壓電式微夾持器設(shè)計、建模與實驗.pdf

1、微夾持器廣泛應用于生物工程、醫(yī)療科學、微機電系統(tǒng)和航空航天等前沿領(lǐng)域，為了實現(xiàn)夾持不規(guī)則形狀的微小物體、避免對其造成損傷和實現(xiàn)穩(wěn)定釋放，對微夾持器進行設(shè)計、建模和釋放操作具有重要的理論和實際意義。本文采用實驗設(shè)計的方法設(shè)計了兩種微夾持器，并對其進行了性能優(yōu)化和釋放操作，主要內(nèi)容如下：
　　采用杠桿原理設(shè)計了一種新型的平面微夾持器，為了綜合平衡微夾持器的張合量、夾持力靈敏度與快速響應，提出一種基于Kriging模型的性能優(yōu)化方法。采

2、用有限元軟件ANSYS建立夾持器的參數(shù)化有限元模型，基于該模型得到對應不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的各性能指標值，即放大倍數(shù)、固有頻率、輸出剛度和最大應力。采用拉丁超立方抽樣方法確定試驗點，采用ANSYS計算各試驗點對應的響應值。根據(jù)試驗點進行相關(guān)性分析以確定對夾持器性能影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將其作為優(yōu)化設(shè)計變量。根據(jù)試驗樣本點采用Kriging理論建立能反映微夾持器性能指標與設(shè)計變量之間關(guān)系的非線性模型，為微夾持器的多目標優(yōu)化提供精確的理論模型。建立

3、以夾持器的放大倍數(shù)、固有頻率和輸出剛度為目標，強度為約束的多目標優(yōu)化模型，采用多目標遺傳算法對其進行全局尋優(yōu)得到3目標Pareto最優(yōu)解集，對3個性能指標進行權(quán)衡以從Pareto解集中選取最優(yōu)設(shè)計方案。比較分析優(yōu)化前與優(yōu)化后的微夾持器各性能指標可知，放大倍數(shù)增大了7.4%，固有頻率增大了16.46%，輸出剛度增大了9.84%，最大應力減小了5.75%，說明所提出的性能優(yōu)化方法的有效性。
　　為了避免平面微夾持器在夾持微小對象過程中

4、對其造成損傷或脫落，要求對夾持力進行預測和控制。提出了一種將電阻式應變片集成于微夾持器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-傳感一體化設(shè)計。以夾持力產(chǎn)生的應變最大、壓電陶瓷驅(qū)動力產(chǎn)生的應變最小為目標對傳感單元的尺寸參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。采用最小二乘方法分別標定壓電驅(qū)動器輸入電壓、夾持力與力傳感單元應變之間的關(guān)系。結(jié)果表明，描述驅(qū)動電壓與傳感單元應變的關(guān)系為3階多項式，力傳感單元應變與夾持力之間的關(guān)系為線性關(guān)系?？傻贸鰥A持力與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系為3階多項式，利用該關(guān)

5、系式可實現(xiàn)預測和控制夾持力。所提出的設(shè)計思路和標定方法為微夾持器設(shè)計提供一種新思路。
　　針對平面微夾持器在夾持微小物體過程中的粘著問題，提出了一種基于壓電振動控制的釋放操作方法。基于彈性粘著理論證明了利用壓電振動產(chǎn)生的慣性力可克服微夾持器與微小物體之間的粘著力，說明了該釋放操作方法的可行性。采用實驗方法建立反映壓電微夾持器振動特性的動態(tài)模型，基于該模型得出穩(wěn)定釋放微小物體時驅(qū)動器輸入電壓幅值和頻率應滿足的條件。以一種微夾持器為對

6、象搭建實驗平臺進行微小物體的釋放實驗，實驗結(jié)果表明所提出的釋放操作方法的可行性。同時，實驗結(jié)果表明微小物體的尺寸越小釋放越困難，需要越大的慣性力克服其受到的粘著力。
　　針對平面微夾持器夾持微小物體時為2點接觸，不能適應不規(guī)則形狀微小物體的夾持操作，設(shè)計了一種能夾持不同大小和形狀不規(guī)則物體的新型空間微夾持器，由兩個相互垂直放置的夾持支鏈形成空間4點接觸式夾持。夾持支鏈采用二級杠桿原理設(shè)計，支鏈設(shè)計下凹槽和上凹槽結(jié)構(gòu)，將上凹槽與下凹