基于SMA的微夹持系统实验研究

　　微操作手是微装配系统的重要组成部分,以较高精度(微米级)改变微小物体的位姿,位移分辨率可达亚微米或纳米级。本文设计了压电陶瓷驱动的三自由度微操作手,具有体积小,质量轻,结构紧凑等特点[1]。微夹钳作为一种典型的微执行机构,在微机械零件加工、装配、生物工程和光学等领域均有很好的应用前景。

　　1　系统原理及组成

　　三自由度微操作系统主要由SMA微夹钳、柔性铰链微动台、微机、D/A卡、功率放大器、直流稳压电源等组成,其原理框图如图1所示。微动台由压电陶瓷驱动,提供微夹持器手臂x,y,z3个运动自由度。整个微夹持系统的外观如图2所示

　　2　微动台设计

　　2.1　力学模型

　　柔性铰链属可逆弹性支撑机构,是柔性机构的基本单元。从微位移机构的实际情况出发,对力学模型、设计计算进行了简化,如图3所示[3],简化设计后柔性铰链的转角及转角刚度公式如下:

2.2　结构设计

　　图4为X2Y2Z微动台三维立体图。X2Y微动台机构在一块整体金属上通过电火花切割形成各柔性铰链,由压电陶瓷微位移器驱动,实现X2Y2个方向移动。Z向微动台机构的各柔性铰链组成一六连杆杠杆系统。Z向微动台正中间加装压电块,通过控制电压来控制Z向位移

　　2.3　有限元分析

　　利用ANSYS软件的仿真功能(Simulation　function)对微动台进行仿真,经过有限元网络划分处理后的X2Y微动台和Z向微动台如图5所示

　　3　微夹钳设计

　　SMA作为微型夹持器的驱动单元,具有结构简单,功率/重量比值高,驱动安静和无污染等优点。

　　3.1　工作原理

　　为了使结构简单,实现微小化,利用形状记忆合金(SMA)采用变径圆理论来制造微夹钳。变径圆理论如图6所示。

　　利用这种变径圆理论,可根据要夹持小物体的大小,设计夹钳的最大开口量、形状记忆的位置和记忆训练的变形量。形状记忆合金相变时的相变驱动力, 其能量来源是驱使相变进行的相变前后系统总的自由能差。设A,B点的夹持力为FX,FX′,且FX=FX′,如图6所示。该系统的2个质点A和B的坐标分别为XA,YA和XB,YB。按变径圆理论建立的环形结构曲率半径为r[5],可得到广义力

　　环形结构的微夹钳结构如图7所示,能在高温下(Af以上)闭合和在低温下(Mf以下)张开。采用环形结构,便于利用现有的形状记忆合金丝状材料。　将Φ3 mm以下的细丝经端面加工,按变径圆理论进行设计

　　3.2　形状记忆训练

　　Ni2Ti形状记忆合金[425]记忆功能的实现通常必须通过形状记忆处理。形状记忆处理过程首先在一定条件下热成形,随后进行热处理或者形状记忆训练以达到所需温度条件下的形状记忆功能。采用训练方法可实现双程记忆功能。首先在加热条件下把Ni2Ti合金(相变温度50℃左右)加工成微夹钳初始形状(如图8所示)然后冷却到室温,使其变形　为微夹钳的张开形状(如图9所示)。此时卸除外力,形变将保持不变。把变形后微夹钳放入热水(60℃以上)中,或者通电流使其内部发热,则微夹钳将回复部分初始形状。如此循环20次左右,即可　　获得理想的双程记忆效果。