Устройство для точной установки положения объекта

 

(i i) 752559 опНСАННЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 21.04.78 (21) 2608499/18-25 с присоединением заявки № (51) Ч. Кл.

Н 01Ь 41, 00 (43) Опубликовано 30.07.80. Бюллетень ¹ 28 (45) Дата опубликования описания 30.07.80 (53) УДК 621.313.13 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

Е. А. Иванов, В. В. Сильченкова, С. М. Афонин, О. К. Каганова, Г. П. Тарасов и E. П. Архаткин (71) Заявитель

Московский институт электронной техники (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОЧНОЙ УСТАНОВКИ

ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

ГосУдаРственный комитет (23) 11риоритет

Изобретение относится к области электротехники и автоматики и может быть использовано как исполнительное устройство в позиционных автоматических системах управления оптико-механическим оборудованием, например, телескопами, спектроскопическими анализаторами, в технологическом оборудовании микроэлектроники.

Известно устройство для точного микрорегулирования положения подвижного элемента по одной координате, основанное на принципе превращения статического трения в кинетическое трение с помощью вибрации, состоящее из вибрирующего элемента и двух преобразователей, смонтированных с противоположных сторон элемента на одной с ним оси для смещения элемента в любом из двух противоположных направлений (1).

Известно устройство, в котором используются косые удары пьезоэлементов для перемещения рабочего органа по одной координате, а для получения одновременного перемещения по двум координатам устройство выполняется двухслойным (2).

Известно также устройство для установки положения объекта, содержащее корпус, координатный стол и пьезокерамические приводы по координатным осям (3).

Пьезокерамические приводы известного устройства выполнены в виде двух пар бпморфных пьезоэлектрических пластин, укрепленных на корпусе (платформе), на которых размещен координатный стол. Пары пластин установлены взаимно перпендикулярно, чем обеспечивается перемещение стола по двум координатным осям.

Известное устройство обладает низкой погрузочной способностью порядка несколь10 ских грамм и может выдерживать внешние усилия порядка нескольких ньютонов вследствие малой жесткости биморфных пластин.

По этой же причине устройство теряет работоспособность прп произвольной орнен15 тацпи в пространстве. Вследствие малой жесткости устройства невозможно добиться точности позиционирования выше ++-1 мкм.

Целью изобретения является увеличение нагрузочной способности и точности уста20 новки положения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для точной установки положения объекта, содержащее корпус, координатный стол и пьезокерампческпе приво25 ды по координатным осям, дополнительно содержит центральный держатель, подвижно установленный в корпусе на элементах разгрузки и поджатый к приводам силовыми мембранами, причем приводы жестко

30 прикреплены к корпусу, силовые мембраны

752559 также прикреплены к корпусу с противоположных от привода сторон, а координатный стол укреплен на центральном держателе.

С целью увеличения диапазона перемещений пьезоэлектрические приводы устройства выполнены в виде двух пьезоэлектрических составных толкателей, расположенных один внутри другого, причем одни торцы толкателей скреплены между собой, второй торец внешнего толкателя прикреплен к корпусу, а второй торец внутреннего толкателя поджат к центральному держателю через силовую мембрану.

Элементы разгрузки устройства выполнены в виде двух взаимно перпендикулярных полуволновых пьезоэлектрических вибраторов и двух перпендикулярных им четвертьволновых вибраторов, причем полуволновые вибраторы размещены внутри центрального держателя и прикреплены торцами к мембранам, закрепленным на держателе, а четвертьволновые вибраторы расположены на центральном держателе и прикреплены к нему одним торцом.

Как вариант элементы разгрузки могут быть выполнены в виде опорных систем качения, расположенных попарно с противоположных сторон на центральном держателе.

Элементы разгрузки могут быть выполнены также в виде двух взаимно перпендикулярных полуволповых пьезоэлектрических вибраторов, расположенных внутри центрального держателя и пары опорных систем качения, расположенных перпендикулярно вибраторам с противоположных сторон держателя.

На фиг. 1 и 2 показаны две проекции устройства с частичным разрезом для случая вибрационной разгрузки центрального держателя.

На фиг. 3 и 4 показаны две проекции устройства для случая разгрузки центрального держателя с помощью опорных систем качения.

На фиг. 5 и б показаны две проекции устройства для случая комбинированной разгрузки центрального держателя с помощью вибраторов и опорных систем качения.

На фиг. 7 показана телескопическая конструкция пьезоэлектрического толкателя.

Устройство для точной установки положения объекта (для случая трехкоординатного позицирования) содержит (фиг. 1 и 2): координатный стол 1, жестко прикрепленный к центральному держателю 2, помещенному в корпус 3. К корпусу жестко крепятся три взаимноперпендикулярных пьезоэлектрических привода 4, 5 и 6 для одновременной установки по координатам

Х, У и Z, причем первые два привода расположены параллельно плоскости координатного стола. С противоположных от приводов сторон к корпусу жестко крепятся три

Д5

65 силовых мемораны 7, 8 и 9, осуществляющие постоянный прижим центрального держателя к приводам.

Центральный держатель подвижно соединен с приводами с помощью элементов разгрузки — двух взаимно перпендикулярных полуволновых пьезоэлектрических вибраторов 10, 11, размещенных внутри держателя, и перпендикулярных нм двух четвертьволновых пьезоэлектрических вибраторов 12, 13, жестко закрепленных на центральном держателе. Силовое замыкание происходит от силовых мембран, через элементы разгрузки к приводам.

Каждый привод состоит из пьезоэлектрического составного толкателя 14, жестко закрепленного между основанием 15 и мембраной 1б, передающей перемещение толкателя центральному держателю, и помещенного внутри стакана 17, жестко связанного с основанием и мембраной и жестко прикрепленного к корпусу со стороны мембраны.

Устройство работает следующим образом.

Для перемещения, например, по оси Х на пьезоэлектрический составной толкатель

14 привода 4 подается напряжение в диапазоне от 0 до +-300 в, вызывающее соответствующую деформацию толкателя. Одновременно на пьезоэлектрический полуволновой вибратор 11 и чствертьволновые впбраторы 12, 13 подается переменное напряжение УЗ-частоты, величина которого составляет 30 — 50 В. В результате вибрации статическое трение в парах: полуволновой вибратор 11 — спло".,ëë мембрана 8, вибратор 11 — мембр. .па прп: с,.» 5, четвертьволновой вибратор 12 — мембрана привода б, четверть волновой вибратор 13— силовая мембрана 9, — переходит в меньшее по величине кинетическое трение, разрешая перемещение центрального держателя 2 и прикрепленного к нему координатного стола 1 вдоль оси Х. При этом направляющими являются силовая мембрана 8— мембрана привода 5 и силовая мембрана

9 — мембрана привода б. В процессе работы силовая мембрана 7 постоянно прижимает центральный держатель 2 через вибратор 10 к мембране привода 4, отслеживая перемещение толкателя привода 4.

Аналогичным образом происходит перемещение координатного стола по осям 1 и

Z. Возможно перемещение одновременно по всем трем осям.

Подвижное соединение центрального держателя 2 с спловымп мембранами и меморапамп приводов может осуществляться с помощью элементов разгрузки в виде трех пар опорных систем качения 18, 19, 20 (фпг. 3 и 4). В этом случае трение скольжения между держателем и мембранами заменяется меньшим по величине трением качения. Две опорные системы качения, 752559

60 лежащие на оси какого-либо привода, осуществляют силовое замыкание силовой мембраны, центрального держателя и привода и создают подвижное соединение держателя с двумя другими взаимноперпсидикулярными приводами.

Элементы разгрузки могут быть выполнены в виде двух взаимно перпендикулярных полуволновых пьезоэлектрических виораторов

10, 11 и пары опорных систем качения 20, расположенных перпендикулярно вибраторам (фиг. 5 и 6). Для увеличения диапазона перемещения устройства по координатам

Х, У и Z применяются приводы телескопической конструкции (фиг. 7), в которой два составных пьезоэлектрических толкателя 21 и 22 размешены один внутри другого, при этом одни торцы обоих толкателсй жестко закреплены между собой с помошью центрирующей мембраны 23, жестко прикрспленной к стакану 24, второй торец толкатсля 21 жестко прикреплен к стакану 24, который жестко крепится к корпусу устройства, а второй торец толкателя 22 жестко соединен с мембраной 25, жестко прикрепленной к стакану 24 If передающей псремещение толкателя 22 центральному держателю 2.

Для перемещения мембраны 25 вверх на пьезоэлектрический составной толкатель 21 подается напряжение от 0 до ++300 В, вызываюгцее его сжатие, а на пьезоэлектрический составной толкатель 22 — напряжение от 0 до +300 В противоположной полярности, вызывающее его расширение. Для перемещения мембраны 25 вниз полярности напряжений, подаваемых иа пьезоэлектрические составные толкатели 21 и 22, меняются.

Силовое замыкание приводов и центрального держателя с помощью силовых мембран, а также значительная осевая жесткость составных пьезопрсобразователей, используюгцихся в приводах, приводят к повышению надежности работы устройства при произвольной ориентации в пространстве, повышению точности позиционирования до +0,1 мкм с одновременным увеличением нагрузочиой способности устройства до десятков килограмм.

Опытный макет устройства прошел лабораторные испытания и показал следующие параметры:

Диапазон перемещения по осям Х, У, 2

0 — 80 мкм;

Точность воспроизведения положения

+-0,1 мкм;

Полоса до

100 Гц;

Нагрузочная способность 10 кг. пропускания устройства

Зо

Формула изобретения

1. Устройство для точной установки по,!Ожения Об ьскта, содержащее коримc, Координатный стол и ги сзоэлектрпчсские приводы ffo координатным осям, о т л и ч а ющеес я тем, что, с целью увеличения нагрузочиой способности и точности установки, оио содержит центральный держатель, подгижно установленный в корпусе на элементах разгрузки и поджатый к приводам силовыми мембранами, причем приводы жестко прикреплены к корпусу, силовые мембраны также прикреплены к корпусу с противоположных от привода сторон, а координатный стол укреплен иа центральном держателе.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ с е с я тем, что пьезоэлектрические приводы выполнены в виде двух пьезоэлектрических

cocTBBHbIx толкатслсй, расположенных один внутри другого, причем одни торцы толкателей скреплены между собой, второй торец внешнего толкатсля прикреплен к корпусу, а второй торси внутреннего толкатсля поджат к центральному держателю через силовую мембрану.

3. Устройство по п. 1, о тл и ч а ю ще с с я тем, что элементы разгрузки выполнены в виде двуx взаимно перпендикулярных полуволновых пьезоэлсктрическпх вибраторов и двух псрпендш уляриых им четвсртьволновых вибраторов, причем полуволновые вибраторы размсгцены внутри центрального держателя и прикрсплсны торцами к мембрà IBM, закрсплепным на держателе, а четвсртьволновыс вибраторы расположены на центральном держателе и прикреплены к нему одш|м торцом.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элементы разгрузки выполнены в виде опор ы систем качеш|я, расположенных попарно с противоположных сторон на центральном держателе.

5. Устройство по и. 1, отличаюшееся тем, что элементы разгрузки выполнены в виде двух взаимно псрпсидш уляриых полуволновых пьсзоэлсктрических вибраторов, расположс|шых внутри центрального держателя п пары опорных систем качения, расположенных перпендикулярно впбраторам с противоположных сторон дсржателя.

Источники информацпи, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент СШЛ ¹ 3808488, кл. 310-8.2, опубл. 1974.

2. Лвторское свидетельство СССР № 548912, кл. Н 011 41 10, опубл. 25.11.78.

3. Патент США № 3928778, кл. 310-8.3, опубл. 23.12.75 (прототип) .

752559 гк

22 гз

Рие. 7 оставнтель Б. Баев

Техред А. Камышникова

Корректор P. Беркович

Редактор Н. Коляда

Типография, ир. Сапунова, 2

Заказ 1224/8 Изд. M 405 Тираж 857 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитста СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, %-35, Раушская наб., д. 4 5