（机械制造及其自动化专业论文）柔性电热微夹钳的设计和制作.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微夹钳是m y m s 应用领域的一个重要执行器件，用于完成微小目标的夹持、移动 和组装等动作，在微装配、微操作等方面具有重要的作用。本文从微夹钳的设计方法着 手，将宏观刚性机构类型综合方法和伪刚体模型的概念引入到微夹钳的设计中，设计出 了多种新型微夹钳，并进行了制作工艺探索和测试研究。 本文首先根据多种微夹钳驱动方式的对比，选择电热驱动作为本文微夹钳的驱动方 式。然后根据电热微夹钳的特性，总结出设计电热微夹钳所需要的机构的拓扑要求，引 入伪刚体模型设计柔性机构的概念，结合机构类型综合方法设计出了八种微夹钳，并讨 论了其输出性能，对其中一些微夹钳进行了结构修改和优化，使得同种类型不同结构的 微夹钳具有不同的性能，其中五种微夹钳的放大倍数大( 等) 于2 0 倍。从理论上分析 了影响v 型梁电热驱动器输出位移的参数。 利用c o v e n t o rw a r e 软件对所设计的驱动器和微夹钳进行了仿真分析，确定了v 型 粱驱动器的几何参数，根据仿真结果讨论了微夹钳的位移输出、夹持力、和温度情况。 这些仿真结果对于微夹钳的设计具有重要的作用，同时对于微夹钳的制作和测试分析具 有重要的指导意义。 对微夹钳的制作工艺1 ，l i g a 进行了探索，得到一系列实用的实验参数，详细 讨论了用u v l i g at 艺制作电热镍微夹钳的基本过程和注意事项，并制作出六种微夹 钳，制作成品率较高。 搭建基本实验台，对制作出微夹钳进行了基础测试，并对测试结果和仿真结果进行 了比较和分析，测试结果表明达到了设计要求。 本文研究的微夹钳的设计和制作方法具有通用性，可以推广到更多的m e m s 器件 的设计和制作中。 关键词：徼夹钳；机构类型综合；u v - l i g a 柔性电熟微夹钳的设计和制作 t h e d e s i g na n df a b r i c a t i o no fc o m p l i a n te l e c t r o t h e r m a lm i c r o g r i p p e r a b s t r a c t m i c r o g r i p p e ri so n eo ft h ek e yd e m e n t si nm e m s ，i ta c t s a l l i m p o r t a n tr o l ei n m i c r o r o b o t i c sa n dm i c r o a s s e m b l yf o rh a n d l i n ga n dm a n i p u l a t i n gm i e r o o b j e c t s t h ed e s i g no f m i c r o g r i p p e ri sf i r s td i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，t h em e t h o do ft y p es y n t h e s i so fk i n e m a t i cc h a i n a n dt h e c o n c e p t i o no fp s e u d o r i g i d - b o d ym o d e la r ea p p l i e do nt h ed c s i g a e i g h tn e w m i c r o g r i p p e r sa r co b t a i n e d , t h ef a b n e a t i o np r o c e s sa n d t e s ta r es t u d i e d b yw a yo fc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n ta c t u a t i o n so fm i c r o g r i p p e r s ，e l e c t r o t h e r m a li sc h o s e n a st h ea c t u a t i o no ft h em i e r o g r 】 p p e r b a s e do nt h ep r o p e r t yo fe l e c t r o t h e r m a lm i c r o g r i p p e r , t h em p o l o g yr e q u i r e m e n t so fa g i dm e c h a n i s m sw h i c hc a l lb et r a n s f o r m e dt om i c r o g r i p p e r s a r es u m m a r i z e d c o m b i n i n gp s e u d o r i g i d b o d ym o d e lw i t ht y p es y n t h e s i so fk i n e m a t i cc h a i n ， e i g h tn e wm i c r o g r i p p e r sa r ed e s i g n e d , t h ep e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d , s o m em i c r o g r i p p e r sa r e m o d i f i e da n do p t i m i z e d ，t h u sm i c r o g r i p p e r sw h o s et y p ea r es a m e ；b u ts h u c t u r ed i f f e r e n th a v e d i f f e r e n tp e r f o r m a n c e t h ef a c t o l 5w h i c ha f f e c tt h eo u t p u td i s p l a c e m e n to fv s 蛔p o da c t u a t o r a r ea n a l y z e di nt h e o r y p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fm i e r o g r i p p e r sa n da c t u a t o ra r ea c h i e v e db yc o v e n t o rw a r e t h e g m e t r i cp a r a m e t e r so fv - s h a p ea c t u a t o ra r eo b t a i n e d t h eo u t p u td i s p l a c e m e n t ，c l a m p i n g f o r c ea n d t e m p e r a t u r eo fm i c r o g r i p p e ra l ea n a l y z e d t h eu v - l i g af a b r i c a t i o np r o c e s sa r es t u d i e d , t h ed e t a i l e dp a r a m e t e r sa n dn o t i c eh a v e b e e ng i v e n s i xt y p em i e r o g r i p p e r sa r ef a b r i c a t e d t h et e s te x p e r i m e n ti ss e tu p ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fm l c r o g r i p p e r si st e s t e d , a n dr e s u l t s a r ed i s c u s s e d ，i ti n d i c a t e st h a tt h e s em i c r o g r i p p e r sa c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r m e n t s t h ed e s i g nm e t h o da n df a b r i c a t i o np r o c e s si nt h i st h e s i sh a v eac o l n n l o ns e n s ea n dc a l l b ea p p l i e dt oo t h e rm e m sd e v i c e s k e yw o r d s ：m i c r o g r i p p e nt y p es y n t h e s i so fk i n e m a t i ce h a i n ；u v - l i g a 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名铷薯l 日期：t _ 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盘建垒 导师签名：猛盘! 叁 丝s 年上月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景及研究意义 微电子机械系统( m e m s - - m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 1 1 ，是指运用微电子加工 技术和微机械加工技术，在较小的物理尺寸上，集成了微机械元件，微传感器，微机械 执行器，微电子元件、电路和供能部件的器件或系统。m e m s 是- - 1 1 交叉学科，涉及精 密机械、微电子材料科学、微细加工、系统与控制等技术学科和物理、化学、力学、生 物学等基础学科。 m e m s 在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和生物工程、农业、环 境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。目前，m e m s 的应用领域中处于领先地 位的有：汽车、医疗和环境；正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化；还在萌芽 的有：家用安全、化学配药和食品加工。 m e m s 系统主要包括微型传感器、微执行器和相应的处理电路三部分【2 l 。微型执行 器，是其中一个重要的组成部分。它的主要功能是实现力( 包括扭力) 和或位移( 包括 线性位移和角位移) 的输出。微型执行器主要有微电机、微开关、微谐振器、微阀门和 微泵、微夹持器等。构成这些器件的材料要求性能优越，设计合理，尽量达到不仅缩小 尺寸，降低能耗和提高性能，并且能够通过微型化和集成化，达到采用新的工作原理和 实现新的功能的目的。 微机械系统的一个重要特点在于它是通过各种不同功能的集成，制造型号多变的产 品。为了使产品成本降低且有市场竞争力，应尽可能由大批量生产的标准元件装配而成。 人类的目标是实现分子、原子层次上的制造技术，形成新的材料、结构和器件。实现此 目的途径有两种：一种是由微观向宏观，即分子制造技术；另一途径则由宏观向微观， 用传统方法由大机器制造小机械。为此要求相应的工艺装备的定位精度达到亚微米甚至 纳米精度。尽管最理想的微机械系统是采用整体结构，但是由于各组件基于不同加工工 艺因而缺少兼容性，加之微加工技术的限制，往往此目标不能实现。因此，要完成微机 械系统的最终制作，必须进行其构件的组装，器件集成和装配技术，这就需要研制和开 发不同原理和结构的微夹持系统。 微夹持系统用于完成微小目标的夹持、移动和组装等动作。微夹持技术与微焊接、 微封装等系统技术紧密联系在一起。使用不同的材料，采用不同的加工方法和工艺过程 所制成的具有不同功能的微型器件，需要装配到一起才能构成一个完整的多功能微型系 统。微型器件不断地微型化，对微型零件的操作提出了越来越高的要求。微型夹钳是操 柔性电热微夹钳的设计和散胙 作机构与微型零件之间的接口，直接与被操作物体接触，因而特别重要。微型零件的制 造及装配要求微型夹钳结构紧凑、外形尺寸小、能够输出足够的夹持力并且适应被操作 的微型物体。研究和开发适用于微型零件操作和装配的微型夹钳，是实现微系统技术产 业化的一个关键环节。由于其重要性及广泛的应用，近年来它已成为微纳米技术研究领 域的热点【3 l 。 1 2 国内外研究现状 微夹持器的分类目前还没有统一的标准，一般按照驱动方式、结构、材料及加工工 艺等特征加以划分。由于能量供给和驱动方式是微夹持器设计中的难点，直接决定了夹 钳的主体结构和夹持性能。因此下面按驱动方式对微夹持器分类说明。 ( 1 ) 静电驱动微夹钳 静电力是由于电荷之间的引力或斥力所致，多数是两个带有电荷的平板间的库仑力。 在微夹钳的研究中有几种方式可以产生和使用这种静电力，下面列举几种： 由两个平行平板产生静电力。如图1 1 所示，由集静电驱动器、弹性梁和两个钳 臂于一体的两个多晶硅板展开构成微夹钳1 4 】，该夹钳初始钳口距离为1 0 蛳m ，闭合这个 微夹钳的延迟时间为5 0 0 绛，夹持力为5 0 声n ，施加电压5 0 v 1 0 0 v 。 鐾轴c | f o 吐t t i c 蝴蚋崦帏 图1 1 平板静电微夹钳图 f 螗1 1p a r a l l c l - p l a i ce l e c t r o s t a t i c 鲥p p e r ( b ) 叉指梳状装置产生静电力。图1 2 ( a ) 所示为德国r w i e f z b i c l ( i 等人设计的用于夹 持血管的静电驱动微夹钳【鄂。该微夹钳由表面和体加工技术在s o i 晶片上加工出静电驱 动式微夹钳，采用了梳状静电驱动结构，当驱动器在1 8 5 v 电压驱动下，能够产生5 m n 的最大驱动力，尖端产生的最大位移达到2 2 ，2 # m ，图l 。2 ( b ) 是其叉指结构图。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 梳齿静电驱动微夹持器 f 缝1 2 a ne l e c t r o s t a t i cm i c r o g r i p p e rw i t hc o m ba c t u a t o r ( c ) s d a ( s c r a t c hd r i v ea c t u a t o r ) 产生静电力。文献【6 】中介绍了由1 6 个s d a 单元阵列 驱动的多晶硅微夹钳，如图1 3 所示，微夹钳的总体尺寸为1 2 0 0 , t m x 8 0 0 p c m x l 0 * t m ，分 为驱动机构、放大机构和钳爪三部分。在_ 7 5 v 电压，s d a 频率为4 5 h z 下对该微夹钳 进行测试，响应时间为1 4 s ，响应速度1 9 6 4 # m s ，放大倍率5 9 。 图1 3s d a 微夹钳结构图 f i g1 3 s d a m i c r o g r i p p e r c 2 ) 热驱动微夹钳 热驱动微夹钳是利用热在结构中的不对称分布，使各部分变形不同，从而使微夹钳 产生相应的动作。 热能的产生方式一般为电流流过结构所产生的焦耳热。文献吲所介绍的微夹钳使用 高聚物s u 8 胶作为基体材料，硅作为牺牲层，钛和铂作为电极热驱动材料。如图1 4 所 示，它由两个细臂和一个粗臂构成，由于细臂和粗臂在受热时产生的变形不相同从而驱 动微夹钳运动。这种微夹钳在驱动电压5 v 时会产生5 0 m w 的最大功率。当夹持电压达 到1 0 v 时，可以产生1 1 0 # m 的夹持端位移。 柔性电热微夹钳的设计和制作 图1 4 热驱动s u 8 微夹钳 f 螗1 4 s u 8 m i c o g r i p p e rw i t ht h e r m a la c t u a t o r 图1 5 所示是一种光熟机效应的微夹持器阍，该夹持器采用光敏玻璃作为钳体， 双金属片作为热一机变换元件，激光二极管作为加热元件，该夹持器最大特点是采用了 仿生设计思想，微夹持器钳口按照昆虫口器形状设计。 图1 5 双金属驱动的光敏玻璃微夹钳 f i g1 - 5m i c r o g r i p p e rw i t hc o n v e n t i o n a lb i m e t a la sa c t u a t o r 图1 6 所示为内置热源式微夹持器【9 】，采用了双金属层合梁作微夹持臂，电阻型加热 元件制作在微夹持臂中。 图1 6 内置热源热驱动微夹持器 f i g1 6m i c r o g r i p p e rw i t hi n t e r n a lt h e r m a la c t u a t o r ( 3 ) 电磁驱动微夹钳 ，产，；。一 电磁驱动主要利用电磁线圈通电时产生的电磁力来驱动微夹钳。电磁驱动的特点在 于动作响应快，便于控制。与压电晶体驱动式微夹持器相比，内置电磁驱动微夹持器能 大连理工大学硕士学位论文 获得较大的动作范围。图1 7 所示的微夹钳是d e o k - h ok i l n 等人设计的电磁驱动的微夹 钳 1 0 1 。微夹钳体的主要材料是n i t i 合金，内部集成了驱动器与微力传感器。此微夹钳 采用音圈电机( v o i c ec o i lm o t o r ) 作为驱动器，它主要依靠电流流过静磁场时产生的洛 仑兹力来驱动微夹钳运动。驱动器在8 v 输入电压下可以产生6 3 0 r a n 的力。 图1 7 电磁驱动微夹钳 f i g1 7e l e c t r o m a g n e t i cm i c r o g r i p p e r 图1 8 所示为u 形电磁式微驱动器，不同于传统的铁芯铜线绕制的微驱动器，是 采用微细加工工艺制作。线圈的截面为4 5 m m x 4 5 m m ，集成了3 2 0 0 匝线圈，最大功率 为5 s m w f l l l 。 采用微细加工技术制作的微驱动器使传统的铁芯铜线圈式的电磁驱动器的体积大 大减小，但是工艺仍过于复杂，很难利用传统的i c 工艺进行大规模生产。电磁驱动元件 的大小决定着夹持器的总体积，当微机构的外形尺寸小于一定范围后，很难把它集成在 内。所以目前利用电磁驱动的微机械只能做到毫米级。 图1 8 微细工艺制作的电磁驱动器 f i g1 8e l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o rm a d eb ym i c r op r o c e s s ( 4 ) 形状记忆合金( s m a ) 驱动微夹钳 形状记忆合金由于其特殊的相变机理，经过热处理和记忆训练后，具有对原有的形 状记忆的能力。形状记忆合金元件都是热驱动元件。形状记忆合金本身既是功能材料， 柔性电热微夹钳的设计和制作 又是结构材料，便于实现结构的简化和小型化。将形状记忆合金薄膜和微细加工技术相 结合，满足了小型化的要求，由于其工艺与i c 工艺兼容，可以实现批量生产。更值得 注意的是形状记忆合金薄膜驱动功率密度达5 1 0 7 j m 3 ，比其他驱动原理制造的驱动器 要大近两个数量级。用形状记忆合金薄膜与硅的双层薄膜构造驱动器，完全采用硅微细 加工工艺制备，结构简单，位移明显、稳定、耗电小、振动频率高，是一种适用于微泵、 微阀等微机电系统的微驱动形式l 切。 图1 8 所示为韩国i n s t i t u t eo fm a c h i n e r ya n dm a t e r i a l s 研制的具有s m a 线和柔性铰 链的微夹钳【1 3 j 。柔性铰链a 将s m a 线的线性运动转化为旋转运动，柔性铰链b 主要提 供了夹持端的夹持力。驱动器s m a 线由n i - t i 合金制成，直径1 0 0 z m ，这个微夹钳的夹 持端最大位移可以达到1 2 0 ”m 。 图1 8 具有柔性铰链的s m a 微夹钳 f i g1 8 a ns m a m i c r o g r i p p e rw i t hc o m p l i a n tj o i n t s 图1 9 所示为美国能源部的m t p 计划中研制的微夹钳。该夹钳采用n i - t i c u 记忆 合金硅双层薄膜结构。夹钳的长度约1 0 0 0 弘m ，输出夹持力达1 3 m n ，该夹持器上集成 了活体检查刀和灼烧电极，同时钳体上的微孔还可作注射和吸管用。该夹持器的参考尺 寸为1 0 0 毗m 3 8 印m 2 0 a 煳。此类微夹钳夹持力可达4 0 m 1 4 垌。 薄膜 j 刃 图1 ，9 硅s m a 薄膜驱动微夹钳 f i g1 9 a m l c r o g r i p p e ra c t u a t e db ys i l i c o n s m a 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 压电驱动微型夹钳 压电驱动与记忆合金驱动相似，都为功能材料驱动，根据驱动器的结构类型同样也 可以分为以下几种形式： 第一种是压电驱动器为柔性钳体提供位移。这类微夹钳的驱动部分多用压电块或压 电堆提供。如图1 1 0 所示，大连理工大学制作了由压电陶瓷驱动的微夹钳【垌，钳体材料 为4 5 号调质钢，利用线切割加工工艺制作。微夹钳钳口初始尺寸为0 4 5 r a m 时，当压电 陶瓷输入电压为8 0 v 时，钳口的最大位移为1 1 0 1 p m 。 l 曝嘲i 舯乞l 啊i l 睁袅 正t t 瞥e 舅瞳嘲钉 ” 图1 1 0 压电驱动微夹钳 f i g1 - 1 0 a m i c r o g r i p p e rw i t hp i e z oa c t u a t o r 文献【1 7 】中介绍的南洋理工大学制作的微夹持器，如图1 1 1 所示。夹持器的本体是 采用微线放电加工( e d m ) 制成，材料为弹簧钢或者铝。微夹持器本体尺寸为3 6 r a m 3 0 r a m 3 m m 。驱动采用p z t ( 压电薄膜) 转换器，当施加1 0 0 v 电压的时候，p z t 的位 移达到6 0 m ，而微夹钳夹持端的最大位移达到1 7 0 z m ，放大倍数接近3 倍。 图1 1 1p z t 驱动的微夹持器 f i g1 1 1a 叩d e v i c ea c t u a t e db yp z t 柔性电热微夹钳的设计和制作 第二种是微夹钳由双压电片组成。华中科技大学研制了一种集成微力传感器的压电 微夹钳【1 8 1 ，如图1 1 2 所示。该微夹钳由两个压电双晶片组成的双悬臂梁驱动，其特点是 位移大、驱动力小。该微夹钳在施加最大电压2 7 v 时，单个压电双晶片最大偏转位移为 0 7 5 m m 。 图1 1 2 双压电片驱动徽夹镭 f i g1 1 2 t i l eg r i p p e ra c t u a t e db yb i m o r p hc e l l ( 6 ) 电致伸缩离子交换薄膜材料驱动微夹钳 图1 1 3 所示微夹持器是由经化学处理、机械加工以及电化学处理的离子交换材料 合成的“人工肌肉”( a r t i f i c i a lm u s c l e s ) 翻j 作而成。典型的人工肌肉为0 2 0 4 m m 厚，2 5 m m 宽，2 0 m m 长，在2 2 5 v 的电压下尖端偏转量可达1 2 1 5 m m 。人工肌肉的制备 方法详见参考文献【1 9 】。该材料具有变形速度快，变形量大、驱动电压低等优点。 图1 1 3 电致伸缩材料微夹持器 f i g1 1 3c l a m p d e v i c em a d eb ya r t i f i c i a lm i r a c l e s f 7 ) 应用其它工作原理的微操作工具 许多科研单位开发的微操作工具不再利用传统的机械接触方式进行夹持，而是利用 了其它工作原理。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 4 所示为s l m i c r o t e s t 公司开发的激光夹持系鲥2 0 】，利用了透明的球体在光 强密度不均匀的场中会被推向高强度区域的效应。该原理可以用来夹持或移动微物体， 但操作对象范围很窄，要求微操作对象透明而且尺寸在0 1 p r n 到2 0 0 m 之间。该微操 作系统主要用于生物医学、表面分析等方向。 幽1 t 4 激光夹持微操作系统 f i gi 1 4 m i c r om a n i p u l a t i o ns y s t e mu s i n gl a s e r 图1 1 5 所示为德国夫朗霍费生产技术与自动化研究所研制出一种用于微系统的粘附 夹持方案，它采用酒精作为粘附液1 2 ”。利用低粘度液体对易损元件进行微操作，元件最 多一个边与微央持器产生机械接触，所有的敏感结构只由液体触及，可对其起到保护作 用。据其公布的数据，在测量提升力的初步实验中，提升力大于6 m n ，完全能够保证对 元件可靠的央持。实验中，可将边长4 2 m m 表面镀铝的方形硅片夹起。 夹持罄 粘雕赦 旦旦旦 准备曲】粘驸啦瑚l 运释敢 图1 1 5 液体粘附夹持器的工作原理 f i g1 1 5w o r k i n gp r i n c i p l eo f l i q u i dc o n # u r i n a t i o nc l a m p d e v i c e 考虑到微机械构件薄且脆，为防止夹取引起的变形甚至损坏，夹持力的控制要求很 严。真空吸附技术提供了一种经济、简便的解决方案，但是对零件的形状要求较严，不 能适用于所有的零件。图1 1 6 所示为吸附针尖，由中科院上海光机所研制，针尖长度 3 0 8 0 m m ，针管外径0 1 2 m 1 5 m m ，针尖外径0 6 0 0 9 0 p m ，内径0 6 0 0 3 0 9 m 。针 尖处有一与针管中心线成3 0 。4 5 。角的端面，作为吸附的接触面。使用玻璃材料的优 点是加工容易，且不会挡光，从而为操作带来方便。 图1 1 6 吸附针尖结构示意图 f 追1 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f a c u sa d s o r p t i o n 综上所述，各种驱动方式的微夹钳各有其优劣势，总结如表1 1 。 表1 1 各种微夹钳驱动方式优缺点比较 t a b1 1t h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n ta c t u a t i o no f m i c r o g r i p p e r s 从表l 。1 可以发现，热驱动微夹钳，响应频率不是很高，但是能满足m e m s 中的很 多要求，驱动力比较大，如果以焦耳热作为热源，称为电热微夹钳，电热驱动控制简单， 操作方便，能提供大的输出力，驱动电压低，易于集成。因此，本文选择电热作为微夹 钳的驱动方式。 大连理工大学硕士学位论文 虽然各个国家对微夹钳的研究日益深入，但是微夹钳的设计概念缺少系统化，微夹钳 的制作工艺虽然众多，但是大多工艺比较复杂或者制作过程价格昂贵，因此本文从讨论 微夹钳的设计开始，并结合实验室条件，研究出一套制作电热微夹钳的工艺参数。 本文受到国家自然科学基金重点基金资助项目( 5 0 1 3 5 0 4 0 ) 和国家高技术研究发展 计划项目( 2 0 0 7 a a 0 4 2 3 0 0 ) 的资助。 柔性电热微夹钳的设计和制作 2 柔性电热微夹钳的设计 m e m s 中应用的微夹钳应该是成本低、重量轻、部件少、易于装配、摩擦磨损小的 柔性机构。文献中提到的微夹钳的设计多是直觉设计，缺少系统的设计方法，仅有少数 文献在设计方法上论述微夹钳。y o u n gs e o ko h 等人用拓扑优化方法设计了硅微夹钳， 并应用于装配实验圆。y i n g - c h i e nt s a i 等从系统设计的方法入手，基于动力学分析设计 微夹钳 z 4 1 。 总的来说，对于柔性机构的设计方法，一种是基于机构的动力学设计，代表方法是 伪刚体法i r z ：另一种就是拓扑设计方法，代表方法是拓扑优化方法 z 3 , 2 6 , 2 - q 。对柔性免装 配微夹钳的设计，可以借鉴柔性机构的设计方法。 2 1柔性机构的基本概念 “柔性机构”是m i d h a 2 s l 等首先提出的。柔性机构可分为部分柔性机构和全柔性机 构两种。部分柔性机构是既含有柔性构件或( 和) 柔性运动副又含有刚性运动副的机构。 全柔性机构是不含刚性运动副，全部由柔性构件或( 和) 柔性运动副组成的机构。全柔性机 构又包括两种：一种是“具有集中柔度的全柔性机构”( 1 u m p e dc o m p l i a n c ec o m p l i a n t m e c h a n i s m ，简称l c c m ) ，其特征是用柔性运动副代替了全部传统意义上的刚性运动副；另 一种是“具有分布柔度的全柔性机构”( d i s t r i b u t e dc o m p l i a n c ec o m p l i a n tm e c h a n i s m ，简称 d c c m ) ，其特征是整个机构中并无任何运动副存在，其柔性全部分布在整个机构中幽l 。柔 性机构具有下列优点1 7 8 - 2 9 ：可单片设计，从而降低机构重量，并降低制造与装配时间及费 用：无间隙和摩擦，可实现高精度运动；免于润滑，无污染；免于磨损，提高机构使用寿 命。 柔性机构的运动大都是通过将弯曲变形限制在某一范围内的柔性“关节”来实现的， 它模仿了常规铰链的功能。当用扭转弹簧及直线拉压弹簧来模拟柔性时，柔性机构便可 以看成是一个刚性连杆机构【卿，即所谓“伪刚体”的概念，它可以用广义运动学方法来 研究。伪刚体模型法可用于设计和分析具有短长度柔性铰链的柔性机构。尤其适合于具 有集中柔度的平面全柔性机构的分析与设计。用以分析和设计平面全柔性机构运动学问 题的这种伪刚体模型法已得到了广泛研究。s a l a m o n 在柔性机构的分析中运用了刚体机 构的建模方法，把柔性部分等效成扭转的线弹簧；h o w e l l 和m i d h a 对柔性机构设计进行 了大量研究【3 1 侧，他们提出一种模型，柔性部分在长度上要比邻近的刚性部分小的多。 这样，可以先按给定的( 或已知的) 拓扑结构进行设计，再把该拓扑结构变成一个伪刚 体模型。再根据运动学知识判别其是否满足设计条件，如果满足就可将伪刚体模型转化 大连理工大学硕士学位论文 为柔性机构，否则要修改伪刚体模型或彻底修改刚性机构模型；结合优化和有限元方法 对柔性机构进行分析，判断其是否满足设计要求，满足要求即可完成设计，否则要修改 柔性机构模型，甚至伪刚体模型。这种设计思路可以充分利用成熟的刚性运动学的知识， 而且弹性部分的尺寸与刚性部分的尺寸相比越小，这种模拟越精确。 2 2 柔性微夹钳的拓扑设计 2 2 1柔性微夹钳设计方法 通过对电热徼夹钳的运动要求分析可知，可转化为微夹钳的机构拓扑需满足下列条 件【2 5 】： ( 1 ) 机构为单自由度，且有一个移动副，拓扑结构关于移动副所在轴线对称。 c 2 ) 输入构件为移动副构件，机架和移动副至少为三副构件，且机架也必须关于移 动副所在轴线对称。 ( 3 ) 选定的两个输出构件为拓扑对称构件。 从伪刚体模型法设计柔性机构的过程可看出，要设计柔性机构，必须先得到机构的 拓扑形式。我们可以利用机构的类型综合方法得到满足要求的拓扑结构。下面介绍利用 缩图综合法进行机构类型综合的过程。 含有复铰运动链的结构公式： f 一3 - 1 ) - 2 p w 一3 n 一2 p 警玩。2 p 一 ， 旬 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ，- ( k 一1 ) 最 ( 2 4 ) 履 其中，拜为运动链中的构件数，p 为运动副数，为机构自由度数，彤为运动链中的 活动度数，是具有i 个运动副元素的构件数目，l ，定义为复铰因子，x 为复铰中重合铰 链数，最为有足个铰链重合而组成的复式铰链数耳。 利用双色图进行复铰运动链综合的一般步骤如下： ( 1 ) 根据己知的露，职i ，求修改运动链 根据运动链的结构公式： w 一3 n 一2 p ( 2 5 ) 柔性电热微夹钳的设计和制作 l - p 一疗+ l ( l 为闭链数目) 哪 墓魄一2 p v ( 2 6 ) ( 2 刀 ( 2 8 ) 式( 2 7 ) x3 - 式( 2 8 ) 得： 疗2 n 4 + 2 n 54 - + ( f 。“- 3 ) 吩m “+ 7 + j i ，( 2 9 ) 且有： f 一l + 1 ，。s 2 0 ：- 1 ) ( 2 1 0 ) 根据式( 2 5 ) - ( 2 1 0 ) ，若已知v 及栉，p ，形中的任意两个，就可以得到构件的分配方 案。 令硝( f 兰2 ) 为修改运动链中具有i 副构件的个数， 在下列关系，不失其一般性，即：， - ，1 3 + ， 一吩a 之3 ) ( 2 ) 作修改运动链的缩图及双色缩图 根据啪之3 ) ，可以做出修改运动链的缩图。 ( 3 ) 加权双色缩图的确定 在修改运动链中的构件分配存 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 把也构件分配到双色缩图中，就得到了加权双色缩图。 ( 4 ) 去掉同构类型 把咒，分配后得到的加权双色图进行同构检验，去掉同构类型，即得到需要的复铰运 动链独立类型。 有了这些机构的拓扑形式，我们就可以从中选择合适的结构进行微夹钳设计。需要 注意的是，为得到满足要求的微夹钳，在选择加权双色缩图的时候，应根据前面所给出 刚性机构的拓扑要求，所选双色缩图必须是坐标对称，对称轴上至少有一个运动副经过， 顶点和各边关于轴对称( 缩图各边自身避免关于对称轴对称) 。此外，在二副杆分配过 程中，一般具有多种分配方案，应参照对称原则并避免刚化子结构及同构类型，得到满 足要求的加权双色缩图。 由此归纳出微夹钳设计的一般步骤如下，设计流程图见如图2 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 微夹钳设计流程图 f i 9 2 1t h e f l o w c h a r t o f m i c r o g r l p p e r d e s i g n ( 1 ) 根据机构综合过程中得到的加权双色缩图可画出全r 副机构结构类型图。由于 移动副和转动副约束类型相同，因此可以将全r 副类型机构中的一个r 副用p 副取代， 这样会得到多种方案，但根据微夹钳的机构拓扑需满足的条件，选择对称轴上的一个r 副修改为p 副，得到含有一个移动副的对称机构类型结构图。 ( 2 ) 根据步骤2 得到的机构结构类型图，选择移动副作为输入构件，确定出机架构 件和输出构件，从而得到机构的运动简图。 ( 3 ) 根据机构的运动简图及伪刚体概念【9 】将机构运动简图转化为柔性微夹钳模型， 转化步骤如下： 柔性电热微夹钳的设计和制作 将机构简图中的刚性铰链改成柔性铰链( 即用宽度较小的构件代替刚性铰链) 。 常见柔性铰链有多种，如细长杆状柔性铰链、直圆柔性铰链，交叉杆式柔性铰链和裂桶 式柔性铰链等。这里采用细长杆状柔性铰链。 将运动简图中的构件用多边形刚性构件( 即宽度尺寸较大的构件) 代替。 ( 4 ) 仿真分析，优化结构尺寸。通过步骤1 3 可以得到柔性微夹钳的拓扑结构，柔性 机构的尺寸可以根据经验给一个初值，在仿真分析优化的基础上确定最优尺寸。 通过以上的步骤就可以设计出具有特定结构并满足一定运动要求的微夹钳，这种设 计方法对于六杆、八杆、十杆等机构具有通用性。 2 2 2 八杆机构柔性微夹钳设计 对于含有复铰的八杆单自由度机构1 3 5 】有玎一8 ，f - 1 ，w - 1 + 3 - 4 ，根据机构的结 构公式我们可以得到： p - ( 3 n - w ) 2 - 1 0 工一p 一万+ 1 3 f m 。s l + 1 4 v 。2 ( l 一1 ) - 4 ，1 2 + ，1 3 + 甩4 甩 2 ，1 2 + 匀1 3 + 锄4 - 2 p - v 1 2 0 v n 2 i n 4 + 形+ ，_ 心+ 4 + ， f 2 1 3 ) f 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 陀1 8 ) ( 2 1 9 ) 分别令 ，一l 2 , 3 ，4 得到相应的分配方案： ，一1 ，1 2 57 b 一3 一0 嘞- 6 玛- 1一1 ； ，一2 万2 6 ，1 3 t 2n 4 0 以2 ；7 一0n 4 一l ； ，一3 以2 - 7 ，b - 1。o ； ，一4 一8 ，1 3 0n 4 0 根据公式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 我们得到相应的修改运动链分配方案6 种，根据啪23 ) ，可 以得到修改运动链单色缩图，根据单色缩图以及 ，值，可以得到对应的双色缩图，然后 大连理工大学硕士学位论文 将珂：分配到双色缩图中，可以得到相应的含复铰的八杆单自由度机构类型，避免含有刚 化子机构并去除同构类型，最后得到4 4 种独立的结构类型p 卅，见附录a 需要说明的是，由于我们是根据机构类型综合的结果来进行微夹钳设计，所以这里 便以时来命名微夹钳。 根据附表a 中给出的含复铰的八杆单自由度机构的结构类型图，我们直接选择其中 的一种5 4 型全r 副对称机构，如图2 2 ( a ) ，然后将对称轴上构件1 和2 相连的r 副改为 p 副得到的对称机构类型图如图2 2 ( b ) 所示，选择构件1 作为移动件，2 为机架，7 和8 作为输出端，其对应的机构简图和运动简图如图2 3 所示，伪刚体模型如图2 4 所示。 图2 3 机构运动筒图 f i g 2 3s k e m ho f m e c h a a l s mm o t i o n 将机构中的刚性铰链用柔性铰链来代替，这里为达到结构简单并且制作工艺方便， 选用细长杆状短长度柔性铰链，并且根据经验，给每一个构件赋予合适的尺寸和形状， 就可以得到如图2 5 所示微夹钳，我们将其命名为5 4 型微夹钳，其整体尺寸为1 9 6 r a m x 0 9 9 m m , 其单侧仿真放大倍数为1 0 5 ，双侧放大倍数达到2 1 倍，如图2 6 所示。 柔性电热微夹钳的设计和制作 蘑 圈2 55 4 型柔性微夹钳 f i 9 2 5 5 4t y p ec o m p l i a n tm i c r o g d p p e r 麓凡域1 移鄙l 皿 图2 6 输入位移与输出位移的关系 f i g2 6o u t p u td i s p l a c e m e n tv s i n p u td i s p l a c e m e n t 1 8 大连理工大学硕士学位论文 2 2 3 十杆机构柔性微夹钳设计 对于十杆单自由度机构阁有矗= 1 0 ，f - 1 ，w - 1 + 3 4 ，根据机构的结构公式我们 可以得到： p 一( 3 n - w ) 2 = 1 3 工一p 一万+ 1 4 o s l + 1 5 。s 2 ( l - 1 ) 一6 2 + 玛+ 一+ ，1 5 一雄 2 n 2 + 匀b + 4 ，1 4 + 5 n s1 2 p v 1 2 6 - v n 2 - - i + 2 n 5 + 形+ 1 - 撑4 + 2 n 5 + 4 + 1 由以上公式不难得到： 意之席22 4 + 1 i n t ( 2 6 - v ) i 】2 吩2 0 i t 3 , 4 , 5 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 根据公式( 2 2 4 ) ，( 2 2 5 ) ，( 2 2 6 ) ，令，一1 , 2 ，3 , 4 , 5 , 6 ，可以得至l j n j 的1 6 种分配方案， 5 6 种变方案( 参考文献 3 4 】) 。 根据公式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) ，我们得到相应的修改运动链分配方案1 6 种，根据讯f = 3 ) ， 可以得到1 7 种修改运动链单色缩图( 参考文献【3 4 】) ，去除两种在综合过程中没有产生 新机构类型的缩图。根据这1 5 种缩图以及相应的 ，值，可以得到1 1 6 种双色缩图【驯，如 附录b 所示。 含有复铰的十秆机构微夹钳的设计过程与八杆机构的基本相同，下面以种微夹钳 的设计过程为例来进行具体说明。 ( 1 ) 5 6 型微夹钳设计 首先，从附录b 中选择满足设计要求的含有复铰的5 6 型十杆机构的双色缩图，如 图2 7 ( a ) 所示。 然后对双色缩图进行二副构件的分配，将5 个二副秆对称分配到9 个边上，分配方 案如下：1 1 1 1 1 0 0 0 0 ，2 1 1 1 0 0 0 0 0 ，2 2 1 0 0 0 0 ( 3 0 将每个分配方案分配到对应的双色缩图中，按照对称原则分配并避免刚化子结构及 柔性电热微夹钳的设计和制作 同构类型，删去退化结构之后得到满足要求的多种加权双色缩图，这里选择其中一种 2 2 1 0 0 0 0 0 0 分配方案，如图2 7 所示。 2 ( b )( b ) 图2 75 6 型双色缩图 f i 9 2 7d o u b l e - c o l o r - c o n t r a c t e d - g r a p h o f 5 6 t y p e 根据图2 7 ( b ) 所示的加权双色缩图画出相应的全r 副机