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

раплеяьны друг другу. С другой стороны БПП 2 связаны с жесткой платфор-мой 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 О выходного звена совершает перемещение вдоль оси Z, при подаче напряжения на БПП 2 точка О перемещается по оси х, а при подаче напряжения на БПП 4 точка О движется по оси у.

Рис. 4.15. Трехкоординатный микроманипулятор с последовательно-параллельным соединением биморфных пьезоприводов

Управление пространственной траекторией движения выходного звена может быть осуществлено при помощи параллельных кинематических связей между отдельными БПП. В таких устройствах достигается большая компактность и жесткость системы по сравнению с традиционными схемами последовательного соединения модулей. В последние годы параллельные кинематические связи стали применять в пьезоэлектрических сканируюпщх устройствах, обеспечивающих качание луча в двух плоскостях. Заслуживают внимания пионерские разработки компании Microvision [35], в которых пьезоэлектрические двухкоординатные сканеры используются для получения изображения непосредственно на сетчатке глаза (Retinal Scamiing Display). Сама сетчатка глаза наблюдателя становится непосредственно экраном, на котором с помо-

щью 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 довольно прост: миниатюрное зеркало 0 4 мм прикрепляется в центре крестообразного биморфного пьезоэлектрического преобразователя, на элементы которого подается переменное напряжение [20]. 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 уменьшению габаритов устройства или увеличению области сканирования, предлагается следующая схема сканера (рис. 4,16) [46]. 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.

Рис. 4.16. Многокоординатная манипуляционная система с БПП

Резонансный режим работы пьезопривода сканера подразумевает гармоническую зависимость утла качания зеркала от времени, поэтому система воспроизведения изображения должна иметь элемент компрессии передачи данных, зависящей от текущего угла наклона зеркала.

Приведенная схема параллельного соединения четырех 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 повыщенные механические нагрузки, то приведенную на рис. 4.16 схему можно усилить, введя параллельные звенья с БПП в каждое из четырех плеч указанной трехкоординатной упругой системы [10]. В микроманипуляторе (рис. 4.17) на основании 1 закреплены рессоры 2 с БПП 3, связанные с tohko.1i крестообразной рессорой 4.

5 6 7

Рис. 4.17. Трехкоординатный микроманипулятор с усиленной схемой

В центре рессоры 4 установлено выходное звено 5, имеющее на цилиндрической части резьбу. Положение выходного звена 5 регулируется его поворотом относительно гаек 6, одна из которых припаяна к рессоре 4. На выходном звене 5 установлена также гайка 7, положение которой определяет соотнощение между собственными частотами системы. Отверстия 8 в рессорах 2 служат для понижения жесткости рессор. Такое техническое рещение СМП позволяет эффективно работать как в резонансном режиме с большими амплитудами, так и в режиме точных перемещений с управляемыми траекториями при относительно больших нагрузках на выходное звено.

Для микроманипуляторов, предназначенных для автоматической сборки МЭМС, а также для операций на клеточном уровне в биологии, имеется потребность в модулях, имеющих до шести степеней свободьт Такие модули микроперемещений можно создать на базе платформы Стюарта. Эти мехатронные многокоординатные устройства имеют стержневую конструкцию с шестью приводами поступательного перемещения. В современном машиностроении технологические машины такого типа с шарико-винтовыми передачами (станки, координатно-измерительные машины, роботы) получили название гексаподов.

Предлагается шестикоординатный микромеханический модуль с пьезоприводами (рис. 4.18), состоящий из основания 1, на котором при помощи упругих шарниров 2 установлены шесть модулей поступательного движения 3 на базе четырех рессор с БПП (рис. 4.7). Выходные звенья 4 этих модулей при помощи упругих шарниров установлены на подвижной хшатформе 5 с рабочим органом 6. Управляя перемещением выходных звеньев 4, можно обеспечить пространственное перемещение рабочего органа 6 по шести координатам (три вращательных и три поступательных). Основными преимуществами гексапод-ного микромеханического модуля являются:

высокая точность перемещений, обеспечиваемая повышенной жесткостью всех шести модулей поступательного движения;

улучшенные массогабаритные характеристики вследствие отсутствия направляюпщх кинематических элементов; высокая степень унификации мехатронных узлов, обеспечивающая технологичность изготовления и конструктивную гибкость.

Рис. 4.18. Шестикоординатный микромеханический модуль

Используя модули с двумя степенями свободы, можно создать вибрационные пьезоприводы вращения сферы по трем осям [12]. Основным приводным элементом такого устройства может служить БПП с рессорой, аналогичный АУШ, показанному на рис. 4.9. Обычно в пьезодвигателях такой элемент работает в резонансных режимах. Если рессора с БПП возбуждается на первой собственной частоте изгибных колебаний , то выходное звено (толкатель) будет совершать движение по прямолинейной траектории, как показано на рис.4.19 а. При возбуждении колебаний на второй собственной частоте /2 выходное звено будет совершать качательное движение (рис.4.19 Ь). Если эту ко-90

лебательную систему настроить таким образом, что /2 i=2, и подать на БПП бигармоническое напряжение этих частот, то конец выходного звена будет двигаться по 8-образной траектории.

а Ь.

Рис. 4.19. Первая (а) и вторая (Ь) моды изгибных колебаний БПП

Такая траектория движения позволяет осуществлять однонаправленное движение объекта, контактирующего с толкателем с проскальзыванием. Однако добиться путем расчетов выполнения данного соотношения частот довольно трудно. Поэтому в конструкцию вводится дополнительный регулировочный элемент - масса, расположенная на стержне и имеющая возможность фиксироваться на разном расстоянии h от оси качания (аналогично системе, показанной на рис.4.17). Основная идея заключается в том, что h не влияет на значение /1, (влияет только сама масса), но на значение - влияет пропорционально значению h. Таким образом, регулируя положение массы, можно подгонять частоту /2 к требуемому соотношению собственных частот [13]. На рис. 4.20 показана конструктивная схема экспериментального многокоординатного сферического вибродвигателя для навигационной системы спутника, обеспечивающая точное позиционирование шара по трем угловым координатам. Шар в статике опирается на три точки - три толкателя, движение каждого Из которых может управляться независимо. Сверху шар прижимается такой же системой вибраторов с толкателями [13]. При помощи программируемого ре-*има колебаний нижней и верхней части вибродвигателя шар может повора-иваться вокруг трех осей. На шаре устанавливается миниатюрная видеокаме-Осуществляющая слежение за положением космического объекта относи-сльно звезд.