基本信息
- 项目名称：
- 磁致伸缩式微动夹钳
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 作品基于稀土超磁致伸缩材料输出位移大、输出力大、反应迅速等优势性能并结合柔性铰链机构而开发的一种新型微动夹钳。可实现对微小目标的夹持、移动和装配，具有结构简单、输出精度高等特点。
- 详细介绍：
- 作品基于超磁致伸缩材料提出了一种新型的微动夹钳。超磁致伸缩材料具有输出力及位移量大，响应速度快等特点，以其作为驱动源提高了微动夹钳的夹持力及夹持范围，且输出精度高，驱动简单易于控制。作品采用弹性良好的65Mn板体经线切割加工而成，钳体结构简单，采用杠杆机构，可以对输出位移量进行放大。另外，用柔性铰链代替传统的铰链，该柔性铰链易于加工制造，无间隙和摩擦，免于润滑和磨损，稳定性好，可提高运动精度和使用寿命。作品对微动夹钳的磁路进行了设计，并采用有限元软件ANSYS进行了相关磁场分析。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1）设计、发明的目的 微动夹钳是微操作领域的重要执行器件，用于完成微小目标的夹持、移动和组装等动作。现有的微动夹钳普遍存在夹持范围小、夹持力小、响应速度慢等不足。因此，开发一种综合性能良好的微动夹钳，对微装配系统的发展具有重要的作用。 2）基本思路 微动夹钳主要性能指标有：夹持范围、夹持力、响应速度、控制精度。而超磁致伸缩材料（GMM）的特点是输出力及位移大、响应迅速、位移分辨率高。因此，作品采用了GMM棒作为驱动源，并设计柔性结构实现微动夹钳的夹持功能。 3）创新点 基于GMM材料的特性构造了一种新型的微动夹钳。钳体部分采用具有柔性铰链机构的一体化结构，并实现钳体结构的优化设计。对微动夹钳进行了封装，与三维数控平台相结合，设计了一种微动装配系统。 4）技术关键 GMM棒：甘肃天星公司提供，几何参数为φ8×50mm； 板材：65Mn； 柔性铰链设计（mm）:最小厚度t=1.5，圆弧半径R=3，宽度b=10，高度h=5.5； 磁路设计（mm）:线圈匝数N=1355，线径d=0.83，线圈长度L=46，线圈内径a1=7，线圈外径a2=35。 5）主要技术指标 夹持范围：280μm 精度： 0.1μm 驱动电流：0～4A
科学性、先进性
- 采用GMM作为驱动源设计制作微动夹钳，在国内属于领先水平。 作品与现有微动夹钳的技术比较: 1）平板静电驱动：夹持行程110μm，响应时间500μs，夹持力50mN，驱动电压50-100V； 2）电磁驱动：夹持力630mN，驱动电压8V； 3）形状记忆合金驱动：夹持行程120μm，响应时间为ms级； 4）热驱动：夹持行程110μm，响应时间为ms级，夹持力50mN，驱动电压10V； 5）压电驱动：夹持行程110μm，响应时间10μs，驱动电压100V； 6）GMM驱动：夹持行程280μm，响应时间1μs，夹持力0-10N，驱动电压10V。 综上所述，作品具有夹持范围大、响应速度快、夹持力大且易于控制等优势。 参考文献： [1]孙立宁,孙绍云,荣伟彬,等. 微操作机器人的发展现状[J].机器人,2002,24(2):184-187 （研究报告参考文献[1][5][9]）
获奖情况及鉴定结果
- 作品在第十一届 “挑战杯” 全国大学生课外学术科技作品竞赛某省赛区获得一等奖； 作品在某校举办的“挑战杯”比赛中获得第一名； 作品于2009年6月8日在江西省科学技术情报研究所进行科技查新，查新结果：“目前国内尚未见具有柔性铰链机构的一体化结构、采用稀土超磁致伸缩材料为驱动源的微夹钳的研究报道，本课题具有新颖性”。查新报告见附件。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 完全转让、部分转让、企业合作等皆可
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片、现场演示、
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：作品采用三维数控实验平台进行模拟操作与演示，通过运动控制卡控制数控实验平台进行精确定位，并控制电流输出实现微动夹钳动作，达到夹持、移动和装配的目的。 技术特点和优势：1、结构简单，易于加工制造 2、输出位移大，能夹持物体尺寸的范围广，精度高，响应速度快 3、驱动电压低，低于10伏，能与IC电路兼容 适用范围及推广前景：可广泛应用于微型机械制造、超精密加工、光纤对接、微型机械零件和装配、微型机械电子器件加工封装等领域。推广前景极为广泛。 作品成本预算： GMM棒：620元×1根； 钳体材料及加工费：80元； 驱动线圈：30元； 合计：730元。 作品应用及推广前景广泛，且结构简单，价格低廉，便于加工成型。如果产品实现批量生产，可广泛地应用于当今前沿科技的多个应用领域，具有可观的市场价值。 另一方面，我们还将GMM应用于微流体控制领域，制作出了磁致伸缩式微泵模型（祥见研究报告3.3.2），促进了GMM的研究及发展。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外有关微动夹钳的研究主要是针对驱动源进行展开，从而对结构功能进行创新设计，以下以驱动源进行分类，对国内外研究的几种微动夹钳做简单的介绍。 (a)静电驱动微动夹钳 Chu P Ban，Pister S J等人研制出的平板式静电微夹钳主要由两个平行板产生静电力驱动夹钳动作。由集静电驱动器、弹性梁和两个钳臂于一体的两个多晶硅板展开构成微动夹钳。该夹钳初始钳口距离为100um，闭合这个微动夹钳的延迟时间为50μs，夹持力为50μN，施加电压50-100V。 (b)热驱动微动夹钳 热驱动微动夹钳是利用热在结构中的不对称分布，使各部分变形不同，从而使微动夹钳产生相应的动作。热能的产生方式一般为电流流过结构所产生的焦耳热。大连理工大学研制出的一件柔性电热微动夹钳通过引入伪刚体模型设计柔性机构的概念并利用Coventor Ware软件对所设计的驱动器和微夹钳进行了仿真分析，确定了V型梁驱动器的几何参数，根据仿真结果讨论了微夹钳的位移输出、夹持力、和温度情况。 (c)电磁驱动微动夹钳 电磁驱动主要利用电磁线圈通电时产生的电磁力来驱动微动夹钳。电磁驱动的特点在于动作响应快，便于控制。与压电晶体驱动式微夹持器相比，内置电磁驱动微夹持器能获得较大的动作范围。 (d) 形状记忆合金微动夹钳 形状记忆合金是一种功能材料，有两种不同的金属相，它们可以在不同的温度范围内稳定地存在。经过一定的热处理和记忆训练后，对原有的形状具有记忆能力。利用这种记忆功能，可实现夹取、释放等动作。 (e)压电驱动微动夹钳 压电驱动与记忆合金驱动相似，都为功能材料驱动。压电驱动微动夹钳是由压电驱动器为柔性钳体提供位移。这类微动夹钳的驱动部分多用压电块或压电堆提供。大连理工大学制作了一款由压电陶瓷驱动的微动夹钳，其钳体材料为45号调质钢，利用线切割加工工艺制作。微动夹钳钳口初始尺寸为0.45mm时，当压电陶瓷输入电压为80v时，钳口的最大位移为110μm。
