CN102689300B - 用于精密装配的压电驱动微夹持钳及夹持零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精密装配的具备夹持力感知功能的压电驱动微夹持钳及使用所述微夹持钳夹持零件的方法。本发明通过控制压电陶瓷驱动电压实现微夹持钳精确运动控制，实现跨尺度(0.1μm～6mm)异形零件的无损夹持。夹持过程中显微视觉摄像头安装在微夹持钳上方，根据被夹持零件尺寸选择合适的夹持头，当夹持钳和零件未接触时依据显微视觉图像控制夹持钳头靠近零件；当夹持钳和零件接触后通过微力传感器感知夹持力，根据反馈力信号控制微夹持钳运动。本发明能够提高微夹持钳的准确性和可靠性，能够实现零件的无损夹持，以满足精密装配的需求。

Description

用于精密装配的压电驱动微夹持钳及夹持零件的方法

技术领域

本发明涉及精密装配和微机电技术领域，具体涉及一种用于精密装配的压电驱动微夹持钳及夹持零件的方法。

背景技术

随着微细加工技术、微电子技术、微机电***等的发展，迫切需要将多个微尺度零件装配成复杂***。微夹持钳作为微装配***中直接与夹持对象接触的末端执行器，对微装配任务的完成起着决定性作用。常规夹持器存在如下三个缺点：1)无法达到微米级别的定位精度；2)不能实现跨尺度零件平行夹持；3)不具备夹持力的感知能力。因此，传统夹持器无法在精密装配中应用。

压电驱动微夹持钳具备响应快、分辨率高、控制精度高、夹持力大等优点，因此在众多领域得到广泛的应用。研究具有夹持力感应的压电驱动微夹持钳是精密装配中的一个研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于精密装配的具有微力感知功能的通用压电驱动微夹持钳及夹持零件的方法，克服传统夹持钳的不足，实现对异形微尺度零件的无损夹持。

为实现上述目的，根据本发明的一方面，提出一种用于精密装配的压电驱动微夹持钳，其特征在于，该微夹持钳包括：可拆装夹持头1、可拆装夹持头18，压电应变片2、压电应变片17，柔顺夹持机构3，上固定盖6，压电陶瓷驱动器8，预紧块10，顶头14和微夹持钳底座12；

可拆装夹持头1、可拆装夹持头18套装在柔顺夹持机构3的夹持部位；柔顺夹持机构3通过螺钉4、螺钉5、螺钉15和螺钉16与微夹持钳底座12连接；微夹持钳底座12固定在电动或手动平台上，以使微夹持钳自动化或者半自动化运动；压电应变片2、压电应变片17粘贴在柔顺夹持机构3变形量最大的柔性铰链处；

所述压电陶瓷驱动器8外形为圆柱，一端***微夹持钳底座12上的圆孔，另一端和顶头14相接触；上固定盖6压在压电陶瓷驱动器8上，并通过螺钉7和螺钉13和微夹持钳底座12相连；上固定盖6和压电陶瓷驱动器8接触部位设计成圆弧状，使得压电陶瓷驱动器8只可沿轴向方向推动顶头14运动；顶头14放置在微夹持钳底座12上的半圆形槽中，一端和柔顺夹持机构3相接触，另一端和压电陶瓷驱动器8接触；

预紧块10通过螺钉9和螺钉11与微夹持钳底座12连接，为压电陶瓷驱动器8提供预紧力。

根据本发明的另一方面，还提出一种使用所述的微夹持钳夹持零件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，将待夹持零件放置在电控移动平台上，并根据待装配零件的几何尺寸选择合适的夹持头；

步骤2，在微夹持钳上方安装显微视觉摄像头，将摄像头对准微夹持钳的夹持头，以采集待装配零件的在装配空间的位置坐标和姿态角度；

步骤3，根据所述摄像头采集到的待夹持零件的位置和姿态，控制与微夹持钳底座固连的电控移动平台运动，使得待夹持零件进入夹持头的工作范围；

步骤4，当待夹持零件进入夹持头工作范围后，首先通过采集的显微视觉图像确定夹持头和待夹持零件之间的距离；然后接通压电陶瓷驱动器的控制电源，压电陶瓷驱动器输出运动位移，并将此输出位移传递给柔顺夹持机构，柔顺夹持机构将压电陶瓷驱动器的轴线运动转化为夹持头的夹持动作；最后通过控制压电陶瓷驱动器的输出位移使夹持头接触待夹持零件；

步骤5，当夹持头与待夹持零件接触后，将压电陶瓷驱动器的输入电压作为输入，压电应变片检测到的柔顺夹持机构的柔性铰链处的变形量为输出，采用PID方法进行闭环控制；

步骤6，当夹持力满足夹持零件的要求时，切断压电陶瓷驱动器的电源，完成对待夹持零件的无损夹持。本发明提出的压电驱动微夹持钳具有如下优点：1)柔顺夹持机构采用杠杆和平行四杆结构相结合的构型方式，实现对夹持零件的平行夹持；2)解决夹持范围和运动分辨率之间的矛盾，实现跨尺度夹持范围下较高的夹持分辨率；3)通过压电应变片检测夹持形变，由此感知夹持力大小，实现零件的无损夹持。本发明提出的所述微夹持钳体积小、重量轻、适应精细作业显微镜下有限的作业空间。与其它微夹持器相比，本发明具有更大的通用性和适用性，具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明微夹持钳的俯视图。

图2为柔顺夹持机构结构图。

图3为柔性铰链结构图。

图4为柔顺夹持机构放大原理图。

图5为被夹持零件在底座平台上放置的示意图。

图6为使用微夹持钳夹持零件的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明可用于零件的精确夹持、移动和装配。图1为本发明微夹持钳的俯视图，如图1所示，本发明微夹持钳主要包括：可拆装夹持头1、18，压电应变片2、17，柔顺夹持机构3，上固定盖6，压电陶瓷驱动器8，预紧块10，顶头14和微夹持钳底座12。

可拆装夹持头1、18套装在柔顺夹持机构3的夹持部位；柔顺夹持机构3通过螺钉4、5、15和16与微夹持钳底座12连接；微夹持钳底座12固定在电动或手动平台上，以实现微夹持钳的自动化或者半自动化运动；压电应变片2、17粘贴在柔顺夹持机构3变形量最大的柔性铰链处，且压电应变片中应变栅敏感方向与柔性铰链的最大应变方向保持一致，以实现压电应变片2、17对微夹持钳夹持力的感知；

压电陶瓷驱动器8作为微夹持钳的驱动源，能够实现纳米级的运动分辨率；所述压电陶瓷驱动器8外形为圆柱，一端***微夹持钳底座12上的圆孔，另一端和顶头14相接触；同时使用上固定盖6压在压电陶瓷驱动器8上，并通过螺钉7和13和微夹持钳底座12相连；上固定盖6和压电陶瓷驱动器8接触部位设计成圆弧状，使得压电陶瓷驱动器8只可沿轴向方向推动顶头14运动；顶头14放置在微夹持钳底座12上的半圆形槽中，一端和柔顺夹持机构3相接触，另一端和压电陶瓷驱动器8接触，通过预紧块10将顶头14卡在柔顺夹持机构3和压电陶瓷驱动器8中间，将压电陶瓷驱动器8的输出位移和输出力传递给柔顺夹持机构3；

预紧块10通过螺钉9和11与微夹持钳底座12连接，为压电陶瓷驱动器8提供预紧力，所述预紧块10一方面用于保证夹持操作前压电陶瓷驱动器8与柔顺夹持机构3紧密接触，另一方面用于调节微夹持钳口的初始距离(柔顺夹持机构3将预紧块10的进给转化为可拆装夹持头1和18之间的运动，由此调整微夹持钳口的距离)，以实现不同尺度物体的夹持；

柔顺夹持机构3将压电陶瓷驱动器8沿轴向方向的运动转换为可拆装夹持头1和18之间的夹持运动。图2为柔顺夹持机构3的结构图，所述柔顺夹持机构3采用二级柔性铰链杠杆和平行四杆相结合的结构。二级柔性铰链杠杆结构将压电陶瓷驱动器8的输入二级放大，其中一级放大的输入为压电陶瓷驱动器8沿力F方向的输入位移Δy₀，输出为铰链H2处的位移；二级放大的输入为铰链H2处的位移，输出为可拆装夹持头1和18的输出位移Δx，如图2所示。

H1～H7为直梁型柔性铰链结构，其中t为柔性铰链最薄处的厚度，R为倒圆角半径，l为直梁部分长度，b为铰链的厚度，如图3所示。所述柔顺夹持机构3上的平行四杆结构用于限制二级柔性铰链杠杆结构绕某点旋转，实现可拆装夹持头1和18的平行夹持零件的目的。

柔顺夹持机构3的放大原理如图4所示，设点A的坐标(x_A，y_A)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=x_{O^{\′}}+l_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ y_A=y_{O^{\′}}+l_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.$

其中，(x_O′，y_O′)为支撑点O′的坐标，l₁为杆l₁的长度，θ₁为AB形成的直线与水平线的夹角：

点B的坐标(x_B，y_B)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=x_{O^{\′}}-l_2\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ y_B=y_{O^{\′}}-l_2\sin {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.$

其中，l₂为杆l₂的长度。

当A端输入向上的位移Δy₀时，杆l₃绕点B顺时针旋转，杆l₂带动杆l₃绕O′发生逆时针旋转，两个方向的转角都很小而且基本相同。因此，点C的坐标(x_C，y_C)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=x_B\\ y_C=y_B-l_3\end{array}\right.$

其中，l₃为杆l₃的长度。

点D的坐标(x_D，y_D)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_D=x_C-l_4\\ y_D=y_C\end{array}\right.$

其中，l₄为杆l₄的长度。

点F的坐标(x_F，y_F)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_F=(l_6+l_7)\cos ({\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3)\\ y_F=(l_6+l_7)\sin ({\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3)\end{array}\right.$

其中，l₆为杆l₆的长度，l₇为杆l₇的长度， l₅为杆l₅的长度。

由于θ₁很小，所以cosθ₁≈1，因此可以得到输入与输出位移的关系：

$\mathrm{\Δx}=(l_6+l_7)\cos [\arctan \left(\frac{y_{o^{\′}}-l_3-l_2\frac{{\mathrm{\Δy}}_0}{l_1}}{x_{o^{\′}}-l_2-l_4}\right)+\arctan \frac{l_5}{l_6}],$

根据待夹持零件尺寸选择合理的可拆装夹持头1和18，夹持过程中通过压电应变片2、17感知柔顺夹持机构3上柔性铰链处的形变，并通过数据采集装置采集形变信号。当夹持头1和18与被夹持零件19接触时，根据采集的形变信号调整压电陶瓷驱动器8的输入电压，以此构成闭环PID控制，实现对零件无损夹持的目的。

图5为待装配零件在本发明微夹持钳上的位置示意图，在对精密零件进行夹持时，被夹持零件19放置在底座平台20上，该底座平台固定在隔振平台上，固定被夹持零件19的微夹持钳的电动或手动平台也固定在隔振平台上。

本发明同时还提出一种使用所述微夹持钳夹持零件的方法，其流程图如图6所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，将待夹持零件放置在电控移动平台上，并根据待装配零件的几何尺寸选择合适的夹持头，以实现跨尺度零件夹持；

步骤2，在微夹持钳上方安装显微视觉摄像头，将摄像头对准微夹持钳的夹持头，以采集待装配零件的在装配空间的位置坐标和姿态角度；

步骤3，根据所述摄像头采集到的待夹持零件的位置坐标和姿态角度，控制与微夹持钳底座固连的电控移动平台运动，使得待夹持零件进入夹持头的工作范围；

步骤4，当待夹持零件进入夹持头工作范围后，首先通过采集的显微视觉图像确定夹持头和待夹持零件之间的距离；然后接通压电陶瓷驱动器的控制电源，压电陶瓷驱动器输出运动位移，并将此输出位移传递给柔顺夹持机构，柔顺夹持机构将压电陶瓷驱动器的轴线运动转化为夹持头的夹持动作；最后通过控制压电陶瓷驱动器的输出位移使夹持头接触待夹持零件；

步骤5，当夹持头与待夹持零件接触后，将压电陶瓷驱动器的输入电压作为输入，压电应变片检测到的柔顺夹持机构的柔性铰链处的变形量为输出，采用PID方法对所述变形量进行闭环控制；

PID闭环控制方法为现有技术中常用的闭环控制方法，在此不做赘述。

步骤6，当夹持力满足夹持零件的要求时(对应的柔性铰链处的变形量到达某值)，切断压电陶瓷驱动器的电源，完成对待夹持零件的无损夹持。

本发明的微夹持钳的整体尺寸为86mm×60mm×5mm(长×宽×高)，夹持位移分辨率为20nm，夹持重复定位精度为0.15μm。本发明具有结构紧凑，工作空间大、运动精度高等特点，可实现跨尺度零件的无损夹持。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于精密装配的压电驱动微夹持钳，其特征在于，该微夹持钳包括：第一可拆装夹持头(1)、第二可拆装夹持头(18)，第一压电应变片(2)、第二压电应变片(17)，柔顺夹持机构(3)，上固定盖(6)，压电陶瓷驱动器(8)，预紧块(10)，顶头(14)和微夹持钳底座(12)；

第一可拆装夹持头(1)、第二可拆装夹持头(18)套装在柔顺夹持机构(3)的夹持部位；柔顺夹持机构(3)通过第一螺钉(4)、第二螺钉(5)、第三螺钉(15)和第四螺钉(16)与微夹持钳底座(12)连接；微夹持钳底座(12)固定在电动或手动平台上，以使微夹持钳自动化或者半自动化运动；第一压电应变片(2)、第二压电应变片(17)粘贴在柔顺夹持机构(3)变形量最大的柔性铰链处；

所述压电陶瓷驱动器(8)外形为圆柱，一端***微夹持钳底座(12)上的圆孔，另一端和顶头(14)相接触；上固定盖(6)压在压电陶瓷驱动器(8)上，并通过第五螺钉(7)和第六螺钉(13)和微夹持钳底座(12)相连；上固定盖(6)和压电陶瓷驱动器(8)接触部位设计成圆弧状，使得压电陶瓷驱动器(8)只可沿轴向方向推动顶头(14)运动；顶头(14)放置在微夹持钳底座(12)上的半圆形槽中，一端和柔顺夹持机构(3)相接触，另一端和压电陶瓷驱动器(8)接触；

预紧块(10)通过第七螺钉(9)和第八螺钉(11)与微夹持钳底座(12)连接，为压电陶瓷驱动器(8)提供预紧力；

所述柔顺夹持机构(3)将压电陶瓷驱动器(8)沿轴向方向的运动转换为第一可拆装夹持头(1)和第二可拆装夹持头(18)之间的夹持运动，所述柔顺夹持机构(3)采用二级柔性铰链杠杆和平行四杆相结合的结构，二级柔性铰链杠杆结构将压电陶瓷驱动器(8)的输入二级放大，其中一级放大的输入为压电陶瓷驱动器(8)沿力方向的输入位移Δy₀，二级放大的输出为第一可拆装夹持头(1)和第二可拆装夹持头(18)的输出位移Δx，平行四杆结构用于限制二级柔性铰链杠杆结构绕某点旋转，实现第一可拆装夹持头(1)和第二可拆装夹持头(18)平行夹持零件，其中：

$\mathrm{\Δx}=(l_6+l_7)\cos [\arctan \left(\frac{y_{o^{\′}}-l_3-l_2\frac{{\mathrm{\Δy}}_0}{l_1}}{x_{o^{\′}}-l_2-l_4}\right)+\arctan \frac{l_5}{l_6}],$

其中，(x_O'，y_O')为支撑点O'的坐标，l₁为外力作用点A与支撑点O'之间的长度，l₂为支撑点O'与第一中间点B之间的长度，l₃为第一中间点B与第二中间点C之间的长度，l₄为第二中间点C与第三中间点D之间的长度，l₅为第三中间点D与第四中间点E之间的垂直长度，l₆为第四中间点E与所述柔顺夹持机构(3)所在坐标系原点O之间的长度，l₇为第四中间点E与第五中间点F之间的长度。

2.根据权利要求1所述的压电驱动微夹持钳，其特征在于，所述第一和第二压电应变片中应变栅敏感方向与柔性铰链的最大应变方向保持一致，以对微夹持钳夹持力进行感知。

3.根据权利要求2所述的压电驱动微夹持钳，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器(8)作为微夹持钳的驱动源，能够实现纳米级的运动分辨率。

4.根据权利要求1所述的压电驱动微夹持钳，其特征在于，预紧块(10)将顶头(14)卡在柔顺夹持机构(3)和压电陶瓷驱动器(8)中间，将压电陶瓷驱动器(8)的输出位移和输出力传递给柔顺夹持机构(3)。

5.根据权利要求1所述的压电驱动微夹持钳，其特征在于，所述预紧块(10)用于保证夹持操作前压电陶瓷驱动器(8)与柔顺夹持机构(3)紧密接触，还用于调节微夹持钳口的初始距离。

6.根据权利要求1所述的压电驱动微夹持钳，其特征在于，当夹持头(1)和夹持头(18)与被夹持零件(19)接触时，根据采集的形变信号调整压电陶瓷驱动器(8)的输入电压，构成闭环PID控制，以对零件无损夹持。

7.一种使用权利要求1所述的微夹持钳夹持零件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，将待夹持零件放置在电控移动平台上，并根据待装配零件的几何尺寸选择合适的夹持头；

步骤2，在微夹持钳上方安装显微视觉摄像头，将摄像头对准微夹持钳的夹持头，以采集待装配零件的在装配空间的位置坐标和姿态角度；

步骤3，根据所述摄像头采集到的待夹持零件的位置坐标和姿态角度，控制与微夹持钳底座固连的电控移动平台运动，使得待夹持零件进入夹持头的工作范围；

步骤4，当待夹持零件进入夹持头工作范围后，首先通过采集的显微视觉图像确定夹持头和待夹持零件之间的距离；然后接通压电陶瓷驱动器的控制电源，压电陶瓷驱动器输出运动位移，并将此输出位移传递给柔顺夹持机构，柔顺夹持机构将压电陶瓷驱动器的轴线运动转化为夹持头的夹持动作；最后通过控制压电陶瓷驱动器的输出位移使夹持头接触待夹持零件；

步骤5，当夹持头与待夹持零件接触后，将压电陶瓷驱动器的输入电压作为输入，压电应变片检测到的柔顺夹持机构的柔性铰链处的变形量为输出，采用PID方法对所述变形量进行闭环控制；

步骤6，当夹持力满足夹持零件的要求时，切断压电陶瓷驱动器的电源，完成对待夹持零件的无损夹持。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述夹持零件的要求为对应的柔性铰链处的变形量到达某一预定值。