两级位移放大微夹持器的研究

    MEMS技术、精密工程的不断成熟化、市场化,极大地促进了微加工技术及微操作技术的进一步发展。在微操作过程中,需完成对微小元器件的夹持、搬运、装配等动作,这对微夹持器的微张合量、微夹持力、负载能力,特别是对具有多级位移放大能力的微夹持器提出了多方面的设计要求。本文采用压电陶瓷(PZT)作为微驱动元件设计了一个具有两级放大的通电完成夹持动作的微夹持器,并采用有限元法对该微夹持器进行了微张合量、微夹持力、负载能力的分析。最后对该微夹持器进行了实验研究。

    1　微夹持器建模

    图1为具有两级位移放大的微夹持器模型。该微夹持器采用PZT作为微驱动元件。第一级为椭圆结构的放大机构,PZT安装在椭圆机构内并采用预紧装置对PZT进行预紧。当PZT通电伸长,输出微位移和驱动力,椭圆机构向内收缩^[1],由于椭圆机构左侧与微夹持器基体相连,刚度很大,导致PZT及椭圆机构随着椭圆机构的收缩整体左移,同时,与椭圆机构右侧相连的刚性连接梁也随着向左移动。刚性连接梁与二级放大机构相连,并将PZT输出的驱动力传递到二级放大机构上,驱动二级放大机构实现第二级放大[2,3]。第一级放大比为:

式中　dx为椭圆铰链收缩所引起的刚性连接梁的微位移;dy为PZT实际输出微位移;φ为压电系数,与PZT材料有关;kT为PZT刚度;k_s为椭圆铰链及二级连接刚度;U为PZT的实际工作电压;U_max为PZT最大额定工作电压;ΔL_max为PZT在最大额定工作电压时的输出位移。图2为二级杠杆放大机构原理图。

    PZT输出的微位移与驱动力,经第一级放大后,由刚性连接梁传递给第二级放大机构,在PZT输出的驱动力的作用下,第二级放大机构绕转动支点旋转一个微角度Δθ,并将PZT输出的微位移进行第二次放大。在微夹持器末端,单臂产生的张合微位移为

　　ΔL=Δθ·L                    (2)

式中L为二级放大杠杆臂长,L=54 mm。

    微夹持器的理论位移放大比为

    2　微夹持器的有限元分析

    采用solidworks软件对微夹持器进行三维实体建模,并采用cosmosworks有限元分析插件对所建模型进行静力学分析(见图3)。其中图3(a)为微夹持器的16点雅各宾式有限元网格模型,图3(b)

为采用FFE求解的微夹持器张合量分析结果,图3(c)为微夹持器应力分析结果。

    从有限元分析结果来看,在PZT输出微位移为8μm时,微夹持器夹持端单侧输出的最大位移为145.4μm。根据放大比的定义,微夹持器的理论微位移放大比为