面向微操作的组合式微夹持器

    操作对象的微小化迫切要求开展微作业装备的研究.作业工具是制约微操作技术发展的关键问题之一.作业的对象不同,所使用的微操作工具也各不相同[1-3].微夹持器是一种重要的通用微操作工具,已成为微操作领域新的研究热点.各种动作原理、驱动方式的新型微夹持器不断出现.然而,现有的微夹持器夹持范围一般在几百微米以下,如果夹持范围扩大,其夹持精度和分辨率就会相应降低[4-5],影响了夹持器的通用性和灵活性.

    本文根据微细操作领域的需求,设计一种具有较强通用性和灵活性的微夹持器,以解决夹持范围与分辨率之间的矛盾.

    1　微夹持器的机构设计

    1·1　机构原理与组成

    采用宏微结合的设计思想,提出组合式微夹持器的方案.该微夹持器由直线电机宏动机构和压电悬梁微动结构组成:宏动机构实现几个毫米的宏动运动;微动结构实现几十到几百微米的微运动.整个机构通过宏动调整与微动夹持相结合的方式实现大行程和高分辨率.

    对于宏动部分,为了减小体积,尽量简化机构,减小传动环节,采用微直线电机实现大范围夹持调整运动,通过弹簧机构来消除间隙,提高定位精度.微直线电机安装在导槽上,伸出轴轴端安装滚动轴承,轴上加工出精密螺纹,电机运动后通过螺纹带动精密螺母沿直线运动,从而带动与螺母连接的前支撑梁的运动.后支撑梁由螺钉固定在导槽上,前支撑梁的运动与后支撑梁形成宏动夹持运动,弹簧机构作用于前后支撑梁之间,消除机构间隙.

    在微动上,由于压电陶瓷器件具有高分辨率、高频响、不发热、体积小等优点,选用双晶片压电悬梁为驱动元件,同时作为机构骨架,表面集成应变传感器进行微位移检测,实现了机构、驱动、检测的集成化.通过两个压电悬梁在电场下的弯曲变形产生夹持动作.最后,将压电悬梁末端与前支撑梁和后支撑梁粘接实现宏微结合的结构.

    1·2　压电悬梁的建模与有限元分析

    压电悬梁是组合式微夹持器的关键部件,为了得到压电悬梁的变形与所施加电场之间的对应关系,建立了图1所示的简化模型.将两片极性相同的压电陶瓷薄片胶合在一起,机械安装上采用一端固定,一端自由的悬臂梁方式,电路上采取并联施加双极性电场.这样,给定一个电压后,一片伸长,另一片则缩短,从而产生压电陶瓷片的弯曲变形.为了改善其机械性能,通常在两压电陶瓷片之间胶合一层铜片,以便于支撑和电路连接.

    根据材料力学理论,得到压电悬梁的弯曲曲率为k =式中: Ep,Em分别为金属层和压电层的杨氏模量;d31为压电系数; tp、tm分别为金属层和压电层的厚度;E3为外电场强度.