Главная Электромагнитные устройства



2.5.2. Магнитострикционные приводы

Рассмотрим магнитострикционные приводы (МСП), используюшие явление /магнитострикции - своЫтво некоторых магнитномягких материалов изменять свою форму и размеры при намагничивании.

Такие материалы, как никель, алфер, пермаллой, пермендюр, ряд сплавов (65 К; NiCo; И" Ю; 12Ю; 49 КФ и др.), ферриты со структурой шпинели (феррит" никеля и др.), некоторые редкоземельные элементы, их сплавы и соединения имеют достаточно большой коэффициент магнитострикции (относительное удлинение таких материалов tljl может достигать 10-5...10-3), что позволяет реализовать это явление в технике.

Один из вариантов конструкции МСП показан на рис. 2.34. Привод состоит нз магнитострикционного стержня 9, помешенного в намагничиваюшую катушку 8, один конец стержня свободен и проходит через отверстие в магнитопро-водящем корпусе 7, а другой конец жестко закреплен в немагнитном фланце 6, закрепленном в корпусе 7; зубчатого статора 5 и зубчатого ротора 1, жестко закрепленных соответственно в корпусе 7 и на стержне 9; червячного колеса 2 и червяка 8, закрепленных соответственно на роторе / и крышке 4. При повороте ротора посредством червячной передачи меняется взаимное положение зубцов ротора и статора.

При подключении намагничиваюшей катушки 8 к источнику постоянного тока по магнитной цепи (стержень 9, корпус 7, статор 5, ротор /) проходит магнитный поток Ф (показан штриховой линией), под действием которого маг-нитострикционный стержень 9 с длиной рабочего участка I удлиняется на Д/. При совмещении зубцов ротора и статора магнитный поток максимален и удлинение стержня также максимально, при размещении зубцов ротора напротив пазов статора магнитный поток и удлинение стержня минимальны. Эти два крайние положения определяют диапазон перемещений привода. Внутри этого диапазона можно получить достаточно малые перемещения стержня на выходе при изменении угла поворота ротора посредством червячной передачи. Меняя форму и число Зубцов, можно осуществлять различные функциональные зависимости удлинения стержня (Д/) от угла поворота ротора.

Привод характеризуется компактностью, простотой управления, функциональными возможностями. С точки зрения эффективности привода зазор между зубцами ротора и статора должен быть минимально возможным из конструктивных соображений.


Рис. 2.34. Магнитострикционный привод микроперемещений



2.5.3. Пьезоэлектрические приводы микроперемещений

Пьезоэлектрические приводы (ПЭП) работают на основе обратного пьезо-влектрического эффекта - деформации кристалла под действием электрического поля. Простейший вариант конструкции ПЭП (рис. 2.35, а) состоит из пьезоэлектрического составного толкателя 2, жестко закрепленного внутри стакана 3 между основанием / и мембраной 4. При Подаче на пьезоэлектрический составной толкатель 2 напряжения 0...±300 В происходит деформация толкателя--расширение или сжатие в зависи"ости от полярности напряжения.

Перемещение ПЭП описывается зависимостью б=гкЛ6/, где rf(K - пьезо-модуль; Л - число пластинок пьезодвигателя; U - напряжение, подаваемое на пьезодвигатель.

Для увеличения диапазона перемещений применяются ПЭП телескопической конструкции (рис. 2.35,6), в которой два составных пьезоэлектрических толкателя 2 и 3 размещены один внутри другого; при этом одни торцы обоих толкателей жестко закреплены между собой с помощью центрирующей мембраны жестко прикрепленной к стакану 4. Второй торец толкателя 2 посредством фланца 5 жестко крепится к стакану 4, а второй торец толкателя 3 жестко соединен с мембраной 6. Для перемещения мембраны 6 вверх на пьезоэлектрический составной толкатель 2 подается напряжение 0...300 В, вызывающее его сжатие, а на толкатель 3 - напряжение 0...300 В противоположной полярности, вызывающее его расширение. Для перемещения мембраны 6 вниз полярности напряжений, подаваемых на пьезоэлектрические составные толкатели 2 и 3, меняются.

В рассмотренных ПЭП стаканы и основания выполняются из титанового сплава, который имеет близкий к пьезокерамике температурный коэффициент линейного расширения.



Рис. 2.35. Пьезоэлектрические приводы: а - с одним пьезоэлектрическим составным толкателем; б - телескопический



Приводы имеют- простую технологичную конструкцию, малые габаритные меоы высокие динамические характеристики. Такие ПЭП легли в основу серии прмодов микроперемещений со следующими техническими характеристиками:

Диапазон перемещений, мкм . . 0...80

Точность воспроизведения положения, мкм , . » , ±0,1

Полоса пропускания, Гц........ * До 100

Нагрузочная способность, Н........До 100

На базе ПЭП разработано устройство для точной установки положения объекта по координатным осям X, Y, Z, имеющим указанные характеристики. Это устройство может быть использовано как исполнительное в позиционных автоматических системах управления оптико-механическим оборудованием, например телескопами, спектрометрическими анализаторами, в технологическом оборудованш! микроэлектроники.

Характерной особенностью устройства, обеспечивающего позиционирование объекта по координатным осям X, Y, Z с точностью ±0,1 мкм, является наличие в нем по каждой оси элементов разгрузки, снижающих трение. Элементы разгрузки выполняются в виде:

двух взаимно перпендпкулярных полуволновых пьезоэлектрических вибраторов и двух перпендикулярных им четвертьволновых вибраторов, питаемых напряжением 30...50 В ультразвуковой (УЗ) частоты. При этом в результате вибраций с УЗ частотой статическое трение в парах переходит в меньшее по вначению кинематическое трение (вариант вибрационной разгрузки);

трех пар опорных систем качения, заменяющих трение скольжения трением качения (вариант разгрузки с помощью опорных систем качения);

двух взаимно перпендикулярных полуволновых пьезоэлектрических вибраторов, питаемых напряжением 30...50 В УЗ частоты, и пары опорных систем качения (вариант комбинированной разгрузки с помощью вибраторов и опорных систем качения).

Устройство [30] на основе удвоенного числа ПЭП характеризуетси расширенными функциональными возможностями - обеспечивает позиционирование объекта как по координатным осям X, Y, Z, так и по углу поворота вокруг 8тих осей. Оно имеет следующие основные технические характеристики:

Диапазон перемещения по осям X, Y, Z, мкм

0...90

Точность позиционирования по осям, мкм..... ±0,1

Диапазон углов поворота вокруг осей X, У, Z, мин , . 15

Точность позиционирования по углам, с . .... ±1

Полоса пропускания по любой координате, Гц . . . 100

Нагрузочная способность, Н . . ... До 100

Система автоматического управления ПЭП описана в [36]. Возможность использования ПЭП в качестве датчика перемещения в системе обратной связи позволяет повысить точность отработки входного задающего сигнала, что повышает точность позиционирования ПЭП и упрощает регулятор.

2.6. ПРОГРАММНЫЕ МЕХАНИЗМЫ 2.6.1. Программные механизмы по углу

Электромеханические программные механизмы, несмотря на тенденцию замены их электрическими, продолжают успешно применяться в современных си-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [20] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116


0.0433