[发明专利]一种平行输出的压电驱动微夹持器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种平行输出的压电驱动微夹持器及其控制方法，属于精密机械领域。微夹持器包括柔性夹持单元、压电叠堆、预紧楔块和基座。柔性夹持单元由夹刀、夹持臂、弹性片Ⅰ、菱形柔顺机构和弹性片Ⅱ组成。工作时，压电叠堆在电信号的激励下伸长，推动柔性夹持单元中的菱形柔顺机构产生y向拉伸变形，两个夹刀在夹持臂的作用下相互靠近，完成了平行输出的夹持动作。本发明的优点在于：实现了夹持臂和夹刀的平行输出，同时利用刚度一致的弹性片Ⅰ和Ⅱ对菱形柔顺机构进行两端约束，消除了夹持臂在压电叠堆伸长时沿y向的寄生位移，提高了夹持动作的精度，可用于纳米科学与技术、微机电系统装配、生物工程等领域。

技术领域

本发明涉及一种平行输出的压电驱动微夹持器及其控制方法，属于精密机械领域。本发明解决了传统微夹持器因旋转夹持或柔性机构寄生位移造成的非输出方向的运动误差。可用于微制造、微装配等微机电系统领域。

背景技术

随着先进制造、生物工程、医疗微纳操作技术的深入发展，各领域对微型化物体的需求日益增长，物体特征尺寸常介于几十微米到几百微米之间，因此，如何准确的夹持、转移微型化物体且避免对其造成损伤成为了研究重点。相较于其他原理的微夹持器，压电驱动式微夹持器以其输出精度高、工作带宽大和不受电磁干扰的特点受到广泛关注，从而获得了极大的发展。

但传统的微夹持器是通过夹持臂的旋转运动带动端部，完成夹持动作，其缺点在于夹持物体时，由于夹刀与物体表面呈一定角度，无法实现垂直夹持，需要夹刀提供一定摩擦力来实现平衡，物体极易发生滑移；且旋转运动带来的寄生位移也会以输出误差的形式造成夹持精度下降的问题。因此，本发明设计了一种新型的柔性夹持单元，将压电叠堆的伸长转化为夹刀的平行输出。可结合实际应用需求，将高低电平信号进行组合，对微夹持器进行控制，不仅能够实现所夹物体的应力分布均匀，还能实现无纵向输出误差的平行夹持。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种平行输出的压电驱动微夹持器及其控制方法，所设计的微夹持器能够产生平行输出的夹持动作，具有夹持精度高的优点，在实际应用中更具价值。

本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：

一种平行输出的压电驱动微夹持器包括柔性夹持单元、压电叠堆、预紧楔块和基座；所述的柔性夹持单元由夹刀、夹持臂、弹性片Ⅰ、菱形柔顺机构和弹性片Ⅱ组成；所述的弹性片Ⅱ、菱形柔顺机构和弹性片Ⅰ依次在y方向串联排布，夹持臂对称分布于菱形柔顺机构两侧，夹刀置于夹持臂末端作为输出机构；所述的压电叠堆通过预紧楔块嵌于柔性夹持单元的菱形柔顺机构中；所述的柔性夹持单元通过螺钉固连在基座上；所述的弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ在设计结构尺寸时进行了刚度匹配，使二者y向刚度完全一致。

本发明的另一目的在于提供一种平行输出的压电驱动微夹持器的控制方法，包括以下步骤：

①将压电叠堆和预紧楔块以过盈配合的方式内嵌于柔性夹持单元的菱形柔顺机构中，通过螺钉将柔性夹持单元固连于基座上，微夹持器有两种信号响应状态；

②低电平状态：压电叠堆的激励信号处于低电平，此时压电叠堆处于初始状态，微夹持器保持静止；

③高电平状态：压电叠堆的激励信号处于高电平，此时压电叠堆伸长，推动菱形柔顺机构在y方向上拉伸变形，进而在x方向上产生收缩运动，夹刀和夹持臂在菱形柔顺机构的带动下完成平行输出的夹持动作；由于弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ刚度相同，在压电叠堆作用下中点的挠度相同，因此夹刀和夹持臂不会产生沿y方向的平移运动，抑制了夹持动作相对于输出方向的寄生位移。

④调节激励信号电压幅值，可实现夹刀输出行程的调控；调节激励信号持续时长，可实现夹持动作保持时间的调控；实际应用中，应根据夹持动作需要，灵活组合激励信号，实现合理的平行输出夹持动作。

本发明的有益效果在于：结构轻便、控制简单，配合简单的高低电平控制信号即可实现微夹持器的平行输出，不仅可以改善被夹物体的应力分布，还能消除y向的输出误差。

附图说明