压电精密驱动柔性微夹钳设计

为了实现对微纳尺度下物件的精密夹持,建立了柔性微夹钳系统。并对该系统柔性夹钳设计、运动学、动力学和控制方法等进行研究。首先,利用柔性铰链设计方法设计了柔性微夹钳,利用伪刚体法建立了机械的伪刚体模型。接着,以伪刚体模型法建立了系统的运动学模型,即机械放大比和输入刚度等数学模型。然后,利用拉格朗日方法建立了系统的动力学方程,得出系统的自然振动频率。最后,通过ANSYS有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析和验证,此外,利用PID控制算法对微夹钳系统进行实验控制。实验结果表明:跟踪控制结果误差为2.4%;放大比为9.12倍。基本满足微纳尺度下的微夹持工作,其工作精度可达微米级别甚至纳米级别,符合设计要求。     

基于铰链刚度柔性微夹钳设计及分析

柔性微夹钳是一种用于将微驱动输出位移放大处理的柔性机构。该结构是利用机构中柔性构件的自身变形来实现运动、力和能量的传递和转换的一种新型机构。本文基于铰链刚度设计并分析了具有放大功能的全柔性微夹钳。基于伪刚体模型建立运动平衡方程,依据虚功原理得出微夹钳输入力、输入位移与输出位移之间的关系,并对以此计算过程所得模型进行有限元模拟分析,分析结果说明与理论计算一致。当该柔性微夹钳在材料强度极限允许范围内,微夹钳单侧输出位移可达0.989 mm。而且瞬态变化均是连续平稳的,且没有突变,表明该柔性钳在运动过程中,具有良好的平滑性。最后,进行柔性微夹钳的样机制作和试验测量,验证了设计的可行性。     

采用伪刚体法的柔性微夹钳设计

随着MEMS的发展,对于能够实现微夹持、装配的微夹持器的各种研究也逐渐成为被关注对象,但是对于微夹钳的设计方面还缺少系统化的方法.根据电热微夹钳的特性,给出了可转化为微夹钳的刚性机构拓扑条件.借助机构的类型综合方法和伪刚体的概念提出了一种设计柔性微夹钳的新方法.最后通过设计一种放大倍数为20的柔性微夹钳,具体阐述了设计过程,同时也验证了本方法的有效性.     

基于SMA的微夹持系统实验研究

微夹持技术是微器件装配的关键技术之一。采用柔性铰链机构设计了三自由度微夹持操作平台，并进行了有限元仿真模拟分析；利用形状记忆合金原理进行设计并研制了环状微夹钳，通过形状训练达到了双程形状记忆效应，并建立了微夹持力计算模型；对微夹持系统的运动精度进行了试验分析，结果表明：该系统沿X，Y，Z方向的位移分辨率达0．01μm，微夹持钳最大张开量达0．2mm，基本满足了系统性能要求。     

电热驱动镍微夹钳的设计及制作

为实现微系统产业化开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳,采用电热驱动方式、V形梁阵列式电热驱动器为钳体部分提供输入位移,钳体部分应用拓扑优化方法进行设计以实现输入位移放大.金属镍作为制作微夹钳的材料,用紫外光刻微电铸脱模技术工艺制作了电热镍微夹钳.通过正交试验,得到加工SU-8铸模的最优工艺参数,对影响工艺质量的各个因素进行详细讨论并给出解决方法,并加工出了钳体尺寸在毫米量级,最小特征尺寸为10 μm,厚度为30 μm的电热微夹钳.对制作的微夹钳在0～2.5 V直流电压下进行动态测试,夹持端位移最大可达67μm,最大夹持力可达0.8 N,可以满足微机电系统微操作的夹持要求.     

新型空间大行程微夹持器的设计与分析

针对传统微夹持器夹持范围小、易对物体造成损伤等不足,基于桥式放大机构和杠杆原理设计了一种新型微夹持器.该微夹持器不仅能完成对不同尺寸大小微物体的微夹持操作,还能避免在微夹持操作过程中对微小物体造成损伤或脱落,以及适应不规则微小物体的夹持操作.阐明了夹持器的结构设计原理,根据微夹持臂的工作原理建立了数学模型,计算了微夹持臂的位移放大率.此外,使用有限元分析软件ANSYS Workbench进行了静力学和动力学仿真,并验证其夹持的有效范围.结果 表明微夹持臂有较大的位移输出,且其放大率的理论计算值与仿真分析值吻合良好.     

热致动硅微夹钳实验研究

利用集成的多晶硅电热微致动器,在可控电压下实现了对薄膜型硅微夹钳夹持动作的在线操作.电热微致动器所需要的工作电压低、输出力大、响应时间长,适用于硅微夹钳夹持动作的缓冲及精确控制.根据所建电热微致动器理论模型,通过分别测试微致动器在空载和驱动工况下的输出位移大小,提出了一种通过公式换算间接确定硅微夹钳驱动力的方法.实验结果表明,电热致动器驱动的硅微夹钳具有很好的电压可控性,最高工作电压可达25V.硅微夹钳的开合位移依热致动器的规格不同在0.7～4μm之间.     

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明：当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7 μm、26.1 μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5 μm、32.8 μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 kHz、0.62 kHz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。     

以刚度为目标的微位移放大模块闭环设计方法

目前全柔性机构的设计一般需要根据经验先估算机构的结构尺寸,再对机构的刚度进行研究。如果刚度不能满足要求,需要再次根据经验调整机构的结构参数。这种设计方法缺乏系统的理论依据,因此以刚度为目标的机构设计存在很大的盲目性且难以实际应用。以一种微位移放大模块为研究对象,提出一种基于刚度目标的闭环设计方法。通过伪刚体模型法建立微位移放大模块的简化刚度模型,根据柔性机构中各个柔性单元之间的几何关系和应变能分布关系确定各柔性单元的刚度性能,并进一步确定微位移放大模块的各结构尺寸。同时开发微位移放大模块刚度的参数化有限元分析程序,基于软件分析结果和机构参数与刚度的关系模型,可以根据精度要求对机构参数进行修正,实现了以刚度为目标的机构参数的闭环设计。     

基于三杆滑块变胞机构柔性机械手设计及分析

柔性机构通过自身弹性变形存储、释放能量。变胞机构在运动过程中,具有改变构件数目,使原机构发生奇异变形的特性。设计一种运用柔性机构与变胞机构相结合的针管夹持注射装置,通过调整机械手开口大小抓取不同尺寸针管,适用范围广。针管夹持机械手由三杆滑块机构组成,在机械手指指尖夹持部分安装力传感器。通过推动气缸使机构发生变胞运动,完成机械手对针管的抓取。启动另一个气缸,推动活塞完成针管的注射。通过ANSYS仿真分析,证实了设备的可行性与安全性。运用MATLAB软件对气缸的运动位移与杆件的旋转角度进行运动学分析。设计的机构在医疗机械领域有着较好的应用前景。     

微位移放大模块的刚度分析

刚度的优劣很大程度上影响着全柔性微动机构末端执行器的定位精度及动态特性,因而建立全柔性微动机构较为简便的、精确的刚度模型变得尤为重要。以全柔性微位移放大模块为例,采用伪刚体法并依据构件之间的弹性变形关系得到模块机构的运动方程,利用全柔性微位移放大模块在运动过程中能量的转化关系,结合功能原理建立机构的刚度模型,并通过算例对其进行ANSYS有限元仿真分析。结果表明理论计算值与仿真结果误差在5%之内,具有较高精度。     

柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化

提出了一种柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化方法:首先基于机构的类型综合方法和伪刚体概念选择微夹钳的柔性机构,然后对柔性机构进行单元划分以建立其刚度模型,进而对其几何尺寸进行优化设计。对一种由V形电热驱动器驱动的柔性电热微夹钳进行了设计与尺寸优化。为了验证方法的合理性,利用ANSYS软件对优化结果进行仿真分析并对仿真结果进行了对比。分析表明,优化结果能够满足设计要求,从而证明了设计方法的高效率和可靠性。     

矿用机械手的设计

根据煤矿对枕木或支柱的放置工艺和性能要求,设计了一种工作机构——矿用机械手,实现抓取并夹持工件-旋转-松开放置工件一系列动作;设计了机械手各关节,利用SolidWorks三维软件建立实体模型;通过详细计算和分析,最终确定机械手的抓取机构、扭转机构和摆动机构。     

柔顺正交二级杠杆位移放大机构的设计与分析

设计位移放大机构是扩大压电叠堆驱动器输出位移，进而提升精密定位平台和微纳操作末端执行器工作空间的常见策略之一。对于柔顺位移放大机构，如何提高位移增益并使输出位移达到预期方向是其研究热点之一。鉴于此，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行了系统性设计与分析。首先，分析机构与压电叠堆驱动器的运动学特性要求，结合机构自由度分析与刚体替代法，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行系统性结构设计；然后，考虑柔顺铰链中点漂移与杆件变形，运用矢量多边形、卡氏第二定理与静力平衡方程，对机构位移增益进行静力学建模；进而，基于蒙特卡洛方法，对机构尺寸参数进行全局敏感性分析；最终，利用有限元仿真，对机构运动学综合、位移增益建模以及敏感性分析结果的有效性进行验证，并基于敏感性分析和有限元仿真结果，进一步设计了机构尺寸参数的制造公差等级。所提出的机构位移增益建模与敏感性分析方法无需使用输入输出位移正交的条件，可以推广应用于一般的柔顺多级杠杆位移放大机构。     

基于柔性铰链的二级放大微夹持器的研究

微夹持器是微装配系统的关键部件,设计了一种以柔性铰链为基础的二级位移放大机构的夹持器,该夹持器由压电陶瓷驱动。计算了夹持器的放大倍数和柔性铰链的节点应力,并对夹持器的最大张合量、放大倍数、夹持力和刚度进行有限元仿真分析。分析结果表明:夹持器的结构设计满足实际应用要求,对实现微小零件的自动装配有实际意义。     

基于附加弹簧双滑块四杆机构的柔顺恒力机构设计

给出一种基于伪刚体模型的柔顺夹持器设计方法。基于附加弹簧双滑块四杆机构构造了一种具有恒力特性的柔顺夹持机构。建立了机构位置分析模型,利用虚功原理构建运动静力学方程,分析弹簧刚度对机构输出特性的影响,获得了具有一种恒力特性的柔顺夹持机构设计方法。基于伪刚体模型,将附加弹簧以柔性模块替代,得到一种新型柔顺恒力机构。利用有限元分析软件验证该机构理论模型建立柔顺恒力机构的可行性;构造了一种具有对称结构形式的新型柔顺恒力夹持器。该柔顺恒力夹持器的设计方法也可应用于其他类型附加弹簧机构的非线性刚度特性柔顺机构设计。     

大行程5-DOF微纳传动平台的设计及特性分析

对大行程、多自由度及高刚性微纳传动平台的设计要求和特性进行了研究,开发了由压电陶瓷驱动的大行程5-DOF微纳传动平台,设计了位移量大、可导向的微位移放大机构,实现了微纳传动平台的高精度、大移动及大摆动等功能。分析了微纳传动平台的基本原理和自由度,建立了微纳传动平台的运动学模型,得到了其输入/输出特性。基于伪刚体的基本理论及虚功原理,推导了微纳传动平台沿X、Y、Z向的移动刚度及绕X、Y轴的摆动刚度,并对影响微纳传动平台静态刚度的特征参数进行了分析,获得了其移动刚度及摆动刚度的特性。创建了微纳传动平台的几何模型,应用有限元方法对该平台进行了分析及仿真,验证了微纳传动平台的运动学模型、伪刚体模型的正确性。     

基于交叉簧片柔性铰链的空间微位移机构

基于交叉簧片柔性铰链(简称‘交叉铰链’)设计了一种用于光束跟踪、精密指向和瞄准的同轴八铰微位移放大机构。该机构使用菱形构型,用交叉铰链作集中柔性元件,节点处交叉铰链两两同轴配合使用,以便保证运动的平稳输出。研究了机构的运动学以及力学性能,计算了微位移机构的行程放大比和灵敏度;根据交叉铰链的刚度模型,推导出微位移机构的理论刚度;最后,应用有限元软件对机构进行建模并对运动学、静力学以及动力学性能进行仿真。完成了样机的加工和测试,测试结果显示,机构放大比为1.905,理论与测试误差低于2.2%,结构刚度为18.21N/mm,误差低于0.32%,一阶频率为8.8Hz,误差低于5%。分析结果验证了本设计的可行性和有效性。该机构适用于空间高精度微位移领域。     

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示：基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明：基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。     

电热微夹钳的热效应分析和数值模拟

介绍了一种新型多晶硅电热微夹钳,该夹钳在V形电热微驱动器的作用下,能够产生近似线性的位移和产生较大的夹持力。在全面考虑了空气对流、辐射、热传导及材料特性等各种因素的情况下,建立了该电热微夹钳的有限元模型,利用该模型分别进行了稳态和瞬态的仿真分析,模拟出输出位移和温度场随电压的变化情况,以及电热微夹钳的热响应时间。对仿真的结果进行了讨论。