單輸入多輸出式壓電微夾鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

王根華 朱心怡 潘鐘寧 溫瑞

摘要：文章對現(xiàn)有壓電微夾鉗結(jié)構(gòu)及位移輸出特性進行分析，設(shè)計了一種單輸入多輸出式壓電微夾鉗。該單輸入多輸出式壓電微夾鉗具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出位移可選、振蕩小、不易破壞操作對象等優(yōu)點。文章詳細介紹了該微夾鉗的結(jié)構(gòu)，并建立起了位移放大倍率模型；利用ANSYS仿真軟件對所設(shè)計的微夾鉗進行分析，仿真結(jié)果如下：z方向施加1×10-5mm位移后，鉗指指尖頂端可分別產(chǎn)生3.2×10-5 mm和5.1×10-5 mm位移量；施加間隔為10V的驅(qū)動電壓，得出其前6階固有頻率，仿真值與解析值具有較高的吻合度，驗證了該壓電微夾鉗結(jié)構(gòu)的可行性與所建數(shù)學(xué)模型的正確性。

關(guān)鍵詞：壓電微夾鉗；輸出位移；ANSYS仿真

中圖分類號：TH39? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）等高科技的快速發(fā)展，微操作的研究取得了巨大的進展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、精密加工、光纖校對、生物醫(yī)藥、通信工程等眾多領(lǐng)域［1］。微夾持器（微夾具）是一種與微物體直接接觸的終端操縱器，鑒于微物體輕、小、薄、軟的特點，微夾持器的結(jié)構(gòu)性能對微操作的實現(xiàn)有著重大影響［2］。

微夾持器研究核心問題是驅(qū)動模式的選擇，增加位移放大率。目前，微夾具的常見驅(qū)動模式包括壓電驅(qū)動［3］、靜電驅(qū)動［4］、熱驅(qū)動［5］、形狀記憶合金驅(qū)動［6］、電磁驅(qū)動和氣動驅(qū)動［7］。與其他驅(qū)動模式相比，壓電驅(qū)動具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、輸出力大等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用［8］。

位移放大率主要是通過位移放大器來實現(xiàn)的。常用的微位移放大器是基于杠桿式放大原理和橋式放大原理實現(xiàn)的?；诟軛U放大原理設(shè)計的單級放大器易于實現(xiàn)，但其結(jié)構(gòu)不夠緊湊，理論放大系數(shù)受空間大小的限制。多級放大器可以進一步擴大微夾持器的夾持行程，提高放大度，近年來對多級放大器的研究逐漸增多。如王代華等［9］基于杠桿放大的原理設(shè)計了一種單級微夾持器，以實現(xiàn)位移的放大，但不能實現(xiàn)平行夾持。崔玉國等［10］設(shè)計了一種基于杠桿放大原理的兩級微夾具，實現(xiàn)了下爪的平行夾持。然而，這個結(jié)構(gòu)還不夠緊湊。榮偉彬等［11］基于杠桿放大原理設(shè)計了一個微夾子，其結(jié)構(gòu)緊湊，但存在放大倍數(shù)有限的問題。

綜上所述，本文設(shè)計了一種微夾持器，夾持器左右側(cè)采用不同結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，單一位移輸入后，輸出位移模式和放大倍數(shù)可選、振蕩小、不易破壞操作對象等優(yōu)點，可在同一輸入下獲得不同位移，實現(xiàn)高精度平行加持和單級微加持，用來滿足不同工況下的使用要求。

1 壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的單輸入多輸出式壓電微夾鉗整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體尺寸148×100×10mm，包括3個鉗指、1個壓電執(zhí)行器。中間夾鉗為固定共享構(gòu)件，與左右側(cè)夾鉗配合，完成夾持動作。由于左右兩部分的位移放大機構(gòu)不同，其中左側(cè)夾鉗（夾鉗1）可實現(xiàn)高精度平行加持，右側(cè)夾鉗（夾鉗2）可實現(xiàn)與左側(cè)夾鉗輸出位移精度的平行夾持。為保證微夾鉗的加工精度，實際加工過程中采用單板一次性加工，減少定位誤差。材料選用鋁合金7075，該材料經(jīng)消除應(yīng)力的鋁鎂鋅銅合金制成，屬于超硬鋁合金，具有熱導(dǎo)性良好、抗腐蝕性能強、耐磨、加工后不會發(fā)生變形和翹曲等優(yōu)點。本結(jié)構(gòu)中，該材料選用的參數(shù)如表1所示。

微夾持器左側(cè)部分采用橋式放大機構(gòu)和杠桿放大機構(gòu)可實現(xiàn)輸入位移的二級放大，并配有四邊導(dǎo)向機構(gòu)保證左側(cè)夾鉗（夾鉗1）的平動，實現(xiàn)對物體的高精度平行加持。右側(cè)采用橋式位移放大機構(gòu)（與左側(cè)對稱布置）和雙杠桿位移放大機構(gòu)，可實現(xiàn)輸入位移的三級放大，如圖2所示。

四邊導(dǎo)向機構(gòu)由兩個長方形連桿串聯(lián)機構(gòu)組成，保證左側(cè)夾鉗工作時平動，其工作原理如圖3所示，在非工作狀態(tài)下可將其看作正向四連桿機構(gòu)和逆向四連桿機構(gòu)的疊加，當(dāng)導(dǎo)向機構(gòu)在x軸正方向受力時，正向四連桿機構(gòu)沿著y軸正方向所產(chǎn)生的位移δz與逆向四連桿機構(gòu)沿著y軸反方向所產(chǎn)生的位移δf在理論上數(shù)值相等，二者相互抵消后即可保證位移宏觀上只在x方向有位移量。

2 壓電執(zhí)行器位移放大倍率模型

2.1 橋式放大機構(gòu)的放大倍率理論模型

首先分析橋式放大機構(gòu)的放大倍率理論模型，圖4為其簡化模型，a、b、c、d分別為鉸鏈之間的交點，柔性薄板與z軸的初始夾角同為α，受力變形后與z軸的夾角為β，上端為運動端，下端為固定端，因此，當(dāng)壓電執(zhí)行器輸出位移為δAz時，z方向輸出位移（即A點的輸出位移）δAZ=xz/2，忽略薄板ab、cd的變形，則可得：

γl1cosα+xz/2=γl1cosβ（1）

γl1sinα-δBx=γl1sinβ（2）

式中，γ=0.85，為連架桿有效長度數(shù)。

根據(jù)式（1）、（2）求得δBx的表達式：

δBx=γl1sinα（γl1sinα）2-xz22γl1cos+xz2（3）

因此可得橋式放大機構(gòu)的放大倍率Rq：

Rq=2γl1sinα-（γl1sinα）2-xz22γl1cosα+xz2δAZ（4）

2.2 杠桿式放大機構(gòu)的放大倍率理論模型

杠桿放大機構(gòu)分為微夾持器的第二級放大，其簡化模型如圖5所示，橋式放大機構(gòu)的輸出位移δBx作 ?為杠桿放大機構(gòu)的輸入位移，杠桿機構(gòu)的輸出位移δ1與δBx的比值即為杠桿放大機構(gòu)的放大倍率Rl：

Rl=（l3+l4）l3（5）

因此，微夾持器的放大倍率模型為：

R=l3+l4l3·

2γl1sinα-（γl1sinα）2-xz22γl1cosα+xz2δAZ（6）

3 微夾持器仿真分析

將設(shè)計好的三維模型導(dǎo)入Ansys軟件，底座采用全約束，沿著z軸正方向施加壓1×10-5 mm位移后，鉗指指尖頂端右側(cè)可產(chǎn)生3.23×10-5 mm，左側(cè)5.95×10-5 mm位移量，如圖6所示，仿真出來的放大系數(shù)分別為3.23和5.95，將輸入位移量輸入公式6中，得到理論放大系數(shù)分別為3.8和5.6，仿真值和解析值較接近。

對該微夾鉗進行動態(tài)特性仿真分析，圖7給出了該微夾鉗的前6階固有頻率，分別為159.60 Hz、374.44 Hz、472.58 Hz、489.05 Hz、798.43 Hz、971.25 Hz，如圖7所示。圖8給出了不同模態(tài)下的振型。

4 結(jié)語

文章設(shè)計了一種單輸入多輸出式的微夾鉗結(jié)構(gòu)，首先對壓電微夾鉗的各結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計及材料的選擇；對微夾鉗的位移放大倍數(shù)進行了理論模型構(gòu)建并求解，然后利用有限元軟件對微夾鉗的靜動態(tài)特性進行仿真分析。分析結(jié)果表明，所設(shè)計的微夾鉗可實現(xiàn)在同樣位移輸入下兩種不同的輸出位移。通過有限元分析，對比了仿真值與理論值，位移放大倍數(shù)與理論值較接近，并對該結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率進行了仿真。后續(xù)將對設(shè)計好的結(jié)構(gòu)進行加工，并裝配出壓電微夾鉗實物，為后續(xù)實驗測試做準(zhǔn)備。

參考文獻

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（編輯 傅金睿）

Structure design and analysis of piezoelectric micro-clamp with single input and multiple output

Wang? Genhua， Zhu? Xinyi， Pan? Zhongning*， Wen? Rui

（Zhejiang Business Technology Institute， Ningbo 315012， China）

Abstract：? The structure and displacement output characteristics of the existing piezoelectric micro clamp were analyzed， and a single input and multiple output piezoelectric micro clamp was designed， which has the advantages of simple structure， optional output displacement， small oscillation， and not easy to damage the operating object. The structure of the micro clamp is introduced in detail， and the displacement magnification model is established. ANSYS simulation software was used to analyze the designed micro-clamp， and the simulation results were as follows： after applying 1×10-5mm displacement in the z direction， the tip of the clamp finger could generate 3.2×10-5mm and 5.1×10-5mm displacement respectively. The first 6 orders of natural frequencies are obtained by applying the driving voltage with an interval of 10V. The simulation values have a high agreement with the analytical values， which verifies the feasibility of the structure of the piezoelectric micro-clamp and the correctness of the mathematical model.

Key words： piezoelectric micro clamp; output displacement; ANSYS simulation