基本信息
- 項目名稱：
- 磁致伸縮式微動夾鉗
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 作品基于稀土超磁致伸縮材料輸出位移大、輸出力大、反應迅速等優(yōu)勢性能并結(jié)合柔性鉸鏈機構(gòu)而開發(fā)的一種新型微動夾鉗?？蓪崿F(xiàn)對微小目標的夾持、移動和裝配，具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出精度高等特點。
- 詳細介紹：
- 作品基于超磁致伸縮材料提出了一種新型的微動夾鉗。超磁致伸縮材料具有輸出力及位移量大，響應速度快等特點，以其作為驅(qū)動源提高了微動夾鉗的夾持力及夾持范圍，且輸出精度高，驅(qū)動簡單易于控制。作品采用彈性良好的65Mn板體經(jīng)線切割加工而成，鉗體結(jié)構(gòu)簡單，采用杠桿機構(gòu)，可以對輸出位移量進行放大。另外，用柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉸鏈，該柔性鉸鏈易于加工制造，無間隙和摩擦，免于潤滑和磨損，穩(wěn)定性好，可提高運動精度和使用壽命。作品對微動夾鉗的磁路進行了設計，并采用有限元軟件ANSYS進行了相關(guān)磁場分析。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1）設計、發(fā)明的目的 微動夾鉗是微操作領(lǐng)域的重要執(zhí)行器件，用于完成微小目標的夾持、移動和組裝等動作。現(xiàn)有的微動夾鉗普遍存在夾持范圍小、夾持力小、響應速度慢等不足。因此，開發(fā)一種綜合性能良好的微動夾鉗，對微裝配系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的作用。 2）基本思路 微動夾鉗主要性能指標有：夾持范圍、夾持力、響應速度、控制精度。而超磁致伸縮材料（GMM）的特點是輸出力及位移大、響應迅速、位移分辨率高。因此，作品采用了GMM棒作為驅(qū)動源，并設計柔性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微動夾鉗的夾持功能。 3）創(chuàng)新點 基于GMM材料的特性構(gòu)造了一種新型的微動夾鉗。鉗體部分采用具有柔性鉸鏈機構(gòu)的一體化結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)鉗體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。對微動夾鉗進行了封裝，與三維數(shù)控平臺相結(jié)合，設計了一種微動裝配系統(tǒng)。 4）技術(shù)關(guān)鍵 GMM棒：甘肅天星公司提供，幾何參數(shù)為φ8×50mm； 板材：65Mn； 柔性鉸鏈設計（mm）:最小厚度t=1.5，圓弧半徑R=3，寬度b=10，高度h=5.5； 磁路設計（mm）:線圈匝數(shù)N=1355，線徑d=0.83，線圈長度L=46，線圈內(nèi)徑a1=7，線圈外徑a2=35。 5）主要技術(shù)指標 夾持范圍：280μm 精度： 0.1μm 驅(qū)動電流：0～4A
科學性、先進性
- 采用GMM作為驅(qū)動源設計制作微動夾鉗，在國內(nèi)屬于領(lǐng)先水平。 作品與現(xiàn)有微動夾鉗的技術(shù)比較: 1）平板靜電驅(qū)動：夾持行程110μm，響應時間500μs，夾持力50mN，驅(qū)動電壓50-100V； 2）電磁驅(qū)動：夾持力630mN，驅(qū)動電壓8V； 3）形狀記憶合金驅(qū)動：夾持行程120μm，響應時間為ms級； 4）熱驅(qū)動：夾持行程110μm，響應時間為ms級，夾持力50mN，驅(qū)動電壓10V； 5）壓電驅(qū)動：夾持行程110μm，響應時間10μs，驅(qū)動電壓100V； 6）GMM驅(qū)動：夾持行程280μm，響應時間1μs，夾持力0-10N，驅(qū)動電壓10V。 綜上所述，作品具有夾持范圍大、響應速度快、夾持力大且易于控制等優(yōu)勢。 參考文獻： [1]孫立寧,孫紹云,榮偉彬,等. 微操作機器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機器人,2002,24(2):184-187 （研究報告參考文獻[1][5][9]）
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 作品在第十一屆 “挑戰(zhàn)杯” 全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽某省賽區(qū)獲得一等獎； 作品在某校舉辦的“挑戰(zhàn)杯”比賽中獲得第一名； 作品于2009年6月8日在江西省科學技術(shù)情報研究所進行科技查新，查新結(jié)果：“目前國內(nèi)尚未見具有柔性鉸鏈機構(gòu)的一體化結(jié)構(gòu)、采用稀土超磁致伸縮材料為驅(qū)動源的微夾鉗的研究報道，本課題具有新穎性”。查新報告見附件。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 完全轉(zhuǎn)讓、部分轉(zhuǎn)讓、企業(yè)合作等皆可
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖片、現(xiàn)場演示、
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：作品采用三維數(shù)控實驗平臺進行模擬操作與演示，通過運動控制卡控制數(shù)控實驗平臺進行精確定位，并控制電流輸出實現(xiàn)微動夾鉗動作，達到夾持、移動和裝配的目的。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：1、結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造 2、輸出位移大，能夾持物體尺寸的范圍廣，精度高，響應速度快 3、驅(qū)動電壓低，低于10伏，能與IC電路兼容 適用范圍及推廣前景：可廣泛應用于微型機械制造、超精密加工、光纖對接、微型機械零件和裝配、微型機械電子器件加工封裝等領(lǐng)域。推廣前景極為廣泛。 作品成本預算： GMM棒：620元×1根； 鉗體材料及加工費：80元； 驅(qū)動線圈：30元； 合計：730元。 作品應用及推廣前景廣泛，且結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，便于加工成型。如果產(chǎn)品實現(xiàn)批量生產(chǎn)，可廣泛地應用于當今前沿科技的多個應用領(lǐng)域，具有可觀的市場價值。 另一方面，我們還將GMM應用于微流體控制領(lǐng)域，制作出了磁致伸縮式微泵模型（祥見研究報告3.3.2），促進了GMM的研究及發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 目前國內(nèi)外有關(guān)微動夾鉗的研究主要是針對驅(qū)動源進行展開，從而對結(jié)構(gòu)功能進行創(chuàng)新設計，以下以驅(qū)動源進行分類，對國內(nèi)外研究的幾種微動夾鉗做簡單的介紹。 (a)靜電驅(qū)動微動夾鉗 Chu P Ban，Pister S J等人研制出的平板式靜電微夾鉗主要由兩個平行板產(chǎn)生靜電力驅(qū)動夾鉗動作。由集靜電驅(qū)動器、彈性梁和兩個鉗臂于一體的兩個多晶硅板展開構(gòu)成微動夾鉗。該夾鉗初始鉗口距離為100um，閉合這個微動夾鉗的延遲時間為50μs，夾持力為50μN，施加電壓50-100V。 (b)熱驅(qū)動微動夾鉗 熱驅(qū)動微動夾鉗是利用熱在結(jié)構(gòu)中的不對稱分布，使各部分變形不同，從而使微動夾鉗產(chǎn)生相應的動作。熱能的產(chǎn)生方式一般為電流流過結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的焦耳熱。大連理工大學研制出的一件柔性電熱微動夾鉗通過引入偽剛體模型設計柔性機構(gòu)的概念并利用Coventor Ware軟件對所設計的驅(qū)動器和微夾鉗進行了仿真分析，確定了V型梁驅(qū)動器的幾何參數(shù)，根據(jù)仿真結(jié)果討論了微夾鉗的位移輸出、夾持力、和溫度情況。 (c)電磁驅(qū)動微動夾鉗 電磁驅(qū)動主要利用電磁線圈通電時產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動微動夾鉗。電磁驅(qū)動的特點在于動作響應快，便于控制。與壓電晶體驅(qū)動式微夾持器相比，內(nèi)置電磁驅(qū)動微夾持器能獲得較大的動作范圍。 (d) 形狀記憶合金微動夾鉗 形狀記憶合金是一種功能材料，有兩種不同的金屬相，它們可以在不同的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地存在。經(jīng)過一定的熱處理和記憶訓練后，對原有的形狀具有記憶能力。利用這種記憶功能，可實現(xiàn)夾取、釋放等動作。 (e)壓電驅(qū)動微動夾鉗 壓電驅(qū)動與記憶合金驅(qū)動相似，都為功能材料驅(qū)動。壓電驅(qū)動微動夾鉗是由壓電驅(qū)動器為柔性鉗體提供位移。這類微動夾鉗的驅(qū)動部分多用壓電塊或壓電堆提供。大連理工大學制作了一款由壓電陶瓷驅(qū)動的微動夾鉗，其鉗體材料為45號調(diào)質(zhì)鋼，利用線切割加工工藝制作。微動夾鉗鉗口初始尺寸為0.45mm時，當壓電陶瓷輸入電壓為80v時，鉗口的最大位移為110μm。
