ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД С ВОЛНОВЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ

Полезная модель относится к области электромеханики и может быть использована для привода различных устройств в прецизионном машино- и приборостроении, в системах для реализации нанотехнологий, микроскопах и другом научном оборудовании.
Известен «Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель» - заявка на изобретение RU №96111526, опубликована 27.09.1998. Двигатель предназначен для использования в качестве исполнительного механизма. Сущность изобретения: пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель содержит корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть. Фиксирующие узлы выполнены из не менее двух пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом. Каждый пьезоблок состоит из сдвигающего пьезоэлемента и фиксирующего пьезоэлемента, разделенных относительно друг друга, корпуса и фрикционного элемента изоляторами. Подвижная часть имеет не менее одной направляющей, которая входит в соответствующую направляющую на фрикционных элементах, выполненных разрезными. Промежутки между пьезоблоками заполнены эластичным изоляционным материалом. Технический результат: повышение точности и усилия.
Недостатком является то, что данная конструкция не позволяет осуществлять вращательное движение, комбинировать поступательное и вращательное движения.
Известен также «Волновой пьезодвигатель» - патент RU №2560115, опубликован 20.08.2014. Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для приводов вращения малогабаритных устройств. Технический результат состоит в повышении вращающего момента, к.п.д. и долговечности, уменьшении потерь на трение.
Волновой пьезодвигатель содержит биморфное пьезоэлетрическое кольцо и жестко связанное с ним деформируемое кольцо, упруго охватывающее ротор. Между деформируемым кольцом и ротором имеется зазор. На поверхности кольца и поверхности ротора нарезаны мелкомодульные зубья.
Недостатком является то, что данная конструкция не позволяет осуществлять поступательное движение, комбинировать поступательное и вращательное движения.
Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип, является змееподобный робот [Hirose S. "Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotor and Manipulator)," Oxford University Press, 1987], имеющий некоторое количество одинаковых звеньев, имеющих возможность поворота друг относительно друга на двух перпендикулярных шарнирах. Поворот звеньев друг относительно друга осуществляется посредством пары сервоприводов, расположенных перпендикулярно относительно друг друга в каждом звене. Змееподобный робот за счет различных углов поворота звеньев друг относительно друга может совершать разнообразные поступательные и/или вращательные перемещения как на плоскости, так и внутри труб различного сечения.
Змееподобный робот не может быть применен для приводов с точным перемещением, так как использование шарнирного соединения звеньев и сервоприводов не позволяет добиться высокой точности перемещений.
Задача, на решение которой направлена полезная модель - создание пьезоэлектрического привода с волновым перемещением, способного совершать поступательное и/или вращательное движения.
Для решения этой задачи предложен пьезоэлектрический привод с волновым перемещением, содержащий последовательно соединенные между собой одинаковые звенья, причем звенья жестко соединены и каждое из них повернуто перпендикулярно соседним в плоскости осевого сечения. Звенья имеют цилиндрическую форму, изготовлены из прочного упругого материала и в середине каждого звена выполнена сквозная прорезь, имеющая в радиальном сечении треугольную форму. В свою очередь в каждой прорези параллельно оси звеньев жестко закреплен пьезоэлемент цилиндрической формы. Кроме того привод размещен в трубке, диаметр отверстия которой не менее чем в два раза больше диаметра звеньев.
Технический результат полезной модели заключается в том, что предлагаемое устройство позволяет осуществлять как поступательное, так и вращательное точное перемещение посредством создания отдельными звеньями бегущей волны в трехмерном пространстве. Точность перемещения достигается за счет исключения шарнирного соединения и использования в качестве приводных устройств пьезоэлементов.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, приведенными на фигурах: фигура 1 - звено в нейтральном положении пьезоэлемента; фигура 2 - звено с удлинившимся пьезоэлементом; фигура 3 - звено с сократившемся пьезоэлементом; фигура 4 - три проекции пьезоэлектрического привода с 8 звеньями.
Привод состоит из ряда последовательно жестко соединенных между собой одинаковых звеньев 1, каждое из которых повернуто перпендикулярно соседним в плоскости осевого сечения. Звенья 1 (фиг. 1) имеют цилиндрическую форму и изготавливаются из прочного упругого материала, например пружинной стали. В середине звена 1 выполнена сквозная прорезь, имеющая в радиальном сечении треугольную форму. В прорези параллельно оси звена 1 жестко закрепляется, например, запаивается, пьезоэлемент 2 цилиндрической формы. Для обеспечения надежной фиксации привода в пространстве за счет сил трения, соединенные между собой звенья 1 помещаются в трубку 3 (фиг. 4), диаметр отверстия которой не менее чем в 2 раза больше диаметра звеньев 1.
Устройство работает следующим образом.
Управление приводом осуществляется с помощью микроконтроллера (на схеме не показан). При подаче управляющего электрического напряжения на пьезоэлемент 2 происходит его удлинение (фиг. 2) или укорачивание (фиг. 3), за счет чего происходит изгибание звена 1 в ту или иную сторону. При активации отдельных пьезоэлементов 2 в соответствии с формулой бегущей волны [Hirose S. "Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotor and Manipulator)," Oxford University Press, 1987]
где φi(t) - угол поворота i-го звена, ωs - угловая скорость, α, β γ - параметры формы змеиного изгиба, α - степень волнистости, b - количество периодов в единице длины, с - коэффициент смещения, происходит перемещение соединенных между собой звеньев 1 в отверстии трубки 3 вдоль оси в трехмерном пространстве, либо происходит их вращение по спирали на одном месте. При движении соединенных звеньев 1 тем или иным необходимым образом, они, одним из своих свободных концов, сообщают поступательное и/или вращательное движение исполнительному механизму (на схеме не показан).
Примером выполнения объекта является привод подачи станка для многоосевой субтрактивной обработки. Привод позволяет осуществлять продольную, круговую и винтовую подачу заготовки со скоростью линейного перемещения до 1 м/мин и скоростью вращательного движения до 30 об/мин. Погрешность перемещений не превышает 1 мкм на 1 мм длины и может быть уменьшена не менее чем в 100 раз при наличии обратной связи по перемещениям.
Таким образом, предлагаемый объект позволяет реализовать точное поступательное и вращательное движение за счет создания отдельными звеньями бегущей волны.