磁致伸縮式柔性微夾鉗的設(shè)計及實驗

祝志芳, 劉良濤, 劉源杰, 余宏濤, 盧全國*,

(1.南昌工程學院 江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室,南昌 330099,E-mail:luqg2010@126.com;2.浙江理工大學 機械工程學院,杭州 310018)

隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical System,MEMS)愈加集成化、復(fù)雜化、微小化,微裝配技術(shù)[1-2]在多領(lǐng)域得到了高度重視。微夾鉗是微裝配系統(tǒng)的末端執(zhí)行器,直接與微小零件相接觸,所以微夾鉗的設(shè)計對于微裝配顯得尤為重要。

國內(nèi)外相關(guān)學者研究的微夾鉗種類多樣,按驅(qū)動方式可分為壓電驅(qū)動、熱驅(qū)動、靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動、真空吸附驅(qū)動等。陳方新等人[3]設(shè)計了一種壓電驅(qū)動微夾鉗,Luo等人[4]設(shè)計了一種電熱驅(qū)動多指微夾鉗,德國R.Wierzbicki等人設(shè)計了一種靜電驅(qū)動微夾鉗[5],Kim等人[6]研發(fā)一種電磁驅(qū)動微夾鉗,清華大學研發(fā)了一種形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動微夾鉗[7],華中科技大學研發(fā)一種真空吸附式微夾持器[8]。

本文基于磁致伸縮效應(yīng),設(shè)計了一種以Galfenol材料為驅(qū)動元件的復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)微夾鉗,裝置結(jié)構(gòu)簡單、夾持范圍大、可實現(xiàn)對目標物的柔性微夾持過程。通過理論分析和實驗的方法,研究了微夾鉗在不同大小電流驅(qū)動下的整體輸出性能,為磁致伸縮微夾持器的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

1 微夾鉗的設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

復(fù)合懸臂梁是精密位移驅(qū)動和控制中的一類基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),利用復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)微小位移與力的傳遞,它的工作原理是通過懸臂梁的主動彎曲形變,實現(xiàn)位移和力的傳遞[9]。懸臂梁彎曲過程中智能材料需要承受較大的張力[10],本文所采用的Galfenol合金是一類具有磁致伸縮效應(yīng)的智能材料[11],具有優(yōu)良的機械加工性能和力學性能,將Galfenol薄片直接粘貼于鈹青銅夾片表面,在增大夾持范圍的同時可實現(xiàn)對被夾持物的柔性夾持過程,不易破壞被夾持對象。本文設(shè)計的微夾鉗的整體結(jié)構(gòu)為懸臂梁結(jié)構(gòu),主要由底座、激勵線圈、線圈骨架、Galfenol薄片及鈹青銅夾片等部分組成,如圖1所示為微夾鉗的整體結(jié)構(gòu),圖2所示為復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu),其中Galfenol的厚度為tG、高度為L2、上底寬b、下底寬a,鈹青銅夾片的厚度為tS、高度為L1、上底寬d、下底寬c。

圖1 微夾鉗整體結(jié)構(gòu)

圖2 復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)

微夾鉗的工作原理為激勵線圈中通入驅(qū)動電流后,線圈會產(chǎn)生激勵磁場,磁致伸縮材料Galfenol在磁場作用下會發(fā)生磁致伸縮效應(yīng),產(chǎn)生伸縮變形,以該形變來控制微夾鉗夾口的輸出位移,從而實現(xiàn)對被夾持物的夾持過程。如圖3所示,夾片固定在底座上,夾取范圍與夾片偏轉(zhuǎn)位移量的關(guān)系可簡化為:

圖3 微夾鉗工作原理

W=W0-W′=W0-2Δ

(1)

式中:W為微夾鉗的夾持范圍;W0為微夾鉗設(shè)計時兩夾片的距離;W′為兩夾片的總偏轉(zhuǎn)位移量;Δ為單夾片的偏轉(zhuǎn)位移量。

通過對復(fù)合懸臂梁的密度函數(shù)求解體積積分的方式獲得其內(nèi)能方程,利用懸臂梁的中性面法向應(yīng)力平衡方程求出中性面的對應(yīng)位置,再進一步求出復(fù)合懸臂梁的曲率方程,根據(jù)曲率方程則可求出復(fù)合懸臂梁的偏轉(zhuǎn)位移大小,為方便計算,將整個復(fù)合懸臂梁簡化成關(guān)于中性面對稱形式,如圖4所示為復(fù)合懸臂梁的簡化模型,x和y分別是指復(fù)合懸臂梁的平面橫向位移和平面縱向位移,ρG、EG及cG分別是Galfenol材料的密度、楊氏模量和阻尼系數(shù),同時ρS、ES及cS分別是復(fù)合懸臂梁中基底材料的密度、楊氏模量和阻尼系數(shù),b為復(fù)合懸臂梁的寬度,λ為磁致伸縮系數(shù),h為復(fù)合懸臂梁中性面的位置,設(shè)自由端為L。

圖4 復(fù)合懸臂梁及截面幾何尺寸

復(fù)合懸臂梁的總內(nèi)能可以通過對Galfenol和鈹青銅的密度函數(shù)求解體積積分的方式得到[12],即:

(2)

(3)

從式(2)可以看出懸臂梁內(nèi)能大小與中性面位置h密切相關(guān),而h可由中性面法向應(yīng)力平衡方程(3)求出,即:

(4)

將式(4)代入式(2)中,可以把復(fù)合懸臂梁的內(nèi)能方程轉(zhuǎn)化成自變量為曲率k的函數(shù),基于內(nèi)能恒定不變,將內(nèi)能方程對k求導(dǎo)并使其一階導(dǎo)數(shù)等于零,可以求出曲率k,即:

(5)

設(shè)基底的長度為L1,Galfenol薄片的長度為L2,復(fù)合懸臂梁單夾片的輸出位移則可由公式(6)求解:

(6)

因為EG、ES是常量,所以由輸出位移方程可知夾片偏轉(zhuǎn)位移與tG、tS、L1、L2有關(guān)。

1.2 驅(qū)動元件的設(shè)計

本文設(shè)計的磁致伸縮式柔性微夾鉗是基于磁致伸縮效應(yīng),磁致伸縮效應(yīng)是材料內(nèi)部的磁疇隨磁場變化會發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動與疇壁移動的現(xiàn)象,從而引起材料產(chǎn)生伸縮變形[13],可應(yīng)用于微電機、微驅(qū)動器[14-15]等裝置的設(shè)計中。

相較于其他智能材料的整體性能而言,Galfenol合金具有優(yōu)越的機械加工性能、力學性能和抗疲勞強度大等優(yōu)勢,根據(jù)設(shè)計需求,將Galfenol設(shè)計成上窄下寬的薄片狀,其尺寸參數(shù)設(shè)計可參考以下公式[16]:

(7)

式中:ki為結(jié)構(gòu)設(shè)計的系數(shù);Δlm為磁致伸縮片的最大伸長量;λm為材料在設(shè)計合理范圍內(nèi)的最大磁致伸縮率;Ec為材料的楊氏模量;Sa為片狀材料在長度方向上的截面積;fmax為材料在設(shè)計范圍內(nèi)的最大應(yīng)力。

可計算出Galfenol薄片的厚度tG為0.8 mm、高度L2為68 mm、上底寬b為3.4 mm、下底寬a為5.8 mm。由于鈹青銅具有良好的耐疲勞性、耐腐蝕性、不導(dǎo)磁等性能,選鈹青銅作為執(zhí)行元件,根據(jù)設(shè)計需求得出鈹青銅夾片的厚度tS為1 mm、高度L1為80 mm、上底寬d為2 mm、下底寬c為6 mm。

1.3 激勵線圈的設(shè)計

Galfenol薄片需要在磁場作用下才能夠產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng),本文采用空心螺線管結(jié)構(gòu)的激勵線圈來提供磁場,其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)包括內(nèi)徑r1、外徑r2、長度l,如圖5所示為激勵線圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 激勵線圈結(jié)構(gòu)示意圖

由安培環(huán)路定理可知,激勵線圈的驅(qū)動磁場計算公式為[17]:

NiIm=kiHln

(8)

式中:ki為在漏磁狀態(tài)下,激勵線圈的補償系數(shù),其值設(shè)為1.11[18];H為作用在驅(qū)動元件Galfenol片上的磁場強度;Im為通入線圈的驅(qū)動電流;Ni為激勵線圈纏繞的匝數(shù);ln為整個激勵線圈的長度。

為了實現(xiàn)更好的輸出特性,根據(jù)Galfenol的λ-H曲線及Galfenol片的設(shè)計尺寸參數(shù),綜合兩者考慮,確定Galfenol的最大激勵磁場為10 kA/m。根據(jù)設(shè)計要求確定激勵線圈的高度l為65 mm,通過上述公式可知激勵線圈的匝數(shù)N約為450匝。

綜上,復(fù)合懸臂梁和激勵線圈的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)設(shè)計尺寸參數(shù)/mm

2 實驗系統(tǒng)搭建

2.1 樣機制作

為了進一步研究微夾鉗的性能,加工制作了實物樣機,如圖6所示為裝置樣機。

圖6 裝置樣機

2.2 實驗測試平臺搭建

利用LTS-025-02激光位移傳感器和位移數(shù)據(jù)采集軟件對微夾鉗的輸出位移進行測量,并利用不同大小的電流信號驅(qū)動激勵線圈產(chǎn)生磁場,從而控制微夾鉗夾口的輸出位移。為了便于對實驗結(jié)果進行分析,選取線圈引出線左側(cè)的夾片為A端,線圈引出線右側(cè)的夾片為B端,實驗測試平臺如圖7所示。

圖7 實驗測試平臺

3 實驗結(jié)果分析

通過實驗測試得出微夾鉗A、B端的位移隨電流變化曲線如圖8所示,其中微夾鉗A端的最大偏轉(zhuǎn)位移量達到106.4 μm,B端的最大位移量為124.8 μm,微夾鉗的整體輸出位移可達231.2 μm,夾持范圍大,操作方便,具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8 微夾鉗A、B端位移隨電流變化曲線

從圖8中可知,兩個夾片的偏轉(zhuǎn)位移不對稱,這是由于復(fù)合懸臂梁內(nèi)部的粘貼誤差和磁場線在Galfenol薄片的分布情況有差異導(dǎo)致,驗證了微夾鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的可行性。

4 微夾鉗的應(yīng)用

現(xiàn)有的微裝配方式主要有3種:手工微裝配、人機協(xié)同微裝配以及全自動智能微裝配[19]。企業(yè)中主流的微裝配方式是半自動化的人機協(xié)同微裝配,即操作者借助高精度的執(zhí)行機構(gòu)以及計算機視覺反饋、力反饋控制等檢測手段,完成高精度的微裝配任務(wù)。通過搭建微裝配系統(tǒng)平臺,模擬生產(chǎn)過程中對微小零件的夾取和裝配過程。如圖9所示為微夾鉗應(yīng)用流程圖。

圖9 微夾鉗應(yīng)用

該微夾鉗還可應(yīng)用于微零件的精密加工和裝配、微型儀器儀表裝配、傳感器的裝配、鉆石分揀和安裝、鐘表的制造和裝配,并且有望在芯片制造、微細胞操作上得到應(yīng)用[20]。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于磁伸縮材料Galfenol的復(fù)合懸臂梁式柔性微夾鉗的設(shè)計,文章討論了微夾鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其相關(guān)尺寸,為了探究微夾鉗的位移輸出特性,搭建實驗測試平臺對其進行實驗分析,通過實驗測試可知,在改變輸入電流的情況下可實現(xiàn)對微夾鉗夾口輸出位移變化的精確調(diào)節(jié),并探討了將該微夾鉗應(yīng)用于微裝配系統(tǒng)的前景,可望進一步拓寬微夾鉗的應(yīng)用領(lǐng)域。