基于有限元的單晶片式壓電微夾鉗的設計【畢業(yè)設計】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于有限元的單晶片式壓電微夾鉗的設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 機械設計制造及

2、其自動化 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘　要</b></p

3、><p>　　摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，許多領域朝著微小型化發(fā)展，工藝精度也進入亞微米甚至納米精度。然而，無論哪種方式加工出的微機械零件都需要一種操作尺寸十分精細的微動裝配微機械系統(tǒng)，而微夾鉗技術是此微系統(tǒng)的關鍵。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機構，不僅可稱為微機器人的抓手，而且在微機零件的加工、裝配、生物工程和光學領域均有很好的應用前景。本文中，我們將對單晶片式壓電微夾鉗進行研究，通過有限元分析方法，采用ANSYS軟件

4、對微夾鉗進行靜力分析，研究電壓于鉗指張合量，力與鉗指張合量的關系，并由此得出相應加載電壓與鉗指夾持力的關系。另一方面，我們同樣采用有限元分析法對鉗指進行模態(tài)分析、諧響分析、瞬態(tài)相應分析，完成各動力性能的模擬測試，最終確定鉗指的結構尺寸并使用三維軟件做出相應的三維結構圖。本文中所采用的微夾鉗結構簡單有效，這種鉗指可作為微操作機器人最重要的操作手，可廣泛應用于納米科學實驗研究、生物工程與醫(yī)學實驗研究、微納米科研教學等領域。此外這種鉗指還可以

5、運用在操作納米微粒，裝配微納米電子器件，甚至復雜的納米電路。</p><p>　　關鍵詞：微夾鉗；壓電執(zhí)行器；壓電單晶片；有限元分析</p><p>　　Abstract：With the continuous development of science and technology in many fields toward micro miniaturization, develop

6、ment, process accuracy also enter sub-micron even nano precision. However, no matter which way the micro mechanical parts processing operation size will require a very meticulous budge assembly micro mechanical system, a

7、nd the gripper technology is the key to the micro system. Gripper as a kind of typical micro actuators, not only can be called micro robot in the agri-business a</p><p>　　Key words：micro gripper；Piezoelectri

8、c actuators ；piezoelectric unimorphs；Finite element analysis</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要I</b></p><p><b>　　目　錄III</b></p><p&g

9、t;<b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　1.1背景1</b></p><p>　　1.2目前國內外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3論文的主要工作3</p><p>　　2初始結構設計4</p><p><b>　　3

10、設計計算5</b></p><p>　　3.1靜力分析5</p><p>　　3.2模態(tài)分析9</p><p>　　3.3諧響分析10</p><p>　　3.4瞬態(tài)響應11</p><p><b>　　4詳細結構11</b></p><p&g

11、t;　　5結論與展望14</p><p><b>　　5.1結論14</b></p><p><b>　　5.2展望14</b></p><p><b>　　參考文獻15</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p>

12、;<b>　　附錄17</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　背景</b></p><p>　　微夾鉗即微型機械手、微夾持器，主要用于精細操作。隨著科技的不斷發(fā)展，上世紀60年代發(fā)展起來的微電子技術和集成電路，已構成人類文明的重要基礎。而大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)在

13、許多領域引發(fā)了一場微小型化革命。微電子技術的巨大成功使微米/納米技術應運而生。與此同時，相應的工藝裝備的定位精度也進入亞微米甚至納米精度。實際上，無論哪種途徑加工出的微機械零件都需要一種操作尺寸十分細微的微動系統(tǒng)裝配微機械。因此，微夾鉗及與其相關的研究已成為國內外微機械研究領域的一個前沿課題。</p><p>　　微夾鉗主按能量供給和驅動方式現(xiàn)如今有基本可分為以下幾種：靜電式微夾鉗、電磁式微夾鉗、形狀記憶合金微夾

14、鉗、液體吸附式微夾鉗、光捕獲微夾鉗和壓電式微夾鉗。本文將對壓電式微夾鉗進行進一步講述與分析計算。</p><p>　　微夾鉗為能加工出微米、納米級別的機械零件所需要的一種操作尺寸十分細微的微動系統(tǒng)裝配微機械。微夾鉗技術是此微系統(tǒng)的關鍵。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機構，不僅可稱為微機器人的抓手，而且在微機零件的加工、裝配、生物工程和光學領域均有很好的應用前景。</p><p>　　壓電式微夾

15、鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無噪聲等優(yōu)點，可應用于微操作、微裝配領域，其可以作為微操作機器人的手臂，具有高精確度的特征，因此，壓電式微夾鉗現(xiàn)已成為最常用和眾所周知的一種形式，壓電陶瓷微位移器是開發(fā)MEMS（微機電子機械系統(tǒng))的關鍵元件之一。</p><p><b>　　目前國內外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　最早使用的微操作方式之一為真空吸

16、附，它采用直徑很細的玻璃管來吸附微小物體,達到攝取微小物體的目的,該方式簡單易行，但是還不能實現(xiàn)對微小物體的自如操作.繼而，Nikolas Chronis等研制了單細胞操作SU-8微夾鉗[9]見圖1。Ricardo Perez等人研究設計了硅技術的壓電微機器人力傳感器[10]，見圖2。Peter C. Y.等人設計了力傳感和顯微操作控制電機[11]；Kim等設計了靜電型微鑷子，采用半導體加工工藝制作而成，最大張開距離為10um，驅動電壓

17、50V；Suzuki設計了熱伸縮型懸臂梁結構的微型鑷子[12]；Haddab等設計制作了壓電懸臂梁式的微型鑷子[13]。國內對微小夾鉗的研究起步較晚，主要是研究了形狀記憶合金和壓電型微夾鉗。Miyazaki作品[14,15]中我們可以了解到關于樣品和微型機器人之間相互作用力的有關研究結果。</p><p>　　圖1 單細胞操作SU-8微夾鉗 圖2 壓電微機器人力傳感器 </p><

18、p>　　綜觀各國在微操作器方面的報道可以看出，國際上研制成功的微操作手主要還是以兩爪的微夾鉗為主，外形尺寸從幾毫米到幾厘米不等，所用的加工工藝主要有3種：精密機械加工技術、半導體加工工藝和最近幾年興起的LIGA 加工工藝。近幾年國內對壓電陶瓷微夾鉗研究日益成熟，其中單晶片形式被廣泛應用。上海交通大學建立了一個50mm×50mm的微裝配實驗平臺，利用2mm的電磁型微型電動機，制作了8mm×6mm×5mm

19、的微型機器人小車，為了完成微型機器人對微型零件的操作，需要為微型機器人小車裝置一個可以對徽器件進行操作的微機械手。分析了現(xiàn)有的微型操作器的設計方法，結合他們的微型機器人操作系統(tǒng)，研制了一個雙懸臂梁式壓電微夾持器[1]。華中科技大學甫志剛、黃心漢的機器人壓電陶瓷微操作手的設計中同樣也提到了使用單晶片壓電陶瓷懸臂梁為基本結構的微夾鉗，其夾持距離在20-150um之間。對錐心物塊進行了實際操作實驗，取得良好的效果[2]，圖3為該鉗指夾持過程實

20、際效果圖。武漢</p><p>　　圖3 手爪夾持和釋放錐形靶的實際操作情況</p><p>　　理工大學陳國良、黃心漢、王敏的面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制[3]。上海交通大學陳海、孟中巖、曹長江、張琛的梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設計和操作原理[4]，胡斌梁、陳國良的壓電陶瓷微夾鉗遲滯環(huán)自適應逆控制研究[6] 都對單晶片式的懸臂梁微夾鉗進行過深入的研究并且取得了實際有效的效果。哈爾濱

21、工業(yè)大學陳立國、榮偉彬、孫立寧的面向微操作的組合式微夾持器[5]，華中科技大學蔡建華黃心漢、呂遐東、王敏的一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗[7]，華中科技大學曾祥進、黃心漢、王敏的基于Dahl模型的壓電陶瓷微夾鉗控制研究[8]同樣對雙晶片式微夾鉗有深入研究。</p><p>　　到目前為止，壓電式微夾鉗一般可分為兩種結構：柔性鉸鏈式、懸臂梁式。本文將對懸臂梁式微夾鉗進行進一步闡述。對于微夾鉗的計算有一般經驗公式計算

22、與有限元分析計算。一般經驗公式計算法計算公式相對簡單，但由于其只能對于規(guī)則零件進行計算，在實際應用中常常會遇到不規(guī)則零件而無法求解計算。有限元分析法雖然計算復雜，但解決了實際應用中經驗公式法無法準確計算的問題，能夠對不規(guī)則零件進行各種靜態(tài)，動態(tài)分析。本文采用有限元分析法對微夾鉗的進行分析計算。</p><p><b>　　論文的主要工作</b></p><p>　　基

23、于壓電陶瓷單晶片結構，采用有限元分析法，設計由壓電陶瓷執(zhí)行器驅動、張合量為200um的微夾鉗。通過該設計，了解壓電微夾鉗的應用領域，掌握單晶片式壓電微夾鉗的設計過程，進而掌握零、部件的一般設計過程。擬解決的主要問題：</p><p>　　基于微夾鉗應用同時具有良好的張合特性和剛度特性要求，確定微夾鉗鉗指羈絆的材料；</p><p>　　基于前人微夾鉗結構較復雜，設計出一種結構相對簡單，工作

24、精度高的結構；</p><p>　　基于壓電陶瓷單晶片執(zhí)行器總體結構小，確定微夾鉗的結構形式與幾何尺度時必須做到精確與可行；</p><p>　　基于所確定的微夾鉗的幾何尺度，采用有限元分析法，確定微夾鉗的張合量同驅動電壓的關系、夾持力同張合量的關系以及最大夾持重量，分析靜態(tài)響應，動態(tài)響應；</p><p>　　分別基于Pro/E、AutoCAD繪制微夾鉗的三維造型

25、圖，裝配圖與零件圖。</p><p><b>　　初始結構設計 </b></p><p>　　以往的研究中，其結構都相對比較復雜，因此我們希望設計一種結構簡單，功能穩(wěn)定且易于加工的結構且電極引出線方便，有利于推進單晶片微夾鉗的進步。</p><p>　　我們采用單晶片型壓電懸臂梁(Unimorph)作為夾持器的驅動器，單晶片型壓電懸臂梁具有位移

26、大，工藝簡單等優(yōu)點。懸臂粱結構如圖 4所示。</p><p>　　通過研究壓電懸臂梁的操作特性，從微夾持器的二懸臂梁結構出發(fā)，即可推知微夾鉗的操作特性。定義3一或z一方向為極化方向。l一和2一方向(x一和y一方向)與3一方向相互垂直。 圖中o、p和m分別代表電極片、壓電(piezoelectric)層和金屬(meta1)基板層。當給懸臂梁施加一與壓電層極化方向相反的電場時，壓電層由于逆壓電效應而產生應變，壓電層沿

27、長度方向伸長，由于基板層沒有產生伸長應變而限制壓電層的伸長變形，從而壓電層伸長變形帶動雙層懸臂梁產生伸長和彎曲兩種變形。實驗中將對電極片施加正電壓，對基板施加負電壓。</p><p><b>　　設計計算</b></p><p><b>　　靜力分析</b></p><p>　　本節(jié)靜力分析主要包括電壓與鉗指張合量的關系和

28、力與鉗指張合量的關系。當微夾鉗電極片接通電源正極，鉗指接電源負極時，鉗指將伸長并向內彎曲，使夾鉗具有夾持特性。由于壓電陶瓷的這種特性，接下來我們將首先通過ANSYS軟件進行分析研究加載電壓與夾鉗鉗指張合量的關系。本文采用的壓電陶瓷晶片尺寸為0.2*2*35。圖5為微夾鉗在ANSYS軟件中采用四邊元劃分網格效果圖，約束于鉗指末端至末端8mm。</p><p>　　圖5 鉗指網格劃分與約束</p>&l

29、t;p>　　在研究電壓與鉗指末端張合量的關系時，分別對電極片即壓電陶瓷片外層施加5V、10V、15V、20、22.5V電壓，鉗指電壓為0V，使壓電陶瓷片上下表面產生相應電壓差，壓電陶瓷片將伸長并帶動鉗指向內彎曲。如圖6為加載電壓22.5V時鉗指指端的張合量為101um，整個鉗指張合量202um達到要求。</p><p>　　圖6 電壓22.5V時鉗指Z軸張合量</p><p>　　由

30、ANSYS模擬實驗得，鉗指在0~22.5V電壓下鉗指末端偏執(zhí)量S與電壓U的關系為圖表1：</p><p>　　圖表1 鉗指在電壓0~23V時的指端Z軸位移量</p><p>　　由此得電壓與鉗指張合量的關系為線性關系。如圖7所示：</p><p>　　圖7 鉗指在電壓0~23V時的指端Z軸位移量</p><p>　　在研究鉗指末端受力與鉗指末

31、端張合量的關系時，對鉗指末端施加載荷，下面是通過ANSYS軟件進行分析研究鉗指末端受力與夾鉗鉗指張合量的關系。圖8為微夾鉗在ANSYS軟件中采用四邊元劃分網格效果圖，約束于鉗指末端至末端8mm。受力于鉗指末端，Z軸方向向上（壓電陶瓷晶片在下，鉗指在上）。 </p><p><b>　　圖8 鉗指加載力</b></p><p>　　分

32、別對鉗指末端施加00.5N、0.10N、0.15N、0.20N、0.25N、0.278N力，使壓電陶瓷片與鉗指向內彎曲。如圖9為加載載荷0.278N時鉗指指端的張合量為101um，整個鉗指張合量202um達到要求。</p><p>　　圖9 加載0.278N時鉗指Z軸張合量為101um</p><p>　　由ANSYS模擬實驗得，鉗指在0~0.278N載荷下鉗指末端偏置量S與電壓U的關系為

33、圖表2：</p><p>　　圖表2 鉗指在加載力0~0.278N時的指端Z軸位移量</p><p>　　由實驗得，鉗指指端在0~0.278N力時鉗指末端偏執(zhí)量與力的關系見圖10：</p><p>　　圖10 鉗指指端在受力0~0.278N時的指端Z軸位移量</p><p>　　由實驗所得，通過相等偏置量可得，在未夾持零件時，電壓、力與鉗指Z

34、軸位移的關系為：</p><p>　　S=4.489U (1)</p><p>　　S=363.3F (2)</p><p>　　由關系式（1）、（2）可得，在未夾持零部件時力與電壓的同等效果關系式關系為：</p><p>　　U=80.9F

35、 (3)</p><p>　　因此，當微夾鉗夾持直徑為d/um的零件時，電壓于夾持力F0的關系為：</p><p>　　d=363.3F1 …………… F1為鉗指自身內應力</p><p><b>　　F=F0+F1</b></p><p><b>　　U=80.9F</b></p&

36、gt;<p>　　F0=U/80.9-d/363.3</p><p>　　其中，d單位：um；F單位：N；U單位V。</p><p><b>　　模態(tài)分析</b></p><p>　　模態(tài)分析可以看物體的固有頻率，當外界激勵達到物體固有頻率就會共振。在本實驗中，我們將對微夾鉗進行6階模態(tài)分析，以研究微夾鉗的固有頻率特性。其中我們采

37、用的壓電陶瓷晶片密度為7.5g/cm3,銅片密度為8.96 g/cm3。圖11為實驗所得微夾鉗的6階模態(tài)分析情況：</p><p>　　圖11 單晶片微夾鉗的6階模態(tài)分析</p><p>　　圖9顯示為ANSYS對該微夾鉗的6階實驗模態(tài)分析，模擬了該單晶片式微夾鉗的固有振動特性。</p><p><b>　　諧響分析</b></p>

38、<p>　　下面是對微夾鉗的諧響分析，響應區(qū)間為0~400HZ。當頻率達到31.2時響應達到峰值，如圖12所示：</p><p>　　圖12 微夾鉗的諧響分析</p><p><b>　　瞬態(tài)響應</b></p><p>　　下面是對微夾鉗的瞬態(tài)響應分析，當時間達到0.4*10-2s時響應達到95%，在0.44時趨于平穩(wěn)，如圖13

39、所示：</p><p>　　圖13 微夾鉗的瞬態(tài)分析</p><p><b>　　詳細結構</b></p><p>　　微夾鉗鉗指的主要零件有9個，由5部分組成，由外向內分別為：壓板（1）；電極片（2）；壓電陶瓷晶片（3）；鉗指（4）；夾板（5）。夾板主要用于整個鉗指的固定，并且采用這種形式固定方便拆裝，當某個零件損壞（如電極片）時，可直接將夾

40、板和整個鉗指拆卸對損壞的零件進行更換。具體鉗指裝配圖見圖13，其爆炸圖見圖14：</p><p><b>　　圖14 微夾鉗外形</b></p><p>　　圖15 微夾鉗各結構</p><p>　　各零件材料見圖表3：</p><p>　　表3 微夾鉗各零件材料</p><p>　　圖15所示為

41、微夾鉗的裝配方式，其中電極片2接電源正極，夾板接電源負極，當加電壓時壓電陶瓷晶片由于壓電效應伸長，帶動鉗指外表面伸長，鉗指向內彎曲達到夾持效果。同理，當電極片2接電源負極，夾板接電源正極時，鉗指將反方向向外彎曲。具體引線在裝配中見圖16：</p><p>　　圖16 鉗指固定在平臺上</p><p>　　圖16為微夾鉗在平臺上的固定情況。鉗指通過螺釘M1將夾板（5）連帶整個鉗指固定在支持架

42、上，支持架通過M6螺釘固定在平臺上。其中鉗指各零件具體結構尺寸見附錄。</p><p><b>　　結論與展望</b></p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本文中，我們對單晶片式壓電微夾鉗進行研究，設計了一種結構簡單有效的懸臂梁式單晶片微夾鉗，通過有限元分析方法，采用ANSYS軟件對微夾鉗進行靜力

43、分析，研究電壓于鉗指張合量，力與鉗指張合量的關系，由此得出相應加載電壓與鉗指夾持力的關系。另一方面，采用有限元分析法對鉗指進行模態(tài)分析、諧響分析、瞬態(tài)相應分析，得到相應動態(tài)響應曲線，完成各動力性能的模擬測試，最終確定了鉗指的結構尺寸并使用三維軟件做出相應的三維結構圖。本文中所采用的微夾鉗結構簡單有效，這種鉗指可作為微操作機器人最重要的操作手，可廣泛應用于納米科學實驗研究、生物工程與醫(yī)學實驗研究、微納米科研教學等領域?？傮w取得了理想的結果

44、。</p><p><b>　　展望</b></p><p>　　我們所研究的懸臂梁式單晶片式壓電陶瓷微夾鉗作為典型結構形式，不僅結構簡單，加工較其他微夾鉗容易，其可操作性高，應用領域必將十分廣泛。將來進一步的工作必將為鉗指的進一步精細化，使得這種鉗指可作為微操作機器人最重要的操作手，可廣泛應用于納米科學實驗研究、生物工程與醫(yī)學實驗研究、微納米科研教學等領域。此外這種

45、鉗指可作為機器人在IC工業(yè)中納米器件的裝配與加工方面也有良好的應用前景，如可以利用它操作納米微粒，裝配微納米電子器件，甚至復雜的納米電路。這意味著，未來利用納米電路制成的電腦和家用電器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞進牙縫”；而未來利用納米操作技術制作的微型機器人，也可以鉆入人體替病人疏通血管，或在肉眼看不見的微觀世界里，完成人們自己不可能完成的任務。</p><p><b>　　參考文

46、獻</b></p><p>　　尹燕麗, 朱邦太, 陳海龔, 曹長江. 毫米級微型機器人操作手的研制和操作特性. 光學[J]. 精密工程 2001, 9(6): 531-534.</p><p>　　甫志剛, 黃心漢. 機器人壓電陶瓷微操作手的設計[J]. 先進制造技術, 2004, 23(2）: 21-22, 35.</p><p>　　陳國良, 黃心

47、漢, 王敏. 面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制①[J]. 高技術通訊, 2006, 16(11): 1134-1138.</p><p>　　陳海, 孟中巖, 曹長江, 張琛. 梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設計和操作原理[J]. 上海交通大學學報, 2002, 36(5): 620-623.</p><p>　　陳立國, 榮偉彬, 孫立寧. 面向微操作的組合式微夾持器[J]. 哈爾濱工業(yè)大

48、學學報, 2006, 38(6): 862-864.</p><p>　　胡斌梁, 陳國良. 壓電陶瓷微夾鉗遲滯環(huán)自適應逆控制研究[J]. 中國機械工程, 2006, 17(8): 798-801.</p><p>　　蔡建華, 黃心漢, 呂遐東, 王敏. 一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗[J]. 機器人. 2006, 28(1): 59-64.</p><p>　

49、　曾祥進, 黃心漢, 王敏. 基于Dahl模型的壓電陶瓷微夾鉗控制研究[J]. 中國機械工程, 2008, 19(7): 766-769.</p><p>　　Nikolas Chronis and Luke P. Lee. Electrothermally Activated SU-8 Microgripper for Single Cell Manipulation in Solution. [J]. JOU

50、RNAL OF MICROELE CTROME CHANICAL SYSTEMS. 2005, 14(4): 857-863.</p><p>　　Ricardo Perez,Nicolas Chaillet, Krzysztof Domanski, Pawel Janus, Piotr Grabiec. Fabrication, modeling and integration of a silicon tec

51、hnology force sensor in a piezoelectric micro-manipulator[J]. Sensors and Actuators A 128. 2006:367-375.</p><p>　　Zhe Lu, Peter C. Y. Chen, and Wei Lin, Member,IEEE. Force Sensing and Control in Micromanipu

52、lation[J]. IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS. 2006, 36(6): 713-724.</p><p>　　Ricardo Pérez, Joël Agnus, Cédric Clévy, Arnaud Hubert, and Nicolas Chaillet. Modeling, Fabri

53、cation, and Validation of a high performant 2 DoF piezoactuator for micro manipulation, IEEE/ASME Trans Mechatronics 10 (2005) 161–171.</p><p>　　High-Performance2-DoF.Piezoactuatorfor.Micromanipulation[J].IE

54、EE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS.2005,10(2):161-171.</p><p>　　H.T. Miyazaki, Y. Tomizawa, K. Koyano, T. Sato, N. Shinya, Adhesion force measurement system for micro-objects in a scanning electron microsc

55、ope, Rev. Sci. Instrum. 71 (2000) 3123–3131.</p><p>　　H.T. Miyazaki, T. Sato, Mechanical assembly of three-dimensional microstructures from ?ne particles, Adv. Rob. 11 (1997) 169–185.</p><p><