随着精密工程、材料制造科学、生物医疗技术的快速发展,微夹取、微定位、微装配等微操作被广泛应用于诸多先进科学技术领域。微夹钳作为与被夹持物体交互的典型末端执行器,在过去十多年已经成为微机电系统以及微操作领域的研究热点。压电驱动微夹钳凭借驱动力大、响应快等显著优点被广泛关注。目前,微机电系统正往集成化与微型化方向不断发展,这对压电驱动微夹钳的位移放大比、夹取行程、夹取精度等性能提出了更高的要求。因此为了满足微操作领域日渐严苛的需求,需要优化设计一款更高性能的压电驱动微夹钳。本文设计和分析了一种具有三级位移放大并可实现平行夹取的新型高放大比压电驱动微夹钳,围绕微夹钳的结构设计、尺寸优化、理论建模、仿真分析以及微操作实验等方面展开系统研究,主要内容如下:首先,综合考虑位移放大比、工作夹取行程、工作带宽以及平行夹取设计一种新型压电驱动微夹钳本体结构。该结构采用三级位移放大机构相串联的形式获取高位移放大比,前两级特别采用了紧凑性更高的桥式位移放大机构,将平行四边形机构集成到第三级杠杆位移放大机构中,以实现平行夹取。基于上述内容设计了一款具有三级位移放大并可实现平行夹取的压电驱动微夹钳本体结构。其次,以微夹钳钳口输出位移和一阶固有频率为优化目标,对微夹钳关键尺寸进行多目标优化。建立了微夹钳优化数学模型,确定了输入变量范围以及约束条件;基于中心复合设计法进行实验设计并计算样本点数据;进行了敏感度分析,以明确各输入变量对输出变量的影响程度;基于Kriging法构建响应面,分析了主要敏感参数对钳口输出位移及一阶固有频率的影响规律;借助NSGA-Ⅱ算法在构建的响应面中寻优,进一步得到优化后的关键尺寸参数。然后,基于弹性梁理论,建立了所设计微夹钳的运动学模型,确定了微夹钳位移放大比;基于伪刚体法,建立微夹钳的伪刚体简化模型,对微夹钳进行了静力学建模,利用能量守恒定理建立平衡方程,确定了该微夹钳的输入刚度;利用拉格朗日方程建立了微夹钳的动力学模型,推导出了该微夹钳的固有频率。通过有限元法,对微夹钳进行静力学变形和动力学模态的仿真分析并验证了理论模型的准确性。最后,依据优化后的尺寸采用线切割加工制作了微夹钳实体,搭建了基于激光位移传感器的位移信号测试平台,并进行输出位移与放大比测试实验;搭建了基于全桥应变片的夹持力信号测试平台,并进行夹持力测试实验;搭建了基于加速度传感器的模态锤击实验平台,并进行模态锤击实验;通过位移信号、力信号与模态测试进一步验证了所建立理论模型的准确性以及精确性;为了提高夹取精度,设计了微夹钳力与位移PID反馈控制系统;进一步运用该微夹钳成功夹取了不同尺寸的目标物体。实验结果表明,本文设计的基于三级位移放大机构的新型压电驱动微夹钳具有高位移放大比、高工作夹取行程、高工作带宽,可实现平行夹取不同尺寸的微小物体。本文的研究工作对需要实现高放大比微夹钳的设计、优化、建模提供了理论基础,对实验操作也有实际指导意义。