微装配(Microassembly)技术是制造复杂异质异构微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)的一种极为重要的技术途径,而微夹钳是微装配系统的末端执行器,直接与被夹持对象相接触,因此微夹钳的研究对于微装配技术至关重要。通常来说,微装配中的零件极易变形和断裂,不仅要保证适当的装配力和夹持力以避免损坏零件,而且对不同的微小零件需提供不同的装配力和夹持力,以确保装配的可靠性和一致性。因此,必须获取装配力和夹持力的信息。装配过程在微装配空间中进行,由于显微视觉系统(Microscopic vision system,MVS)具有景深小、视场小的特点,要通过显微视觉技术实时检测视场空间中微夹钳的位置信息较为困难。若要精确高效地实现自动装配任务,则必须实时获取夹爪位移信息,因此需要在微夹钳上集成位移传感器。此外,为了保证被夹持零件不容易脱落而可靠夹持,要求微夹钳的夹爪能够平行开合。为了解决上述问题,本文在本实验室Wang等人(Wang et al,IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2013,18(1):138-147.)报道的基于单片柔性机构的压电致动微夹钳的基础上,开发了一种基于平行四边形柔性机构的同时集成微装配力、夹持力和夹爪位移传感器的压电致动微夹钳。该微夹钳能够实现装配力、夹持力和夹爪位移的高精度实时检测,其夹爪不仅能够平行开合,而且在夹持零件并受到夹持力作用时仍能保持高度平行。本文的主要研究工作和研究成果如下:1.设计了一种适用于微夹钳的装配力传感机构,集成了装配力传感器,实现了一种基于平行四边形柔性机构的同时集成微装配力、夹持力和夹爪位移传感器的压电致动微夹钳的原理。设计了一种基于平行四边形柔性机构的夹持力传感机构,使得夹爪不仅能够平行开合,而且在夹持零件并受到夹持力作用时仍能保持高度平行。在夹持力传感机构上集成了夹持力传感器,实现了夹持力的传感。在位移放大机构上集成了位移传感器,实现了夹爪位移的传感。2.建立了微夹钳的伪刚体模型,分析了装配力、夹持力和夹爪位移的传感原理。建立了装配力传感机构的单边柔性铰链表面应变与装配力之间的关系模型、夹持力传感机构的单边柔性铰链表面应变与夹持力之间的关系模型,以及夹持力传感机构和位移放大机构的单边柔性铰链表面应变与夹爪位移之间的关系模型。根据建立的理论模型,对传感机构的柔性铰链宽度、厚度和平行四边形机构长度等结构参数对传感特性的影响进行了分析和讨论。在有限元仿真软件中建立了装配力传感机构、夹持力传感机构和位移放大机构的有限元模型,对其进行了有限元仿真分析,仿真结果表明,理论模型能够正确地描述机构的传感原理和传感特性。3.研究了装配力、夹持力和夹爪位移的标定方法。根据装配力与重力同方向的特点,提出了采用精密天平实现装配力传感器标定的方法,对装配力进行了标定。应用平行四边形机构的力学和运动学的相关理论,提出了一种通过非接触式高精度位移传感器测量平行四边形机构的变形量来标定应变式夹持力传感器的方法,对夹持力传感器进行标定。采用激光多普勒测振仪实现了对位移传感器的标定。标定结果表明,本文所采用的标定方法能够对传感器进行准确的标定,本文设计的基于平行四边形柔性机构的微装配力、夹持力和夹爪位移传感器均具有灵敏度高、线性度好、分辨率高等优点。4.加工制作了一种基于平行四边形柔性机构的同时集成微装配力、夹持力和夹爪位移传感器的压电致动微夹钳及其系统。以两个微型薄壁金属柱腔的装配为例,在有限元仿真软件中模拟了装配过程。运用本文设计的微夹钳在微装配系统中进行了装配实验,通过传感器获得了装配过程中的装配力、夹持力和夹爪位移等信息,最终完成了两个微型薄壁金属柱腔的装配。实验结果表明,本文设计的基于平行四边形柔性机构的集成装配力、夹持力和夹爪位移的压电致动微夹钳能够准确、可靠地完成微小零件的装配。本文的研究工作对需要集成微装配力、夹持力和夹爪位移传感器的微夹钳的设计和开发提供了理论基础,具有指导意义。