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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 磁致伸縮式微動(dòng)夾鉗
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作B類(lèi)
- 簡(jiǎn)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(yīng)迅速等優(yōu)勢(shì)性能并結(jié)合柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)而開(kāi)發(fā)的一種新型微動(dòng)夾鉗?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)微小目標(biāo)的夾持、移動(dòng)和裝配，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出精度高等特點(diǎn)。
- 詳細(xì)介紹：
- 作品基于超磁致伸縮材料提出了一種新型的微動(dòng)夾鉗。超磁致伸縮材料具有輸出力及位移量大，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，以其作為驅(qū)動(dòng)源提高了微動(dòng)夾鉗的夾持力及夾持范圍，且輸出精度高，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單易于控制。作品采用彈性良好的65Mn板體經(jīng)線(xiàn)切割加工而成，鉗體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用杠桿機(jī)構(gòu)，可以對(duì)輸出位移量進(jìn)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(wú)間隙和摩擦，免于潤(rùn)滑和磨損，穩(wěn)定性好，可提高運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命。作品對(duì)微動(dòng)夾鉗的磁路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了相關(guān)磁場(chǎng)分析。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1）設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的 微動(dòng)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(biāo)的夾持、移動(dòng)和組裝等動(dòng)作?，F(xiàn)有的微動(dòng)夾鉗普遍存在夾持范圍小、夾持力小、響應(yīng)速度慢等不足。因此，開(kāi)發(fā)一種綜合性能良好的微動(dòng)夾鉗，對(duì)微裝配系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的作用。 2）基本思路 微動(dòng)夾鉗主要性能指標(biāo)有：夾持范圍、夾持力、響應(yīng)速度、控制精度。而超磁致伸縮材料（GMM）的特點(diǎn)是輸出力及位移大、響應(yīng)迅速、位移分辨率高。因此，作品采用了GMM棒作為驅(qū)動(dòng)源，并設(shè)計(jì)柔性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微動(dòng)夾鉗的夾持功能。 3）創(chuàng)新點(diǎn) 基于GMM材料的特性構(gòu)造了一種新型的微動(dòng)夾鉗。鉗體部分采用具有柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的一體化結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)鉗體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)微動(dòng)夾鉗進(jìn)行了封裝，與三維數(shù)控平臺(tái)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種微動(dòng)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(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)（mm）:線(xiàn)圈匝數(shù)N=1355，線(xiàn)徑d=0.83，線(xiàn)圈長(zhǎng)度L=46，線(xiàn)圈內(nèi)徑a1=7，線(xiàn)圈外徑a2=35。 5）主要技術(shù)指標(biāo) 夾持范圍：280μm 精度： 0.1μm 驅(qū)動(dòng)電流：0～4A
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 采用GMM作為驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)制作微動(dòng)夾鉗，在國(guó)內(nèi)屬于領(lǐng)先水平。 作品與現(xiàn)有微動(dòng)夾鉗的技術(shù)比較: 1）平板靜電驅(qū)動(dòng)：夾持行程110μm，響應(yīng)時(shí)間500μs，夾持力50mN，驅(qū)動(dòng)電壓50-100V； 2）電磁驅(qū)動(dòng)：夾持力630mN，驅(qū)動(dòng)電壓8V； 3）形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)：夾持行程120μm，響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)； 4）熱驅(qū)動(dòng)：夾持行程110μm，響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)，夾持力50mN，驅(qū)動(dòng)電壓10V； 5）壓電驅(qū)動(dòng)：夾持行程110μm，響應(yīng)時(shí)間10μs，驅(qū)動(dòng)電壓100V； 6）GMM驅(qū)動(dòng)：夾持行程280μm，響應(yīng)時(shí)間1μs，夾持力0-10N，驅(qū)動(dòng)電壓10V。 綜上所述，作品具有夾持范圍大、響應(yīng)速度快、夾持力大且易于控制等優(yōu)勢(shì)。 參考文獻(xiàn)： [1]孫立寧,孫紹云,榮偉彬,等. 微操作機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)器人,2002,24(2):184-187 （研究報(bào)告參考文獻(xiàn)[1][5][9]）
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 作品在第十一屆 “挑戰(zhàn)杯” 全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽某省賽區(qū)獲得一等獎(jiǎng)； 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(xué)技術(shù)情報(bào)研究所進(jìn)行科技查新，查新結(jié)果：“目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)具有柔性鉸鏈機(jī)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(dòng)源的微夾鉗的研究報(bào)道，本課題具有新穎性”。查新報(bào)告見(jiàn)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(shí)物、產(chǎn)品、圖片、現(xiàn)場(chǎng)演示、
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：作品采用三維數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬操作與演示，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行精確定位，并控制電流輸出實(shí)現(xiàn)微動(dòng)夾鉗動(dòng)作，達(dá)到夾持、移動(dòng)和裝配的目的。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)速度快 3、驅(qū)動(dòng)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(yīng)用于微型機(jī)械制造、超精密加工、光纖對(duì)接、微型機(jī)械零件和裝配、微型機(jī)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(yù)算： GMM棒：620元×1根； 鉗體材料及加工費(fèi)：80元； 驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈：30元； 合計(jì)：730元。 作品應(yīng)用及推廣前景廣泛，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于加工成型。如果產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，可廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今前沿科技的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，具有可觀的市場(chǎng)價(jià)值。 另一方面，我們還將GMM應(yīng)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(jiàn)研究報(bào)告3.3.2），促進(jìn)了GMM的研究及發(fā)展。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)微動(dòng)夾鉗的研究主要是針對(duì)驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行展開(kāi)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以下以驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究的幾種微動(dòng)夾鉗做簡(jiǎn)單的介紹。 (a)靜電驅(qū)動(dòng)微動(dòng)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(gè)平行板產(chǎn)生靜電力驅(qū)動(dòng)夾鉗動(dòng)作。由集靜電驅(qū)動(dòng)器、彈性梁和兩個(gè)鉗臂于一體的兩個(gè)多晶硅板展開(kāi)構(gòu)成微動(dòng)夾鉗。該夾鉗初始鉗口距離為100um，閉合這個(gè)微動(dòng)夾鉗的延遲時(shí)間為50μs，夾持力為50μN(yùn)，施加電壓50-100V。 (b)熱驅(qū)動(dòng)微動(dòng)夾鉗 熱驅(qū)動(dòng)微動(dòng)夾鉗是利用熱在結(jié)構(gòu)中的不對(duì)稱(chēng)分布，使各部分變形不同，從而使微動(dòng)夾鉗產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。熱能的產(chǎn)生方式一般為電流流過(guò)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的焦耳熱。大連理工大學(xué)研制出的一件柔性電熱微動(dòng)夾鉗通過(guò)引入偽剛體模型設(shè)計(jì)柔性機(jī)構(gòu)的概念并利用Coventor Ware軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器和微夾鉗進(jìn)行了仿真分析，確定了V型梁驅(qū)動(dòng)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(dòng)微動(dòng)夾鉗 電磁驅(qū)動(dòng)主要利用電磁線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)微動(dòng)夾鉗。電磁驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)在于動(dòng)作響應(yīng)快，便于控制。與壓電晶體驅(qū)動(dòng)式微夾持器相比，內(nèi)置電磁驅(qū)動(dòng)微夾持器能獲得較大的動(dòng)作范圍。 (d) 形狀記憶合金微動(dòng)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(guò)一定的熱處理和記憶訓(xùn)練后，對(duì)原有的形狀具有記憶能力。利用這種記憶功能，可實(shí)現(xiàn)夾取、釋放等動(dòng)作。 (e)壓電驅(qū)動(dòng)微動(dòng)夾鉗 壓電驅(qū)動(dòng)與記憶合金驅(qū)動(dòng)相似，都為功能材料驅(qū)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)微動(dòng)夾鉗是由壓電驅(qū)動(dòng)器為柔性鉗體提供位移。這類(lèi)微動(dòng)夾鉗的驅(qū)動(dòng)部分多用壓電塊或壓電堆提供。大連理工大學(xué)制作了一款由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微動(dòng)夾鉗，其鉗體材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，利用線(xiàn)切割加工工藝制作。微動(dòng)夾鉗鉗口初始尺寸為0.45mm時(shí)，當(dāng)壓電陶瓷輸入電壓為80v時(shí)，鉗口的最大位移為110μm。
