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

Под максимальной силой (или блокирующей силой) Р понимается сила, которую развивает привод (или сила внешней нагрузки) гфи заторможенном свободном конце преобразователя, при подаче максимального напряжения и. Расчет Р проводился по формуле (5.9). Сила Р, развиваемая приводом, зависит от перемещения его рабочего торца. Коэффициент жесткости, характеризующий угол наклона характеристики Р = f() привода, вычисляется по формуле

max гаах

где - максимальное перемещение свободного конца преобразователя при

внешней силе f = О. Чем выше жесткость привода, тем большую силу развивает привод при заданном перемещении. Максимальная энергия, которую может накопить привод в заторможенном состоянии, является комплексным критерием оценки его силовых возможностей:

max 2

Примером исполнения СПП может быть образец (рис. 3.5), состоящий из пакета секций 1 тонких пьезокерамических шайб (ПКШ) и имеющий по концам два фланца 2, стянутых винтовой шпилькой 3 с тонкой средней частью посредством двух гаек 4. Стяжка секций необходима для выборки зазоров и люфтов между ПКШ, повьштения жесткости пьезоэлектрического привода и уменьшения петли гистерезиса Тонкостенная пластмассовая втулка 5 служит в качестве изолятора и элемента, центрирующего весь пакет секций ПКШ. Слюдяные шайбы 6 таюке являются изоляторами, обладающими высокой жесткостью при сжатии. Обычно секция 1 состоит из 10-20 ПКШ толщиной 0,5-1 мм с серебреными электродами, нанесенными на плоские торцевые поверхности, которые электрически параллельно соединены между собой (рис. 3.6), а векторы поляризации Р и пьезокерамических элементов направлены навстречу друг другу. 56

Рис, 3.5. Составной пьезпреобразователь

Рис. З.б. Соединение пьезокерамических шайб в секцию.

Такое параллельное электрическое соединение ПКШ дает увеличение перемещения торца СПП, пропорциональное количеству ПКШ, однако существенно возрастают габариты, масса и стоимость такого устройства. При приведенных на рис. 1.12 размерах максимальное перемещение составит 5,2 мкм при напряжении 300 В, максимальное усилие, развиваемое устройством, может достичь 1,7-10 Н.

Уменьшение напряжения, подаваемого на электроды, осуществляется за счет уменьшения толщины пьезокерамических пластинок. Японская компания MEGACERA выпускает пьезокерамические диски толщиной от 0,035 мм до 0,8 мм при диаметре от 9 до 60 мм [34]. Такие малые толшины позволяют снизить напряжение до 10-20 В, что соответственно приводит к уменьшению га-баритов-са.мих мехатронных мод gt;лей и облегчает задачу подачи электропита-ЗДя к пьезоэлементам.

Более дешевые и простые пьезоприводы содержат трубчатые пьезокерамические элементы, на образующие поверхности которых нанесены электроды (внешний вид-на рис. 3.7, характеристики - в табл. 3.3 [32]).

Рис. 3.7. Пьезопривод с трубчатым пьезокерамическим элементом

Табл, 3,3

* Последние фи строки таблицы - расчетные. Такие пьезоприводы имеют толщину стенок от 0,5 до 1,5 мм Уменьшение толщины приводит к уменьшению питаюидего напряжения, однако изготовление тонкостенных пьезокерамических трубочек требует жесткого соблюдения технологии. Если разделить один электрод, например наружный, на четыре продольных сегмента, то, подавая на них напряжение разных знаков, можно

получить не только продольные, но и изгибные перемещения торца в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Использование биморфных пьезоэлектрических приводов (БПП) дает существенное увеличение перемещения [8]. В них используются изгибные деформации многослойных структур, состоящих из активных - пьезоэлектрических слоев и неактивных - металлических или полимерных слоев. При определенном направлении поляризации пьезокерамических элементов возникают управляемые изгибные деформации, которые приводят к многократному увеличению перемещений по сравнению с приведенными выше пьезопреобразо-вателями, работающими на растяжение-сжатие. Однако жесткость БПП на порядок ниже, поэтому силовые .характеристики БПП хуже Простейший БПП (рис, 3 8) состоит из двух длинных склеенных межд\ собой пьезокерамических пластин 1 и 2 с одинаковым направлением векторов поляризации Р, и Р

Рис 3 8 Простейший БПП

Если подать постоянное напряжение на электроды пластин 3 и 4, одна пьезо-пластина б gt;дет удлиняться, а другая - укорачиваться. Т.к. они соединены, то БПП изогнется. При подаче переменного напряжения на частотах ниже перво-0 резонанса незакрепленный БПП будет иметь форму изгибных колебаний, Как показано на рис, 3,9,

Если один его конец закрепить, а другой оставить свободным, то смещена свободного конца БПП можно рассчитать по формуле [3, 54]:

(3.1

где c?3j - пьезомодуль, U - напряжение, / - длина пластин, h - толщина пла-стшш. Например, если с/,! = 1,25-10 Кч/Н. UOOB, I =0,06 м, h=0,31(r\v то =3,0-10 м. Этот результат хорошо согласуется с экспериментами.

Рис. 3.9. Изгиб незакрепленного БПП

Такая конструкция не технологична при механической сборке, т.к. пьезокерамика - хрупкий материал, и винтовые соединения могут ее повредить. Поэтому часто используются устройства с рессорой - неактивной металлической пластиной, вклеенной между пьезоэлементами 1, 2 (рис. 3.10). Эта металлическая пластина 3 имеет свободные от пьезокерамики части, предназначенные для фиксации и сборки устройства, однако перемещения такого устройства меньше, чем в БПП без металлической пластины (расчет перемещений приведен в главе 6). В зависимости от требований, предъявляемых к устройствам

микроперемещений, отношение толщин лежит в диапазоне 0,5 lt; - lt; 5. Чаше

всего в приборах и аппаратах рессора заземлена, поэтому ее крепление к металлическому корпусу осуществляется без изоляторов. Практика показывает что при склеивании пьезоэлементов с рессорой электрический контакт межЛ электродами и рессорой достаточен для нормальной работы пьезопривода.

Рис. 3.10. БПП с металлической пластиной

В табл. 3.4 даны геометрические характеристики БПП (акпоаторов), выпускаемых АО laquo;ЭЛПА raquo; [32]. Для них общая длина равна длине пьезопластины: i = /j (конструкция БПП не имеет выпуска металлической пластины), а T = 2h + h.

Табл. 3.4.

В табл. 3.5 приведены основные характеристики рассматриваемых БПП.

Табл. 3.5.

Под блокирующим усилием здесь понимается максимальная внешняя сила -тах gt; которую нужно приложить нз свободном концс БПП, чтобы его перемещение = О, при подаче максимального напряжения . Очевидно, что эта