微夹钳传动分析

　　0　引　言

　　微夹钳(microgripper)是微机械技术的重要研究内容之一,是一种典型的微执行机构,它在微机械零件的加工、装配、生物工程和光学等领域均有广泛的应用前景,近年来发展迅速.日本和德国在这方面的研究起步较早.早在1989年,日本富士通公司就开始了微夹钳的研制,最初是用于电子元件的装配^[1] .目前,欧美和日本等科技发达国家已经成功研制出多种形式的微夹钳. 1998年Salim等设计了一种采用柔性铰链连接的压电式微夹钳,通过特殊的结构设计,实现了夹持机构的非线性传动^[2] . 1999年Menciassi与Hannaford等合作研制开发出一种四轴的电磁式微夹钳系统^[3] . 2000年Haddab等设计了压电式微夹钳,并对其结构和压电驱动器工作性能进行了分析,研究了夹持动作的精确定位问题^[4] .文献^[5]综述了国内长春光机所及上海大学等单位对静电力、电磁力驱动及各种功能材料驱动的微夹钳的研究概况,但关于其设计方法研究尚不多. 1999年张艺等对采用形状记忆合金(SMA)驱动的微夹钳结构进行了传动分析^[6] ,在静力平衡、几何运动关系和柔性铰链等假设条件下,针对该夹钳结构推导出其传动分析简化计算公式,但其计算结果与实测值相差较大.

　　夹钳传动分析是夹钳结构分析和优化设计的基础,目前有关的研究尚不多.本文以柔性铰链连接压电驱动式微夹钳的设计为例,对微夹钳的传动分析及简化计算公式推导进行探讨.首先进行微夹钳的传动分析,推导出简化的速比和转角计算公式;进而以有限元分析方法和实物测量方法的结果与其计算结果进行比较,据此对该简化计算公式应用曲线拟合的方法进行修正.

　　1　压电式微夹钳结构

　　微夹钳所实现的通常是微米甚至纳米级的位移,本文压电式微夹钳可应用于微机械零件的装配及生物工程领域的细胞操作.因此,它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.

　　微夹钳的工作原理是基于压电体的逆压电效应.考虑到压电效应所产生的变形量很小,因此,要实现大速比的运动还需要采用杠杆机构作为机械增幅机构,构成如图1所示的夹钳结构,它既是传动系,又是夹持机构.

　　采用柔性铰链作为连接机构,可以实现绕轴作复杂运动的有限角位移,特点是无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高(见图2) ^[7] .在转角不大的情况下,采用柔性铰链做支撑,可以取代传统的铰链机构.

　　2　微夹钳传动分析及其简化计算公式

　　该微夹钳结构和传动示意图分别如图1和图3所示,以下对其进行传动分析.