Привод микроманипулятора

 

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к приводам микроманипуляторов, и может быть использовано для значительного перемещения микроинструмента с высокоточным позиционированием. Привод выполнен в виде пьезонасоса, состоящего из пьезоэлемента, двух эластичных элементов конструкции, двух каналов пьезонасоса, снабженных двумя стаканами, расположенными в них двумя клапанами, цилиндра с поршнем и рабочей жидкости. Пьезоэлемент выполнен деформируемым и подвижным и регулируемым с помощью винта. Каждый из клапанов представляет собой пьезокристалл. При этом каналы соединены с полостью цилиндра. К поршню прикреплен схват. Эластичные элементы конструкции могут быть выполнены в виде деформируемых конусов или деформируемых внутренних поверхностей конусов или в виде накладок на деформируемом и подвижном элементе пьезонасоса. Деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции может быть выполнен в виде пьезокристалла или в виде рычага, соединенного с пьезокристаллом. Изобретение позволит повысить нагрузочную способность, точность позиционирования и долговечность. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к приводам микроманипуляторов, и может быть использовано в промышленных микророботах для прецизионной сборки изделий, в изготовление микрокомпонентов с объемной структурой, в биологии и медицине, где требуются значительные перемещения микроинструмента с высокоточным позиционированием.

Известен манипулятор, содержащий основание, схват, механизм перемещения схвата, установленный на основании, шток, на котором закреплен схват, и позиционирующее устройство [авт. св. СССР N 1060461, М. Кл. B 25 J 7/00, 1983].

Недостатком является малая величина перемещения.

Известен привод микроманипулятора, содержащий основание, входное звено, соединенное с вибратором и выполненное в виде цилиндра с зубчатым венцом на его боковой поверхности, выходное звено, связанное со столом, снабженным направляющими, и электромагниты [авт. св. СССР N 1366386, М. Кл. B 25 J 7/00, 1988].

Недостатком является невысокая нагрузочная способность.

Известно также устройство для перемещения микроманипулятора, содержащее входное звено, соединенное с вибратором крутильных колебаний, выходное звено, имеющее вал и электромагниты.

Недостатком устройства также является невысокая нагрузочная способность [Авторское свидетельство СССР N 1073088, М. Кл B 25 J 7/00, 1984].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является привод микроманипулятора, содержащий установленный в корпусе пьезопреобразователь, включающий, по крайней мере, две прямоугольные призмы, выполненные из пьезоматериала и расположенные вдоль штока с закрепленной на нем зубчатой рейкой. Шток установлен в корпусе на шариковых направляющих. Призмы соединены обращенными друг к другу основаниями с корпусом, а на одной из граней каждой из призм, обращенной к зубчатой рейке штока, установлена накладка с выступом по форме впадины между зубьями рейки. На каждой из двух других расположенных противоположно гранях закреплены параллельно ребрам призмы два электрода, при этом призмы подпружинены к корпусу пружинами в направлении к штоку [авт. св. СССР N 1271738, М. Кл B 25 J 7/00, 1986].

Недостатком прототипа являются малые величины усилий, создаваемые приводом.

Задача изобретения - повышение нагрузочной способности, диапазона перемещений, долговечности и точности позиционирования за счет использования в конструкции привода микроманипулятора гидравлической системы.

Поставленная задача достигается тем, что привод микроманипулятора, содержащий пьезоэлемент и схват, в отличие от прототипа выполнен в виде пьезонасоса, состоящего из пьезоэлемента, выполненного деформируемым и подвижным и регулируемым с помощью винта, двух эластичных элементов конструкции, двух каналов пьезонасоса, снабженных двумя стаканами, расположенных в них двумя клапанами, каждый из которых представляет собой пьезокристалл, цилиндра с поршнем и рабочей жидкости, причем каналы соединены с полостью цилиндра, а к поршню прикреплен схват.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых конусов.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых внутренних поверхностей конусов.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа эластичные элементы конструкции выполнены в виде накладок на деформируемом и подвижном элементе пьезонасоса.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде пьезокристалла.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде рычага, соединенным с пьезокристаллом.

Существо устройства пояснено чертежами. На фиг. 1 представлена конструкция привода микроманипулятора; на фиг. 2 - электрическая схема; на фиг. 3 - временная диаграмма сигналов управления пьезокристаллами; на фиг. 4 - вариант конструкции эластичного элемента; на фиг. 5 - варианты конструкций эластичного элемента и деформируемого и подвижного элемента.

Привод микроманипулятора (первый вариант) содержит пьезонасос, состоящий из деформируемого и подвижного элемента 1, который выполнен в виде пьезокристалла, регулируемого с помощью винта 2, и первого и второго эластичных элементов конструкции, которые выполнены в виде первого 3 и второго 4 конусов из эластичного материала, при этом в первом 5 и во втором 6 каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый 7 и второй 8 пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом 9 и во втором 10 стаканах, и рабочей жидкостью. При этом первый 5 и второй 6 каналы соединены с полостью цилиндра 11, к поршню 12 которого прикреплен схват 13.

Привод микроманипулятора (второй вариант) содержит пьезонасос, состоящий из деформируемого и подвижного элемента 1, регулируемого с помощью винта 2, и первого и второго эластичных элементов конструкции, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 внутренних поверхностей конусов из эластичного материала, при этом в первом 5 и во втором 6 каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый 7 и второй 8 пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом 9 и во втором 10 стаканах, и рабочей жидкостью, при этом первый 5 и второй 6 каналы соединены с полостью цилиндра 11, к поршню 12 которого прикреплен схват 13.

Привод микроманипулятора (третий вариант) содержит пьезонасос, состоящий из деформируемого и подвижного элемента 1, выполненного в виде рычага, соединенным с пьезокристаллом, регулируемого с помощью винта 2, и первого и второго эластичных элементов конструкции, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 накладок на подвижном элементе насоса, при этом в первом 5 и во втором 6 каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый 7 и второй 8 пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом 9 и во втором 10 стаканах, и рабочей жидкостью, при этом первый 5 и второй 6 каналы соединены с полостью цилиндра 11, к поршню 12 которого прикреплен схват 13.

Устройство работает следующим образом (первый вариант). Система управления генерирует сигналы, представленные на фиг. 3, где U1 - сигнал, подаваемый на первый 7 и второй 8 пьезокристаллы и вызывающий сокращение их размера, тем самым открывая и закрывая первый 5 и второй 6 каналы. Одновременно генерируется сигнал U2, вызывающий отклонение деформируемого и подвижного элемента 1, выполненного в виде пьезокристалла в сторону, определяемую полярностью сигнала, вызывая смятие первого или второго эластичных элементов, которые выполнены в виде первого 3 и второго 4 конусов из эластичного материала, для создания избыточного давления в соответствующей полости цилиндра 11, что приводит к перемещению поршня 12 с закрепленным на нем схватом 13 в сторону полости с более низким давлением.

Устройство работает следующим образом (второй вариант). Система управления генерирует сигналы, представленные на фиг. 3. где U1 - сигнал, подаваемый на первый 7 и второй 8 пьезокристаллы и вызывающий сокращение их размера, тем самым открывая и закрывая первый 5 и второй 6 каналы. Одновременно генерируется сигнал U2, вызывающий отклонение деформируемого и подвижного элемента 1 в сторону, определяемую полярностью сигнала, вызывая вхождение элемента 1 внутрь конуса и смятие первого или второго эластичных элементов, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 внутренних поверхностей конусов из эластичного материала, для создания избыточного давления в соответствующей полости цилиндра 11, что приводит к перемещению поршня 12 с закрепленным на нем схватом 13 в сторону полости с более низким давлением.

Устройство работает следующим образом (третий вариант). Система управления генерирует сигналы, представленные на фиг. 3, где U1 - сигнал, подаваемый на первый 7 и второй 8 пьезокристаллы и вызывающий сокращение их размера, тем самым открывая и закрывая первый 5 и второй 6 каналы. Одновременно генерируется сигнал U2, вызывающий отклонение деформируемого и подвижного элемента 1, выполненного в виде рычага, соединенным с пьезокристаллом в сторону, определяемую полярностью сигнала, вызывая смятие первого или второго эластичных элементов, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 накладок на подвижном элементе насоса, для создания избыточного давления в соответствующей полостью цилиндра 11, что приводит к перемещению поршня 12 с закрепленным на нем схватом 13 в сторону полости с более низким давлением.

Итак, преимущество достигается тем, что используются пьезокристаллы в качестве запирающих клапанов, которые перекрывают каналы в отсутствие напряжения. Достигается большая нагрузочная способность за счет того, что механические усилия создаются не напрямую пьезокристаллом, а передаются через рабочую жидкость, несжимаемость которой обеспечивает жесткость конструкции и соответственно точность позиционирования. Повышение долговечности достигается за счет одновременной смазки деталей конструкции рабочей жидкостью и малого числа механических контактов, а следовательно, и трения.

Формула изобретения

1. Привод микроманипулятора, содержащий пьезоэлемент и схват, отличающийся тем, что привод выполнен в виде пьезонасоса, состоящего из пьезоэлемента, выполненного деформируемым и подвижным и регулируемым с помощью винта, двух эластичных элементов конструкции, двух каналов пьезонасоса, снабженных двумя стаканами, расположенньми в них двумя клапанами, каждый из которых представляет собой пьезокристалл, цилиндра с поршнем и рабочей жидкости, причем каналы соединены с полостью цилиндра, а к поршню прикреплен схват.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых конусов.

3. Привод по п.1, отличающийся тем, что эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых внутренних поверхностей конусов.

4. Привод по п.1, отличающийся тем, что эластичные элементы конструкции выполнены в виде накладок на деформируемом и подвижном пьезоэлементе пьезонасоса.

5. Привод по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде пьезокристалла.

6. Привод по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде рычага, соединенного с пьезокристаллом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5