四自由度壓電微夾鉗的研究.pdf

1、為提高壓電微夾鉗的靈活性、降低其前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度、節(jié)約系統(tǒng)成本，本文基于壓電雙晶片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的四自由度壓電微夾鉗，對(duì)其靜態(tài)特性進(jìn)行了分析及測(cè)試，具體研究工作如下：
　　首先，探索了四自由度壓電微夾鉗的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并對(duì)其靜態(tài)特性進(jìn)行了分析。對(duì)壓電陶瓷晶片進(jìn)行了電極分割，在一個(gè)壓電雙晶片上同時(shí)產(chǎn)生兩組方向相反的橫向逆壓電效應(yīng)，使一個(gè)鉗指同時(shí)產(chǎn)生夾持方向和垂直于夾持方向的位移，從而使兩個(gè)鉗指具有四個(gè)自由度；基于第一類壓電方程和

2、懸臂梁彎曲變形理論，獲得了鉗指沿夾持方向和垂直于夾持方向的輸出位移和夾持力同輸入電壓之間的關(guān)系，結(jié)果表明：在90 V的驅(qū)動(dòng)電壓下，鉗指沿夾持方向和垂直于夾持方向的最大位移分別為32.2μm、46.8μm，沿夾持方向和垂直于夾持方向的夾持力分別為137.0 mN、199.3 mN。
　　其次，采用有限元方法分析了微夾鉗的靜動(dòng)態(tài)特性?；贏NSYS壓電耦合場(chǎng)分析技術(shù)，對(duì)微夾鉗晶片的幾何尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明：鉗指沿夾持方向和垂直

3、于夾持方向位移同長度的平方成正比，隨寬度增加而減小，同厚度成反比，夾持方向位移隨電極寬度增大而增大，垂直于夾持方向位移同電極寬度成正比；最終確定鉗指的幾何尺寸：長為18 mm、寬度為1.6 mm、厚度為0.4 mm、電極寬度為0.5 mm、電極間距為0.05 mm。根據(jù)優(yōu)化后的幾何尺寸對(duì)壓電微夾鉗的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了ANSYS仿真分析，結(jié)果表明：在90 V的電壓作用下，鉗指沿夾持方向和垂直于夾持方向的最大輸出位移分別為37μm、51.4μ

4、m；微夾鉗沿夾持方向和垂直于夾持方向運(yùn)動(dòng)的1階固有頻率分別為2120 Hz、532 Hz；在10 V的階躍電壓作用下，鉗指沿夾持方向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)位移為3.66μm，響應(yīng)時(shí)間為0.1 s，沿垂直于夾持方向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)位移為4.72μm，響應(yīng)時(shí)間為0.1 s。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析的基礎(chǔ)上，制作了微夾鉗實(shí)物。
　　最后，對(duì)微夾鉗靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。基于激光位移傳感器搭建了位移測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)微夾鉗的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：