П'єзоелектричні модулі руху

П'єзоелектричний двигун(ПЭД) має ряд унікальних властивостей, що дозволяють рекомендувати його до застосування в мехатронных виробах, робототехнике і приладах спеціальної техніки, а саме:

– низькою номінальною швидкістю обертання двигуна(30.120 мін-1) свысоким моментом на валу, що дозволяє виключити редуктор з приводу, побудованого на його основі;

– природним самоторможением за відсутності дії, що управляє, внаслідок чого, у ряді випадків, не вимагається оснащувати привід гальмівною муфтою;

– дуже високими динамічними показниками;

– малими габаритними розмірами і масою приводів, побудованих на основі ПЭД;

– підвищеною точністю безредукторних приводів на основі ПЭД;

– низькою вартістю двигуна.

Проте є ряд недоліків, що утрудняють його широке поширення. До них відносяться:

– невеликий ресурс двигуна;

– нестабільність і нелінійність характеристики двигуна, що пов'язано зі зміною внутрішніх параметрів двигуна залежно від зовнішніх дій, а також зі зносом механіки;

– розкид параметрів окремих екземплярів ПЭД через неточність виготовлення і механічного контакту статора і ротора.

На базі ПЭД були розроблені абсолютно нові моделі руху для мікропереміщень.

Робота ПЭД заснована на використанні зворотного п'єзоелектричного ефекту в спеціально оброблених керамічних матеріалах, які відносяться до сегнето-электрикам. П'єзоефект виявлений більш ніж у 1500 речовин, передусім у кварцу.

На Рис. 2.4 (а) представлена схема основного елементу пьезо- електричного модуля руху(микропьезопривода) з поступальною деформацією «розтягування - стискування».

Рис. 2.4 а, б. П'єзоелектричні перетворювачі мікроприводів

Він є пакетом з пьезокерамических шайб 1 з нанесеними на торці срібними електродами, на які паралельно подається електрична напруга. При цьому за рахунок зворотного п'єзоелектричного ефекту відбувається збільшення або зменшення товщини шайб залежно від полярності прикладеної напруги.

На Рис. 2.4, б показаний інший тип таких перетворювачів, заснований на вигинистих деформаціях багатошарових пластинів з п'єзоелектричних ипассивных металевих або полімерних шарів. Такі перетворювачі мають більший хід, ніж що використовують деформацію розтягування - стискування, але гірші точностные і силові параметри.

Величина переміщення на виході таких електромеханічних перетворювачів(хід) - до десятих доль мм; швидкість - до 1-2 м/с, погрішність керованого позиціонування - долі мкм, зусилля - сотні Н, потужність - десятки Вт. З таких перетворювачів створюються трьохстатечні системи мікроманіпуляцій. Вони часто комбінуються із звичайними електромеханічними маніпуляційними системами, що забезпечують переміщення в десятки міліметрів з погрішністю, що перекривається системою мікроманіпуляції. Виходить маніпулятор, що складається з послідовно сполучених систем грубого і точного позиціонування, робочий хід якого визначається першою системою, а точність - другий.

На Рис. 2.5 зображена схема, що пояснює принцип роботи ПЭД храпового типу.

Рис. 2.5. Структурна схема п'єзоелектричного двигуна(ПЭД)

Пьезоэлемент 1 (ПЭ), здійснюючи мікроколивання, передає зусилля за допомогою сталевого штовхальника 2 на ротор 3. В результаті різного значення сили тертя в прямому і зворотному напрямах штовхальник робить більше зусилля на ротор при русі вперед, чим у зворотному напрямі, що призводить до виникнення моменту, що обертає. Найвища ефективність роботи такої системи досягається в резонансному режимі.

Поворотні ПЭД храпового типу мають конструкцію, схематично представлену на Рис. 2.6. Пьезоэлемент 1 виконаний у вигляді тора, в якому генеруються механічні коливання. Пружні штовхальники 2 передають на ротор 3 зусилля, що викликає момент, що обертає.

Рис. 2.6. Конструкція поворотного ПЭД храпового типу

Така конструкція перетворювача забезпечує однонапрямлене обертання. Реверсивні ПЭД об'єднують в одному корпусі два однонапрямлені двигуни, працюючих в протилежних напрямах.

Окрім п'єзоелектричних існують мікроприводи і інших типів - пьезомагнитные, електро- і магнітострикційні, біметалічні, на ефекті пам'яті форми, електростатичні(принцип дії яких буде описаний нижче), пневматичні, гідравлічні.

Для систем мікропереміщень(СМП) усі типи приводів можна розділити на дві групи:

– приводи безпосереднього перетворення електричної енергії в механічну;

– приводи багатоступінчастого перетворення електричної енергії в механічну: спочатку в теплову або іншу, наприклад, хвилеву енергію(або механічних хвиль, або електромагнітних хвиль, зокрема, хвиль оптичного діапазону), а потім в механічну енергію однонапрямленого руху вихідної ланки СМП.

Таким чином, сучасний рівень техніки дає великий спектр фізичних ефектів, вживаних в приводах СМП. Аналіз патентної і науково-технічної літератури дозволяє зробити наступні висновки.

1. Приводи, що найчастіше зустрічаються, - це електромеханічні і електромагнітні як найбільш універсальні. Далі по поширеності слідують п'єзоелектричні і електростатичні. Інші типи «екзотичних» приводів нині є об'єктами досліджень.

2. По швидкодії кращими є електростатичні приводи.

3. За силовими характеристиками - п'єзоелектричні і магнито-стрикционные приводи(працюючі на розтягування - стискування).

4. По компактності з урахуванням використання технологій електронних компонентів найбільш перспективними для приладових мікросистем є електростатичні приводи і приводи на основі перетворення теплової енергії в механічну(матеріали з пам'яттю форми).

5. Електромеханічні(мікроелектродвигуни), електромагнітні і п'єзоелектричні приводи мають найбільшу перспективу для здійснення точного позиціонування робочих органів систем(ММС) мікроманіпуляцій і автономних мікророботів(АМР). Нижче будуть розглянуті приклади таких ММС і АМР.