Динамо-машины  Мехатроника и робототехнология 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [ 11 ] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Для трубчатых пьезоприводов применение рычажной системы с упругими шарнирами малоэффективно. Силы, развиваемые такими приводами, малы по сравнению с СПП, а малые перемещения (3-5 мкм) трубчатых приводов будут laquo;съедены raquo; деформациями механической передачи. Для таких пьезоприводов более перспективно последовательное соединение трубчатых пьезопреобразователей, обеспечивающее увеличение перемещения с сохранением силы привода. Для уменьшения габаритов они могут располагаться коаксиально внутри друг друга (рис. 3.16). В корпусе 1 зафиксирован трубчатый пьезопреобразователь 2, конец которого гфи помощи металлической втулки 3 приклеен к концу более тонкого трубчатого пьезопреобразователя 4. В свою очередь второй конец пьезопреобразователя 4 через втулку 5 прикреплен к третьему трубчатому пьезопреобразователю 6, на конце которого находится рабочий орган 7 (например, игла). Напряжение U подается на внешний электрод пьезопреобразователя 4 и внутренний электрод пьезопреобразователя 6 (внешние электроды пьезопреобразователей 2 и 6 и внутренний электрод пьезопреобразователя 4 заземлены). Направление вектора поляризации всех пьезопреобразователей выбрано таким образом, что при подаче напряжения U длина пье-зогфеобразователей 2 н 6 увеличивается, а длина пьезопреобразователя 4 уменьшается, поэтому перемещение рабочего органа 7 будет равно сумме перемещений всех пьезопреобразователей. Если один из гфеобразователей, например, преобразователь 6 будет иметь внутренний электрод разделашый вдоль оси на четыре независимых электрода, то возможно получение траектории рабочего органа 7, перпендикулярной его оси за счет изгибных деформаций преобразователя 6. При проектировании таких устройств нужно иметь в виду, что соединение трубчатых пьезоприводов через втулки при помощи клея испытывает деформатщи сдвига при осевой нагрузке на рабочий орган. Клеевое соединение тем прочнее, чем тоньше слой клея между сопрягаемыми поверхностями, поэтому соединение втулки с двумя трубчатыми пьезопреобра-

зователями должно быть выполнено по возможности точно и с минимальными

зазорами.

2 3 6 7

Рис. 3.16. Последовательное соединение трубчатых пьезопреобразователя

Рассмотренные методы мультиплекции перемещений позволяют увеличить перемещения микромеханического модуля в несколько раз, при этом общие габариты устройств повышаются незначительно.

3.4. МОДУЛИ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ С БИМОРФНЫМИ ПЬЕЗОПРИВОДАМИ

В некоторых случаях необходимо увеличить перемещение БПП. Такие задачи встречаются при разработке миниатюрных оптико-механических систем сканирования. Самый простой способ - это увеличение как длины ПКП , так и длины рессоры L (рис. 3.10), однако полезные нагрузки такой системы существенно уменьшаются, резко понижается первая собственная частота системы и увеличивается линейный размер. В устройстве возникает опасность выхода из строя БПП, т.к. при больших усилиях возникают деформации растяжения в хрупких пьезокерамических элементах, что может привести к трещинам. Возможно многоступенчатое последовательное соединение несколь- их БПП в 0Д1ЮМ механизме, что приводит к уменьшению размеров конструк-

ции в целом, но при этом уменьшается жесткость всей упругой системы (пре-образование становится неэффективным при 5...6 ступенях, соединенных по-следовательно) [9]. Такая конструкция (рис. 3.17) имеет пьезоэлектрические элементы 1 и 2, установленные с двух сторон на пластине 3 с несколькими па-рапшельными прорезями, которая закреплена на основании 4. При отсутствии напряжения точки А, Во, Со, Do находятся в одной плоскости. При подаче напряжения на пьезоэлементы перемещение точки D возрастет пропорционально количеству последовательно соединенных БПП (в нашем случае 4=3i) Здесь необходимо отметить, что рессора 3 имеет перегиб в средней части, поэтому пьезоэлементы 1 и 2 имеют противоположную поляризацию. Эта конструкция может быть использована в качестве реле или пневматического или гидравлического распределительного устройства (сопло-заслонка).

Рис. 3.17. Устройство с последовательным соединением БПП и схема его прогиба

На рис. 3.18 а, b показано устройство, мультиплекция углового перемешо ния которого достигается за счет применения рычажной системы [46]. На пл ской рессоре 1 (ее вид - на рис. 3.18 d) установлены четыре БПП 2. В cpeflHei* 70

части рессоры на выступах Е, D (которые служат рычагами) закреплена нежесткая рессора 3, в центре которой находится выходное звено 4 (например, зеркало). При подаче напряжения на БПП рессора изгибается по S-образной форме (рис.3.18 с), а точки В н С поворачиваются на угол у/. Благодаря тому, что выступы Е, D остаются неизогнутыми, точка О гибкой рессоры 3 повернется на угол за счет изгиба рессоры 3. Мультиплекция углового перемещения выходного звена зависит от соотношения размеров выступов Е, D и рессоры 3.

2 7 С 4 D

/у/,

Рис. 3.18. Устройство мультиплекции углового перемещения и схема его работы

Параллельное соединение БПП не увеличивает перемещетше выходного звена устройства, однако кратно повышает жесткость и его силовые характеристики. Современные технологии напыления пьезоактивного материала на плоские упругие металлические пластинки дают возможность создать чрезвычайно компактную конструкцию многослойного БПП с высокими удельными

силовыми характеристиками (рис, 3.19) [9]. На плоские стшральные рессоры 1 нанесены пьезокерамические слои 2 и 3, которые формируют спиральный БПП. Посредством винта-стяжки 4 с толкателем 5 спиральные БПП образуют параллельную структуру. Рессоры 1 закреплены на основании 6 при помопщ винтового соединения. Здесь возможно достижение перемещений порядка 5 мм и силой на конце БПП до 1 Н при общих габаритах конструкции 080 х 20 мм и при количестве спиральных ГШ до 10 элементов. Такие компактные кон-струтщии перспективны для осуществления перемещения объективов малогабаритных оптических устройств.

Рис. 3.19. Параллельное соединение сшфальных БПП

Таким образом, пьезоэлектрические модули, основанные на применении составных, трубчатых и биморфных пьезогфиводах, позволяют создать компактные системы микроперемещений в широком спектре перемещений и механических нагрузок. БПП позволяют укоротить кинематические цепи модуля БПП является по своим свойствам упругими элементами, поэтому они могут играть роль утфугих передаточных механизмов (например, быть эквиваленте! рычага). Возможностям применения БПП посвящена следующая глава. 72

Глава 4. КИНЕМАТИКА МОДУЛЕЙ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ С БИМОРФНЫМИ ПЬЕЗОПРИВОДАМИ

В микромеханике широко используются упругие кинематические устройства в качестве механических передач. Это объясняется их существенными достоинствами: высокой -точностью параметров движения, надежностью, долговечностью, автономностью в работе, отсутствием внешнего трения, люфтов, износа, технологичностью изготовления [50]. Эти устройства не содержат активных элементов, т.е. эти кинематические цепи служат только для преобразования и передачи движения и не используются для преобразования электрической энергии в механическую. Для обеспечения заданной траектории движения выходного звена при применении традиционного электромеханического привода с упругими кинематическими связями характерна следующая функциональная схема (рис. 4.1). На схеме основной линией показана механическая связь, пунктирной линией - механическая обратная связь (силовое воздействие нагрузки), штрих-пунктирной линией показана электрическая связь элементов. В таком приводе электрический управляющий сигнал от системы управления 1 подается на преобразующий элемент 2, который на выходе дает механическое перемещение входного жесткого звена 3, которое в свою очередь за счет кинематических связей преобразуется упругими передаточными звеньями 4 (упругие рычаги, различные пружины, тросики и т.д.) в движение выходного Жесткого звена 5. В таких упругих устройствах преобразование траектории движения осуществляется также за счет механических связей с упругими направляющими звеньями 6 (упругие параллелограммы, упругие шарниры и тд.), которые реализовывают развязку движущихся элементов цепи с неподвижным звеном (корпусом) и заданную форму траектории движения выходного звена. Согфотивлетше механической нагрузки, т.е. механическая обратная связь от выходного жесткого звена 5 передается на все механические звенья 2, 4, 6, изменяя траекторию движения этих звеньев.