Прецизионный пьезоэлектрический привод и способ управления им

 

Сущность изобретения: прецизионный пьезоэлектрический привод содержит пьезоэлектрические преобразователи, выполненные из пьезоэлементов, сгруппированных в звенья, которые расположены между направляющими. В каждом звене имеются тормозные и ходовые секции, ориентированные перпендикулярно и параллельно движению соответственно. Электроды всех звеньев подключены к выходам источников управляющих сигналов. Каждая ходовая секция выполнена из двух одинаковых по пьезомеханическим свойствам групп пьезоэлементов, смежные концы которых жестко соединены между собой и с элементом подсоединения нагрузки привода, а противоположные - жестко соединены с центрами симметрии тормозных секций пьезоэлементов, расположенными на продольной оси симметрии ходовых секций. Общей для всех звеньев является одна пара направляющих, причем по крайней мере одна из направляющих этой пары имеет одну степень свободы в направлении, перпендикулярном движению, и соединена через упругие элементы с неподвижной частью привода. Тормозные и/или ходовые секции выполнены из одной пластины и/или в виде пакета пластин. Способ управления пьезоэлектрическим приводом включает возбуждение ходовых пьезоэлементов напряжением пилообразной формы и возбуждение тормозных элементов импульсами напряжения прямоугольной или близкой к ней формы. Возбуждающие сигналы в одной фазе подают на тормозные пьезоэлементы, один из которых расположен спереди по ходу движения относительно места соединения ходовых пьезоэлементов с элементом подсоединения нагрузки привода, а другой, находящийся в другом звене, расположен сзади по ходу движения относительно этого места. Возбуждающие сигналы в противофазе подают на части ходовых пьезоэлементов, одна из которых расположена спереди, а вторая - в другом звене сзади по ходу движения относительно этого места соединения. Пилообразное напряжение подают без пауз между фазами рабочего и возвратного хода. Длительность фазы рабочего хода превышает длительность фазы возвратного хода. На тормозные пьезоэлементы, работающие в противофазе, растормаживающие импульсы подают с временным разрывом, превышающим инерционность тормозных пьезоэлементов, при этом окончание переднего фронта растормаживающего импульса на тормозном пьезоэлементе опережает наступление фазы возвратного хода связанного с ним ходового пьезоэлемента, а начало заднего фронта этого импульса запаздывает по отношению к началу следующего цикла рабочего хода. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к пьезотехнике, в частности к пьезоэлектрическим приводам, и может быть использовано при создании прецизионных приводов в различных лабораторных установках и т.д.

Известно устройство перемещения [1] содержащее корпус с закрепленным в нем пьезоприводом, электроды которого подключены с многофазному генератору, соосным с кольцевым волноводом механических колебаний, связанным с перемещаемым элементом. Пьезопривод выполнен в виде двух соосных пьезокерамических колец, при этом каждое кольцо сопряжено с соответствующим волноводом механических колебаний, а перемещаемый элемент связан с волноводом по резьбовому соединению через винт, который выполнен из двух одинаковых частей, соединенных между собой через упругую втулку, а электроды пьезопривода выполнены секторными и подключены к генератору через коммутатор. Недостатком устройства является то, что пьезопривод не обеспечивает равномерного линейного перемещения и нетехнологичен в изготовлении.

Известен также линейный двигатель [2] выполненный в виде трехсекционного звена, ограниченного вертикальными и горизонтальными направляющими, секции которого выполнены в виде плоских прямоугольных пьезокерамических пластин, расположенных в одной плоскости, две которых перпендикулярны направлению движения, а третья расположена между ними по направлению движения и жестко соединена с ними.

Недостатком этого двигателя является не очень высокая точность и стабильность хода, вызванные влиянием гистерезиса пьезоэлементов.

Известен способ управления пьезоэлектрическим приводом [3] включающий подачу пилообразного напряжения на ходовые пьезоэлементы и напряжения прямоугольной (или близкой к ней) формы на тормозные элементы. На время возвратного холостого хода ходовых пьезоэлементов перемещение нагрузки прекращается, а между фазами рабочего и возвратного пилообразных напряжений имеются временные промежутки для ввода тормозных пьезоэлементов в зацепление с нагрузкой и для вывода из него.

Недостатком этого способа является отсутствие равномерности и непрерывности перемещения нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления линейным шаговым двигателем [4] содержащим два пьезоэлемента и фиксаторы. На пьезоэлементы подаются управляющие электрические сигналы, которые меняют знак в моменты включения и отпускания фиксаторов, причем скорость изменения управляющих воздействий в периоды срабатывания фиксаторов устанавливают для обоих пьезоэлектрических элементов равными по величине и противоположными по знаку.

Цель изобретения повышение равномерности и линейности хода, надежности работы привода и технологичности его изготовления.

Цель достигается тем, что привод, содержащий направляющие, пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из пьезоэлементов, электроды которых подключены к источникам управляющих сигналов, сгруппированных в звено, имеющее тормозные ходовые секции, ориентированные перпендикулярно и параллельно направлению движения соответственно, при этом ходовая секция выполнена из двух одинаковых по пьезомеханическим свойствам групп пьезоэлементов, смежные концы которых жестко соединены между собой и с элементом подсоединения нагрузки, а противоположные с тормозными секциями, имеет по крайней мере одно дополнительное звено пьезоэлементов, причем все звенья расположены между двумя общими направляющими, по крайней мере одна из которых имеет одну степень свободы в направлении, перпендикулярном движению, и соединена с неподвижной частью привода через упругие элементы, а концы ходовых секций жестко соединены с центрами симметрии тормозных секций, расположенными на продольной оси симметрии ходовых секций.

Такое соединение ходовых и тормозных ПЭ обеспечивает более высокую равномерность хода за счет симметричной и встречной относительно точки соединения ходовых элементов между собой и с нагрузкой привода ползучести ходовых элементов и существенного снижения эффекта гистерезиса при встречно-противофазной их работе.

При этом пьзомеханические свойства ходовых ПЭ должны быть одинаковыми.

Вредное влияние ползучести тормозных ПЭ на работу привода уменьшается и за счет того, что одна пара направляющих является общей для всех звеньев, а в этой паре по меньшей мере одна направляющая имеет одну степень свободы в направлении, перпендикулярном движению, и подпружинена. Одновременно этим достигается повышение технологичности изготовления привода за счет снижения требований к точности выполнения линейных размеров тормозных ПЭ и расстояния между направляющими.

Жесткое соединение концов ходовых ПЭ с расположенными на их продольной оси симметрии центрами симметрии тормозных ПЭ также способствует повышению равномерности хода за счет исключения продольных (вдоль направления движения привода) рывков в моменты изменения управляющего напряжения на тормозных элементах.

Дополнительным преимуществом заявляемой конструкции является уменьшенный износ фрикционных поверхностей за счет выравнивания их скоростей со скоростью перемещения подвижных элементов, вследствие чего их взаимное проскальзывание сводится к минимуму.

В зависимости от конструктивных особенностей устройства, в котором используется привод, все пьезоэлементы или их часть могут быть выполнены в виде пластин, работающих в продольном направлении, либо в виде пакета пластин.

Управление заявляемым пьезоэлектрическим приводом оптимальным образом осуществляется заявляемым способом, который включает в себя попеременное возбуждение ходовых секций пьезоэлектрических преобразователей напряжением пилообразной формы и тормозных секций пьезоэлектрических преобразователей напряжением в виде импульсов прямоугольной или близкой к ней формы, при котором на тормозные секции одного звена напряжение подают в противофазе, а на тормозные секции, расположенные в разных звеньях по разные стороны относительно места соединения пьезоэлементов ходовых секций с элементом подсоединения нагрузки, напряжение подают в одной фазе, а на пьезоэлементы ходовых секций, расположенные в разных звеньях по разные стороны относительно элемента подсоединения нагрузки, напряжение подают в противофазе, при этом напряжение на пьезоэлементы ходовых секций подают без пауз между фазами рабочего и возвратного хода, а на тормозные секции, расположенные в одной звене, импульсы напряжения подают с временным разрывом, превышающим инерционность тормозных секций, причем окончание переднего фронта импульса напряжения, подаваемого на тормозную секцию, опережает наступление фазы возвратного хода связанных с ним пьезоэлементов ходовой секции, а начало заднего фронта этого импульса запаздывает относительно начала следующего цикла рабочего хода (фиг.3).

Именно такой способ управления заявляемым устройством существенно снижает эффект гистерезиса и влияние ползучести при встречно-противофазной работе ходовых и тормозных элементов, исключает эффект "слежения" подпружиненной направляющей за фрикционными наконечниками тормозных ПЭ при перекрестном включении, а также устраняет возможность рывков нагрузки в продольном направлении в моменты ввода в зацепление и вывода из него каждой секции тормозных ПЭ.

На фиг.1 приведена схема конструкции привода, вид сверху; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 эпюры напряжений, подаваемых в определенной последовательности на пьезоэлементы во время работы привода.

Пьезоэлектрический привод состоит из пьезоэлектрических преобразователей, выполненных из ходовых пьезоэлементов 1 и 2 (для планарного варианта конструкции), тормозных пьезоэлементов 3-6. Каждый из ходовых ПЭ выполнен из двух частей 1', 1'' и 2', 2'', которые могут быть сформированы на одной пластине. Смежные концы частей ПЭ 1' и 1'', 2' и 2'' жестко соединены между собой и с элементом подсоединения нагрузки 7 привода в точках 8 и 9 соответственно. Тормозные элементы 3-6 снабжены фрикционными поверхностями 10, которые сопряжены с направляющими 11, 12.

Направляющие 11, 12 соединены с неподвижной частью привода 13 через упругие элементы 14, которые обеспечивают направляющим единственную степень свободы в направлении вдоль тормозных пьезоэлементов и имеют дополнительное крепление к статору. Все пьезоэлементы имеют электроды 15, соединенные с выходами соответствующих источников. Конструкция электродов не является принципиально важной и может быть любой. Перемычка 16 служит для жесткого соединения ходовых пьезоэлементов с тормозными.

Конструкция привода может быть многоэтажной, т.е. состоящей из N планарных конструкций, приведенных на фиг.1.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В момент времени t₀ на электроды тормозных ПЭ 4, 5 подают импульсы прямоугольной или близкой к ней формы (растормаживающие импульсы), что приводит к сокращению их длины и выведению их фрикционных поверхностей из зацепления с направляющими 11, 12 (фиг.2). С некоторой задержкой по времени на электроды соединенных с ними ходовых ПЭ 2' и 1'' подают пилообразное напряжение в противофазе (момент времени t₁). При этом длина ходового ПЭ 2 сокращается, а ходового ПЭ 1 увеличивается.

Таким образом, тормозные ПЭ 4, 5 совершают холостой возвратный ход. В это же время тормозные ПЭ 3, 6 находятся в зацеплении с направляющими (напряжение на них не подано). На ходовые ПЭ 1', 2'' подают противофазные пилообразные напряжения рабочего хода. При этом длина ПЭ 1' сокращается, а ПЭ 2'' увеличивается, в результате чего точки 8 и 9 получают перемещение относительно направляющих и соответственно перемещают нагрузку привода в том же направлении. До окончания растормаживающего импульса, подаваемого на тормозные ПЭ 4, 5 (момент времени t₂), фаза пилообразного напряжения, подаваемого на связанные с ними ходовые ПЭ 1'', 2', изменится, начинается фаза рабочего хода, после чего в момент времени t₃ заканчивается растормаживающий импульс, длина тормозных ПЭ восстанавливается и их фрикционные поверхности приходят в зацепление с направляющими.

Во время рабочего хода пилообразного импульса, подаваемого на ходовые ПЭ 1'' и 2' (моменты времени t₄ t₅), за счет соответствующего изменения их длин происходит очередное перемещение точки подсоединения нагрузки привода, а значит и самой нагрузки. С некоторой задержкой растормаживающие импульсы подают на тормозные ПЭ 3, 6 и аналогично вышеописанному возвратный ход ходовых ПЭ 1', 2''. Их рабочий ход производится по аналогии с описанным выше.

Таким образом, поочередно подавая противофазные напряжения на разные группы ходовых и тормозных ПЭ, обеспечивают равномерное перемещение нагрузки вдоль направляющих. Отсутствие рывков при перемещении обеспечивается в значительной степени еще и тем, что окончание переднего фронта растормаживающего импульса опережает наступление очередной фазы (прямого или возвратного хода) пилообразного напряжения, а окончание заднего фронта растормаживающего импульса наступает после изменения фазы импульса пилобразного напряжения.

Конкретный вариант устройства может быть реализован, например, на пьезоэлементах, выполненных из пластин размером 22 x 5 x 0,6 мм. Пластины могут быть изготовлены из пьезокерамики ЦТС-19, ПКР-8 и т.д. Средняя величина одного шага при рабочем напряжении 600 В составляет 2 4 мкм.

Таким образом, заявляемая конструкция привода и способ управления им обеспечивают следующие преимущества: более высокая равномерность хода, планарность конструкции, малые ее габариты, технологичность изготовления (необходимость высокой плоскостности и чистоты обработки только двух поверхностей фрикционных накладок и связанных с ними поверхностей направляющих). Кроме того, облегчается задача согласования элементов конструкции привода в широком температурном диапазоне за счет подпружиненной направляющей.

Формула изобретения

1. Прецизионный пьезоэлектрический привод, содержащий направляющие, пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из пьезоэлементов, электроды которых подключены к источникам управляющих сигналов, сгруппированных в звено, имеющее тормозные и ходовые секции, ориентированные перпендикулярно и параллельно направлению движения соответственно, при этом ходовая секция выполнена из двух одинаковых по пьезомеханическим свойствам групп пьезоэлементов, смежные концы которых жестко соединены между собой и с элементом подсоединения нагрузки, а противоположные с тормозными секциями, отличающийся тем, что в него введено по крайней мере одно дополнительное звено пьезоэлементов, причем все звенья расположены между двумя общими направляющими, по крайней мере одна из которых имеет одну степень свободы в направлении, перпендикулярном движению, и соединена с неподвижной частью привода через упругие элементы, а концы ходовых секций жестко соединены с центрами симметрии тормозных секций, расположенными на продольной оси симметрии ходовых секций.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что каждая из тормозных и/или ходовых секций выполнена в виде одной пластины.

3. Привод по п.1, отличающийся тем, что каждая из тормозных и/или ходовых секций выполнена в виде пакета пластин.

4. Способ управления пьезоэлектрическим приводом, включающий попеременное возбуждение пьезоэлектрических преобразователей, в том числе возбуждение ходовых секций напряжением пилообразной формы и возбуждение тормозных секций импульсами напряжения прямоугольной или близкой к ней формы, отличающийся тем, что возбуждающие сигналы в одной фазе подают на тормозные секции, одна из которых расположена спереди по ходу движения относительно места соединения ходовых секций пьезоэлементов с элементом подсоединения нагрузки привода, а другая, находящаяся в другом звене, расположена сзади по ходу движения относительно этого места, возбуждающие сигналы в противофазе подают на части ходовых секций, одна из которых расположена спереди, а вторая в другом звене сзади по ходу движения относительно указанного места соединения, причем пилообразное напряжение подают без пауз между фазами рабочего и возвратного хода, длительность фазы рабочего хода превышает длительность фазы возвратного хода, растормаживающие импульсы на тормозные секции, работающие в противофазе, подают с временным разрывом, превышающим инерционность тормозных секций, при этом окончание переднего фронта растормаживающего импульса на тормозной секции опережает наступление фазы обратного хода связанной с ним ходовой секции, а начало заднего фронта этого импульса запаздывает по отношению к началу следующего цикла рабочего хода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3