一种拓扑优化柔性微夹钳制造技术

本发明专利技术一种拓扑优化柔性微夹钳，属于微机电系统技术领域中的微执行器类，是一种柔性电热驱动微夹钳。柔性微夹钳由位移放大部分和驱动部分组成，柔性微夹钳为整体结构，钳体左右对称。位移放大部分Ｍ采用拓扑优化方法设计，位移放大部分Ｍ包括为任意空心三角形结构的左、右三角形构件和柔性杆。驱动部分包括Ｖ型梁阵列，左、右驱动固定杆，左、右电极。该微夹钳结构类型独特新颖，输出位移大，响应速度快，控制简单，便于集成，在夹持物体过程中不需要施加驱动，有效节能，非常适用于夹持微小物体进行微装配、微操作等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机电系统
中的微执行器类，是一种柔性电热驱动微夹钳。
技术介绍
微夹钳是MEMS应用领域的一个重要微执行器件，在微装配、微操作等方面扮演着 重要的角色。研究和开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳，是实现微系统科学实验与 产业化的一个关键环节，已成为微机电系统
的一个重要方面。 微夹钳按照机构形式分有刚性和柔性两种。传统的采用刚性结构制作的钳体一般 体积较大，很难实现微小化，不利于微操作，而且在制作、装配上比较困难。相对于传统的刚 性联接结构，柔性结构通过其部分或全部具有柔性的构件组成，柔性机构通过机构本身的 弹性变形来传递运动、力和能量。在形状、尺寸上具有体积小，重量轻，无磨损和运动间隙， 不需润滑和装配等优点，而且易于实现批量生产及驱动单元的集成。现有的柔性微夹钳在 设计时大多是从钳体材料和驱动方式上入手。如采用一些功能材料，如压电材料、形状记忆 合金、磁致伸縮材料等；驱动方式也多种多样，有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、电热驱动 等。电热驱动方式与其他驱动方式相比，具有驱动电压低、结构简单、输出力和输出变形大、 与制造工艺兼容等优点。 电热驱动的柔性微夹钳结构类型多种多样，输出效果也不尽相同。本人已申请的 两种柔性结构微夹钳(专利号200410020675. 9,200410050254. 0)，是采用伪刚体法进行 设计，基于传统机构理论，将传统的刚性杆件和铰链微小化形成杆件和柔性铰链。而本专利技术 采用的基于拓扑优化的设计方法，结构形式与前两种完全不同，而且钳体更具有柔性。有一 种已申请专利的微夹钳(专利号200410021032. 6)虽然也是采用拓扑优化设计钳体，但是 设计目标和本专利技术不同，所以钳体形状也完全不同；该专利的驱动器采用压电陶瓷驱动，而 本专利技术采用的是电热驱动，而且该专利的微夹钳尺寸较大。本专利技术结构类型独特新颖，微夹 钳整体尺寸不超过3毫米，其小尺寸更适合微装配和微操作，材料为金属镍，响应速度快， 同时钳口闭合不需要驱动，而是靠微夹钳自身回程反力夹紧物体，所以在实际操作过程中 节约能源。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服伪刚体法基于传统工程经验设计方法设计微夹钳的缺陷，而 是采用拓扑优化方法，从弹性体材料本身的角度设计微型柔性机构的最佳材料分配方式。 根据不同的工作情况和夹持对象设计出满足不同目标要求的微夹钳机构，得到最优拓扑构 型。该微夹钳在夹持物体过程中不需要施加驱动，有效节能，非常适用于夹持微小物体进行 微装配、微操作等。这种微夹钳结构属于全柔性机构，结构新颖，输出位移大，响应速度快， 控制简单，便于集成，能广泛地应用于微装配、微操作等。 本专利技术的技术方案是一种拓扑优化柔性微夹钳，由位移放大部分和驱动部分组 成，柔性微夹钳为整体结构，钳体左右对称；位移放大部分M采用拓扑优化方法设计，位移放大部分M包括左、右三角形构件7a、7b为任意空心三角形结构，左三角形构件7a上端与 左上柔性杆9a连接，下端与左下柔性杆6a连接，左上、左下柔性杆9a、6a在驱动过程中发 生柔性变形，储存弹性能，右三角形构件7b上端与右上柔性杆9b连接，下端与右下柔性杆 6b连接，右上、右下柔性杆9b、6b在驱动过程中发生柔性变形，储存弹性能，左侧、右侧柔性 杆8a、8b为L型，在驱动过程发生柔性变形，其折弯部位为D、 D'均能储存弹性能，各柔性 铰链部分均能储存弹性能；驱动部分包括V型梁阵列1，左、右驱动固定杆2a、2b，左、右电 极3a、3b ;改变驱动力和驱动位移大小需要改变V型梁阵列1的阵列个数，左、右驱动固定 杆2a、2b分别与左、右电极3a、3b焊接在一起； 柔性微夹钳各构件之间的连接关系如下左、右三角形构件7a、7b分别通过第一 左、右柔性铰链A、A'与位移驱动杆4连接，左三角形构件7a上端和左上柔性杆9a连接于 第三右柔性铰链B'，下端和左下柔性杆6a连接于第二右柔性铰链E'，右三角形构件7b 上端和右上柔性杆9b连接于第四左柔性铰链C'，下端和右下柔性杆6b连接于第五左柔 性铰链F'，左上、左下柔性杆9a、6a分别和左侧柔性杆8a连接于第三左、第二左柔性铰链 B、E，右上、右下柔性杆9b、6b分别和右侧柔性杆8b连接于第四右、第五右柔性铰链C、F，左 侧柔性杆8a上端与左边钳口 10a固连，下端与钳体左固定端5a连接于第六左柔性铰链G， 右侧柔性杆8b上端与右边钳口 10b固连，下端与钳体右固定端5b连接于第六右柔性铰链 G' ;V型梁阵列1通过位移驱动杆4与位移放大部分M连接，V型梁阵列1两边分别和左、 右驱动固定杆2a、2b连接，左、右驱动固定杆2a、2b分别于左、右电极3a、3b焊接在一起。 位移放大部分M和驱动部分为同一种材料。 本专利技术的效果是以连续体拓扑优化作为理论模型，采用SMP (So 1 idl sotropic Microstructure with Penalty)插值的变密度法，以最大输出位移为设计目标完成的微夹 钳钳体的概念设计，设计的微夹钳驱动部分和位移放大部分为一个整体，便于集成，材料为 金属镍，采用UV-LIGA工艺制成，结构类型独特新颖，钳体既具有足够的柔性来产生大的变 形，又有足够的刚性来夹持物体，该微夹钳结构类型独特新颖，输出位移大，响应速度快，控 制简单，便于集成，适用于微小零件的微操作和微装配等，钳口闭合不需要驱动，而是靠微 夹钳自身回程反力夹紧物体，在实际操作过程中能节约能源。附图说明 图1是拓扑优化柔性微夹钳的结构图。图中l-V型梁阵列，2a-左驱动固定杆， 2b-右驱动固定杆，3a-左电极，3b-右电极，4-位移驱动杆，5a-钳体左固定端，5b_钳体右 固定端，M-位移放大部分，6a-左下柔性杆，6b-右下柔性杆，7a-左三角形构件，7b_右三角 形构件，8a-左侧柔性杆，8b-右侧柔性杆，9a-左上柔性杆，9b-右上柔性杆，10a-左边钳口， 10b-右边钳口，A-第一左柔性铰链，A'-第一右柔性铰链，B-第三左柔性铰链，B'-第三 右柔性铰链，C-第四右柔性铰链，C'-第四左柔性铰链，E-第二左柔性铰链，E'-第二右 柔性铰链，F-第五右柔性铰链，F'-第五左柔性铰链，G-第六左柔性铰链，G'-第六右柔 性铰链，D-左侧柔性杆折弯部位，D'-右侧柔性杆折弯部位。 图2是为采用拓扑优化方法设计的微夹钳拓扑图。具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式。如图2所示为钳体放 大部分M的左边部分，右边部分与其对称。然后采用CAD和有限元分析软件，对拓扑优化设 计的拓扑构型进行几何重构，将单点铰链修改为柔性铰链以适当提高刚度，针对具体情况 确定了微夹钳的形状。拓扑优化设计方法摆脱了传统伪刚体法的经验设计思路，而是从弹 性体材料本身角度出发寻求最佳材料分配方式，满足全柔性机构设计思路。 如附图1所示，当给微夹钳施加驱动时在左、右电极3a、3b之间加上合适的电压 后，V形梁阵列1中有电流通过，因高阻产生热，使V形梁膨胀伸长，推动位移驱动杆4产生 一个向上的力和运动。此力和运动通过第一左柔性铰链A使左三角形构件7a产生逆时针 转动，通过第一右柔性铰链A'使右三角形构件7b产生顺时针转动，左三角形构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拓扑优化柔性微夹钳，由位移放大部分和驱动部分组成，其特征是，柔性微夹钳为整体结构，钳体左右对称；位移放大部分Ｍ采用拓扑优化方法设计，位移放大部分Ｍ包括：左、右三角形构件（７ａ、７ｂ）为任意空心三角形结构，左三角形构件（７ａ）上端与左上柔性杆（９ａ）连接，下端与左下柔性杆（６ａ）连接，左上、左下柔性杆（９ａ、６ａ）在驱动过程中发生柔性变形，储存弹性能，右三角形构件（７ｂ）上端与右上柔性杆（９ｂ）连接，下端与右下柔性杆（６ｂ）连接，右上、右下柔性杆（９ｂ、６ｂ）在驱动过程中发生柔性变形，储存弹性能，左侧、右侧柔性杆（８ａ、８ｂ）为Ｌ型，在驱动过程发生柔性变形，其折弯部位为（Ｄ、Ｄ′）均能储存弹性能，各柔性铰链部分均能储存弹性能；驱动部分包括：Ｖ型梁阵列（１），左、右驱动固定杆（２ａ、２ｂ），左、右电极（３ａ、３ｂ）；改变驱动力和驱动位移大小需要改变Ｖ型梁阵列（１）的阵列个数，左、右驱动固定杆（２ａ、２ｂ）分别与左、右电极（３ａ、３ｂ）焊接在一起；　　柔性微夹钳各构件之间的连接关系如下：左、右三角形构件（７ａ、７ｂ）分别通过第一左、右柔性铰链（Ａ、Ａ′）与位移驱动杆（４）连接，左三角形构件（７ａ）上端和左上柔性杆（９ａ）连接于第三右柔性铰链（Ｂ′），下端和左下柔性杆（６ａ）连接于第二右柔性铰链（Ｅ′），右三角形构件（７ｂ）上端和右上柔性杆（９ｂ）连接于第四左柔性铰链（Ｃ′），下端和右下柔性杆（６ｂ）连接于第五左柔性铰链（Ｆ′），左上、左下柔性杆（９ａ、６ａ）分别和左侧柔性杆（８ａ）连接于第三左、第二左柔性铰链（Ｂ、Ｅ），右上、右下柔性杆（９ｂ、６ｂ）分别和右侧柔性杆（８ｂ）连接于第四右、第五右柔性铰链（Ｃ、Ｆ），左侧柔性杆（８ａ）上端与左边钳口（１０ａ）固连，下端与钳体左固定端（５ａ）连接于第六左柔性铰链（Ｇ），右侧柔性杆（８ｂ）上端与右边钳口（１０ｂ）固连，下端与钳体右固定端（５ｂ）连接于第六右柔性铰链（Ｇ′）；Ｖ型梁阵列（１）通过位移驱动杆（４）与位移放大部分Ｍ连接，Ｖ型梁阵列（１）两边分别和左、右驱动固定杆（２ａ、２ｂ）连接，左、右驱动固定杆（２ａ、２ｂ）分别于左、右电极（３ａ、３ｂ）焊接在一起。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：禇金奎，张成，张然，刘帅，王文静，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]