ACȚIUNI ALE NANO-ȘI ALE MĂRII PENTRU SISTEME DE CONTROL, CONTROL ȘI SIGURANȚĂ
Bardin Vitaly Anatoleevici 1. Vasilyev Valery Anatolyevich 2
1 Universitatea de Stat din Penza, student post-universitar al departamentului "Instrument-Making"
2 Universitatea de Stat din Penza, Doctor în Științe Tehnice, Profesor, Șeful Catedrei "Instrumentare"
ACTUATORI DE NANO ȘI MICRO DISPOZIȚII PENTRU DISTRIBUȚII, CONTROLUL ȘI SISTEMELE DE SECURITATE
Bardin Vitaliy Anatolievici 1. Vasiliev Valery Anatolievici 2
1 Universitatea de Stat din Penza, absolvent al Departamentului «Ingineria Instrumentului»
2 Universitatea de Stat din Penza, doctor în științe tehnice, profesor, șef de catedră «Inginerie instrumentală»
abstract
Acest articol se concentrează pe cercetarea și dezvoltarea dispozitivelor de acționare pentru nano- și micro-deplasări. Este o revizuire și o natură generală. Analiza se desfășoară în domeniul sistemelor de acționare, control și siguranță.
Odată cu dezvoltarea sistemelor de management, de control și de securitate, utilizarea nanotehnologiilor și microtehnologiilor, a tehnologiei nanosisteme și a microsistemelor pentru crearea acestora, există o nevoie tot mai mare de dispozitive pentru poziționarea exactă a elementelor acestor sisteme. În acest sens, sunt relevante întrebările de investigare și de creare a dispozitivelor de acționare pentru nano- și micro-deplasări care asigură rezoluția nano- și picometrică [1-6].
Leading producătorii străini de acționare piezo pentru nano- și micro-deplasările sunt Fizico Instrumente (PI. Germania), New Scale Technologies (NST. Statele Unite ale Americii), Cedrat Technologies (Franța), Ceramica tehnica Morgan (MTC electroceramica. United Kindom), Noliac Group (Danemarca) Pietica cinetica. Inc (SUA), Piezo Systems Inc. (SUA), Piezomechanik GmbH (Germania), Piezosystemjena (Germania), Omega piezo Technologies Inc. (SUA), TRS Technologies, Inc. (USA), CERAMTEC (Germania), Johnson Matthey Catalizatori (Germania), Kinetic Ceramica, Inc. (SUA), o AIE (SUA), FERROPERM piezoceramice A / S (Danemarca), APC International, Ltd (SUA), NEC TOKIN Corporation (Japonia), EPCOS · Un membru al TDK-EPC Corporation (Japonia), în Rusia - SA "Institutul de Cercetare" Elpa "(Rusia) [1].
Analiza evoluțiilor existente și viitoare ale producătorilor arată că direcțiile promițătoare pentru crearea motoarelor pentru nanomateriale și micromotoare se bazează pe utilizarea efectelor piezoelectrice și piezomagnetice [7, 8]. Primul efect constă în schimbarea dimensiunilor liniare ale materialelor individuale în electricitate, iar al doilea - într-un câmp magnetic extern. Ambele efecte piezoelectrice sunt reversibile. Senzorii de cantități mecanice utilizează un efect piezoelectric direct [9-12]. În motoarele piezoelectrice se utilizează efectul piezoelectric invers, atunci când dimensiunile liniare ale materialului se schimbă atunci când se aplică un câmp electric sau magnetic. Motoarele bazate pe efectul piezoelectric sunt mai preferabile deoarece nu sunt sensibile la acțiunea câmpurilor magnetice și au un domeniu de aplicare mai larg.
Efectul piezoelectric se observă în cristale care nu au un centru de simetrie [13]. Un cuart tipic piezoelectric este - o - SiO2 (a -kvarts), proprietăți piezoelectrice apar în mai mult de 1500 de compuși. Posedă proprietăți ceramice piezoelectrice: BaTiO 3, PbTiO 3, Pb [Zrx Ti 1-x] O 3, 0≤ x ≤1 (PZT sau PZT), KNbO 3. LiNbO 3. LiTaO 3. Na2 WO 3, ZnO. Ba 2 NANB 5 O 5, Pb 2 KNB 5 O 15. În funcție de piezomotor materialul piezoelectric (actuatoare) pot fi pezokristallicheskimi (bazat pe cristale unice) piezoceramică și (bazat pe piezoceramică policristalin). În practică, servomotoarele piezoceramice au găsit o aplicație mai largă [1 4 - 16].
Alegerea piezomaterialelor pentru piezo-motoare se bazează în principal pe următorii parametri: modulul piezoelectric în direcția deformărilor de lucru, modulul Young, coeficientul de cuplare electromecanică și factorul de calitate mecanică. Ele determină gama de deplasări, proprietăți elastice și rezonante, eficiența conversiei energiei electrice în energie mecanică și gradul de amortizare a proceselor oscilatorii.
Motorul piezoelectric este compus structural dintr-un corp, unul sau mai mulți actuatori piezo (actuatori piezo) și diferite elemente care susțin funcționarea lor. Drive (Actuator) - denumirea generală a dispozitivelor care convertesc energia de intrare în energie mecanică. Controler piezo (actuator piezo) - transformă energia electrică în energie mecanică (tensiune și încărcare în forță și în mișcare).
La proiectarea piezomotor considera dezavantaje piezoceramice: neliniaritate, fluaj (fluaj - fluaj) - răspuns lag la schimbarea în câmpul de control, histerezis - ambiguitatea în funcție de direcția de alungire a câmpului electric (până la 5 - 25%, în funcție de material). Pentru a reduce efectul de histerezis asupra poziționării preciziei piezomotor piezomaterials selectate cu mai puțin histerezis, iar sistemul de control utilizat cu senzori de poziție și buclă închisă [17]. În fiecare caz, ar trebui să fie luate în considerare pe electromecanice de conversie a energiei Sobienie micromovings piezomotor nano- și [18].
Principiul de funcționare al unității piezoelectrice pot fi împărțite în următoarele tipuri: percuție (vibropezoprivody), etapele de deformare (pași) și acțiunea forței (putere) motoare [1]. În primul caz, partea mobilă se află sub influența șocurilor transmise de elementul piezoelectric cu frecvența naturală (frecvența de rezonanță). Al doilea - partea mobilă se deplasează secvențial cu un anumit pas datorită schimbărilor în starea de tensiune-deformație a elementelor sale sub acțiunea elementelor piezoelectrice. Într-o a treia - efectul forței este direct (sau printr-o pârghie de transmisie) este transmisă obiectului de elementul piezoelectric, deplasarea unghiulară sau liniară implementate într-un interval limitat. În funcție de direcțiile efectelor piezoelectrice folosite, design, scop, etc. pe scară largă ca urmare elementul piezo de acționare: prindeți îndoire bimorfă piezoceramic și multimorfy (D31 moda), ipaketnye monobloc, diferentiale, indoire, tensiune, forfecare, benzi laminar cu pârghie integrat amplificator mișcare de conducere (axial - - d33 moda cruce d31 moda.) piezoelectric, tubular [4].
În Fig. 1 prezintă o piezodrivă dintr-o placă cu un singur strat (d33) dintr-un material piezoelectric. Atunci când se aplică un câmp electric extern cu aceeași polarizare și orientare ca direcția de polarizare a plăcii, piezomaterialul se extinde de-a lungul grosimii sau de-a lungul axei de polarizare. O piezodrivă dintr-o placă cu un singur strat (d31) cu compresie transversală este prezentată în Fig. 2. Aici compresia are loc în direcții perpendiculare pe direcția de polarizare. Când polaritatea este inversată, direcția mișcării este inversată.
Piețele cu două straturi pot fi alungite (Figura 3). Între plăcile piezoelectrice este instalat un laminat dintr-un laminat, care adaugă rezistență mecanică și rigiditate, dar reduce mișcarea. Unitățile cu două straturi sunt numite în funcție de numărul de piezo-materiale plastice (straturi). De fapt, există mai multe straturi de material, de obicei nouă: patru straturi de electrozi, două straturi piezoceramice, două straturi de clei, o căptușeală laminată. Cu configurația pentru funcționarea paralelă, garnitura este realizată în două straturi, ceea ce face posibilă reducerea la jumătate a tensiunii de excitație. În cazul unităților cu două straturi, este de obicei folosită mișcarea de-a lungul unei axe. O cantitate tipică de deplasare a acestor acționări (figura 3) de la zeci de nanometri la zeci de microni și forța - de la câteva zeci la sute de Newtons. De asemenea, unitățile cu două straturi pot lucra la îndoire (figura 4, 5) sau la răsucire (figura 6). Unitatea multistrat este prezentată în Fig. 7.
Sistemele piezo-actuatoare cu tensiune flexibilă combină cele mai bune caracteristici ale servomotoarelor cu mai multe straturi și ale actuatoarelor cu două straturi. Astfel de dispozitive converti mici grosime forfecare Element piezoceramic multistrat în deformarea îndoire a celor două plăci de metal care acoperă elementul. Întărirea mecanică astfel de transformare a servomotoarelor flexural tensionare prezintă o creștere multiplă a shear comparativ cu servomotoare multistrat și atinge rezistență mult mai mare și performanța vitezei de reacție, în comparație cu echivalentul îndoire actuatoarele bistrat. De obicei, astfel de dispozitive au o frecvență de rezonanță de la 300Hz la 3kHz. În funcție de forma construcției lor (vezi. Fig. 9, 10) servomotoare flexural-tensiune sunt numite elipsoidal și Cymbal.
Tubular element de acționare piezo funcționează pe principiul fenomenului de contracție a secțiunii transversale interioare a unui cilindru piezoceramică gol. peretele cilindrului acoperit în interiorul și electrozi în afara, și funcționează pe baza efectului piezoelectric transversal. Tensiunea aplicată între electrozii interior și exterior, determină o compresiune axială și radială a ceramicii piezoelectrice.
Servomotoarele piezoelectrice controlate sunt dispozitive complexe de poziționare bazate pe un actuator piezo cu un flexor integrat. Flexer - un dispozitiv substanțial fără striction și frecare, al cărui principiu se bazează pe deformarea elastică (curbare) din material solid, de exemplu, din oțel. Acestea sunt utilizate în acele cazuri în care doriți să primiți numai mișcare directă de-a lungul uneia sau mai multor axe (șase axe) cu abatere de nanometri de la traiectoria ideală. Astfel de dispozitive sunt folosite adesea cu amplificator mișcare pârghie, crescând astfel cursa maximă a dispozitivului de acționare piezo de aproape 20 de ori, prin care poate fi de câteva sute de microni.
De interes particular sunt pas cu pas piezomotor, care sunt utilizate pentru manipularea obiectelor cu mișcarea lor în trepte. Ele sunt utilizate pe scară largă în forță atomică și microscopie tunelare, deoarece acestea permit până la nanometru poziționarea obiectului în studiu. O trăsătură distinctivă a desene pas cu pas piezomotor este prezența elementelor piezoelectrice cu excepția dispozitivelor de blocare de lucru, ca și care poate fi prea piezoelements [19]. Astfel de piezo-motoare pot conține piezoactuatoare single, bimorph și packet. Dispozitivele de fixare fixează partea mobilă a motorului în timpul ciclului său de lucru, care se deplasează pas cu pas. Acestea vă permit să creați (în cooperare cu dispozitivul de acționare piezo lucrătorilor) și îndepărtați starea de tensiune-deformare în elementele mobile deformate de proiectare piezoengine. La scoaterea stării deformate stress al dispozitivului de fixare element mobil piezomotor obiect alungit și se deplasează pe un singur pas. Două și trei piezodrive (piezoactuatoare) sunt combinate pentru două și trei mișcări de coordonate. Minim pas deplasarea piezo depinde de proprietățile și dimensiunile elementelor piezoelectrice, valoarea tensiunii de comandă. Ride crește piezo cu scăderea smoală și creșterea frecvenței de repetiție a impulsurilor de control.
Recent, motoarele piezoelectrice cu rezonanță ultrasonică se dezvoltă activ, care sunt o alternativă modernă la motoarele de curent continuu, fiind cunoscute și ca motoare de vibrații. Avantajele acestor motoare sunt rezoluția nanometrică ridicată, viteza și puterea, incomensurabile cu mărimea lor.
În Fig. 13 prezintă schema și designul drive-ului piezo-rezonant Squiggle din NST [20-23]. Principalele elemente sunt piezo: cuplaj metalic cu patru laturi (din material nemagnetic) c cu filet interior cu șurub de plumb (vierme) și patru ale plăcii ceramice piezoelectrice. plăci piezoceramice sunt atașate la fețele manșonului de metal, un vierme înșurubat în manșonul metalic. Când se aplică două tensiuni de fază opuse perechi de plăci piezoceramice având vibrațiile mecanice care sunt transmise manșon metalic. Dacă există o schimbare de fază între tensiunile electrice aplicate la frontieră adiacente suprafețelor de cuplare și forțele de șurub de compresie apar rotite. Ca urmare, viermele se rotește și se mișcă liniar în raport cu ambreiajul. Schimbarea schimbării de fază poate schimba direcția șurubului (vierme). Aceste dispozitive piezoactive funcționează în mod rezonant la frecvențe de 30-200 kHz, în funcție de mărimea lor. Dimensiunea minimă piezo 1,55 x 1,55 x 6 mm, în intervalul de temperatură de funcționare de minus 30 la 70 de grade Celsius, consumul de energie
În Fig. 14. Designul motorului piezoelectric de prerezonare internă, creat în FGUP FNPTS "PO", începe să le "inițieze". MV Protsenko "[3]. Acest motor are un grup de piezoelemente (PE) în formă de H - două PE de frână cu vârfuri din ceramică rezistentă la uzură și una care rulează. Sistemul de frânare PE este controlat de semnale cvasi-dreptunghiulare, iar cele care conduc sunt dinte-ferăstrău. Datorită acestui fapt este posibilă implementarea principiului de strivire a pasului și oprirea motorului piezoelectric la orice treaptă de tensiune care formează fierăstrăul de rulare.
Când se utilizează piezoengine schema descrisă prin utilizarea unui număr de noi soluții de proiectare capabile să reducă la minimum dimensiunea piezoengine. Figura 15 prezintă un prototip al unui motor piezoelectric.
Avantaje piezomotor: eficiență ridicată (până la 90% sau mai mult), o forță mare (nu necesita reductoare), de mici dimensiuni și greutate (în comparație cu motoarele electromagnetice), posibilitatea de a lucra la temperaturi criogenice și în condiții de vid, capacitatea de a oferi un unghi mic (unghi unitate secunde) și mișcări liniare (<1 нм) и др. [1, 3, 24].
Aplicarea de acționare piezo de înaltă precizie se extinde rapid: nano- și micromanipulatoare, micro-roboți, nano- și microscopie, nano- și Microtehnologie (microlitografia), biotehnologie, astronomie, explorarea spațială, metrologie, echipamente de testare pentru industria semiconductorilor, testarea de dispozitive de stocare pe disc, dispozitive de control cu laser fascicul (drive rezonatoare laser), sistemele de distribuție a combustibilului de motoare pe benzină și diesel, compensatoarelor de vibrații etc. [1-6].
Trimiteți-le prietenilor: