柔性微夾持器的拓撲結構優(yōu)化設計.pdf

1、融合機械及電子特性的微電子技術的最新進展促進了微/納機電系統(tǒng)的出現(xiàn)。MEMS是一新興研究領域，在諸如機械、電子、航空航天、通訊和生物工程等工程領域獲得廣泛應用。
　　MEMS器件與其它微型器件相比具有顯著的優(yōu)點，如更小的尺寸、更廉價和更快的響應時間。MEMS技術的進展對一個國家經濟發(fā)展及社會進步具有至關重要的影響。因為信息技術、計算機技術、醫(yī)療保健、制造與交通運輸、電力與能源系統(tǒng)和航空航天與國家安全領域取得重大突破皆有懶于微技術的

2、進步。由于MEMS在微型化發(fā)展方面的潛力，使得MEMS技術的進展得到研究學者們的廣泛關注。
　　產品微型化趨勢的日益加強，使得微組裝技術的進步被看作是對國家經濟、人口和社會產生長遠影響的技術之一。微組裝在過去幾年發(fā)展迅速，是諸如醫(yī)療保健、通訊、國防和航空業(yè)等高附加值領域的關鍵技術。
　　微納米定位平臺在機械和電子工業(yè)中是極為重要的。微器件的組裝涉及到尺寸極小的部件的裝配。微夾持器在諸如為了實現(xiàn)微型系統(tǒng)的微型零件的組裝及機電封

3、裝過程中的構件組裝等重要場合獲得廣泛應用。用于微\納操作的機械手為實現(xiàn)有效的操作必須具備具有能穩(wěn)定并且高精度地抓握不同形狀的物體的能力。微夾持器是微型機器人和微組裝技術中實現(xiàn)微操作的關鍵設備之一。
　　柔性機構在微機電系統(tǒng)的設計中發(fā)揮著重要作用，柔性機構各個部分的變形構成了自身的運動。這些柔性結構通過彈性變形來產生所需要的位移，柔性機構在很多領域的設計過程中發(fā)揮了巨大作用，如自適應結構、手持工具、交通運輸、電子和醫(yī)療器械。柔性機構

4、的引入可以減少元件的數量，同時也降低了制造成本，提高了使用性能。
　　在過去幾十年，結構優(yōu)化的概念已在越來越多的工程領域中被更廣泛地采用，因為機構優(yōu)化可以實現(xiàn)更為合理及經濟可行的結構設計，更具有材料消耗少的優(yōu)點。它具有廣闊的工業(yè)應用前景，例如在汽車、航空航天和微機電系統(tǒng)工業(yè)領域。拓撲優(yōu)化是一專門用于結構設計的功能強大的優(yōu)化方法。拓撲優(yōu)化是在給定設計域內尋找最佳結構分布，最終實現(xiàn)給定目標的最優(yōu)分布的技術，即拓撲優(yōu)化方法是用來求解結構

5、構件材料的最佳分布的。
　　本課題將拓撲優(yōu)化技術應用到2維和3維柔性機構的設計上，這些機構有著不同的載荷、邊界條件和功能。提出了一種可實現(xiàn)直線運動及平行運動的新型柔性微米級夾持機構。與此同時設計了一種毫米級夾持器，它能夠在平行運動的同時對抓取物體實現(xiàn)精確定位。
　　研究了柔性夾持器的設計方法及實現(xiàn)抓取臂平行運動的方法。采用對稱路徑柔性機構，拓撲優(yōu)化后的夾持器完成了抓取和抓取臂平行運動的結合。這種機構能夠抓取一個物體并使其做點

6、對點平移。
　　提出了一種3維柔性微米級夾持結構的拓撲優(yōu)化方法，這種機構能夠實現(xiàn)直線運動并完成抓取臂的平行運動。通過 ANSYS在給定設計域內建立了3維有限元分析模型。
　　拓撲優(yōu)化程序是通過商業(yè)軟件 ANSYS完成的。在給定設計區(qū)域內，建立了2維和3維有限元分析模型。平均柔度（最大總體結構剛度）被作為目標函數來考慮，使其在給定設計量的前提下尋找能夠將平均柔度控制在取得材料分布的最小值。材料剛度、密度等特性參數化的材料模型是

7、建立在已知的各向同性材料 SIMP模型基礎之上的。采用ANSYS程序中的優(yōu)化算法來做最優(yōu)判別準則，它是通過APDL來實現(xiàn)的。
　　研究了四種能夠實現(xiàn)沿直線平行運動的柔性微米級夾持機構模型，并闡明了這些機構的最佳配置，建立了機構3維有限元模型。這些柔性微米級夾持結構能應用于直徑為400μm物體的拾取。同時，提出并討論了能夠實現(xiàn)夾持臂平行運動的納米級夾持器的最優(yōu)拓撲結構，建立了3維有限元模型。
　　論證了實現(xiàn)納米、微米級物體的微