Пособие пьезоисполнительные устройства. А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, В. В. Григорьев, П. В. Карев исполнительные устройства
 Скачать 3.72 Mb.
|
|
2.3.2 Биморфная конструкция Биморф состоит из двух частей − двух пьезоэлементов, соединенных между собой, или пьезоэлемента и металлической пластины, также соединенных между собой с помощью эпоксидного компаунда или легкоплавкого припоя. Биморфные элементы, состоящие из двух пьезоэлементов, были названы симметричными. 47 Речь здесь идет о симметрии материала биморфного элемента относительно нейтральной плоскости при его изгибе (см. Приложение Е). Биморфные элемен- ты, состоящие из пьезоэлемента и металлической пластины, по этим же сообра- жениям были названы асимметричными. Известны две схемы соединения пьезо- злементов: последовательная и параллельная (рисунок 2.13, а, б соответственно) Традиционно эти преобразователи изготавливаются из пластин одинаковых размеров и, что очень важно, одинаковой толщины (в соответствии с рисунком 2.14). Это обеспечивает максимальную чувствительность. Следует, однако, от- метить, что при одинаковых размерах пьезоэлементов чувствительность преоб- разователя по параллельной схеме и его собственное сопротивление в четыре раза меньше соответствующих характеристик преобразователя по последовательной схеме. а) б) Рисунок 2.13 – Схемы соединения пьезоэлементов в симметричном биморфном преобразователе (а – последовательная; б – параллельная) Количественной мерой эффективности такого согласования для однородных деформаций являются статические коэффициенты электромеханической связи (К эмс ). В электрическом поле в однослойной пластине с толщиной поляризацией возникает однородная планарная деформация. Статический К эмс для такого типа деформации является табличной величиной, которая имеет различные значения для различных составов пьезокерамики. Рисунок 2.14 – Биморфная пластина 48 Для последовательной схемы и встречного включения при равенстве чув- ствительностей отдельных элементов суммарная (общая) чувствительность би- морфного преобразователя равна нулю. Если же толщины пьезоэлементов не равны, не равны и чувствительности, тогда чувствительность биморфного пре- образователя будет равна разности чувствительностей отдельных элементов. Рисунок 2.15 – Электрическая схема симметрического преобразователя Традиционно биморфная конструкция используется для увеличения диапа- зона линейных перемещений (до ед. мм) и получения угловых перемещений объектов (до нескольких градусов) небольшой массы до десятков грамм и раз- вивает незначительную блокирующую силу. Так, американская компании APC International Inc. [15] выпустила новый тип пластинчатого биморфа – «ленточный актюатор» (зарегистрированная торговая марка). Ленточный актюатор может обеспечивать блокирующую силу 0,95 Н и величину отклонения 1,2 мм или отклонение до 3 мм и блокирующую силу 0,6 Н. Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. Простейшая биморфная конструкция (рисунок 2.16) представляет собой две склеенные между собой пьезоэлектрические пластины, напряжение управления на которые подается таким образом, чтобы одна из них сокращалась, а другая расширялась. а) б) Рисунок 2.16 – Биморфные конструкции 49 При этом происходит изгиб всей конструкции (по аналогии с биметал- лической пластиной). Если конструкция закреплена только с одной стороны ри- сунок 2.16 а), то свободный конец совершает угловые перемещения, а если с двух сторон рисунок 2.16 б), то центральная ее часть совершает линейные пере- мещения, равные прогибу всей конструкции. Возможна компоновка биморфной конструкции, когда один из элементов пьезопассивен т.е. это может быть металлическая пластина или мембрана. Конструкции с угловым перемещением используются в системах сканиро- вания и пространственного управления оптическим излучением, в литературе их называют дефлекторами. А конструкции с линейным перемещением в системах юстировки и позиционирования различных оптикомеханических систем. Получены математические выражения для расчета основных параметров биморфов. Так, для расчета параметров биморфной, консольно заделанной пла- стины (деформация конца консоли), можно использовать следующие выражения: 1. Деформация конца биморфной пластины под действием управляющего поля (напряжения) ∆ℓ 𝐸 = 3 4 𝑑 31 𝐸 ℓ 2 ℎ = 3 4 𝑑 31 𝑈 ℓ 2 ℎ 2 ; 2. Деформация под действием внешней механической нагрузки ∆𝑙 = 1 2 𝐹 𝑐 𝑙 3 𝑌 11 𝑏ℎ 3 ; 3. Коэффициент упругости 𝐾 𝑦 = 2𝑌 11 𝑏ℎ 3 𝑙 3 ; 4. Коэффициенты прямого и обратного пьезоэффекта 𝐾 п = 𝐾 𝑜 = 3 2 𝑌 11 𝑑 31 ℎ𝑏 𝑙 0 ; 5. Электрическая емкость 𝐶 0 = 1,8𝜀 33 𝜀 0 𝑏𝑙 ℎ ; 6. Эквивалентная приведенная масса 𝑚 ∑ = 𝑚 0 + 0,243𝑚 𝑘 ; 7. Собственная частота (без нагрузки) 𝜔 𝑀 = 2,03 ℎ ℓ 2 √ 𝑌 31 𝜌 𝑀 50 Большой интерес представляют дисковые биморфы с фиксацией по окруж- ности, у которых при воздействии управляющего поля наблюдается прогиб цен- тральной части. Они используются для получения линейных перемещений ма- лого диапазона. Для их расчета рекомендуются следующие выражения: 1. Прогиб центра диска ∆𝑙 𝐸 = 3 4 𝑑 31 𝐸 𝑅 2 ℎ = 3 4 𝑑 31 𝑈 𝑅 2 ℎ 2 ; где R – радиус биморфного диска. 2. Прогиб под действием внешней нагрузки (усилия) ∆𝑙 𝐹 = 0,069𝐹 𝑐 𝑅 2 𝑌 11 ℎ 3 ; 3. Коэффициент упругости 𝐾 𝑦 = 14,51𝑌 11 ℎ 3 𝑅 2 ; 4. Коэффициенты прямого и обратного пьезоэффектов 𝐾 п = 𝐾 𝑜 = 10,88𝑌 11 𝑑 31 ℎ; 5. Электрическая емкость 𝐶 0 = 5,65𝜀 33 𝜀 0 𝑅 2 ℎ ; 6. Эквивалентная приведенная масса 𝑚 ∑ = 𝑚 0 + 0,235𝑚 𝑘 ; 7. Собственная частота без нагрузки 𝜔 𝑀 = 3,13 ℎ 𝑅 2 √ 𝑌 11 𝜌 𝑀 2.4 Пьезоэлектрические двигатели. Особенности конструкций Пьезодвигатель, в отличие от актюатора, представляет собой полностью за- вершенное конструктивно и функционально исполнительное устройство, обес- печивающее линейное или угловое перемещение объекта управления. Как пра- вило, пьезодвигатель имеет свой корпус с различными конструктивными эле- ментами, поддерживающими работу одного, а иногда нескольких пьезоактюато- 51 ров. Это могут быть элементы, обеспечивающие предварительное сжатие актюа- торов, их тонкую настройку и юстировку, кинематическую связь с объектом управления и др. В конструкцию ПД могут быть встроены различные датчики ускорений, скоростей и перемещений вместе с их вторичными преобразователя- ми. В технической литературе, наряду с термином пьезодвигатель, можно встре- тить такие названия как пьезокорректор, пьезодвижитель, пьезодефлектор, пьез- оподвижка и т.д. По своей сути они обладают всеми перечисленными выше свойствами и характеристиками и поэтому удобнее использовать для всех устройств одно название – пьезодвигатель (ПД). В настоящее время на практике применяется большое разнообразие пьезо- электрических двигателей, отличающихся по характеру создаваемых перемеще- ний, конструкции, диапазонам перемещений. Основным элементом пьезодвига- теля всегда остается пьезоактюатор, работающий на обратном пьезоэффекте. Все остальные дополнительные конструктивные элементы выполняют вспомо- гательные функции. Они обеспечивают жесткость конструкции, ее износоустой- чивость, преобразование линейного перемещения в угловое, компенсацию теп- лового расширения, гистерезиса и последействия. Представляется возможным подразделить их на три основные группы: 1. Резонансные (ультразвуковые) двигатели линейных и угловых пе- ремещений (ударного действия) 2. Силовые двигатели с ограниченным диапазоном угловых и линейных перемещений. 3. Шаговые двигатели микроманипуляторы. 2.4.1 Резонансный (ультразвуковой) пьезоэлектрический двигатель (РПД) − новый тип нанодвигателя, который может быть использован в раз- личных областях науки − медицине, клеточных технологиях, космической тех- нике и многих других. РПД предназначен для формирования непрерывного, ша- гового или сканирующего режимов, а также точного углового или линейного позиционирования различных объектов. Важным положительным качеством РПД является то, что при снятии напряжения управления фиксируется положение ротора. По сравнению с традиционными электродвигателями, РПД имеет низкую скорость (30−300 об/мин), высокий момент (0,1–100 Н*м), высокое угловое разрешение (0,1−1,0 угл.сек). РПД можно разделить на два типа: ударного типа с дискретным перемещением подвижной части; волнового типа с непрерывным перемещением подвижной части. В большинстве конструкций ударного типа реализуется ударное взаимо- действие между "статором" и "ротором" в зоне их контакта. Подвижная часть приводится в движение под действием ударных импульсов, следующих с часто- той равной собственной частоте пьезоэлемента. Частота собственных колебаний может доходить до нескольких Мгц. Двигатели такого типа бывают с пьезоэлек- 52 трически активным статором и пассивным ротором, активным ротором и пас- сивным статором, активными статором и ротором [5]. В них могут быть возбуж- дены колебания сжатия-растяжения, изгиба, сдвига, крутильные и радиальные; возможно сочетание колебаний двух типов. Все это приводит к большому раз- нообразию теоретически возможных конструкций двигателей. Рассмотрим простой пример, иллюстрирующий принцип работы РПД удар- ного типа (рисунок 2.17). Рисунок 2.17 – Пьезодвигатель ударного действия Конструктивно статор 1 (или ротор, или оба совместно) представляют собой пьезорезонатор, преобразующий электрическую энергию в механическую. Статор и ротор 2 прижаты друг к другу силой F п , которая создается упругим предварительно напряженным элементом 3. На статоре в месте соприкосновения с ротором крепится опора из износостойкого материала 4 (например, алунда), акустически согласованная с пьезорезонатором. Геометрическая форма пьзоре- зонатора может быть разнообразной: пластины, стержни, спирали, диски, полые цилиндры. Пьезорезонаторы крепятся к опорам в точках колебательной скорости с помощью акустически изолирующего материала. Произведение толщины материала на модуль Юнга должно быть не менее, чем в 10 раз меньше соответ- ствующего значения пьезорезонатора (например, фторопласт, резина, дерево). К электродам пьезорезонатора подводится переменное напряжение возбуждения U в Следует отметить, что у двигателей рассматриваемого типа в контактной точке происходит фактически соударение двух поверхностей, поэтому они и названы пьезодвигателями ударного типа. Двигатель, представленный на рисунке 2.17, является нереверсивным, однако при определенном усложнении кон- струкции возможно создание реверсивной конструкции двигателя. Угловая ско- рость ротора ω р может быть определена через линейную скорость ротора ν р и его диаметр D р по формуле 53 𝜔 𝑝 = 2𝜈 𝑝 𝐷 𝑝 (2.7) Отсюда частота вращения в оборотах в минуту 𝑛 = 60𝑉 𝑝 𝜋𝐷 𝑝 . (2.8) Если диаметр ротора D P =0,5−5 см, то n=3000−300 об/мин. Таким образом, изменяя только диаметр ротора, можно в широких пределах изменять частоту вращения машины. Линейная скорость ротора зависит от амплитуды и частоты смещения свободного конца вибратора. При увеличении напряжения питания двигателя в довольно широком диапазоне возрастает амплитуда смещения виб- ратора, соответственно увеличивается линейная и угловая скорость ротора. Максимальная амплитуда смещения осциллятора ограничивается пределом прочности материала или перегревом пьезоэлемента. Перегрев материала свыше критической температуры – температуры Кюри, приводит к потере пьезоэлек- трических свойств. Для многих материалов температура Кюри превышает 250 о С, поэтому максимальная амплитуда смещения практически ограничивается пределом прочности материала. С учетом двукратного запаса по прочности при- нимают V P = 0,75 м/с. Выполняя двигатели с ротором большого диаметра D р , можно получать низкую частоту вращения ротора ω р без применения механиче- ских редукторов при сохранении достаточно высокой мощности на валу на еди- ницу массы. У современных двигателей номинальное напряжение питания лежит в диапазоне от десятков вольт до 400 В; регулирование напряжения позволяет получать частоты вращения в диапазоне от 20 до 10.000 об/мин. Частота напряжения питания обычно выбирается из условия резонанса колебаний; у современных вращающихся двигателей номинальная частота порядка 50−80 кГц. Двигатель аналогичной конструкции может работать и в шаговом режиме при рабочей частоте вращения 0,2–6 об/сек. При подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента выполняется дискретный шаг порядка 0,1–4 угловых секунд. Под действием напряжения пьезорезонатор совершает механические ко- лебания вдоль своей длины (в других конструкциях могут быть использованы изгибные, крутильные и др. колебания) и совершает микроудары по ротору, пе- редавая ему полезный момент. Ротор приводится во вращение. Нужно сказать, что величина полезного момента невелика, кроме того, при контактном сцеплении пьезорезонатора и подвижной части может происходить их проскальзывание относительно друг друга. Это приводит к износу, снижению КПД и точности отработки перемеще- ний. Развиваемая мощность таких двигателей находится в диапазоне от 1 до 10 Вт и по сравнению с микромашинами такой же мощности они имеют ряд пре- имуществ: более высокие динамические свойства, высокая разрешающая спо- собность по перемещению, в 1,5−2 раза лучшие массогабаритные показатели, они имеют высокую равномерность вращения и более широкий частотный диапазон 54 отработки внешних воздействий. Наиболее перспективной областью их применения являются различные электромеханические системы лентопротяжки. Рисунок 2.18 – Конструкция пьезопривода фирмы PI В РПД волнового типа с «распределенным контактом» осуществляется «непрерывное» фрикционное взаимодействие волнового движения упругого преобразователя и приводимой подвижной части с усреднением волнового поля. Рассмотрим конструктивную схему двигателя второго типа с активным ста- тором, совершающим радиальные колебания, представлена на рисунке 2.19. Внешний пассивный ротор 1 выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри него находится кольцевой цилиндрический статорный пьезоэлемент 2, на торцевых поверхностях которого нанесены электроды, а внутренняя поверхность покрыта акустически изолирующим материалом. По внешней образующей статора закреплены упругие стальные пластины-толкатели 3, установленные под определенным углом к внутренней поверхности ротора и прижатые к нему с не- которым усилием. Если внешний диаметр пьезоэлемента значительно больше его толщины и высоты, то при подаче переменного напряжения на торцевые электроды внешняя поверхность пьезоэлемента начинает совершать радиальные колебания. Рисунок 2.19 – Конструктивная схема двигателя второго типа с активным статором 55 При положительной полуволне сигнала диаметр статора увеличивается и толкатели, увеличивая нажатие на ротор, поворачивают его на некоторый угол. Отрицательная полуволна сигнала вызывает уменьшение диаметра статора, и толкатели проскальзывают по внутренней стороне поворачивающегося ротора. Рассмотренный пьезодвигатель является нереверсивным. Однако сов- мещение в одном корпусе двух таких комплектов с разворотом толкателей в противоположные стороны позволяет получить реверсивный двигатель. РПД являются уникальными и высокотехнологичными исполнительными устрой- ствами, их конструкции постоянно модернизируются, а характеристики улуч- шаются. Расширяется и область их применения: от устройств лентопротяжки и сервоприводов в автомобилях (подъемники стекол, устройства управления по- ложением фар) до систем, предназначенных для манипуляций с клетками, генной инженерии, репродуктивной биологии и медицины. В таблице 2.10 приведены технические данные таких двигателей, выпу- щенных в виде опытной серии. Таблица 2.10 – Технические данные двигателей Тип пьезодвигателя ПД-20 ПД-28 ПД-46 ПД-57 Номинальный момент, Нм 0,08 0,35 0,7 1,2 Максимальный момент, Нм 0,15 0,6 1,5 2,5 Частота вращения, об\мин 100 60 30 20 Напряжение питания, В 40 60 60 60 Ток, А 0,1 0,1 0,2 0,3 Частота напряжения питания, кГц 74-78 54-58 36-38 30-34 Размеры нереверсивного двигателя, мм D35x12 D50x20 D70x20 D82x20 Размеры реверсивного двигателя, мм D37x20 D52x40 D72x40 D90x40 Рисунок 2.20 – Ультразвуковой пьезомотор и пьезопривод для работы при температурах от комнатной до 4 К (жидкий гелий) 56 2.4.2 Силовые двигатели с ограниченным диапазоном угловых и линейных перемещений Ко второй группе относятся пьезодвигатели линейных и угловых пере- мещений, работающие соответственно в субмикрометровом и микрометровом, секундном и минутном диапазонах. Причем их частотный диапазон ограничен областью до первого электромеханического резонанса (обычно до 1000 Гц). Как правило, это устройства ограниченного диапазона, создающие значительные усилия (до 5000−10000 Н). Применяются для перемещения и стабилизации объ- ектов значительной массы от десятков грамм до сотен килограмм, создания и компенсации вибраций в широком спектральном диапазоне. Линейные двигатели традиционно применяются для юстировки различных оптических приборов, где требуются сравнительно большие диапазоны перемещений (до 10 −4 м) и высокая точность останова (10 −8 −10 −9 м), двигатели угловых перемещений применяются в адаптивной оптике и сканирующих устройствах различного назначения. Рабочий диапазон частот обычно не превышает 100 Гц. Если проанализировать все конструктивные решения таких устройств, то можно выделить некоторые базовые конструкции. Хотелось бы остановится на трех наиболее популярных из них, которые заложены в основу большинства современных пьезодвигателей данной группы. К ним относятся: 1. Составная пакетная конструкция; 2. Биморфная конструкция; 3. Дифференциальная конструкция. |