WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«Бардин Виталий Анатольевич СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Бардин Виталий Анатольевич

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

АКТЮАТОРОВ



Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор ВАСИЛЬЕВ В.А.

ПЕНЗА 201 Содержание Введение

Анализ современного состояния разработок и исследований в области создания ИИУС для прецизионного позиционирования объектов точного приборостроения. Постановка задач исследования

Анализ принципов построения исполнительных механизмов систем управления для 1.1 нано- и микроперемещений. Классификация пьезодвигателей

Анализ тенденций развития пьезоактюаторов и пьезодвигателей

1.2 Анализ современного состояния разработок пьезодвигателей и пьезоактюаторов....... 35 1.

Анализ современного состояния разработок датчиков нано- и микроперемещений... 42 1.

нт.

ме Анализ принципов построения, методик расчёта самочувствительных 1.5 пьезоактюаторов и пьезодвигателей и методов управления ими

Результаты и выводы по главе

1.6 Теоретические исследования функционирования ИИУС высокоточного 2 позиционирования на основе дорезонансных пьезоэлектрических актюаторов. 55 Структурная схема разработанной системы управления для прецизионного 2.1 позиционирования

Исследование ИИУС для прецизионного позиционирования с применением 2.2 саморегулируемого пакетного пьезоэлектрического актюатора

Исследования изгибно-натяжных (усиливающих) пьезоэлектрических актюаторов.... 65 2.3 Функция преобразования изгибно-натяжных (усиливающих) 2.3.1 пьезоэлектрических актюаторов

Разработка нового технического решения усиливающего 2.3.2 пьезоэлектрического актюатора

Разработка и исследование дифференциального усиливающего 2.3.3 пьезоэлектрического актюатора

Разработка и исследование системы управления прецизионного 2.3.4 позиционирования на основе саморегулируемого усиливающего пьезоэлектрического актюатора с тензорезистивными элементами

Результаты и выводы по главе

2.4 Теоретические исследования функционирования систем управления точного 3 позиционирования на основе резонансных пьезоэлектрических двигателей...... 82 Структурная схема системы управления многофункционального тестового 3.1 устройства

Функция преобразования резонансных пьезоэлектрических двигателей

3.2 Разработка и исследование саморегулируемого ультразвукового 3.3 пьезоэлектрического двигателя с амплитудно-частотной регулировкой

Разработка системы управления саморегулируемыми ультразвуковыми 3.4 пьезоэлектрическими двигателями с тензорезистивными и ПВДФ-элементами

Постановка задач исследования параметров колебательных движений статора 3.5 УЗПД для оптимальной установки чувствительных элементов

Результаты и выводы по главе

3.6 Методика анализа работоспособности элементов пьезоэлектрических 4 актюаторов

Анализ методов компьютерного моделирования основных свойств 4.1 нт.

ме пьезоэлектрических актюаторов

Построение компьютерной модели для исследования передаточных характеристик 4.2 пьезоактюаторов и пьезодвигателей

Моделирование упругой рамки саморегулируемого усиливающего 4.2.1 пьезоэлектрического актюатора

Моделирование управляющей цепи пакетного саморегулируемого 4.2.2 пьезоэлектрического актюатора

Моделирование статора саморегулируемого УЗПД

4.2.3 Анализ передаточных характеристик пьезоактюаторов и пьезодвигателей на 4.3 основе их компьютерных моделей

Анализ передаточной характеристики усиливающего пьезоэлектрического 4.3.1 актюатора

Анализ передаточной характеристики схемы управления пакетным 4.3.2 саморегулируемым пьезоэлектрическим актюатором

Анализ передаточной характеристики статора саморегулируемого УЗПД..... 113 4.3.3 Установление связей и закономерностей между параметрами упругих элементов 4.4 пьезоактюаторов и пьезодвигателей





Установление связей и закономерностей между параметрами упругих 4.4.1 элементов усиливающих пьезоактюаторов

Установление связей и закономерностей между параметрами упругих 4.4.2 элементов УЗПД

Определение оптимальных соотношений между параметрами упругих элементов 4.5 пьезоактюаторов и пьезодвигателей

Определение оптимальных соотношений между параметрами упругих 4.5.1 элементов усиливающих пьезоэлектрических актюаторов

Определение оптимальных соотношений между параметрами упругих 4.5.2 элементов УЗПД

Выработка рекомендаций по использованию разработанной методики анализа с 4.6 применением систем автоматизированного проектирования при создании пьезоэлектрических актюаторов

Результаты и выводы по главе

4.7 Практическая реализация и экспериментальное исследование 5 саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей

Техническое решения усиливающего пьезоактюатора

5.1 Техническое решение саморегулируемого пакетного пьезоактюатора

5.2 Технические решения саморегулируемых ультразвуковых пьезодвигателей............. 136 5.3 Результаты и выводы по главе

нт.

ме 5.4 Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А (обязательное). Перечень патентов, направленных на решение определенных задач

Приложение Б (обязательное). Характеристики пьезоактюаторов и пьезодвигателей ведущих производителей

Приложение B (обязательное). Акты внедрения результатов диссертационного исследования

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Важным направлением развития современной техники является совершенствование технических средств в точном приборостроении, что позволяет миниатюризировать функциональные устройства, включающие как электронные компоненты, так и электромеханические устройства.

В качестве сдерживающих факторов развития отечественного точного приборостроения можно назвать отсутствие отечественного производственного и тестового оборудования, высокие цены и узкую специализацию импортного.

Основой оборудования с микро- и нанометровым разрешением являются нт.

ме информационно-измерительные и управляющие системы для позиционирования рабочего органа с применением двигателей, актюаторов, измерителей перемещения.

Анализ существующих разработок производителей систем позиционирования показывает, что перспективным направлением создания информационноизмерительных и управляющих систем (ИИУС) для микро- и наноперемещений являются ИИУС с применением пьезоэлектрических актюаторов (пьезоактюаторов) и пьезоэлектрических двигателей (пьезодвигателей).

Перспективной задачей является оптимизация конструкции этих устройств для достижения более высоких эксплуатационных характеристик – точности позиционирования, линейности, скорости, диапазона перемещения, нагрузочного усилия (момента вращения).

Для создания информационно-измерительных и управляющих систем с применением пьезоактюаторов и пьезодвигателей с улучшенными техническими характеристиками необходимы теоретические и экспериментальные исследования функционирования их составных элементов, что позволит установить закономерности влияния их конструктивных и схемотехнических параметров на эксплуатационные характеристики.

Известны публикации по теоретическим основам пьезоактюаторов таких авторов, как Амельченко А.Г., Афонин С.М., Васильев В.А., Вишневский В.С., Вишнеков А.Е., Никифоров В.Г., Панич А.Е., Смирнов А.Б., Чернов В.А., Chunsheng Zhao, Henderson D.A., F.Claeyssen, Thomas W. Secord и др.

Разработкой и производством пьезоактюаторов и пьезодвигателей за рубежом занимаются большое количество фирм. Ведущие зарубежные фирмы в области пьезоактюаторов, пьезодвигателей и оборудования с нанометровым разрешением – Physik Instrumente, New Scale Technologies, Cedrat Technologies, Discovery Technology, Teradyne, Heidenhein, Renishaw, SUSS, JANIS, TAKAYA Corp., APC.

В России относительно немного организаций-разработчиков и производителей пьезоэлементов, пьезоактюаторов и пьезодвигателей, из которых ОАО «НИИ «Элпа» (г. Москва, Зеленоград), ООО «Аврора-Элма» (г. Волгоград), НКТБ «Пьезнт.

ме оприбор» ЮФУ (г. Ростов на Дону), ОАО «Прибой» (г. Таганрог), ООО "ЗВЭК "Прогресс" (г. Краснодар»), Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ООО «КОМНЕТ» (г. Воронеж) и ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им.

М.В. Проценко» (г. Заречный Пензенской обл.). Вместе с тем, рынок пьезоактюаторов и пьезодвигателей – растущий и не насыщен отечественной продукцией.

Недостатком, усложняющим практическое использование пьезоактюаторов является наличие внутренних дестабилизирующих факторов, таких как гистерезис, ползучесть и динамические вибрации. Для компенсации их влияния на точность позиционирования применяются внешние датчики положения (датчики обратной связи) и программные средства, основанные на моделях пьезоактюаторов, представляющих собой математическое описание свойств материалов, поведения элементов и частей пьезоактюаторов.

Новым направлением в развитии пьезоприводов является создание саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей с использованием их собственных свойств для контроля их перемещения. Саморегулируемыми или самочувствительными (self-sensing) называются пьезоактюаторы и пьезодвигатели, которые одновременно выполняют две функции – исполнительного механизма (актюатора) и чувствительного элемента (датчика) в цепи обратной связи.

Следует отметить, что в существующих отечественных разработках и теоретических работах по пьезодвигателям и системам позиционирования практически не исследуются информационно-измерительные и управляющие системы с применением саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей. Также недостаточно исследовано использование дорезонансных и резонансных пьезоактюаторов и пьезодвигателей в системах прецизионного позиционирования точного приборостроения.

Таким образом, диссертационная работа, посвященная созданию новых управляющих систем с применением саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей для точного приборостроения, представляется актуальной.

Цель диссертационной работы – совершенствование информационноизмерительных и управляющих систем на основе пьезоактюаторов и пьезодвигант.

ме телей с улучшенными техническими характеристиками для прецизионного позиционирования в процессе производства и контроля параметров в точном приборостроении.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ современного состояния разработок и исследований в области создания ИИУС для прецизионного позиционирования объектов точного приборостроения и определение направлений их совершенствования;

- теоретическое исследование функционирования пьезоактюаторов и пьезодвигателей, измерительных преобразователей для ИИУС прецизионного позиционирования с целью улучшения их технических характеристик;

- разработка новых технических решений пьезоактюаторов и пьезодвигателей, обладающих улучшенными техническими характеристиками для ИИУС прецизионного позиционирования;

- разработка новых структур ИИУС с применением саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей, обладающих улучшенными техническими характеристиками;

- разработка методики совершенствования пьезоактюаторов и пьезодвигателей, обеспечивающая проектирование элементов ИИУС для прецизионного позиционирования с улучшенными техническими характеристиками.

Объектом исследования являются элементы, устройства, части образцов информационно-измерительных и управляющих систем для прецизионного позиционирования с использованием пьезодвигателей, пьезоактюаторов, датчиков микро- и наноперемещений.

Предметом исследования являются теоретические и практические проблемы создания и совершенствования информационно-измерительных и управляющих систем на основе пьезодвигателей и пьезоактюаторов с улучшенными техническими характеристиками для прецизионного позиционирования.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с применением современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, метода конечных элементов, теории механики деформируемого тела.

нт.

ме Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В. Проценко» (г. Заречный Пензенской обл.).

Научная новизна работы:

Разработана новая структура, схема и способ управления ИИУС прецизионного позиционирования на основе саморегулируемого пакетного пьезоактюатора с измерительными электродами, совмещенного с частотным измерительным преобразователем, обеспечивающая перемещение в диапазоне единиц микрон с точностью единиц нанометров. Получена передаточная функция частотного измерительного преобразователя, устанавливающая связь между частотой его выходного сигнала и комплексным сопротивлением пьезоактюатора, используемого в качестве первичного преобразователя.

Разработаны новые структуры саморегулируемых усиливающих пьезоактюаторов для систем управления прецизионного позиционирования, обеспечивающие увеличенный рабочий ход, нагрузочное усилие, повышенную точность перемещения (с разрешением десятки нанометров и величиной хода сотни микрометров). Впервые получена передаточная функция усиливающего пьезоактюатора, устанавливающая связь между управляющим напряжением и перемещением его рабочего звена.

Разработана новая структура, схема и способ управления скоростным 3.

приводом системы управления прецизионного позиционирования с применением саморегулируемых ультразвуковых пьезодвигателей (УЗПД), отличающиеся использованием в качестве первичных преобразователей рабочих пьезоэлементов УЗПД для регулирования частоты управляющих сигналов.

Разработана методика совершенствования элементов пьезоактюаторов 4.

и пьезодвигателей для ИИУС прецизионного позиционирования на основе компьютерных моделей, позволяющая оценивать работоспособность и оптимизировать их параметры с целью увеличения диапазона и повышения точности перемещения рабочего звена.

Практическая значимость.

нт.

ме

1. Разработаны новые структуры пакетного пьезоактюатора, совмещенные с частотным измерительным преобразователем для ИИУС прецизионного позиционирования, обеспечивающие повышенную точность позиционирования и устойчивость к нестабильности источника питания.

2. Предложено новое техническое решение усиливающего пьезоактюатора для системы управления прецизионного позиционирования, позволяющее увеличить диапазон перемещения в 2 раза и нагрузочное усилие в 4 раза по сравнению с известными аналогами, при использовании пьезоэлементов соответствующей длины.

3. Разработана схемотехническая реализация структуры системы управления прецизионного позиционирования с использованием саморегулируемых ультразвуковых пьезоэлектрических двигателей (УЗПД), отличающаяся простотой конструкции и возможностью использования недорогой отечественной элементной базы.

4. Выработаны рекомендации по использованию разработанной методики совершенствования пьезоактюаторов и пьезодвигателей для ИИУС прецизионного позиционирования, которые могут быть использованы в инженерной практике.

На защиту выносятся:

1. Структура, схема и способ управления ИИУС прецизионного позиционирования на основе саморегулируемого пакетного пьезоактюатора с измерительными электродами, используемого в качестве первичного преобразователя, совмещенного с частотным измерительным преобразователем, устойчивым к нестабильности источника питания, обеспечивающие перемещение рабочего звена с повышенной точностью благодаря компенсации гистерезиса в системе управления. Передаточная функция частотного измерительного преобразователя, устанавливающая связь между частотой его выходного сигнала и комплексным сопротивлением пьезоактюатора.

2. Новые структуры саморегулируемых усиливающих пьезоактюаторов для систем управления прецизионного позиционирования, обеспечивающие увеличенный рабочий ход, нагрузочное усилие, повышенную точность перемещения (с

–  –  –

стве первичных преобразователей рабочих пьезоэлементов УЗПД для регулирования частоты управляющих сигналов, обеспечивающие компенсацию воздействия внешних дестабилизирующих факторов (температуры, нагрузки).

4. Методика совершенствования элементов пьезоактюаторов и пьезодвигателей для ИИУС прецизионного позиционирования на основе компьютерных моделей, позволяющая оценивать работоспособность и оптимизировать их параметры с целью увеличения диапазона и повышения точности перемещения рабочего звена.

Реализация и внедрение результатов исследований. Диссертационная работа выполнялась в рамках Государственного задания Минобрнауки РФ на 2014–2016 год, код проекта № 1267, НИР «Исследование принципов построения и особенностей функционирования прецизионных датчиков физических величин и актюаторов для систем управления, контроля и безопасности».

Результаты проведенных научных исследований были использованы Госкорпорацией Росатом при выполнении НИОКР ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В.

Проценко» в 2012–2015 г.г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях, семинарах, симпозиумах, электронных ресурсах: «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2013); «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск. 2013); «Информационные технологии в науке и производстве (ИТНП–2013)» (Самара. 2013); «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении» (Пенза, 2013); «Университетское об

–  –  –

(http://technology.snauka.ru/2014/02/3057).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 23 статьях, среди которых 3 – в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и 3-х приложений.

Она изложена на 169 страницах, включает 80 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 129 наименований. Приложения представлены на 12 страницах.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК И

ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ИИУС ДЛЯ

ПРЕЦИЗИОННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТОЧНОГО

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ принципов построения исполнительных механизмов систем управления для нано- и микроперемещений. Классификация пьезодвигателей Исполнительные устройства играют важную роль в системах управле

–  –  –

показывает, что перспективными направлениями создания актюаторов для нано- и микроперемещений являются – основанные на использовании пьезоэлектрического и пьезомагнитного эффектов. Традиционные электромеханические системы, такие как микроэлектродвигатели (коллекторные, шаговые и бесколлекторные) имеют следующие недостатки:

– при создании микроперемещений и работе на сверхнизких скоростях электродвигатели работают в неустойчивых режимах, что проявляется в нерегулярных колебаниях объекта позиционирования в направлении движения;

– существенное влияние оказывают нелинейности кинематических передач (люфты, сухое трение, зоны нечувствительности и т.д.);

Загрузка...

– миниатюризация микроэлектродвигателей практически достигла предела.

Достоинствами пьезодвигателей являются:

– самоторможение при отсутствии питания, причем усилие удержания выше тягового;

– высокая точность позиционирования до долей нанометра, ограниченная только возможностями управляющей электроники;

– отсутствие трущихся и промежуточных частей;

– низкая потребляемая мощность;

– высокое соотношение сила/масса, что обеспечивает быстрый отклик;

– отсутствие электромагнитного излучения;

– возможность работы в сверхвысоком вакууме;

– возможность гибкой разработки конструкции пьезодвигателя с требуемыми характеристиками для выполнения конкретной задачи.

–  –  –

«НИИ «Элпа» (Россия).

Пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров отдельных материалов в электрическом, а пьезомагнитный – во внешнем магнитном поле. Оба пьезоэффекта обратимы. В пьезодвигателях используют обратный пьезоэффект, когда при приложении электрического или магнитного поля изменяются линейные размеры материала. Двигатели, основанные на пьезоэлектрическом эффекте более предпочтительны, поскольку не чувствительны к действию магнитных полей и имеют более широкую сферу применения.

Пьезоэффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии.

Типичным пьезоэлектриком является кварц -SiO2 (-кварц), пьезоэлектрические свойства проявляются более чем у 1500 веществ. Пьезоэлектрическими свойствами обладает керамика: BaTiO3, PbTiO3, Pb[ZrxTi1x]O3 0x 1 (PZT или ЦТС), KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, Na2WO3, ZnO, Ba2NaNb5O5, b2KNb5O15. В зависимости от используемого пьезоэлектрического материала пьезодвигатели (актюаторы) могут быть пьезокристаллическими (на базе монокристаллов) и пьезокерамическими (на базе поликристаллов пьезокерамики). На практике пьезокерамические актюаторы нашли более широкое применение.

Выбор пьезоматериалов для пьезодвигателей осуществляют в основном по следующим параметрам: пьезомодуль в направлении рабочих деформаций, модуль Юнга, коэффициент электромеханической связи и механическая добротность. Они определяют диапазон перемещений, упругие и резонансные свойства, эффективность преобразования электрической энергии в механическую, степень затухания колебательных процессов.

–  –  –

меньшим гистерезисом, а также применяют системы управления с датчиками положения и обратной связью.

Пьезоэлектрический двигатель (ПЭД) конструктивно состоит из корпуса, одного или нескольких пьезоактюаторов и различных элементов, поддерживающих их работу. Это могут быть элементы, обеспечивающие предварительное сжатие актюаторов, их тонкую настройку и юстировку, кинематическую связь с объектом управления и др. В конструкцию ПЭД могут быть встроены различные датчики ускорений, скоростей и перемещений вместе с их вторичными преобразователями [1]. Привод (актюатор) – общее название приборов, которые преобразуют входную энергию в механическую энергию.

Пьезопривод (piezo actuator) – работает на обратном пьезоэффекте и преобразует электрическую энергию в механическую (напряжение и заряд в силу и движение) [2].

Существует большое разнообразие пьезодвигателей и пьезоактюаторов, различающихся по частоте и напряжению управляющих сигналов, по характеру создаваемых перемещений, по принципу действия и др. В ходе работы исследованы принципы построения и перспективы усовершенствования пьезодвигателей и пьезоактюаторов для нано- и микроперемещений [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Проведена их классификация, которая приведена на рисунке 1.

Пьезодвигатели (пьезоактюаторы), работающие на низких частотах управляющего сигнала (ниже их резонансной частоты) относятся к дорезонансным, а на высоких частотах (равных резонансным) – к резонансным. По характеру создаваемых перемещений пьезодвигатели могут быть линейные и

–  –  –

В зависимости от используемых направлений пьезоэффектов, конструкции, предназначения и т.п. широкое распространение получили следующие виды пьезоактюаторов: защемляемые изгибные пьезокерамические биморфы и мультиморфы (мода d31), моноблочные и пакетные (осевые – мода d33, поперечные – мода d31), дифференциальные, изгибно-натяжные, сдвиговые, ламинарные полосковые, с интегрированным рычажным усилителем перемещения, управляемые пьезофлексерные, трубчатые.

На рисунке 2а показан пьезопривод из однослойной пластины (d33) пьезоматериала. При приложении внешнего электрического поля той же поляризации и ориентации, что и направление поляризации пластины, происходит расширение пьезоматериала по толщине или вдоль оси поляризации. Пьезопривод из однослойной пластины (d31) с поперечным сжатием представлен на рисунке 2б. Здесь сжатие происходит по направлениям, перпендикулярным направлению поляризации. При смене полярности направление движения меняется на противоположное [9].

а) б) Рисунок 2 – Пьезоактюаторы из однослойной пластины

а) d33 с продольным расширением,б) d31 с поперечным сжатием В биморфах (двухслойные пьезоактюаторы) два пьезоэлектрических элемента соединяют между собой при помощи компаунда. Элементы могут быть различной формы (пластина, мембрана, балка и т. п.), один из элементов может быть не из пьезоэлектрического материала, а, например, из металла или диэлектрика (юниморф). Двухслойные пьезоприводы могут быть работающими на удлинение (рисунок 3а), изгиб (рисунок 3б, в) или скручивание (рисунок 3г). Отличительной особенностью такой конструкции является специфическое крепление актюаторов (защемление). Данная конструкция обеспечивает значительные перемещения в миллиметровом диапазоне, но при низкой жесткости, малой блокирующей силе и резонансной частоте. Мультиморф (многослойный актюатор) показан на рисунке 3д [9]. Применение биморфов в устройствах отклонения лазерного луча приведено в [10], [11], в пьезоэлектрическом схвате – в [12], в микроманипуляторах – в [13], [14], [15].

–  –  –

Моноблочные конструкции содержат один объёмный пьезоэлектрический элемент, к примеру, прямоугольный брус, изготавливаемый из моноблока пьезокерамического материала. На две боковые поверхности такого бруса наносят электродные слои (толщиной 5 – 15 мкм) из серебра или серебряно-палладиевого сплава. В моноблоках в виде полого кольца или цилиндра электроды наносят на боковые грани.

Пакетные конструкции представляют собой набор пьезоэлементов (в виде таблеток круглой или прямоугольной формы, дисков, шайб, цилиндров), соединенных между собой механически последовательно, а электрически параллельно.

Количество отдельных пьезоэлементов (слоёв) в конструкции пьезодвигателя может быть от 3 до 50 шт. Для электрического соединения пьезокерамических элементов их поверхности металлизируют путём нанесения методом трафаретной печати электродного слоя (толщиной 5 – 15 мкм) из серебра или серебрянопалладиевого сплава.

Обычно наборы из пьезоэлементов помещают в упругие корпуса (используют гибкие элементы или пружины), обеспечивая при этом необходимое поджатие для устранения межэлектродных зазоров в пакете, увеличение жесткости, надежности, обеспечения симметричных характеристик хода вперед и назад, улучшение динамики (приемистости) и пьезомеханических характеристик пьезоактюатора (рисунок 4).

Рисунок 4 – Пьезоактюатор с предварительным механическим напряжением (поджатием) в виде специального пружинного корпуса Предварительное усилие поджатия от 50 до 500 Н создают для повышения жёсткости конструкции и её надёжности. Кроме того, предварительное поджатие позволяет актюатору работать при положительном и отрицательном напряжении, устранить наклон его концевых поверхностей и обеспечить параллельность при установке. Пьезоэлектрические двигатели пакетной конструкции могут развивать усилия до 100 кН, перемещать объекты массой десятки тонн на расстояния до 500 мкм (в зависимости от количества элементов). Частотный диапазон работы таких двигателей зависит от присоединённой массы перемещаемого объекта и ограничен собственной резонансной частотой (как правило, до единиц килогерц). Пакетные конструкции делятся на разнообразные типы, например, корпусные и бескорпусные, многослойные дискретные и многослойные монолитные и т. д. Основные области применения многослойных актюаторов: системы гашения вибрации (усилие до 100 кН); оптико-механические устройства с системой активной стабилизации, системы впрыска топлива, микрореле и др. [1], [16], [17], [18].

В дифференциальных конструкциях пьезоактюаторов одна часть пьезоэлементов работает на сжатие, а другая – на расширение, при этом пьезоэлементы механически соединены так, что их перемещения складываются по абсолютной величине (рисунок 5). Такие конструкции могут быть выполнены как из отдельных пьезоэлементов, так и из пакетов пьезоэлементов, а также из биморфных пьезоэлементов. Дифференциальное соединение и включение пьезоэлементов позволяет минимизировать температурную погрешность, возникающую из-за теплового расширения элементов конструкции пьезодвигателя, а также увеличить в два раза диапазон перемещений без значительного увеличения габаритных размеров и дополнительных энергозатрат [1].

Рисунок 5 – Дифференциальная конструкция пьезоактюаторов

Изгибно-натяжные пьезоактюаторы сочетают в себе лучшие характеристики многослойных актюаторов и двухслойных актюаторов. Такие устройства преобразуют небольшой толщинный сдвиг многослойного пьезокерамического элемента в деформацию изгиба двух металлических пластин, охватывающих элемент. Благодаря механическому усилению такого преобразования изгибнонатяжные актюаторы демонстрируют многократное увеличение сдвига по сравнению с многослойными актюаторами, а также достигают значительно больших показателей силы и скорости реакции, по сравнению с эквивалентными двухслойными изгибными актюаторами. Обычно такие устройства имеют резонансную частоту от 300 Гц до 3 кГц. В зависимости от формы их конструкции (рисунок 6) изгибно-натяжные актюаторы получили название эллипсоидные и тарелочные [19].

а) б) Рисунок 6 – Изгибно-натяжные пьезоактюаторы: а) эллипсоидные конструкции,

б) тарелочная конструкция Сдвиговые пьезоактюаторы способны генерировать большую блокирующую силу при значительном сдвиге (рисунок 7а). Существуют многослойные псевдо-сдвиговые актюаторы, они состоят из пакета поляризованных прямоугольных пьезокерамических пластин, склеенных противоположными концами неэластичным токопроводящим клеем, и приклеенных одним из концов нижней пластины к основанию. Если к нижней пластине приложить электрическое поле противоположное направлению поляризации, то остальные пластины попеременно подвергаются воздействию положительного или отрицательного электрического поля, в результате они соответственно удлиняются или сокращаются, но все в одном направлении. В результате актюатор осуществляет сильное сдвиговое движение в плоскости, перпендикулярной направлению крепления пластин. Данная конструкция позволяет увеличить перемещение и снизить управляющее напряжение. Этот тип пьезоактюаторов находит применение в качестве пьезоэлектрических линейных моторов, а также как одноосевые и двухосевые позиционирующие элементы, клапана и насосы [19].

Рисунок 7 – Конструкция сдвигового пьезоактюатора

Ламинарные полосковые пьезоактюаторы – это актюаторы сжатия. Активный материал этих актюаторов представляет собой полоски пьезокерамики. Сдвиг в таких актюаторах происходит в направлении, перпендикулярном направлению поляризации и приложенному электрическому полю [19].

Трубчатые пьезоактюаторы работают на принципе явления сужения внутреннего сечения полого пьезокерамического цилиндра. Стенки цилиндра снаружи и изнутри покрываются электродами, и он работает на основе поперечного пьезоэффекта. Электрическое напряжение, приложенное между внешним и внутренним электродами, вызывает осевое и радиальное сжатие пьезокерамики [19].

Применение трубчатых пьезоактюаторов для микророботов приведено в [20], [21].

Управляемые пьезофлексерные актюаторы – представляют собой сложные позиционирующие устройства на базе пьезоактюатора с интегрированным в него флексером. Флексеры – это устройства, не имеющие трения и стрикции, принцип работы которых основан на эластичной деформации (флексинге) твердого материала, например, стали. Применяются в тех случаях, когда требуется получить исключительно прямое перемещение по одной и более осям (до шести осей) с нанометровым отклонением от идеальной траектории. Такие устройства часто используют с рычажным усилителем перемещения, что позволяет увеличить максимальный ход пьезоактюатора в десятки раз (порядка 25), в результате чего он может составлять несколько сотен микрон [19].

Особый интерес представляют шаговые пьезодвигатели, которые используются для манипуляции объектами, с пошаговым их перемещением. Они нашли широкое применение в атомно-силовой и туннельной микроскопии, поскольку позволяют с точностью до нанометров позиционировать исследуемый объект. Отличительной особенностью конструкций шаговых пьезодвигателей является наличие кроме рабочих пьезоэлементов фиксирующих устройств, в качестве которых могут быть тоже пьезоэлементы. Такие пьезодвигатели могут содержать одиночные, биморфные и пакетные пьезоактюаторы. Фиксирующие устройства фиксируют подвижную часть двигателя в его рабочем цикле пошагового перемещения. Они позволяют создавать (совместно с рабочими пьезоактюаторами) и снимать напряжённо-деформированные состояния в деформируемых подвижных элементах конструкции пьезодвигателя. При снятии напряжённодеформированного состояния фиксирующим устройством подвижный элемент пьезодвигателя удлиняется и перемещает объект на один шаг. Для двух и трёх координатного перемещения совмещают два и три пьезопривода (пьезоактюатора).

Минимальный шаг перемещений пьезоприводов зависит от свойств и размеров пьезоэлементов, величины управляющего электрического напряжения. Плавность хода пьезопривода возрастает с уменьшением шага и увеличением частоты следования управляющих импульсов. Конструкции шаговых пьезодвигателей (ШПД) показаны на рисунке 8.

Конструкция ШПД на рисунке 8а содержит три актюатора, два из которых действуют как тормозящие (зажимы), и третий – как движитель [19]. Конструкция на рисунке 8б отличается тем, что в ней роль фиксирующих и рабочих элементов выполняют биморфные пьезоэлектрические элементы [1]. В шаговом пьезодвигателе (walking piezomotor) (рисунок 8в) четыре биморфных пьезоэлектрических ножки совершают эллипсоидные движения и двигают платформу [22].

а) б) в) Рисунок 8 – Конструкции шаговых пьезодвигателей Резонансный (ультразвуковой) пьезодвигатель (УЗПД), также известен как вибрационный двигатель — новый тип нанодвигателя, который может быть использован в системах прецизионного позиционирования [23], [24], [25], [26], [27], [28]. УЗПД предназначен для формирования непрерывного, шагового или сканирующего режимов, а также точного углового или линейного позиционирования различных объектов. Важным положительным качеством УЗПД является то, что при снятии напряжения управления фиксируется положение ротора (ползуна).

УЗПД имеет высокий дискрет хода – 50 нм, высокую скорость – до 800 мм/с (1…300 об/мин), высокий момент (0.1…100 Н*м), высокое угловое разрешение (0.1 …1.0 угл. сек).

На рисунке 9 показаны схема и конструкция резонансного пьезодвигателя Squiggle фирмы NST [29], [30], [31]. Основными элементами пьезопривода являются: четырёхгранная металлическая муфта (из немагнитного материала) c внутренней резьбой, ходовой винт (червяк) и четыре пластины пьезокерамики. Пластины пьезокерамики прикреплены на гранях металлической муфты, червяк вкручен в металлическую муфту. При подаче двухфазных напряжений на противоположные пары пластин пьезокерамики возникают механические колебания, которые передаются металлической муфте. Если есть сдвиг фаз между подаваемыми электрическими напряжениями, то на границе соприкасающихся поверхностей муфты и червяка возникают силы сдавливания с поворотом. В результате червяк вращается и линейно перемещается относительно муфты. Меняя сдвиг фаз можно изменять направление движения винта (червяка). Эти пьезоприводы работают в резонансном режиме на частотах 30 – 200 кГц в зависимости от их размеров. Минимальные габариты пьезопривода 1,55 x 1,55 x 6 мм, температурный диапазон работы от минус 30 до 70 градусов Цельсия, потребляемая мощность ~ 500 мВт, диапазон линейных перемещений до 5 – 30 мм, разрешение 0,5 мкм. Такие приводы применяются для объективов фото и видеокамер.

Рисунок 9 – Схема и конструкция пьезопривода Squiggle фирмы NST

На рисунке 10 приведена схема и конструкция резонансного пьезодвигателя ВМ851С «Nut-type linear ultrasonic motor», патент № CN1767347. Принцип работы аналогичен пьезодвигателю Squiggle. Статор выполнен в виде 8-гранной металлическая муфты c внутренней резьбой, а ротор – ходовой винт (червяк). Пьезопластины прикреплены на гранях муфты, червяк вкручен в муфту. При подаче двухфазных напряжений на пластины пьезокерамики возникают механические колебания, которые передаются металлической муфте, в результате чего червяк вращается и линейно перемещается относительно муфты.

Рисунок 10 – Схема, конструкция и форма колебаний пьезодвигателя «Nut-type linear ultrasonic motor»

На рисунке 11а представлена конструкция резонансного пьезодвигателя PILine фирмы Physik Instrumente (PI). Он содержит неподвижное основание из керамики, подвижную каретку с наклеенной полоской фрикциона, пьезокерамический привод с двумя электродами и алюминиевым наконечником толкателя. В зависимости от требуемого направления движения подвижной каретки, на один или на другой электрод подаются импульсы электрического напряжения с частотой от десятков до сотен килогерц. При подаче импульсного напряжения алюминиевый наконечник толкателя передаёт движение пьезокерамического привода подвижной каретке через полоску фрикциона, которая служит для обеспечения оптимальной силы трения с алюминиевым наконечником толкателя. Движущая сила возникает из продольных резонансных колебаний пластины пьезокерамического привода. При отсутствии управляющего напряжения каретка поджата и фиксируется за счёт силы трения между алюминиевым наконечником толкателя и полоской фрикциона. Такие пьезодвигатели могут перемещать подвижную каретку с разрешением 50 нм, усилием 50 Н, ускорением до 20g, скоростью движения до 800 мм/с. Управление осуществляется импульсами напряжения 5В, от ширины импульса зависит шаг перемещения каретки (шаг 50 нм получается при длительности импульса 10 мкс) [32], [33].

Представляют интерес другие пьезодвигатели фирмы PI, например, дорезонансные пьезоприводы типа Nexline, обеспечивающие более высокую точность позиционирования, больший момент сил движения и удержания каретки (усилия до 600Н). В них используется многотактная схема перемещения подвижной каретки несколькими толкателями пьезоприводов (рисунок 11б) [32], [33].

а) б) Рисунок 11 – Конструкции пьезодвигателей фирмы PI: а) PILine, б) Nexline В России, кроме ОАО «НИИ «Элпа» (разработка и производство пьезокерамических элементов и пьезоактюаторов для адаптивной оптики), можно отметить следующие предприятия-разработчики пьезоприводов для нано- и микроперемещений – ООО "КОМНЕТ" (г. Воронеж) и ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В.

Проценко» (г. Заречный Пензенской обл.).

ООО "КОМНЕТ" разрабатывает прецизионные манипуляторы и позиционеры на базе оригинальных шаговых инерционных и ультразвуковых пьезодвигателей со встроенными оптоэлектронными датчиками перемещения. Например, трехкоординатное устройство позиционирования обеспечивает перемещения объектов массой 5 кг в диапазоне 50 мм х 30 мм х 20 мм, дискрет хода 100 нм, скорость перемещения до 3 мм/с); ультразвуковой пьезопривод обеспечивает линейное перемещение с дискретом хода 100 нм, скорость перемещения до 200 мм/с, максимальное тяговое усилие 1,5 Н [34].

В ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В. Проценко» разработки в области наноприборостроения ведутся с 1989 г. При разработке сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) стояла задача по конструкции привода для сближения образца с зондом. Для этого был разработан дорезонансный шаговый пьезодвигатель (ШПД), который был признан изобретением [35], [36]. Двигатель имел Нобразную группу пьезоэлементов (ПЭ) – два тормозных ПЭ с наконечниками из износостойкой керамики и один ходовой ПЭ.

Тормозные ПЭ управлялись квазипрямоугольными сигналами, а ходовые – пилообразными, сформированными с помощью ЦАПа. Благодаря этому имелась возможность реализовать принцип дробления шага и останавливать пьезодвигатель на любом такте напряжения, формирующего ходовую пилу. Это обеспечило минимальный дискрет хода порядка 20 нм с возможностью его дальнейшего сокращения и максимальную скорость хода около 2 мм/с. Достоинства данного пьезодвигателя: безынерционность, непрерывность хода при его минимальном дискрете, не пылит в вакууме, имеет хорошую виброустойчивость из-за низкого центра тяжести и конструктивно удобен для компоновки с другими узлами приборов.

Принцип работы новой конструкции шагового пьезодвигателя показан на рисунке 8а. Благодаря применению ряда новых конструктивных решений удалось минимизировать габаритные размеры пьезодвигателя [37], [38]. На базе данной конструкции была предложена система управления прибором прецизионного позиционирования для механических тестов [39], [40].

Таким образом, преимущества пьезоприводов: высокий КПД (до 90% и более), большое усилие (не требуются редукторы), малые габариты и масса (по сравнению с электромагнитными двигателями), возможность работы при криогенных температурах и в условиях вакуума, возможность обеспечить малые угловые (единицы угловых секунд) и линейные перемещения ( 1 нм), высокая скорость срабатывания (в диапазоне микросекунд), низкое потребление энергии (в статическом состоянии, даже под воздействием больших нагрузок, актюаторы не потребляют энергию и не выделяется тепловая энергия), отсутствие магнитного поля, не подверженность износу (в конструкции пьезоактюаторов нет шестерен или подшипников; их перемещение обусловлено динамикой твердого тела), возможность управления с помощью микропроцессора или ЭВМ.

Области применения прецизионных пьезоприводов: нано- и микроманипуляторы, микророботы, нано- и микроскопия, нано- и микротехнологии (микролитография), биотехнологии, астрономия, космические исследования, метрология, производственное и тестовое оборудование для полупроводниковой промышленности, тестирование дисковых накопительных устройств, приборы управления лазерным лучом (приводы лазерных резонаторов), топливно-распределительные системы бензиновых и дизельных двигателей, компенсаторы вибрации оборудования и т.д.

<

1.2 Анализ тенденций развития пьезоактюаторов и пьезодвигателей

Эффективным методом анализа тенденций развития отдельных технических направлений является метод анализа изобретательской активности, так как изобретательская активность в конкретной области техники зависит от финансовых вложений в этой области на НИР и ОКР. Следовательно, рост изобретательской активности говорит о перспективности разработок в этом направлении.

Поиск патентной информации по исследуемой теме проводился в режиме удаленного доступа в базах данных изобретений национальных патентных ведомств и международных организаций:

– ВОИС (Всемирная организация интеллектуальной собственности):

http://ipdl.wipo.int;

– ЕР (Европейская патентная организация): http://ep.espacenet.com;

– США: http://www.uspto.gov;

– Германия: http://www.deutsches-patentamt.de;

– Япония: http://www.jpo.go.jp;

– Россия: http://www.fips.ru.

Глубина поиска – 10 лет. Виды поиска: лингвистический, тематический, фирменный.

В процессе поиска были выявлены следующие основные индексы МПК:

H01L 41/00, 41/04, 41/09, 41/08, 41/09,041/22 – Пьезоэлектрические приборы Н02K 33/00 – Двигатели с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек H02N 2/00 – 2/16– Электрические машины вообще с использованием пьезоэлектрического эффекта G01B 7/00 – Измерительные устройства, отличающиеся использованием электрических или магнитных средств G02B 21/026 – Предметные столики для микроскопов B06B 1/06 – Способы и устройства для получения механических колебаний дозвуковой, звуковой и сверхзвуковой частоты с использованием эффекта элек

–  –  –

Рисунок 12 – Распределение охранных документов по странам Как видно из приведенных сведений, лидерами по количеству охранных документов являются Япония и Южная Корея, за ними следуют США и Германия.

Для выявления динамики патентования в период с 2000 по 2014 гг. было проанализировано количество поданных заявок, результаты приведены на рисунке 13 в виде графиков количества поданных заявок по годам и ежегодного прироста количества заявок (кумулятивный).

Рисунок 13 – Динамика патентования

Приведенные данные свидетельствуют о том, что, начиная с 2004 года, количество подаваемых заявок было стабильным и имело тенденцию к повышению.

В ближайшее время интерес к исследуемой теме у разработчиков будет на достаточно высоком уровне и спада в патентовании не ожидается.

Ведущие страны мира активно патентуют свои разработки не только в своей собственной стране, но и в зарубежных странах. Соотношение национальных патентов, патентов, полученных в зарубежных странах и патентов, выданных иностранным заявителям представлено на рисунке 14.

–  –  –

Рисунок 14 – Соотношение национальных патентов, патентов, полученных в зарубежных странах и патентов, выданных иностранным заявителям

Количественные показатели в виде отношения патентов, выданных иностранным фирмам, к национальным патентам следующие:

–  –  –

Приведенные данные говорят о том, что наибольшую активность в поиске рынков сбыта проявляют Южная Корея, Япония и Германия.

Россия не имеет охранных документов, полученных за рубежом, но одновременно с этим, на территории России пока нет действующих патентов, полученных иностранными заявителями.

Изучение патентной и научно-технической литературы позволило выявить ведущие фирмы – патентообладатели.

Американская фирма DISCOVERY TECHNOLOGY INTERNATIONAL имеет в своем активе 11 патентов, причем 6 из них – это патенты, полученные по процедуре патентования РСТ и ЕПВ.

У корейских фирм INOVA INC и KOREA INST SCI & TECH 7 и 9 патентов соответственно, каждая из них активно патентует свои изобретения за рубежом.

Другая корейская фирма LG ELECTRONICS INC имеет 7 патентов и все они получены на территории Кореи.

Фирма SAMSUNG ELECTRO MECH, имеет 16 охранных документов, причем сфера интересов этой фирмы распространяется на Японию, Германию, США и Китай. SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD также патентует свои изобретения в США и Китае, имея при этом в своем активе 10 патентов.

Японская фирма OLYMPUS CORP защитила свои изобретения семью патентами, в том числе в США и Китае. Аналогичное положение у другой Японской фирмы TOSHIBA CORP – 8 патентов получены в Японии, США и Китае.

Лидером среди фирм является Немецкая фирма PHYSIK INSTR PI GMBH & CO KG, имеющая в своем активе 37 охранных документов. Фирма запатентовала свои разработки в США, Японии, Китае, а также активно использует процедуры патентования РСТ и ЕПВ. Фирма была образована в 1970 году. В настоящее время имеет подразделения в США, Великобритании, Японии, Китае, Италии и Франции. Основной сектор — оборудование для нанопозиционирования и обеспечения контроля движения с высокой точностью. Фирма является одним из ведущих производителей оборудования данного профиля.

Анализ российских охранных документов не позволил выявить ни одной фирмы-патентообладателя, имеющей сколько-нибудь значимый патентный портфель. Тем не менее в 1996 году Российскими авторами и фирмой Самсунг электроникс были поданы 7 заявок на изобретения. На эти же изобретения были получены охранные документы за рубежом. Однако, по истечении 8 лет, на территории России эти охранные документы прекратили свое действие. На территории России не выявлено ни одного патента, полученного иностранными заявителями.

Из 18 патентов в настоящее время действуют 2 патента на полезную модель и 3 патента на изобретение. Таким образом, в России сложилась благоприятная ситуация для разработки, производства и реализации пьезодвигателей.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |








 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.