عنوان

شبيه‌سازي يك ميكروگريپر با سيستم محرك الكترواستاتيكي شانه¬اي روتاري و سنسور نيرو

شماره

پ۲۷۶۴۰

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

شبيه‌سازي يك ميكروگريپر با سيستم محرك الكترواستاتيكي شانه¬اي روتاري و سنسور نيرو

نام نخستين پديدآور

رامین تابان

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسی مکانیک

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۴۰۱

نام خاص و کميت اثر

۷۸ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

کارشناسی ارشد

نظم درجات

مهندسی مکاترونیک

زمان اعطا مدرک

۱۴۰۱/۰۶/۱۶

متن يادداشت

سیستم‌های میکروالکترومکانیکي (MEMS) به دليل ارائه روش¬هاي کم هزينه براي کوچک¬سازي دستگاه¬هاي متعدد، نقش مهمي در پیشرفت‌های علم و فناوری‌های مدرن ايفا مي¬نمايند. تعداد فزاینده کاربردهای MEMS منجر به تقاضاهای قابل توجهی برای ابزارهای میکرودستکاری و میکرومونتاژ قابل اعتماد شده است. در اين زمينه، ميکروگريپرها به عنوان يکي از تجهيزات MEMS با توجه به ساختار منعطف خود بطور رايج در کاربردهايي که نياز به حرکت با دقت فوق¬العاده بالا دارند بکار گرفته مي¬شوند. ساختار گريپر با مکانيزم منعطف، حرکت را با ويژگي تغيير شکل¬هاي الاستيک مواد منتقل مي¬کند که داراي مزايايي ذاتي از قبيل بدون اصطکاک، بدون لقي، بدون سايش، بدون نياز به روغن¬کاري و ساخت آسان مي¬باشد و بنابراين مکانيزم مذکور مي¬تواند حرکت روان و تکرارپذير ميکروگريپر را حاصل نمايد.در این تحقیق، طراحی چنين تجهيزاتي از طريق یک میکروگریپر MEMS جدید با محرک¬های الکترواستاتیک شانه¬ای روتاری ترکیب شده با سنسور پیزوالکتریک مورد بررسی قرار گرفت.ميکروگريپر داراي پيکربندی ساختاری فشرده از چهار لايه پلي¬سيليکون است، که بر اساس فرآيند ميکروماشين¬کاري سطحي SUMMiT V از آزمايشگاه¬هاي ملي سانديا طراحي شده است. ميکروگريپر طراحي شده داراي ويژگي¬هايي مانند ابعاد کوچک، عملکرد ساده، ولتاژ تحريک پايين و بازه حرکتي مناسب مي¬باشد. ميکروگريپر شامل يک جفت فک، يک فک متحرک روي بازوي متحرک که از ساختار محرک 140 جفت الکترود شانه¬اي در هر لايه و با توجه به وجود سه لايه ساختاري، در مجموع 420 جفت الکترود شانه¬اي و مکانيزم انتقال حرکت دوراني از محرک به فک به کمک دو فنر مارپيچ استفاده مي¬کند و با حرکت خود عمل گرفتن و رها کردن ميکروذره را انجام مي¬دهد و يک فک ثابت که داراي حسگر پيزوالکتريک است، مي¬باشد. ميکروگريپر در اولين فرکانس تشديد دورانی خود عمل مي¬کند و بازوي متحرک آن يک جابجايي کنترل شده 40 ميکرون در هر دو جهت باز و بسته شدن با استفاده از ولتاژ dc دارد. میکروگریپر داراي اولین فرکانس تشدید دوراني 5/458 هرتز بدون گرفتن ذره است و مي¬تواند تا ماکزيمم ولتاژ dc برابر 23 ولت کار کند.طراحی یک سنسور پیزوالکتریک PVDF نوظهور S شکل با قابلیت و دقت ایجاد ولتاژ در محدوده ولت، معادل 5/30 ولت به ازای اعمال نیروی 3 میلی¬نیوتن، میکروگریپر را قادر می¬سازد تا با ارائه فيدبک، پيرو اندازه¬گيري نيروي اعمال شده به ميکروذره و کنترل ولتاژ تحریک، از آسیب دیدن میکروذره آسيب¬پذير کلمپ شده حین فرآیند گرفتن، جابجايي و يا میکرومونتاژ، ممانعت بعمل آید.مدل¬هاي تحليلي براي پيش بيني رفتار مکانيکي ميکروگريپر، تدوين شده و طراحی مکانیزم میکروگریپر در نرم¬افزار CATIA صورت مي¬گيرد و مدل سه بعدی میکروگریپر و اجزاي آن و نيز ميکروگريپر سنسوردار در نرم¬افزارهای روش المان محدود ANSYS و COMSOL شبیه¬سازی گرديده¬اند. نتایج مدل¬هاي تحلیلی با شبیه¬سازی¬هاي FEM در حد مطلوبی سازگارند.

متن يادداشت

Abstract Microelectromechanical systems (MEMS) play an important role in modern science and technologies because of their low-cost procedures to miniaturize numerous devices. An increasing number of MEMS applications lead to huge demands for reliable micromanipulating and microassembly tools. In this field, the microgrippers as one of the MEMS devices are commonly used in applications that require extremely ultra-high precision motion due to their compliant mechanism. The gripper structure with a compliant mechanism transfers the displacement following the property of the used material elastic deformations that has inherent merits: no friction, no clearance, no wear, lubrication free and easy of manufacture, and therefore this mechanism can realize the smooth and repeatable motion of the microgripper.In this reseach, the design of MEMS equipment is explored via a novel MEMS microgripper with rotatory electrostatic comb-drive actuators integrated with piezoelectric sensor.The microgripper has a compact structural configuration of four polysilicon layers, which are designed based on the SUMMiT V surface micromachining process from Sandia National Laboratories. Designed microgripper has advantages such as small size, simple operation principle, low actuation voltage and wide displacement range. The proposed microgripper includes a pair of jaws. A movable jaw on a movable arm that has 140 pairs of comb-drive electrodes in each layer, and due to the existence of three structural layers, a total of 420 pairs of comb-drive electrodes and a mechanism for transferring rotational movement from actuators to the jaw by using two serpentine springs and performs gripping and releasing the micro object by its own movement. Also a fixed jaw on a fixed arm equipped with a piezoelectric sensor is used. The microgripper operates at its first rotational resonant frequency and its mobile arm has a controlled displacement of 40 µm at both opening and closing directions using dc voltage. The microgripper has a first rotational resonant frequency of 458.5 Hz without gripped object and it can operate up to with maximum dc voltage of 23 V. The design of a novel S-shaped PVDF piezoelectric sensor with the ability and accuracy to create a voltage in the range of volt, equivalent to 30.5 V for applying a force of 3 mN, enables the microgripper to provide feedback by the measurement of the applied force to the micro object and controlling the applied voltage, it is possible to prevent the damage of the clamped fragile object during the process of gripping, moving or microassembly.Analytical models are developed to predict the mechanical behavior of the microgripper and the design of the microgripper’s mechanism is performed in CATIA software, and the 3D model of the microgripper and its components as well as the microgripper with sensors are simulated in ANSYS and COMSOL finite element software. The results of analytical models agree very well respect to FEM simulations.

عنوان گونه گون

Simulation of a Microgripper with Rotary Electrostatic Comb-Drive Actuator and Force Controlled

عنصر شناسه اي

تابان،

ساير عناصر نام

رامین ‏

کد نقش

تهیه کننده

عنصر شناسه اي

اکرمی، ‏

ساير عناصر نام

سید محمدرضا ‏

تاريخ

استاد راهنما

عنصر شناسه اي

‏تبریز