Содержание к диссертации
Введение
1. Системы микроперемещений, их характеристики и проблемы создания 12
1.1. Основные области применения и направления развития, классификация и проблемы разработки систем микроперемещений 12
1.2. Приводы систем микроперемещений, области их использования 22
1.3. Основные свойства и характеристики микроманипуляци-онных систем 35
1.4. Анализ структуры микроманипуляционных систем 38
1.5. Бионический подход к созданию микроманипуляционных систем 51
1.6. Мехатронные модули микроперемещений 53
1.7. Измерительные преобразователи и чувствительные элементы мехатронных модулей микроперемещений 56
1.8. Выводы 61
2. Принципы построения пьезоэлектрических меха тронных модулей микроперемещений 63
2.1. Пьезоэлектрические элементы и преобразователи для приводов мехатронных модулей 63
2.2. Модули микроперемещений на базе составных и трубчатых пьезоэлектрических преобразователей 81
2.3. Модули микроперемещений с биморфными пьезоэлектрическими преобразователями 86
2.4. Выводы 90
3. Анализ упругих систем и разработка принципов построения модулей микроперемещений на базе биморфных пьезоэлектрических преобразователей 92
3.1. Функциональный анализ упругих систем 92
3.2. Активные упругие направляющие 97
3.3. Активные упругие шарниры 101
3.4. Модули микроперемещений с управляемыми траекториями движения точек выходного звена 107
3.5. Выводы 114
4. Расчетные модели модулей с составными и труб чатыми пьезоэлектрическими преобразователями ... 116
4.1. Постановка задачи построения расчетных моделей 116
4.2. Уравнения состояния пьезоэлектрической среды 117
4.3. Составной пьезоэлектрический преобразователь 119
4.4. Модуль мультиплекции перемещений 124
4.5. Трубчатый пьезоэлектрический преобразователь 137
4.6. Выводы 140
5. матЕматические модели биморфных пьезоэлектри ческих преобразователей и методика расчета упру гих систем на их основе 141
5.1. Математические модели биморфных пьезоэлектрических преобразователей и их сравнительный анализ 141
5.2. Методика расчета перемещений выходных звеньев упругих систем с биморфными пьезоэлектрическими преобразователями 170
5.3. Выводы 178
6. Разработка и исследование расчетных моделей основных модулей микроперемещений с биморфны- ми пьезоэлектрическими преобразователями 179
6.1. Постановка задачи построения расчетных моделей 179
6.2. Активные упругие направляющие 179
6.3. Активные упругие шарниры 209
6.4. Выводы 217
7. Разработка и анализ расчетных моделей упругих систем с управляемым движением выходного звена 219
7.1. Постановка задачи построения расчетных моделей 219
7.2. Двухкоординатная манипуляционная система на базе активного упругого шарнира с одной рессорой 220
7.3. Двухкоординатная система сканирования на базе активного упругого параллелограмма и мультиплексной передачи 228
7.4. Двухкоординатный сканер 238
7.5 Трехкоординатное устройство с усиленной схемой 249
7.6. Выводы 253
8. Исследование динамики упругих систем с биморфными пьезоэлектрическими преобразователями 255
8.1. Динамические модели упругих систем с биморфными пьезоэлектрическими преобразователями 256
8.2. Амплитудно-фазовые частотные характеристики и добротность системы 265
8.3. Динамические модели устройств с несколькими степенями свободы 275
8.4. Выводы 277
9. Экспериментальные исследования опытных образцов модулей микроперемещений, системы управления и основы сапр мехатронных систем 279
9.1. Цели и методы исследований 279
9.2. Исследование биморфных пьезоэлектрических преобразователей 281
9.3. Исследование модулей на базе активных упругих параллелограммов и активных упругих шарниров 285
9.4. Описание и характеристики опытных образцов модулей... 291
9.5. Разработка систем управления и питания модулей 301
9.6. Основы САПР мехатронных систем микроперемещений... 309
9.7. Рекомендации по практическому применению пьезоэлек-
трических систем микроперемещений 311
Заключение 313
Литература
- Основные свойства и характеристики микроманипуляци-онных систем
- Модули микроперемещений на базе составных и трубчатых пьезоэлектрических преобразователей
- Модули микроперемещений с управляемыми траекториями движения точек выходного звена
- Трубчатый пьезоэлектрический преобразователь
Введение к работе
Стремительно развивающаяся отрасль микромеханики в различных областях техники, включая микроэлектронику, приборостроение, медицинскую технику, дала мощный импульс внедрению приводов на базе пьезоэлектрических преобразователей (ПП) электрической энергии в механическую и упругих устройств на их основе. Появляются все новые области использования ПП для манипуляционных задач рабочих органов высокоточных миниатюрных и микромеханических систем.
Существует большой спектр технических задач, в которых необходимо обеспечить линейные перемещение микрообъектов до 0.01 - 0.5 мм и угловые перемещения до 0.5 - 2 при разрешающей способности порядка 1 мкм и 10 угл. сек. К этим системам микроперемещений (СМП) в первую очередь относятся микроманипуляторы для биологических исследований на уровне клетки, манипуляторы для сборки микроустройств (микроклапанов, микроэлектродвигателей, электромагнитных микрореле) и микроэлектронных схем, а также оптико-механические устройства: лазерные сканеры, системы юстировки и адаптивной оптики.
Манипуляционные системы на базе традиционных электромеханических приводов громоздки и дороги. Требования высокой компактности и точности программного воспроизведения движения дали толчок для развития пьезоэлектрических мехатронных систем, в которых в малых объемах сосредоточены элементы как приводов и механических передач, так и средств управления.
Большое количество исследований в области СМП посвящено отдельным направлениям пьезоэлектрических систем, таким как пьезоэлектронные устройства систем управления и контроля. В монографиях Б.С. Аронова [3], Р.Ю. Бансявичуса [7], Р.Г. Джагупова [19], В.И. Домаркаса [21], А.А.Ерофеева [19], Б.А.Кудрявцева [60], В.В. Лавриненко [49], А.А. Никольского [57], А.Е. Панича [59], В.З. Партона [60], СИ. Пугачева
-7-[67], К.М. Рагульскиса [7], У. Кеди [42], У. Мэзона [105] и других отечественных и зарубежных авторов проведены серьезные теоретические и экспериментальные исследования пьезоэлектриков и устройств на их основе, которые позволили создать теорию пьезосреды. Эти же авторы создали целую гамму устройств, в которых ПП работают с большой эффективностью. Однако в большинстве работ (кандидатские диссертации В.А. Гришко [16], О.В. Даринцева [18], Джамал Рисан Ахмеда [20], В.А. Коваленко [44], Д.Л.Расторгуева [69], О.В.Федотова [104], A.M. Щербина[111] и др.) рассматриваются вопросы разработки и расчета конкретных устройств на базе ПП и иных преобразователей энергии без учета требований к траектории движения выходного звена, уделяется мало внимания методике расчета сложных упругих систем при одновременном действии управляющих и возмущающих воздействий.
В Российской Федерации серьезные работы по разработке устройств с ПП ведутся в АО «ЭЛПА» (г. Зеленоград), НКТБ «Пьезоприбор» (г. Ростов-на-Дону), ОКБ «СОЛТО» (г. Москва), НИИРЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана, МИЭТ, ЦНИИ «Гидроприбор» (Санкт-Петербург), Институте нанотехнологий (г. Москва), АО «Электроприбор» (Санкт- Петербург), СПбГПУ (Санкт-Петербург), УГАТУ (г. Уфа) и других организациях.
Важный принцип мехатроники, заключающийся в соединении в единую систему электромеханических преобразователей энергии, передаточных механизмов и рабочих органов, может быть воплощен в приборостроении при помощи ПП, встроенных в передаточные механизмы или даже непосредственно в рабочие органы. Использование в одних элементах как прямого, так и обратного пьезоэффектов позволяет соединить в единой целое привод и датчики обратной связи. Этим достигается высокая компактность устройств в целом.
Однако обобщенный системный подход к анализу и проектированию ме-хатронных пьезоэлектрических систем в настоящее время не сформировался. В научных работах обычно рассматриваются конкретные реализации, кото-
-8-рые весьма разнородны. По этой причине актуальна разработка теории и методики расчета и проектирования СМП с ПП. Следует выделить важный аспект этой проблемы. При создании микромеханических систем необходимы следующие свойства, характеристики и параметры, которые определяют в дальнейшем стратегию поиска оптимальной конструкции мехатронной микросистемы. К ним относятся: траектории движения характерных точек выходного звена, его максимальные перемещения, силовые характеристики, управляемость системы в заданном частотном диапазоне. Исходя из этого, в первую очередь необходимо проанализировать известные упругие устройства со встроенными ПП с целью определения указанных выше параметров. Далее необходимо решить задачу по определению геометрических и физических характеристик элементов и всей микромеханической системы в целом при заданных ограничениях на габариты, развиваемые силы, диапазоны рабочих частот и т.д. Заключительным этапом разработки мехатронной системы является параметрическая оптимизация. Она в основном заключается в определении соотношений геометрических и физических характеристик элементов системы при максимальных амплитудах перемещений и при заданных общих габаритах мехатронной системы в целом и развиваемых силах.
Для успешного решения поставленных задач нужно разработать ряд типовых схемных решений СМП, математических моделей модулей СМП с характерными кинематическими признаками, для которых можно рассчитать требуемые параметры. К таким модулям можно отнести упругие устройства, конечные звенья которых совершают либо поступательное, либо вращательное, либо сложное движение. При проектировании СМП, состоящих из последовательного и параллельного соединения указанных модулей, необходимо согласовать их входные и выходные параметры. Для создания эффективных СМП необходимо решить указанные проблемы, поэтому тема диссертации, в которой разрабатываются вопросы теории и проектирования СМП, является актуальной.
-9-Создание математических моделей, отражающих поведение микромеха-
!> нических систем при управляющих и внешних воздействиях, позволяет оп-
ределить оптимальные параметры системы, не прибегая к сложным экспериментальным исследованиям по поиску конструкции и параметров ее элементов. Особая важность при этом заключается в правильном выборе ограничений и упрощений расчетной модели. В пределе желательно иметь такую математическую модель системы микроперемещений, которую можно рассматривать аналитически. К сожалению, этого достичь часто не представляется возможным. Такая постановка задачи в целом позволяет подойти к проектированию микроманипуляционных мехатронных систем наиболее эффективно, т.к. экспериментальная и опытная доводка устройств занимает много времени без приблизительной оценки оптимальных параметров.
Целью диссертационной работы является разработка основ теории и методов проектирования модулей систем микроперемещений на базе пьезоэлектрических приводов, а также выработка практических рекомендаций по созданию высокоэффективных систем микроперемещений в приборостроении, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
классифицировать СМП и их приводы, выявить оптимальные варианты;
разработать концепцию и принципы построения манипуляционных СМП;
провести анализ характера движений рабочих органов СМП;
сформулировать и проанализировать требования к модулям с ПП, воспроизводящим заданные траектории движения;
- разработать схемные решения принципиально новых упругих устройств с
ПП, отвечающих комплексу технических требований;
- определить параметры формы деформированного состояния пьезокера-
мических элементов, входящих в состав ПП, при подаче напряжения;
разработать методику расчета перемещений многокоординатных упругих систем при одновременном действии подаваемого на ГШ электрического напряжения и внешних сил;
провести структурную и параметрическую оптимизацию СМП;
оценить собственные частоты полученных систем;
определить амплитуды вынужденных колебаний выходных звеньев СМП с учетом добротности механических и пьезоэлектрических элементов систем;
провести экспериментальные исследования разработанных систем с ГШ и сравнить их результаты с результатами математического моделирования;
сформулировать и обосновать рекомендации по расчету и проектированию новых устройств с 1111.
Основные положения, выносимые автором на защиту.
Теоретические основы и методология проектирования СМП с ГШ.
Концепция построения мехатронных многокоординатных манипуляци-онных систем с древовидной структурой, позволяющих достигать высокой вариативности манипулирования при минимальном усложнении конструкций.
Комплекс новых схемных решений упругих СМП с биморфными ГШ, отличающихся укороченными кинематическими цепями модулей микроперемещений по сравнению с другими средствами преобразования электрической энергии в механическую.
Систематизация схемных и кинематических решений СМП на базе би-морфных ГШ по характеру движения выходных звеньев.
Методика расчета упругих многокоординатных систем с биморфными ГШ, позволяющая определить перемещения выходных звеньев, деформации и механические напряжения элементов систем в квазистационарном и динамическом режимах при подаче электрического напряжения.
Комплекс расчетных моделей с программной реализацией модулей упругих систем с БПП, имеющих разомкнутые и замкнутые кинематические цепи, и их оптимизация.
7. Методика анализа динамики модулей микроперемещений при внешней механической нагрузке с учетом внутренних потерь в пьезоэлектрических и механических средах.
Использование результатов работы дает возможность создать широкий спектр СМП различного назначения. Применение методики расчета упругих систем с биморфными ПП позволяет быстро провести анализ физической картины СМП при действии электрического напряжения и внешних механических нагрузок в квазистатическом и динамическом режимах, оценить и выбрать варианты кинематических схем системы и его модулей с оптимальными параметрами элементов. Разработанные модули СМП позволяют применить их для медицинской техники в качестве микроманипуляторов, для точного приборостроения и электронной промышленности в качестве сборочных СМП, мобильных микросистем мониторинга, микроустройств пневмо-гидроавтоматики и оптоэлектроники, работающих в условиях вакуума, агрессивных сред и повышенной температуры.
Основные положения и результаты отражены в 30 печатных работах, докладывались и получили одобрение на научных конференциях: Международной научно-технической конференции «Измерительные и и информационные технологии и приборы в охране здоровья», - М., 1999; Российской научно-техническая конференции «Информационные и бизнес-технологии 21 века», - СПб., 1999; Международной научно-технической конференции «Пьезотех-ника-2000», - М., 2000; научно-практической конференции «Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий», - СПб., 2001; 5-й и 7-й Всероссийских конференциях по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических вузах», - СПб., 2001 и 2003; 13-ий 14-й научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» - СПб., 2002 и 2003.
Новизна схемных и технических решений СМП, разработанных автором, подтверждена семью патентами РФ, одним патентом РСТ и европатентом.
Основные свойства и характеристики микроманипуляци-онных систем
Микроманипуляционные системы (микроманипуляторы) предназначены для захвата, удержания, перемещения микрообъектов, а также для совершения различных операций над ними при помощи миниатюрных рабочих органов. Как и манипуляционные системы относительно больших размеров (промышленные манипуляторы), ММС имеют неподвижное основание, модули перемещений и рабочие органы. Манипуляторы при свободном перемещении рабочего органа представляют собой пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью, причем его звенья связаны кинематическими парами с приводами, имеющими по одной степени подвижности (вращательная или поступательная) [10]. Для микроманипуляторов этот принцип не всегда выполняется. Перемещения их рабочих органов в оперативной зоне достаточно малы (доли миллиметров), поэтому они могут быть осуществлены благодаря упругим деформациям кинематических элементов микроманипулятора. Любой достаточно малый участок такого упругого элемента в принципе может иметь три независимые степени подвижности за счет шести компонент деформаций [55]: где єх — деформация бесконечно малого участка по оси х, еу - деформация бесконечно малого участка по оси у, єг - деформация бесконечно малого участка по оси z, у - деформация сдвига в плоскости ху, yxz - деформация сдвига в плоскости xz, у - деформация сдвига в плоскости yz, u,v,w - переме щения по осям x,y,z. На практике достаточно просто осуществить перемещение какой-либо точки плоского упругого элемента по трем координатам. Таким образом, один такой управляемый упругий кинематический элемент может сообщить движение рабочему органу микроманипулятора по трем координатам. В этом состоит одно из отличий построения микроманипуляторов от манипуляторов относительно больших размеров.
Отметим такое отличие микроманипуляторов от манипуляторов, как малые зоны обслуживания: малые углы сервиса - не более 2-5, тогда, как у манипуляторов, работающих в цилиндрической системе координат, углы сервиса достигают 180 и более градусов. Ход руки манипулятора может достигать 80% от минимального размера руки (во втянутом положении), а у микроманипуляторов с гидропередачей - не более 20%. Поэтому одно из основных направлений развития ММС состоит в увеличении зон обслуживания и, в частности, углов сервиса. Хотя стоит сказать, что при использовании МЭМС в качестве выходных звеньев углы поворота рычагов микросхватов могут быть такими же, как у манипуляторов.
Следующее отличие микроманипуляторов состоит в том, что динамические нагрузки оказывают на порядок меньшее влияние на их работу, чем у «обычных» манипуляторов. Как правило, скорости перемещений рабочих органов ММС не превышают 1- 2 мм/с, а движущиеся массы не более 10"2 кг, поэтому при разгоне и торможении динамические воздействия очень малы. Следовательно, демпфирующие устройства, присущие манипуляторам, здесь не нужны.
Другое существенное отличие состоит в том, что при малых перемещениях рабочих органов с высокой точностью (высокой степенью разрешения) тепловые деформации элементов микроманипуляторов являются фактором, которым нельзя пренебрегать при проектировании. Температурные дрейфы особенно сказываются при работе микроманипуляторов совместно с микроскопами, для которых необходимо хорошее освещение, приводящее к нагреву элементов ММС [76].
Оценим погрешность позиционирования микроманипулятора, длина звена которого / = 5-10-2 м, коэффициент линейного расширения /3Т = 1,1 Ю-5 1/град.К (сталь). Изменение длины звена при нагреве на AT -1 К можно найти по формуле Л/ = /?г/ДГ = 0,55-10 6 м. Это значение систематической ошибки позиционирования сравнимо со степенью разрешения многих микроманипуляторов, предназначенных для биологических исследований.
Один из важных принципов проектирования ММС состоит в том, что в конструкциях нужно избегать биметаллических звеньев. Параллельно соединенные детали должны по возможности иметь близкие значения коэффициентов линейного расширения, в противном случае происходит изгиб конструкции при нагреве. Желательно предусмотреть термокомпенсирующие звенья, которые при том же нагреве, что и у основных звеньев микроманипулятора, смещали бы рабочий орган в противоположную сторону. Кроме того, необходимо предусмотреть заземление изолированных электропроводящих деталей микроманипулятора, т.к. из-за фотоэлектрического эффекта возможно возникновение электрических потенциалов на рабочих органах, приводящее к нежелательным электростатическим эффектам.
Для надежной работы ММС необходимо предусмотреть режим термостабилизации параметров системы, продолжительность которого определяется экспериментально. Желательно, чтобы период непрерывной работы ММС был не менее половины суток.
Для микроманипуляторов в отличие от манипуляторов одна из главных проблем - это защита от внешних вибраций. Вибрации зданий происходят в диапазоне частот от 10 до 100 Гц с максимумом амплитуды около 2 мкм на частотах 15-20 Гц, поэтому резонансная частота виброзащиты ММС должна быть не выше 2 - 5 Гц [19]. Благодаря малым размерам микроманипуляторов перспективными являются методы активной виброзащиты.
Модули микроперемещений на базе составных и трубчатых пьезоэлектрических преобразователей
Анализ диаграммы дает следующее. При применении составных пьезоприводов в ММС часто бывают недостаточными значения их перемещений, а накопленная энергия и силы, развиваемые ими, явно избыточны. Поэтому одна из основных задач упругих механических передач состоит в увеличении хода (мультиплекции перемещений) привода за счет уменьшения силы. Аналогичная задача может быть также решена для трубчатых пьезоприводов за счет последовательного соединения приводов. Для БПП наоборот перемещения в прин -81 ципе достаточны (в некоторых случаях есть потребность их увеличения), но необходимо повысить силу привода. Такая задача может быть решена за счет уменьшения хода БПП. Более перспективный путь - это параллельное соединение БПП. В этом случае происходит наращивание накопленной энергии при сохранении уровня перемещений.
В пьезоэлектрических мехатронных модулях все указанные приводы оснащены (или могут быть оснащены) датчиками ускорений, в качестве которых выступают либо отдельные ПКШ, либо электрически обособленные участки пьезопластин или пьезокерамических трубок, работающие на использовании прямого пьезоэффекта. Эти пьезокерамические элементы могут служить в качестве датчиков силы. Однако в статическом или квазистатическом режимах достоверность получаемой от них информации может быть низкой из-за того, что статические заряды будут стекать с электродов датчиков через изоляцию. Как было показано в главе 1, мехатронные модули целесообразно оснащать в основном оптическими и пьезорезистивными датчиками. Они могут располагаются на упругих элементах, являющимися механическими передачами движения от пьезопривода к выходному звену - рабочему органу.
Основными задачами при разработке пьезоэлектрических модулей микроперемещений являются расширение функциональных возможностей (степеней свободы), диапазона перемещений и повышение точности.
Увеличение перемещения без увеличения габаритов СПП (т.е. без установки дополнительных пьезопакетов в преобразователе) может быть достигнуто при помощи усложнения кинематики микромеханического модуля. Один из перспективных вариантов мультиплекции перемещений предложил в своей диссертационной работе A.M. Щербин [111]. Его идея заключается в использовании наклонного расположения составного ПП относительно направления движения выходного звена, которое имеет возможность перемещаться по шариковым направляющим. Коэффициент мультиплекции устройства обратно пропорционален значению синуса угла между ПП и перпендикуляром к направлению перемещения выходного звена. Такое техническое решение имеет сложную конструкцию и не исключает люфт и податливость в направляющих.
Более простое решение, свободное от указанных недостатков, заключается в использовании механических передач с использованием рычагов и бесфрикционных упругих шарниров. Однако этот принцип мультиплекции перемещений также имеет ограниченную эффективность вследствие небольшого коэффициента мультиплекции (до 10-15). Расчет такого модуля приведен в главе 4.
Рассмотрим микромеханический модуль мультиплекции перемещений с разноплечным рычагом и упругим шарниром (рис. 2.14), состоящий из СПП 1, рычага 2 с контактной площадкой 3, взаимодействующей в точке А со сферическим наконечником 4 рабочего торца СПП 1. Рычаг 2 крепится к основанию при помощи упругого шарнира 5 (применение традиционных шарниров вообще невозможно из-за люфтов). Конец рычага 3 контактирует с выходным звеном 6 в точке 0.
Подобная конструктивная схема может иметь место, например, в тормозном устройстве шагового пьезодвигателя, приведенного в главе 9, в котором создание силы трения между рабочим органом и выходным звеном осуществляется при помощи пружины (на рис. 2.14 не показана), а освобождение рабочего органа осуществляется при подаче напряжения на СПП. В такой конструкции важно как обеспечение необходимого усилия при торможении (около 5 Н), так и достаточно большого зазора ( 0,05 мм) при снятии тормозного воздействия. Другим примером использования такой схемы может служить привод подачи резца прецизионного токарного станка для обработки миниатюрных изделий (ход 0,2 мм, усилие резания 10 Н).
При подаче напряжения U на СПП 1 его длина увеличивается и он своим сферическим наконечником 4 действует на вставку рычага 3, перемещая выходное звено 6 вверх. В точке контакта А возникают контактные деформации, которые уменьшают перемещение выходного звена 6. В отличие от идеальной схемы разноплечного абсолютно жесткого рычага с идеальным шарниром в рассматриваемой схеме возникают дополнительные изгибные деформации самого рычага и упругого шарнира, которые также уменьшают перемещение выходного звена. Идеальный коэффициент мультиплекции, соответствующий схеме абсолютно жесткого рычага с идеальным шарниром, определяется выражением где 0 - перемещение точки 0 и А0 - перемещение точки А без учета деформаций. Таким образом, мультиплекция рассматриваемой системы будет существено меньше, чем у идеальной схемы (расчет действительного коэффициента мультиплекции приведен в главе 4).
Модули микроперемещений с управляемыми траекториями движения точек выходного звена
Как было сказано выше, сложные управляемые траектории движения выходного звена используются в микроманипуляторах, предназначенных для биологических исследований и сборки компонентов микроэлектроники, в двухко-ординатных оптических сканирующих устройствах. В последнее время управляемые траектории осуществляются в прецизионных многокоординатных пье-зоприводах и оптических системах навигации спутников.
В зависимости от решаемых задач выходное звено микроманипуляционных систем может иметь от двух до шести степеней свободы. Последовательное соединение модулей микроперемещений с пьезоприводами, каждый из которых имеет одну степень свободы, дает возможность управлять траекторией движения объекта манипулирования. Последовательно-параллельное соединение модулей микроманипулятора с тремя степенями свободы (рис. 3.16), разработанного автором, имеет повышенную жесткость по сравнению с микроманипулятором, в котором три БПП соединены последовательно под прямым углом друг к другу. Расположенные в одной плоскости БПП 1 с одной стороны консольно закреплены на основании, а с другой - жестко связаны со второй парой БПП 2, которые параллельны друг другу. С другой стороны БПП 2 связаны с жесткой платформой 3, образуя АУП. В свою очередь, на противоположных гранях платформы 3 зафиксированы два других параллельно расположенных БПП 4, концы которых установлены на второй жесткой платформе 5, образуя второй АУП. На платформе 5 находится выходное звено 6 (например, микроэлектрод). При подаче напряжения на БПП 1 точка 0 выходного звена совершает перемещение вдоль оси z, при подаче напряжения на БПП 2 точка 0 перемещается по оси х, а при подаче напряжения на БПП 4 она движется по оси у.
Управление пространственной траекторией движения выходного звена может быть осуществлено при помощи закрытых упругих кинематических цепей, связывающих отдельные БПП и выходное жесткое звено через одно или несколько упругих звеньев. В таких устройствах достигается большая компактность и жесткость системы по сравнению с традиционными схемами последовательного соединения модулей. В последние годы такие закрытые упругие кинематические связи стали применять в пьезоэлектрических сканирующих устройствах, обеспечивающих качание луча в двух плоскостях. Заслуживают внимания пионерские разработки компании Microvision [78], в которых пьезоэлектрические двухкоординатные сканеры используются для получения изображения непосредственно на сетчатке глаза (Retinal Scanning Display). Сама сетчатка глаза наблюдателя становится непосредственно экраном, на котором с помощью маломощных полупроводниковых лазеров воспроизводится цветное изображение с разрешением 5 мкм. Такие видеосистемы, выполненные в виде шлема или очков, получают распространение в микрохирургии, в авиации и мобильной связи.
Принцип действия двухкоординатного сканера состоит в следующем: миниатюрное зеркало 0 4 мм прикрепляется в центре крестообразного биморфно-го пьезоэлектрического преобразователя, на элементы которого подается переменное напряжение [154]. Зеркало в таком случае может иметь угловое перемещение в двух плоскостях. Как кинематический элемент такую упругую систему можно отнести к активным упругим сферическим шарнирам.
Для увеличения угла сканирования, что эквивалентно увеличению области сканирования, автор предлагает следующую схему сканера (рис. 3.17) [92]. На четырех плоских металлических рессорах 1 установлены пьезокерамические пластинки 2, которые образуют БПП. При подаче напряжения они изгибаются и передают изгибающие моменты на зеркало 3 через упругие стержни 4. В результате этого жесткое зеркало 3 поворачивается в плоскости действия моментов. Расчетная модель этого устройства разработана в главе 7.
Резонансный режим работы пьезопривода сканера подразумевает гармоническую зависимость угла качания зеркала от времени, поэтому система воспро изведения изображения должна иметь элемент компрессии передачи данных, зависящей от текущего угла наклона зеркала.
Приведенная схема с закрытой кинематической цепью с четырьмя БПП позволяет выходному звену (зеркало 3) иметь три степени свободы: качание вокруг двух осей и поступательное перемещение в направлении оси.
Если выходное звено СМП испытывает повышенные механические нагрузки, то приведенную на рис. 3.17 схему можно усилить, введя параллельные звенья с БПП в каждое из четырех плеч указанной трехкоординатной упругой системы [24, 25]. В микроманипуляторе (рис. 3.18) на основании 1 закреплены рессоры 2 с БПП 3, связанные с тонкой крестообразной рессорой 4.
Трубчатый пьезоэлектрический преобразователь
Математическим моделям БПП посвящено много исследований отечественных и зарубежных авторов [3, 6, 19, 50, 51, 126, 137]. В середине восьмидесятых годов появились публикации о применении вычислительной техники для аналитического решения задач, связанных с БПП. Р.А. Бараускас и другие сотрудники Каунасского политехнического института применяли программу FORTRAN для аналитического решения вибрационных задач [8]. К сожалению, программное обеспечение не позволяло анализировать полученные громоздкие формулы, т.к. оно не имело возможности упрощать алгебраические выражения. В последнее время методы исследования БПП в основном опираются на численные методы, включая аппарат метода конечных элементов, т.к. теория пространственно деформированных механических систем позволяет проводить аналитические исследования только в частных случаях нагружения. С.А. Ерофеев разработал пакеты прикладных программ «Feapiezo-1, 2», позволяющую проводить многомодельную и многовариантную постановку задач электроупругости в интерактивном диалоговом режиме [34]. Для работы с этими пакетами программ требуются мощные компьютеры. Расчеты могут длиться часами. Для поиска новых технических решений и оптимизации найденных решений такой режим работы малоэффективен. Для анализа физической картины нет необходимости находить решения с высокой точностью, как известно для инженерных расчетов большого спектра упругих механических систем дос -142 таточно 20-30 процентной погрешности. По ОСТ II 0444-87 (Материалы пьезо-керамические) [58] наиболее часто употребляемая пьезокерамика ЦТС-19 имеет разброс параметров в следующем диапазоне: пьезомодули d3l = (150 - 200) 10"12 Кл/Н, d33 = (340 - 460) 10-12 Кл/Н, податливость s =(13,5-15,0)-10-12 м2 /Н, для других материалов разброс параметров примерно в таком же диапазоне. Для точных расчетов необходимо либо самим испытывать имеющуюся в наличии пьезокерамику, либо знать данные, предоставленные заводом-изготовителем, по конкретной партии пьезокерамического материала. На практике пьезоэлектрические и упругие параметры пьезокерами-ки, которые приводятся в справочниках, отличается на единицы процентов, кроме того, пьезокерамика подвержена старению, поэтому выполнить точный расчет БПП часто не представляется возможным априори.
Для разработчика миниатюрных устройств достаточны относительно грубые оценки, а не сами точные значения перемещений, углов поворота выходных звеньев устройств с БПП. создатели новых микромеханических систем проверяют свои идеи на экспериментальных образцах, внося шаг за шагом коррекцию в них после экспериментов.
Наиболее часто встречающийся тип БПП - это вытянутая в одном направлении пластина, состоящая из трех склеенных между собой элементов - двух тонких пьезокерамических пластин и одной металлической пластины между ними. При соблюдении определенной полярности (поляризации) пьезоэлементов при подаче на них электрического напряжения пластина БПП изгибается в двух плоскостях.
Очевидно, что наиболее близкая модель БПП - это упругая пластина, однако, если один продольный размер пластины превышает в 3-4 и более раз другой продольный размер пластины, то при определенных допущениях можно рассматривать БПП как стержень.
Представление БПП в виде пластины, т.е. упругого объекта имеющего две независимые координаты, существенно усложняет модель, описывающую пе - 143 ремещения конечных звеньев всей системы в целом. Из-за сложности математической модели таких систем аналитическое исследование становится неэффективным. Поэтому встает вопрос: насколько менее точным является представление БПП в виде стержня по сравнению с пластиной и какие ограничения накладывает данная модель. Необходимо решить вопрос, в каких пределах геометрических и физических характеристик элементов БПП возможно применение модели стержня в инженерных расчетах
Для достижения этой цели рассмотрим незакрепленный БПП в виде пластины (рис. 5.1), определим перемещение конца БПП и сравним его с аналогичным перемещением БПП, представленным в виде стержня. Т.к. слои склеены между собой, то будем считать, что проскальзывание слоев отсутствует и поперечное сечение «сэндвича» при изгибе остается плоским и не деформируется.
Похожие диссертации на Основы теории и проектирования мехатронных систем микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами
