，采用有限元分析法，設(shè)計(jì)由壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、張合量為200um的微夾鉗。通過(guò)該設(shè)計(jì)，了解壓電微夾鉗的應(yīng)用領(lǐng)域，掌握單晶片式壓

54、電微夾鉗的設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)而掌握零、部件的一般設(shè)計(jì)過(guò)程。擬解決的主要問(wèn)題：</p><p>　　基于微夾鉗應(yīng)用同時(shí)具有良好的張合特性和剛度特性要求，確定微夾鉗鉗指羈絆的材料；</p><p>　　基于前人微夾鉗結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作精度高的結(jié)構(gòu)；</p><p>　　基于壓電陶瓷單晶片執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)小，確定微夾鉗的結(jié)構(gòu)形式與幾何尺度時(shí)必須做到精確與可行

55、；</p><p>　　基于所確定的微夾鉗的幾何尺度，采用有限元分析法，確定微夾鉗的張合量同驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、夾持力同張合量的關(guān)系以及最大夾持重量，分析靜態(tài)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)；</p><p>　　分別基于Pro/E、AutoCAD繪制微夾鉗的三維造型圖，裝配圖與零件圖。</p><p><b>　　初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </b></p>&l

56、t;p>　　以往的研究中，其結(jié)構(gòu)都相對(duì)比較復(fù)雜，因此我們希望設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能穩(wěn)定且易于加工的結(jié)構(gòu)且電極引出線方便，有利于推進(jìn)單晶片微夾鉗的進(jìn)步。</p><p>　　我們采用單晶片型壓電懸臂梁(Unimorph)作為夾持器的驅(qū)動(dòng)器，單晶片型壓電懸臂梁具有位移大，工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。懸臂粱結(jié)構(gòu)如圖 4所示。</p><p>　　通過(guò)研究壓電懸臂梁的操作特性，從微夾持器的二懸臂梁結(jié)構(gòu)出

57、發(fā)，即可推知微夾鉗的操作特性。定義3一或z一方向?yàn)闃O化方向。l一和2一方向(x一和y一方向)與3一方向相互垂直。 圖中o、p和m分別代表電極片、壓電(piezoelectric)層和金屬(meta1)基板層。當(dāng)給懸臂梁施加一與壓電層極化方向相反的電場(chǎng)時(shí)，壓電層由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生應(yīng)變，壓電層沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，由于基板層沒(méi)有產(chǎn)生伸長(zhǎng)應(yīng)變而限制壓電層的伸長(zhǎng)變形，從而壓電層伸長(zhǎng)變形帶動(dòng)雙層懸臂梁產(chǎn)生伸長(zhǎng)和彎曲兩種變形。實(shí)驗(yàn)中將對(duì)電極片施加正電壓

58、，對(duì)基板施加負(fù)電壓。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p><b>　　靜力分析</b></p><p>　　本節(jié)靜力分析主要包括電壓與鉗指張合量的關(guān)系和力與鉗指張合量的關(guān)系。當(dāng)微夾鉗電極片接通電源正極，鉗指接電源負(fù)極時(shí)，鉗指將伸長(zhǎng)并向內(nèi)彎曲，使夾鉗具有夾持特性。由于壓電陶瓷的這種特性，接下來(lái)我們將

59、首先通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行分析研究加載電壓與夾鉗鉗指張合量的關(guān)系。本文采用的壓電陶瓷晶片尺寸為0.2*2*35。圖5為微夾鉗在ANSYS軟件中采用四邊元?jiǎng)澐志W(wǎng)格效果圖，約束于鉗指末端至末端8mm。</p><p>　　圖5 鉗指網(wǎng)格劃分與約束</p><p>　　在研究電壓與鉗指末端張合量的關(guān)系時(shí)，分別對(duì)電極片即壓電陶瓷片外層施加5V、10V、15V、20、22.5V電壓，鉗指電壓為0V，

60、使壓電陶瓷片上下表面產(chǎn)生相應(yīng)電壓差，壓電陶瓷片將伸長(zhǎng)并帶動(dòng)鉗指向內(nèi)彎曲。如圖6為加載電壓22.5V時(shí)鉗指指端的張合量為101um，整個(gè)鉗指張合量202um達(dá)到要求。</p><p>　　圖6 電壓22.5V時(shí)鉗指Z軸張合量</p><p>　　由ANSYS模擬實(shí)驗(yàn)得，鉗指在0~22.5V電壓下鉗指末端偏執(zhí)量S與電壓U的關(guān)系為圖表1：</p><p>　　圖表1 鉗指

61、在電壓0~23V時(shí)的指端Z軸位移量</p><p>　　由此得電壓與鉗指張合量的關(guān)系為線性關(guān)系。如圖7所示：</p><p>　　圖7 鉗指在電壓0~23V時(shí)的指端Z軸位移量</p><p>　　在研究鉗指末端受力與鉗指末端張合量的關(guān)系時(shí)，對(duì)鉗指末端施加載荷，下面是通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行分析研究鉗指末端受力與夾鉗鉗指張合量的關(guān)系。圖8為微夾鉗在ANSYS軟件中采用四

62、邊元?jiǎng)澐志W(wǎng)格效果圖，約束于鉗指末端至末端8mm。受力于鉗指末端，Z軸方向向上（壓電陶瓷晶片在下，鉗指在上）。 </p><p><b>　　圖8 鉗指加載力</b></p><p>　　分別對(duì)鉗指末端施加00.5N、0.10N、0.15N、0.20N、0.25N、0.278N力，使壓電陶瓷片與鉗指向內(nèi)彎曲。如圖9為加載載荷0.278

63、N時(shí)鉗指指端的張合量為101um，整個(gè)鉗指張合量202um達(dá)到要求。</p><p>　　圖9 加載0.278N時(shí)鉗指Z軸張合量為101um</p><p>　　由ANSYS模擬實(shí)驗(yàn)得，鉗指在0~0.278N載荷下鉗指末端偏置量S與電壓U的關(guān)系為圖表2：</p><p>　　圖表2 鉗指在加載力0~0.278N時(shí)的指端Z軸位移量</p><p&g

64、t;　　由實(shí)驗(yàn)得，鉗指指端在0~0.278N力時(shí)鉗指末端偏執(zhí)量與力的關(guān)系見(jiàn)圖10：</p><p>　　圖10 鉗指指端在受力0~0.278N時(shí)的指端Z軸位移量</p><p>　　由實(shí)驗(yàn)所得，通過(guò)相等偏置量可得，在未夾持零件時(shí)，電壓、力與鉗指Z軸位移的關(guān)系為：</p><p>　　S=4.489U (1)</p>&

65、lt;p>　　S=363.3F (2)</p><p>　　由關(guān)系式（1）、（2）可得，在未夾持零部件時(shí)力與電壓的同等效果關(guān)系式關(guān)系為：</p><p>　　U=80.9F (3)</p><p>　　因此，當(dāng)微夾鉗夾持直徑為d/um的零件時(shí)，電壓于夾持力F0的關(guān)系為：</p>

66、<p>　　d=363.3F1 …………… F1為鉗指自身內(nèi)應(yīng)力</p><p><b>　　F=F0+F1</b></p><p><b>　　U=80.9F</b></p><p>　　F0=U/80.9-d/363.3</p><p>　　其中，d單位：um；F單位：N；U

67、單位V。</p><p><b>　　模態(tài)分析</b></p><p>　　模態(tài)分析可以看物體的固有頻率，當(dāng)外界激勵(lì)達(dá)到物體固有頻率就會(huì)共振。在本實(shí)驗(yàn)中，我們將對(duì)微夾鉗進(jìn)行6階模態(tài)分析，以研究微夾鉗的固有頻率特性。其中我們采用的壓電陶瓷晶片密度為7.5g/cm3,銅片密度為8.96 g/cm3。圖11為實(shí)驗(yàn)所得微夾鉗的6階模態(tài)分析情況：</p><

68、p>　　圖11 單晶片微夾鉗的6階模態(tài)分析</p><p>　　圖9顯示為ANSYS對(duì)該微夾鉗的6階實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，模擬了該單晶片式微夾鉗的固有振動(dòng)特性。</p><p><b>　　諧響分析</b></p><p>　　下面是對(duì)微夾鉗的諧響分析，響應(yīng)區(qū)間為0~400HZ。當(dāng)頻率達(dá)到31.2時(shí)響應(yīng)達(dá)到峰值，如圖12所示：</p>

69、<p>　　圖12 微夾鉗的諧響分析</p><p><b>　　瞬態(tài)響應(yīng)</b></p><p>　　下面是對(duì)微夾鉗的瞬態(tài)響應(yīng)分析，當(dāng)時(shí)間達(dá)到0.4*10-2s時(shí)響應(yīng)達(dá)到95%，在0.44時(shí)趨于平穩(wěn)，如圖13所示：</p><p>　　圖13 微夾鉗的瞬態(tài)分析</p><p><b>　　詳細(xì)結(jié)

70、構(gòu)</b></p><p>　　微夾鉗鉗指的主要零件有9個(gè)，由5部分組成，由外向內(nèi)分別為：壓板（1）；電極片（2）；壓電陶瓷晶片（3）；鉗指（4）；夾板（5）。夾板主要用于整個(gè)鉗指的固定，并且采用這種形式固定方便拆裝，當(dāng)某個(gè)零件損壞（如電極片）時(shí)，可直接將夾板和整個(gè)鉗指拆卸對(duì)損壞的零件進(jìn)行更換。具體鉗指裝配圖見(jiàn)圖13，其爆炸圖見(jiàn)圖14：</p><p><b>　　圖

71、14 微夾鉗外形</b></p><p>　　圖15 微夾鉗各結(jié)構(gòu)</p><p>　　各零件材料見(jiàn)圖表3：</p><p>　　表3 微夾鉗各零件材料</p><p>　　圖15所示為微夾鉗的裝配方式，其中電極片2接電源正極，夾板接電源負(fù)極，當(dāng)加電壓時(shí)壓電陶瓷晶片由于壓電效應(yīng)伸長(zhǎng)，帶動(dòng)鉗指外表面伸長(zhǎng)，鉗指向內(nèi)彎曲達(dá)到夾持效果。同

72、理，當(dāng)電極片2接電源負(fù)極，夾板接電源正極時(shí)，鉗指將反方向向外彎曲。具體引線在裝配中見(jiàn)圖16：</p><p>　　圖16 鉗指固定在平臺(tái)上</p><p>　　圖16為微夾鉗在平臺(tái)上的固定情況。鉗指通過(guò)螺釘M1將夾板（5）連帶整個(gè)鉗指固定在支持架上，支持架通過(guò)M6螺釘固定在平臺(tái)上。其中鉗指各零件具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)附錄。</p><p><b>　　結(jié)論與展望&

73、lt;/b></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文中，我們對(duì)單晶片式壓電微夾鉗進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效的懸臂梁式單晶片微夾鉗，通過(guò)有限元分析方法，采用ANSYS軟件對(duì)微夾鉗進(jìn)行靜力分析，研究電壓于鉗指張合量，力與鉗指張合量的關(guān)系，由此得出相應(yīng)加載電壓與鉗指夾持力的關(guān)系。另一方面，采用有限元分析法對(duì)鉗指進(jìn)行模態(tài)分析、諧響分析、

74、瞬態(tài)相應(yīng)分析，得到相應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，完成各動(dòng)力性能的模擬測(cè)試，最終確定了鉗指的結(jié)構(gòu)尺寸并使用三維軟件做出相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)圖。本文中所采用的微夾鉗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，這種鉗指可作為微操作機(jī)器人最重要的操作手，可廣泛應(yīng)用于納米科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、生物工程與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、微納米科研教學(xué)等領(lǐng)域?？傮w取得了理想的結(jié)果。</p><p><b>　　展望</b></p><p>　　我們所研究

75、的懸臂梁式單晶片式壓電陶瓷微夾鉗作為典型結(jié)構(gòu)形式，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工較其他微夾鉗容易，其可操作性高，應(yīng)用領(lǐng)域必將十分廣泛。將來(lái)進(jìn)一步的工作必將為鉗指的進(jìn)一步精細(xì)化，使得這種鉗指可作為微操作機(jī)器人最重要的操作手，可廣泛應(yīng)用于納米科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、生物工程與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、微納米科研教學(xué)等領(lǐng)域。此外這種鉗指可作為機(jī)器人在IC工業(yè)中納米器件的裝配與加工方面也有良好的應(yīng)用前景，如可以利用它操作納米微粒，裝配微納米電子器件，甚至復(fù)雜的納米電路。這意味著

76、，未來(lái)利用納米電路制成的電腦和家用電器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞進(jìn)牙縫”；而未來(lái)利用納米操作技術(shù)制作的微型機(jī)器人，也可以鉆入人體替病人疏通血管，或在肉眼看不見(jiàn)的微觀世界里，完成人們自己不可能完成的任務(wù)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　尹燕麗, 朱邦太, 陳海龔, 曹長(zhǎng)江. 毫米級(jí)微型機(jī)器人操作手的研制和操作特性

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85、>　　H.T. Miyazaki, Y. Tomizawa, K. Koyano, T. Sato, N. Shinya, Adhesion force measurement system for micro-objects in a scanning electron microscope, Rev. Sci. Instrum. 71 (2000) 3123–3131.</p><p>　　H.T. M

86、iyazaki, T. Sato, Mechanical assembly of three-dimensional microstructures from ?ne particles, Adv. Rob. 11 (1997) 169–185.</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄一</b></p&g