МЕХАНИЗМ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
MOVEMENT MECHANISM

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в высокоточных приводах станков и технологического оборудования, в сверхвысокоточных приводах в оптических и лазерных приборах, а также в механизмах ультрапрецизионных перемещений и позиционирования (МУПП) в нанотехнологиях, например для покадровых перемещений зондовых микроскопов в наноэлектронике.
Известны МУПП на основе механизмов с гибкими связями, обеспечивающие предельно достижимые для механических систем характеристики (А.С. №1823008, МПК G12B 5/00, H05K 13/02, опубл. 12.10.1992). Основными их недостатками являются большие габариты и вес и низкое быстродействие.
Известны также различные линейные пьезоэлектрические двигатели («Компоненты и технологии» №10 за 2006 г., с.36-41). Прототипом является пьезомотор серии SOL, содержащий корпус, ходовой винт с ограничением вращения и возможностью перемещения вдоль оси, ходовую гайку, опирающуюся торцевыми поверхностями в корпус и привод для задания движения ходовой гайке.
Основным недостатком прототипа является малое развиваемое усилие перемещения, не позволяющее работать с крупногабаритными тяжелыми объектами и ограничивающее область применения.
В основу изобретения поставлена задача - создать сверхвысокоточный привод большой грузоподъемности, позволяющий развивать усилия, необходимые для перемещений и позиционирования макрообъектов.
Указанная цель достигается за счет того, что в механизме перемещения, содержащем корпус, ходовой винт с ограничением вращения и возможностью перемещения вдоль оси, ходовую гайку, опирающуюся торцевыми поверхностями в корпус, привод для задания движения ходовой гайке, согласно изобретению ось ходовой гайки смещена относительно оси ходового винта, образуя зазор между резьбовыми поверхностями ходового винта и ходовой гайки, при этом привод задает ей плоскопараллельное движение перпендикулярно оси ходового винта, при котором резьбовая поверхность ходовой гайки обкатывает резьбовую поверхность резьбового винта.
Кроме того, ходовая гайка выполнена в виде разрезной цанги, при этом резьбовая поверхность выполнена на разрезной части.
Кроме того, ось ходовой гайки наклонена под углом к оси ходового винта и пересекает ее между торцевыми поверхностями ходовой гайки.
Ходовая гайка выполнена из двух или нескольких частей, расположенных симметрично относительно оси ходового винта.
Механизм выполняется по схеме «ходовой винт - ходовая гайка» из материалов достаточной прочности и жесткости, воспринимающих большие нагрузки. При этом высокая точность перемещения и позиционирования достигается за счет того, что ходовая гайка опирается торцевыми поверхностями на корпус и не навинчивается на ходовой винт, а совершает плоскопараллельное обкатывающее движение вокруг ходового винта без проскальзывания, для чего между винтовыми поверхностями ходового винта и ходовой гайки предусмотрен зазор, привод прижимает ходовую гайку к ходовому винту перпендикулярно его оси и задает ей обкатывающее движение, т.е. ось ходовой гайки, отстоящая от оси ходового винта на величину зазора между винтовыми поверхностями, описывает окружность вокруг оси ходового винта и за один оборот смещение ходового винта относительно ходовой гайки будет равно разности длин одного витка резьбы ходовой гайки и ходового винта, умноженной на синус угла наклона резьбы или, что то же самое, разности длин волн окружностей ходового винта и ходовой гайки, умноженной на тангенс угла наклона резьбы.
Механизм перемещения поясняется чертежами,
где на фиг.1 показано продольное сечение механизма;
на фиг.2 показано поперечное сечение по А-А;
на фиг.3 изображена схема для расчета перемещений;
на фиг.4 показано продольное сечение варианта механизма перемещения с двумя ходовыми гайками, расположенными по разные стороны от оси ходового винта;
на фиг.5 показан вариант с ходовой гайкой в виде разрезной цанги;
Механизм перемещения состоит из следующих основных деталей: 1 - корпус; 2 - ходовой винт с фиксатором от проворота 3; 4 - ходовая гайка; 5 - эксцентричная втулка с зубчатым венцом; 6 - привод.
окр.гайки
окр.винта
гайки
винтa
Работает механизм перемещения следующим образом. При вращении приводом 6 эксцентричной втулки 5, наружная поверхность которой установлена в подшипниках 7 в корпусе 1 соосно с ходовым винтом, ее внутренняя поверхность, ось которой смещена относительно оси наружной поверхности на величину δ, через подшипник 8 прижимает винтовую поверхность ходовой гайки 4 к поверхности ходового винта 2 перпендикулярно его оси и задает ходовой гайке 4 плоскопараллельное обкатывающее движение, при котором винтовая поверхность ходовой гайки 4 катится без проскальзывания по винтовой поверхности ходового винта 2. Поскольку радиус контактирующей поверхности ходовой гайки 4 больше, чем радиус ответной поверхности ходового винта 2 на величину δ, то принадлежащая ходовой гайке точка А контакта поверхностей ходовой гайки и ходового винта, совпадающая в первоначальный момент с точкой контакта В, принадлежащей ходовому винту, по завершении одного обкатывания окажется в точке А', смещенной относительно точки В ходового винта вдоль винтовой линии резьбы на величину ΔL=(L-L)·cosγ=(2πR-2πR)·cosγ=2πδ·cosγ≈2πδ и, следовательно, ходовой винт переместится вдоль оси на величину Δt=ΔL·tgγ=2πδ·tgγ, где t - шаг винтовой резьбы, а γ - угол наклона винтовой резьбы.
Пример расчета: пусть диаметр резьбы ходового винта будет равен 10 мм, ходовой гайки 10,1 мм, а шаг резьбы 1 мм. Тогда смещение ходового винта Δt вдоль оси за одно обкатывание ходовой гайки будет равно , что, например, при использовании серийного шагового двигателя с шагом 1,8°, т.е. 200 шагов за 1 оборот, и передаточном числе в приводе i=10 даст перемещение вдоль оси шагового винта за 1 шаг
,
т.е. 0,01 мкм или 10 нанометров.
Таким образом, учитывая то, что ходовой винт и ходовую гайку можно изготавливать из любых высокопрочных материалов, любого диаметра, необходимого шага и числа витков резьбы, имеем сверхвысокоточный механизм перемещения большой нагрузочной способности при минимальных габаритах конструкции.