四自由度壓電自感知微夾鉗的設(shè)計(jì)

于 力,崔玉國(guó),熊志文,馬劍強(qiáng),楊依領(lǐng)

(寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著各種微零件逐漸集成化和復(fù)雜化,操作對(duì)象的尺寸已進(jìn)入微納操作范圍,傳統(tǒng)的操作工具已無(wú)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(lǐng)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(yùn)操作,與微動(dòng)平臺(tái)相結(jié)合,還能實(shí)現(xiàn)微零件的裝配操作[2];在微操作領(lǐng)域,微夾鉗可以完成細(xì)胞的抓取和釋放操作[3]。根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)原理,微夾鉗包括氣動(dòng)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(yīng)速度快,成本較低,廣泛應(yīng)用于微裝配和微操作等領(lǐng)域。

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu),壓電式微夾鉗可分為柔順機(jī)構(gòu)式和單/雙晶片式。Liang等[7]研制的微夾鉗采用單動(dòng)爪非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有三級(jí)放大機(jī)構(gòu),采用兩個(gè)激光位移傳感器分別測(cè)量輸入、輸出位移。在執(zhí)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(dá)到128.41 μm。Das等[8]研制了一種具有平行抓取技術(shù)和三級(jí)放大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的微夾鉗,微夾鉗在150 V、0.2 Hz正弦波驅(qū)動(dòng)下,采用平面鏡干涉儀測(cè)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(qū)動(dòng)微夾鉗,通過(guò)外部微位移傳感器檢測(cè)鉗指位移,并通過(guò)力觀測(cè)器獲取夾持力,完成了對(duì)直徑?250 μm導(dǎo)線的抓取任務(wù)。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(cè)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(jī)構(gòu)式微夾鉗夾持力較大,但需要放大機(jī)構(gòu)放大壓電疊層致動(dòng)器以獲取較大的鉗指位移,這使微夾鉗結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。單/雙晶片式微夾鉗夾持力較小,但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)自由度,整個(gè)微夾鉗僅有兩個(gè)自由度,只能完成夾持動(dòng)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(cè)鉗指位移和夾持力,這些傳感器價(jià)格昂貴。此外,受空間限制,有的系統(tǒng)無(wú)法安裝傳感器,不便于微裝配與微操作系統(tǒng)的應(yīng)用。

本文將兩組空間垂直交叉的逆壓電效應(yīng)作用于同一鉗指,設(shè)計(jì)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(shí),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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 鉗指運(yùn)動(dòng)原理

圖1為兩自由度鉗指結(jié)構(gòu),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(gòu)成,上晶片的非粘結(jié)面上有相互絕緣的3個(gè)電極,其中左電極、中間電極為驅(qū)動(dòng)電極,右電極為地電極,上晶片的粘結(jié)面無(wú)電極;下晶片的非粘結(jié)面上與上晶片一致,其中中間電極、右電極為驅(qū)動(dòng)電極,左電極為地電極,下晶片的粘結(jié)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(jié),并使上、下晶片的左、中、右電極分別對(duì)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(dāng)在鉗指左電極上表面和鉗指右電極下表面分別施加驅(qū)動(dòng)電壓uy時(shí),左電極電場(chǎng)向下,與極化方向相反,左電極部分將沿圖1的+x方向伸長(zhǎng);右電極電場(chǎng)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(shí)作用下,鉗指便可向夾持方向(圖1中+y向)運(yùn)動(dòng),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(dāng)在鉗指中間電極施加驅(qū)動(dòng)電壓uz時(shí),上晶片電場(chǎng)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(zhǎng);下晶片電場(chǎng)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(shí)作用下,鉗指可向垂直夾持方向(圖1中-z向)運(yùn)動(dòng),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(dāng)uy、uz同時(shí)作用于鉗指時(shí),可使鉗指同時(shí)沿夾持方向和垂直于夾持方向運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn),1個(gè)鉗指具有2個(gè)自由度,而由2個(gè)鉗指構(gòu)成的微夾鉗則具有4個(gè)自由度。

圖2 鉗指運(yùn)動(dòng)原理

1.2 微夾鉗結(jié)構(gòu)

圖3為四自由度壓電微夾鉗結(jié)構(gòu)。它由呈夾鉗狀的上、下壓電陶瓷晶片構(gòu)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(qū),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(qū),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(guān)系

壓電執(zhí)行器在驅(qū)動(dòng)電壓u作用下會(huì)發(fā)生變形,當(dāng)其輸出端不受約束時(shí),該變形成為壓電執(zhí)行器的輸出位移δ,壓電執(zhí)行器在變形的同時(shí),其晶片還會(huì)發(fā)生電極化,從而在晶片表面產(chǎn)生電荷Q。δ與u的關(guān)系以及Q與u的關(guān)系,根據(jù)壓電材料的逆壓電效應(yīng)、介電效應(yīng)可分別表示為

δ=au

(1)

Q=Cpu

(2)

式中:a為位移-電壓系數(shù);Cp為壓電執(zhí)行器的電容。

根據(jù)式(1)、(2)可得δ與Q的關(guān)系為

δ=αQ

(3)

式中α=a/Cp為位移-電荷系數(shù)。

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(guān)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(shù)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(shù)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(guò)相應(yīng)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(yùn)算放大器,K為手動(dòng)開關(guān);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(duì)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(guò)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(jìn)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(guò)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(guò)所提出的自感知方法獲得。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

圖5為對(duì)鉗指位移進(jìn)行自感知驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)電源、壓電微夾鉗、激光位移傳感器、自感知電路構(gòu)成。

圖5 位移自感知測(cè)試系統(tǒng)

3.2 自感知驗(yàn)證

3.2.1 靜態(tài)位移

給鉗指左、右電極施加上升與下降時(shí)間均為10 s、最大值為150 V(即圖2中uy為150 V)的三角波驅(qū)動(dòng)電壓;給鉗指中間電極施加上升和下降時(shí)間均為5 s、最大值為75 V(即圖2中uz為75 V)的三角波驅(qū)動(dòng)電壓。圖6為三角波作用下的鉗指實(shí)測(cè)位移與自感知位移。由圖可知,由激光位移傳感器測(cè)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(cè)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(shè)計(jì)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(shí)測(cè)位移具有良好的一致性。

圖6 三角波作用下的鉗指實(shí)測(cè)位移與自感知位移

3.2.2 階躍響應(yīng)

給鉗指左、右電極施加上升時(shí)刻為第1 s、持續(xù)作用時(shí)間為9 s、幅值為50 V(即圖2中uz為50 V)的階躍驅(qū)動(dòng)電壓,給鉗指中間電極施加上升時(shí)刻為第1 s、持續(xù)時(shí)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(yīng)作用下的鉗指實(shí)測(cè)位移與自感知位移。由圖可知,左、右鉗指沿夾持方向的實(shí)測(cè)位移的穩(wěn)態(tài)值分別為21.27 μm、21.47 μm,響應(yīng)時(shí)間分別為0.22 s、0.21 s,自感知位移的穩(wěn)態(tài)值分別為21.02 μm、21.19 μm,響應(yīng)時(shí)間分別為0.22 s、0.21 s;左、右鉗指垂直于夾持方向的實(shí)測(cè)位移的穩(wěn)態(tài)值分別為 20.28 μm、20.16 μm,響應(yīng)時(shí)間分別為0.20 s、0.21 s,自感知位移的穩(wěn)態(tài)值分別為20.15 μm、19.97 μm,響應(yīng)時(shí)間均為0.21 s。因此,所設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,即使在動(dòng)態(tài)情況下,自感知位移同實(shí)測(cè)位移仍具有良好的一致性。

圖7 階躍響應(yīng)作用下的鉗指實(shí)測(cè)位移與自感知位移

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將空間垂直交叉的兩組逆壓電效應(yīng)作用于同一鉗指,設(shè)計(jì)了一種四自由度壓電微夾鉗新構(gòu)型。根據(jù)壓電晶片在電壓作用下發(fā)生變形的同時(shí)在其表面產(chǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)特性,所提出的自感知方法能夠較為準(zhǔn)確地獲取鉗指位移。