超磁致伸缩驱动微夹钳研究

　　微夹钳是微操作系统中的关键执行器,能够将其他的能量转换成机械能,并产生需要的夹持动作和夹持力[1],在微细零件的加工装配、生物医学和光学等领域均有广阔的应用前景.

　　微夹钳的能量供给和驱动方式决定了器件的结构和性能,因此按驱动方式进行分类,现有微夹钳包括静电驱动微夹钳[2]、热驱动微夹钳[3]、压电驱动微夹钳[4]、形状记忆合金微动夹钳[5-6]、真空吸附微夹钳等类型.

　　压电驱动微夹钳变形分辨率高、响应快、对温度不敏感、工作频率宽,但其驱动电压高、位移量小、与半导体工艺难兼容;静电驱动微夹钳效率高、精度高、响应快、制作工艺与IC兼容,但其存在间隙尺寸及精度要求高、位移量小、夹持力小等不足;电热驱动微夹钳驱动电压低、结构简单、输出力和输出变形大并能与集成电路制造工艺相兼容,但其响应时间长、驱动精度低;形状记忆合金驱动微夹钳的夹持力大、夹持范围大,但其响应速度慢,形成阶跃性变化;电磁驱动微夹钳可靠性高、夹持范围大,但其噪声大,并且体积大.

　　由以上分析可知,在当前各类微夹钳中,还没有一种能够同时满足大行程、高精度、响应快的要求.超磁致伸缩材料具有大位移、强力、大功率、控制精度高、响应速度快、可靠性高、能量转换效率高、频带宽、漂量小、驱动电压低等优点.本文基于超磁致伸缩材料提出了一种新型的超磁致伸缩材料驱动的微夹钳,探索了其设计方法,制作了样机,并进行了性能测试.

　　1　磁致伸缩式微动夹钳的结构设计及等效磁路

　　磁致伸缩式微动夹钳是利用超磁致伸缩材料(GMM)棒在磁场变化时发生伸缩形变并对外做功这一特性制作的新型微夹钳,结构如图1所示.

　　超磁致伸缩材料棒顶在下颚与下悬臂之间,下颚、上悬臂、连接臂、下悬臂、超磁致伸缩材料棒形成一个磁回路.给电磁线圈通入可控电流时,产生驱动磁场,使超磁致伸缩材料棒产生伸缩形变,即可推动下颚绕柔性铰链向上颚方向转动,钳口收拢,从而实现对微小物体的夹持.

　　微夹钳的设计应该满足结构紧凑、机构简单、传动准确、动作灵敏度高、控制方便等要求.为此,下颚与上悬臂之间采用了柔性铰链机构,柔性铰链包括两个切口和两个切口之间的柔性轴;其中一个切口为上颚和下颚之间的开口,另一个切口将下颚的下边缘和上悬臂的下边缘分开.柔性铰链的切口的末端为圆形通孔,以防止应力集中.下颚、上悬臂、下悬臂、连接臂由板体采用线切割加工而成,使上颚、下颚、上悬臂、下悬臂、连接臂为一整体.

　　微夹钳的下鄂与柔性铰链组成了杠杆放大机构,可以对超磁致伸缩材料棒产生的微小输出位移量进行放大,并且在钳口端得到适当的夹持力,充分发挥了超磁致伸缩材料的优势性能.另外,使超磁致伸缩材料棒的作用点远离钳口处,也为微动夹钳的工作端提供了简洁良好的工作环境.