四自由度壓電自感知微夾鉗的設計

于 力,崔玉國,熊志文,馬劍強,楊依領

(寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著各種微零件逐漸集成化和復雜化,操作對象的尺寸已進入微納操作范圍,傳統的操作工具已無法滿足需求,因此,高精度和高分辨率的微夾鉗變得尤為重要[1]。在微裝配領域,微夾鉗可以完成微零件(微型軸、微型齒輪等)的抓取和搬運操作,與微動平臺相結合,還能實現微零件的裝配操作[2];在微操作領域,微夾鉗可以完成細胞的抓取和釋放操作[3]。根據不同的驅動原理,微夾鉗包括氣動微夾鉗[4]、電磁微夾鉗[5]、靜電微夾鉗[6]和壓電微夾鉗[7-10]等種類。與其他類型的微夾鉗相比,壓電微夾鉗分辨率高,響應速度快,成本較低,廣泛應用于微裝配和微操作等領域。

根據不同的結構,壓電式微夾鉗可分為柔順機構式和單/雙晶片式。Liang等[7]研制的微夾鉗采用單動爪非對稱結構設計,具有三級放大機構,采用兩個激光位移傳感器分別測量輸入、輸出位移。在執行器上施加最大電壓為10 V梯形電壓的情況下,鉗指位移達到128.41 μm。Das等[8]研制了一種具有平行抓取技術和三級放大傳動機構的微夾鉗,微夾鉗在150 V、0.2 Hz正弦波驅動下,采用平面鏡干涉儀測量得到微夾鉗鉗指的輸出位移為169.2 μm,位移放大比為23.96。Khadraoui等[9]研制了一種單晶片驅動微夾鉗,通過外部微位移傳感器檢測鉗指位移,并通過力觀測器獲取夾持力,完成了對直徑?250 μm導線的抓取任務。Xu[10]研制了一種雙晶片壓電微夾鉗,采用激光位移傳感器檢測位移和夾持力,位移和力的跟蹤誤差分別為0.89 μm和3.44 mN。柔順機構式微夾鉗夾持力較大,但需要放大機構放大壓電疊層致動器以獲取較大的鉗指位移,這使微夾鉗結構變得復雜。單/雙晶片式微夾鉗夾持力較小,但結構簡單,鉗指位移大,體積較小。

綜上所述,目前微夾鉗的鉗指只有一個自由度,整個微夾鉗僅有兩個自由度,只能完成夾持動作,微夾鉗的靈活性不高。另一方面,微夾鉗常采用微位移與微力傳感器檢測鉗指位移和夾持力,這些傳感器價格昂貴。此外,受空間限制,有的系統無法安裝傳感器,不便于微裝配與微操作系統的應用。

本文將兩組空間垂直交叉的逆壓電效應作用于同一鉗指,設計了一種可沿夾持方向與垂直夾持方向輸出位移的四自由度壓電微夾鉗。同時,基于所提出的積分電荷式位移自感知方法,獲取微夾鉗的鉗指位移。

1 結構設計

1.1 鉗指運動原理

圖1為兩自由度鉗指結構,可沿夾持方向(y向)和垂直夾持方向(z向)輸出位移。該鉗指由上、下壓電陶瓷晶片構成,上晶片的非粘結面上有相互絕緣的3個電極,其中左電極、中間電極為驅動電極,右電極為地電極,上晶片的粘結面無電極;下晶片的非粘結面上與上晶片一致,其中中間電極、右電極為驅動電極,左電極為地電極,下晶片的粘結面上僅有中間電極,且該電極為地電極;將上晶片與下晶片粘結,并使上、下晶片的左、中、右電極分別對齊,則可形成鉗指。

圖1 兩自由度鉗指

圖2給出了鉗指的截面圖,其中晶片極化方向P向上。由圖2(a)可知,當在鉗指左電極上表面和鉗指右電極下表面分別施加驅動電壓uy時,左電極電場向下,與極化方向相反,左電極部分將沿圖1的+x方向伸長;右電極電場方向向上,與極化方向相同,右電極部分將沿圖1的-x方向縮短。在兩者同時作用下,鉗指便可向夾持方向(圖1中+y向)運動,圖2(a)中虛線給出了鉗指沿夾持方向輸出位移后的位置。由圖2(b)可知,當在鉗指中間電極施加驅動電壓uz時,上晶片電場方向向下,與極化方向相反,中間電極部分的上晶片將沿圖1的+x方向伸長;下晶片電場方向向上,與極化方向相同,中間電極的下晶片將沿圖1的-x向縮短。在兩者同時作用下,鉗指可向垂直夾持方向(圖1中-z向)運動,圖2(b)虛線給出了鉗指垂直于夾持方向輸出位移后的位置。由圖2(c)可知,當uy、uz同時作用于鉗指時,可使鉗指同時沿夾持方向和垂直于夾持方向運動。由此可見,1個鉗指具有2個自由度,而由2個鉗指構成的微夾鉗則具有4個自由度。

圖2 鉗指運動原理

1.2 微夾鉗結構

圖3為四自由度壓電微夾鉗結構。它由呈夾鉗狀的上、下壓電陶瓷晶片構成,每片晶片包括支撐部和鉗指,支撐部用于固定微夾鉗以及引出鉗指電極;上晶片有切口,用于引出下晶片粘接面上的電極。上、下晶片的非粘接面上有電極及其引出區,上晶片粘接面上的電極在晶片極化后被去除,下晶片粘接面上僅有中間電極及其引出區,其余電極在晶片極化后被去除。壓電微夾鉗整體尺寸為50 mm×14.5 mm×0.8 mm。

圖3 四自由度壓電微夾鉗

2 鉗指位移自感知原理

2.1 鉗指位移與晶片表面電荷的關系

壓電執行器在驅動電壓u作用下會發生變形,當其輸出端不受約束時,該變形成為壓電執行器的輸出位移δ,壓電執行器在變形的同時,其晶片還會發生電極化,從而在晶片表面產生電荷Q。δ與u的關系以及Q與u的關系,根據壓電材料的逆壓電效應、介電效應可分別表示為

δ=au

(1)

Q=Cpu

(2)

式中:a為位移-電壓系數;Cp為壓電執行器的電容。

根據式(1)、(2)可得δ與Q的關系為

δ=αQ

(3)

式中α=a/Cp為位移-電荷系數。

由式(1)、(2)可得鉗指在電壓作用下沿夾持方向和垂直于夾持方向的位移與鉗指表面電荷之間的關系分別為

(4)

(5)

式中:δy、Qpy、ay、Cpy分別為夾持方向的鉗指位移、表面電荷、位移-電壓系數及鉗指左、右電極覆蓋部分的等效電容;δz、Qpz、az、Cpz分別為垂直夾持方向的鉗指位移、表面電荷、位移-電壓系數及鉗指中間電極覆蓋部分的等效電容。

2.2 晶片表面電荷的獲取方法

壓電微夾鉗鉗指晶片表面電荷為束縛電荷,需通過相應的電路將其變成自由電荷。圖4為鉗指位移自感知電路。圖中,A為運算放大器,K為手動開關;Rk為限流電阻,upy、uoy為夾持方向的輸入電壓和輸出電壓,upz、uoz為垂直夾持方向的輸入電壓和輸出電壓,Rpy、Cy、Ry為微夾鉗夾持方向的等效電阻、積分電容和反饋電阻,Rpz、Cz、Rz為微夾鉗垂直夾持方向的等效電阻、積分電容和反饋電阻,ipy、iCy、iRy為夾持方向上鉗指、積分電容和反饋電阻的電流,ipz、iCz、iRz為垂直夾持方向上鉗指、積分電容和反饋電阻的電流。

圖4 自感知電路

對于夾持方向,積分電路的輸出電壓可表示為

(6)

若:

(7)

則:

Cpyupy=-Cyuoy

(8)

式(8)表明,鉗指表面的電荷Cpyupy等于積分電容Cy上的電荷Cyuoy,即鉗指表面的自由電荷可通過Cy獲得。

由式(7)、(8)可得:

CpyRpy=CyRy

(9)

由式(2)可知,夾持方向的鉗指表面自由電荷可進一步表示為

Qpy=Cpyupy=-Cyuoy

(10)

將式(10)代入式(4),微夾鉗沿夾持方向的自感知位移可表示為

(11)

同理,垂直于夾持方向的鉗指自感知位移可表示為

(12)

在式(11)、(12)中,ay、az、Cpy、Cpz、Cy、Cz是已知的,而uoy、uoz可通過自感知電路獲得,所以鉗指沿夾持方向及其垂向的位移均可通過所提出的自感知方法獲得。

3 實驗驗證

3.1 測試系統構成

圖5為對鉗指位移進行自感知驗證的實驗系統。它由計算機、數據采集卡、驅動電源、壓電微夾鉗、激光位移傳感器、自感知電路構成。

圖5 位移自感知測試系統

3.2 自感知驗證

3.2.1 靜態位移

給鉗指左、右電極施加上升與下降時間均為10 s、最大值為150 V(即圖2中uy為150 V)的三角波驅動電壓;給鉗指中間電極施加上升和下降時間均為5 s、最大值為75 V(即圖2中uz為75 V)的三角波驅動電壓。圖6為三角波作用下的鉗指實測位移與自感知位移。由圖可知,由激光位移傳感器測得的左、右鉗指沿夾持方向的最大位移分別為66.31 μm、66.27 μm,由自感知電路獲得的最大自感知位移分別為65.93 μm、66.27 μm;由激光位移傳感器測得的左、右鉗指垂直于夾持方向的最大位移分別為62.89 μm、63.29 μm,由自感知電路獲得的最大自感知位移分別為62.68 μm、62.73 μm。因此,所設計的四自由度壓電微夾鉗沿夾持方向及其垂向均具有良好的位移輸出特性,且自感知位移與實測位移具有良好的一致性。

圖6 三角波作用下的鉗指實測位移與自感知位移

3.2.2 階躍響應

給鉗指左、右電極施加上升時刻為第1 s、持續作用時間為9 s、幅值為50 V(即圖2中uz為50 V)的階躍驅動電壓,給鉗指中間電極施加上升時刻為第1 s、持續時間為9 s、幅值為25 V(即圖2中uz為25 V)的階躍電壓。圖7為階躍響應作用下的鉗指實測位移與自感知位移。由圖可知,左、右鉗指沿夾持方向的實測位移的穩態值分別為21.27 μm、21.47 μm,響應時間分別為0.22 s、0.21 s,自感知位移的穩態值分別為21.02 μm、21.19 μm,響應時間分別為0.22 s、0.21 s;左、右鉗指垂直于夾持方向的實測位移的穩態值分別為 20.28 μm、20.16 μm,響應時間分別為0.20 s、0.21 s,自感知位移的穩態值分別為20.15 μm、19.97 μm,響應時間均為0.21 s。因此,所設計的四自由度壓電微夾鉗沿夾持方向及其垂向均具有良好的動態響應特性,即使在動態情況下,自感知位移同實測位移仍具有良好的一致性。

圖7 階躍響應作用下的鉗指實測位移與自感知位移

4 結束語

本文將空間垂直交叉的兩組逆壓電效應作用于同一鉗指,設計了一種四自由度壓電微夾鉗新構型。根據壓電晶片在電壓作用下發生變形的同時在其表面產生電荷的思想,提出了基于積分電荷的鉗指位移自感知方法。實驗結果表明,本文設計的四自由度壓電微夾鉗沿夾持方向及其垂向均具有良好的靜動態特性,所提出的自感知方法能夠較為準確地獲取鉗指位移。