基于有限元的单晶片式微夹钳的设计【文献综述】

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1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化基于有限元的单晶片式微夹钳的设计1序论20世纪60年代发展起来的微电子技术和集成电路，已构成人类文明的重要基础。大规模集成电路的出现在许多领域引发了一场微小型化革命。微电子技术的巨大成功使微米/纳米技术应运而生，而加工出的微米、纳米级别的机械零件需要一种操作尺寸十分细微的微动系统装配微机械。由此可见微夹持或微操作系统的重要性，而微夹钳技术是此微系统的关键。微夹钳作为一种典型的微执行机构，不仅可称为微机器人的抓手，而且在微机零件的加工、装配、生物工程和光学领域均有很好的应用前景。

2、因此，微夹钳及与其相关的研究已成为国民、内外微机械研究领域的一个前沿课题。其中又以压电陶瓷晶片作为驱动力最为众所周知。1.1研究现状真空吸附是最早使用的微操作方式之一，它采用直径很细的玻璃管来吸附微小物体,达到摄取微小物体的目的,该方式简单易行，但是还不能实现对微小物体的自如操作.继而，NikolasChronis等研制了单细胞操作SU-8微夹钳[9]；RicardoPerez等人研究设计了硅技术的压电微机器人力传感器[10]；PeterC.Y.等人设计了力传感和显微操作控制电机[11]；Kim等设计了静电型微镊子

3、，采用半导体加工工艺制作而成，最大张开距离为10um，驱动电压50V；Suzuki设计了热伸缩型悬臂梁结构的微型镊子；Haddab等设计制作了压电悬臂梁式的微型镊子。国内对微小夹钳的研究起步较晚，主要是研究了形状记忆合金和压电型微夹钳。综观各国在微操作器方面的报道可以看出，国际上研制成功的微操作手主要还是以两爪的微夹钳为主，外形尺寸从几毫米到几厘米不等，所用的加工工艺主要有3种：精密机械加工技术、半导体加工工艺和最近几年兴起的LIGA加工工艺。近几年国内对压电陶瓷微夹钳研究日益成熟，其中单晶片形式被广泛应用。上海交

4、通大学建立了一个50mm×50mm的微装配实验平台，利用2mm的电磁型微型电动机，制作了8mm×6mm×5mm的微型机器人小车，为了完成微型机器人对微型零件的操作，需要为微型机器人小车装置一个可以对徽器件进行操作的微机械手。分析了现有的微型操作器的设计方法，结合他们的微型机器人操作系统，研制了一个双悬臂梁式压电微夹持器[1]。华中科技大学甫志刚、黄心汉的机器人压电陶瓷微操作手的设计中同样也提到了使用单晶片压电陶瓷悬臂梁为基本结构的微夹钳，其夹持距离在20-150um之间。对锥心物块进行了实际操作实验，取得良好的效果

5、[2]。武汉理工大学陈国良、黄心汉、王敏的面向微装配的压电陶瓷微夹钳建模与控制[3]。上海交通大学陈海、孟中岩、曹长江、张琛的梯度功能压电陶瓷微夹钳的设计和操作原理[4]，胡斌梁、陈国良的压电陶瓷微夹钳迟滞环自适应逆控制研究[6]都对单晶片式的悬臂梁微夹钳进行过深入的研究并且取得了实际有效的效果。哈尔滨工业大学陈立国、荣伟彬、孙立宁的面向微操作的组合式微夹持器[5]，华中科技大学蔡建华黄心汉、吕遐东、王敏的一种集成微力检测的压电式微夹钳[7]，华中科技大学曾祥进、黄心汉、王敏的基于Dahl模型的压电陶瓷微夹钳控制研

6、究[8]同样对双晶片式微夹钳有深入研究。2正文微夹钳主按能量供给和驱动方式现如今有基本可分为以下几种：静电式微夹钳、电磁式微夹钳、形状记忆合金微夹钳、液体吸附式微夹钳、光捕获微夹钳和压电式微夹钳。其中压电式微夹钳由于压电陶瓷执行器具有体积小、刚度大、不发热、无噪声等优点，可应用于微操作、微装配领域，其可以作为微操作机器人的手臂，具有高精确度的特征，因此，电式微夹钳现已成为最常用和众所周知的一种形式，压电陶瓷微位移器是开发MEMS（微机电子机械系统)的关键元件之一。以往的研究中，其结构都相对比较复杂，因此我们希望设计

7、一种结构简单，功能稳定且易于加工的结构且电极引出线方便，有利于推进单晶片微夹钳的进步。我们采用单晶片型压电悬臂梁(Unimorph)作为夹持器的驱动器，单晶片型压电悬臂梁位移太，备工艺简单。悬臂粱结构如图l所示。图1悬臂梁结构通过研究压电悬臂梁的操作特性，从微夹持器的二悬臂梁结构出发，即可推知微夹钳的操作特性。定义3一或z一方向为极化方向。l一和2一方向(x一和y一方向)与3一方向相互垂直。图中P和分别代表压电(piezoelectric)层和金属(meta1)基板层。当给悬臂梁施加一与压电层极化方向相反的电场时，

8、压电层由于逆压电效应而产生应变，压电层沿长度方向伸长，由于基板层没有产生伸长应变而限制压电层的伸长变形，从而压电层伸长变形带动双层悬臂梁产生伸长和弯曲两种变形。在日益进步的工业发展情况下，对加工精度的要求越来越高，必然要求对加工要求精细化，微小化。单晶片式压电陶瓷微夹钳作为典型结构形式，不仅结构简单，加工较其他微夹钳容易，其可操作性高，应用领域必将十分广泛。