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兵工学报 2017年第4期38卷 802-809页

作者：胡俊峰蔡建阳江西理工大学机电工程学院江西赣州341000

针对微夹持器在夹持微小物体过程中的黏着问题,提出了一种基于压电振动控制的释放操作方法。应用弹性黏着理论证明了可利用压电振动效应产生的惯性力克服微夹持器与微小物体之间的黏着力,说明了该释放操作方法的可行性。采用实验方法建... 详细信息

针对微夹持器在夹持微小物体过程中的黏着问题,提出了一种基于压电振动控制的释放操作方法。应用弹性黏着理论证明了可利用压电振动效应产生的惯性力克服微夹持器与微小物体之间的黏着力,说明了该释放操作方法的可行性。采用实验方法建立反映压电微夹持器振动特性的动态模型,基于该模型得出稳定释放微小物体时驱动器输入电压幅值和频率应满足的条件。以一种微夹持器为对象搭建实验平台进行微小物体的释放实验,结果表明:所提出的释放操作方法是可行的;同时微小物体的尺寸越小、释放越困难,需要越大的惯性力克服其受到的黏着力。

关键词：机械学微夹持器释放操作黏着振动

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压电式微夹持器设计、建模与实验

压电式微夹持器设计、建模与实验

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作者：蔡建阳江西理工大学

学位级别：硕士

微夹持器广泛应用于生物工程、医疗科学、微机电系统和航空航天等前沿领域,为了实现夹持不规则形状的微小物体、避免对其造成损伤和实现稳定释放,对微夹持器进行设计、建模和释放操作具有重要的理论和实际意义。本文采用实验设计的方法... 详细信息

微夹持器广泛应用于生物工程、医疗科学、微机电系统和航空航天等前沿领域,为了实现夹持不规则形状的微小物体、避免对其造成损伤和实现稳定释放,对微夹持器进行设计、建模和释放操作具有重要的理论和实际意义。本文采用实验设计的方法设计了两种微夹持器,并对其进行了性能优化和释放操作,主要内容如下:采用杠杆原理设计了一种新型的平面微夹持器,为了综合平衡微夹持器的张合量、夹持力灵敏度与快速响应,提出一种基于Kriging模型的性能优化方法。采用有限元软件ANSYS建立夹持器的参数化有限元模型,基于该模型得到对应不同结构参数的各性能指标值,即放大倍数、固有频率、输出刚度和最大应力。采用拉丁超立方抽样方法确定试验点,采用ANSYS计算各试验点对应的响应值。根据试验点进行相关性分析以确定对夹持器性能影响较大的结构参数,并将其作为优化设计变量。根据试验样本点采用Kriging理论建立能反映微夹持器性能指标与设计变量之间关系的非线性模型,为微夹持器的多目标优化提供精确的理论模型。建立以夹持器的放大倍数、固有频率和输出刚度为目标,强度为约束的多目标优化模型,采用多目标遗传算法对其进行全局寻优得到3目标Pareto最优解集,对3个性能指标进行权衡以从Pareto解集中选取最优设计方案。比较分析优化前与优化后的微夹持器各性能指标可知,放大倍数增大了7.4%,固有频率增大了16.46%,输出刚度增大了9.84%,最大应力减小了5.75%,说明所提出的性能优化方法的有效性。为了避免平面微夹持器在夹持微小对象过程中对其造成损伤或脱落,要求对夹持力进行预测和控制。提出了一种将电阻式应变片集成于微夹持器结构实现结构-传感一体化设计。以夹持力产生的应变最大、压电陶瓷驱动力产生的应变最小为目标对传感单元的尺寸参数进行优化设计。采用最小二乘方法分别标定压电驱动器输入电压、夹持力与力传感单元应变之间的关系。结果表明,描述驱动电压与传感单元应变的关系为3阶多项式,力传感单元应变与夹持力之间的关系为线性关系。可得出夹持力与驱动电压之间的关系为3阶多项式,利用该关系式可实现预测和控制夹持力。所提出的设计思路和标定方法为微夹持器设计提供一种新思路。针对平面微夹持器在夹持微小物体过程中的粘着问题,提出了一种基于压电振动控制的释放操作方法。基于弹性粘着理论证明了利用压电振动产生的惯性力可克服微夹持器与微小物体之间的粘着力,说明了该释放操作方法的可行性。采用实验方法建立反映压电微夹持器振动特性的动态模型,基于该模型得出稳定释放微小物体时驱动器输入电压幅值和频率应满足的条件。以一种微夹持器为对象搭建实验平台进行微小物体的释放实验,实验结果表明所提出的释放操作方法的可行性。同时,实验结果表明微小物体的尺寸越小释放越困难,需要越大的惯性力克服其受到的粘着力。针对平面微夹持器夹持微小物体时为2点接触,不能适应不规则形状微小物体的夹持操作,设计了一种能夹持不同大小和形状不规则物体的新型空间微夹持器,由两个相互垂直放置的夹持支链形成空间4点接触式夹持。夹持支链采用二级杠杆原理设计,支链设计下凹槽和上凹槽结构,将上凹槽与下凹槽相互嵌套实现采用一个驱动器同时驱动两个支链。为了提高该微夹持器的夹持平稳性和张合量,提出了一种基于支持向量机建立其性能指标与结构参数之间关系的回归模型,基于该模型对性能指标进行优化。采用所设计的空间微夹持器分别对小螺钉和小电阻进行夹持操作实验,实验结果表明微夹持器能稳定地夹持它们,说明了微夹持器设计和优化的有效性。

关键词：微夹持器压电陶瓷驱动器力传感释放操作夹持平稳性

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