ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
ACTUATING DEVICE FOR PRECISION POSITIONING OF ACTUATING ELEMENT

Изобретение относится к мехатронике и может быть использовано в промышленных системах управления технологическими процессами, в узлах медицинской техники, в прецизионных системах позиционирования, в устройствах активной и адаптивной оптики.
Известно исполнительное устройство, предназначенное для перемещения исполнительного элемента, содержащее магнитную подсистему представленную в виде разомкнутого магнитопровода, с возбуждающей катушкой, в воздушном зазоре которого располагается термомагнитомеханический преобразователь далее - активный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с памятью формы (ФМПФ), а также исполнительный элемент, используемый для воздействия на объект управления. Исполнительное устройство способно перемещать объект в одном направлении за счет магнитоуправляемого эффекта памяти формы, для перемещения объекта в обратном направлении необходимо приложить внешнюю нагрузку. [см. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, N. Chaillet, and С.Lexcellent, "Nonlinear hamiltonian modelling of magnetic shape memory alloy based actuators," Sensors & Actuators A, vol. 141, pp. 536-547, 2008].
Недостатками данного устройства являются большие габаритные размеры, низкое быстродействие, необходимость дополнительного потребления энергии для удержания исполнительного элемента в заданном положении, использование внешнего механического воздействия для сжатия активного элемента, не учитывается влияние температуры на свойства активного элемента.
Известно двухтактное исполнительное устройство, предназначенное для перемещения объектов в миллиметровом диапазоне с разрешающей способностью в несколько микрометров, содержащее магнитную подсистему включающую первый и второй активный элемент выполненные из ФМПФ, управляемый источник тока, систему регулирования на основе пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) и пропорционально-интегрирующих регуляторов, датчик определения положения исполнительного элемента и исполнительный элемент. Первый активный элемент способен удлиняется под воздействием внешнего магнитного поля и перемещать исполнительный элемент в прямом направлении, при этом сжимая второй активный элемент. Второй активный элемент способен удлиняется под воздействием внешнего магнитного поля и перемещать исполнительный элемент в обратном направлении, при этом сжимая второй активный элемент. Под исполнительным элементом подразумевается элемент конструкции устройства передающий механическое воздействие на объект управления. Магнитная подсистема исполнительного устройства, представляет собой два независимых разомкнутых магнитопровода, с возбуждающими катушками, в воздушном зазоре каждого находится по одному активному элементу. [см. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, С. Lexcellent, and N. Chaillet, "Multistable actuator based on magnetic shape memory alloy," in ACTUATOR 2006, 10th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, 2006, pp. 787-790.].
Недостатками данного устройства являются низкое быстродействие, большие габаритные размеры, не учитывается влияние температуры на свойства активного элемента.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа двухтактное исполнительное устройство. [A. Hubert, N. Calchand, Y. Le Gorrec, J.-Y. Gauthier, "Magnetic Shape Memory Alloys as smart materials for micro-positioning devices" in "Advanced Electromagnetics Symposium, AES'12., TELECOM PARISTECH, Paris: France (2012)"].
Двухтактное исполнительное устройство, предназначенное для перемещения объектов в миллиметровом диапазоне с разрешающей способностью в несколько микрометров, содержащее магнитную подсистему, включающую первый и второй активные элементы выполненный из ФМПФ, исполнительный элемент, датчик определения положения исполнительного элемента, управляемый источник тока и систему управления. Первый активный элемент выполнен с возможностью удлинения и перемещения исполнительного элемента, выполненного из немагнитного материала, в прямом направлении, при воздействии на него магнитного поля. Второй активный элемент расположен напротив первого и способен перемещать исполнительный элемент в обратном направлении, при воздействии на него магнитного поля. Магнитная подсистема представляет собой два независимых разомкнутых магнитопровода, с возбуждающими катушками, в воздушном зазоре каждого находится по одному активному элементу. Управляемый источник тока с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) содержит датчик тока, при этом регулирование тока в намагничивающих катушках осуществляется с помощью ПИД регулятора. Определение положения исполнительного элемента производится с помощью датчика, а результат обрабатывается в системе управления, причем с помощью той же системы управления формируются управляющие сигналы для управляемого источника тока. Недостатками данного устройства являются:
1. Невысокая точность позиционирования исполнительного элемента, обусловленная низкой разрешающей способностью двухтактного исполнительного устройства, из-за воздействия одновременно на весь объем каждого активного элемента, а также из-за значительной нелинейности физических процессов в магнитной подсистеме.
2. Низкое быстродействие прототипа, обусловленное структурой магнитной подсистемы, содержащей магнитопровод из магнитомягкого материала и требующего значительных временных затрат на перемагничивание, в том числе и магнитопровода.
3. Большие габаритные размеры, магнитной подсистемы, и как следствие устройства в целом.
Задачей изобретения является повышение точности позиционирования и быстродействия, а также уменьшение габаритных размеров исполнительного устройства.
Техническим результатом изобретения является уменьшение времени отклика магнитной подсистемы и повышение разрешающей способности исполнительного устройства для прецизионного позиционирования исполнительного элемента.
В свою очередь уменьшение времени отклика магнитной подсистемы увеличивает быстродействие. Использование магнитной подсистемы состоящей из нескольких сдвоенных катушек, а так же учет влияния температуры на свойства активного элемента из ФМПФ, позволяет создавать импульсные магнитные поля достаточной мощности для локальной активации эффекта памяти формы, а не во всем объеме сразу, что повышает разрешающую способность, что в итоге приводит к увеличению точности позиционирования исполнительного элемента. Уменьшение габаритных размеров обусловлено использованием оригинальной распределенной магнитной подсистемы, отличительной особенностью которой является использование сдвоенных катушек не содержащих магнитопроводы.
Заявленный технический результат достигается с помощью исполнительного устройства содержащего магнитную подсистему, включающую первый и второй активные элементы из ФМПФ, исполнительный элемент, многоканальный управляемый импульсный источник тока, систему управления, а также датчики температуры активных элементов и определения положения исполнительного элемента. Первый и второй активные элементы, имеют форму параллелепипеда, одна из сторон которого намного больше двух других, и выполнены из ферромагнитного материала с эффектом памяти формы. Первый активный элемент выполнен с возможностью перемещения исполнительного элемента в прямом направлении, при воздействии на него магнитного поля. Второй активный элемент выполнен с возможностью перемещения исполнительного элемента в обратном направлении, при воздействии на него магнитного поля. Магнитная подсистема исполнительного устройства предназначена для создания локального импульсного магнитного поля, с напряженностью/индукцией достаточной для активации эффекта памяти формы в выбранном активном элементе, причем, для намагничивания каждого активного элемента используется распределенная намагничивающая система, состоящая из, по крайней мере, двух сдвоенных катушек, без ферромагнитных сердечников, размещенных вдоль длиннейшей стороны активного элемента. Предлагаемая магнитная подсистема позволяет создавать магнитное поле с заданными параметрами, локально или во всем объеме активного элемента сразу. Для формирования неоднородного магнитного поля используется управляемый многоканальный импульсный источник тока, способный формировать импульсы достаточной амплитуды и длительности для активации магнитомеханических процессов в объеме активного элемента. Импульсы имеют высокую скважность для исключения нагрева активного элемента и проводящей среды магнитной подсистемы, подаются независимо в любую сдвоенную катушку распределенной магнитной подсистемы в любой комбинации зависящей от процесса позиционирования. Информация, получаемая от датчика температуры активных элементов, используется для корректировки управляющих импульсов, амплитуды и длительности, в заданном диапазоне температур. Повышение точности позиционирования исполнительного элемента достигается тем, что каждый активный элемент в любой момент времени управляемым образом удлиняется независимо, при этом учитывается влияние температуры. Датчик определения положения используется для корректировки позиции исполнительного элемента. На фиг. 1 изображен пример сдвоенной катушки.
На фиг. 2 представлена структурная схема исполнительного устройства для прецизионного позиционирования исполнительного элемента.
Изображение на фиг. 3 поясняет алгоритм работы исполнительного устройства.
На фиг. 4 представлен график показывающий зависимость между относительным удлинением активного элемента, температурой и количеством импульсов (длительность импульса 50 мкс).
На фиг. 5 представлен график, показывающий динамку относительного удлинения при длительность импульса 0,5 мс, при этом большая относительная деформация обусловленная подтягиванием новых участков активного элемента в область действия сдвоенной катушки.
На фиг. 6 представлена схема механического соединения исполнительного элемента с активными элементами и их ограничителями, где L исходная длинна активного элемента.
Устройство позиционирования исполнительного элемента содержит систему управления 1, многоканальный управляемый импульсный источник тока 2, датчик определения положения исполнительного элемента 3, датчик температуры активных элементов 15, магнитную подсистему 16, состоящую из совокупности сдвоенных катушек 6-11 (не менее двух сдвоенных катушек для каждого активного элемента), первого активного элемента 4 и второго активного элемента 5, также устройство позиционирования исполнительного элемента содержит ограничитель для первого активного элемента 13, ограничитель для второго активного элемента 14, исполнительный элемент 12.
Система управления 1 предназначена для сбора информации со всех датчиков и формирования управляющих сигналов для управляемого многоканального импульсного источника тока 2, может быть создана, например, на основе микроконтроллера, микропроцессора или промышленного компьютера.
Проведенный поиск среди средств того же назначения, что и заявляемое, не выявил тождественных технических решений в отношении всей совокупности существенных признаков предполагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
Анализ уровня техники позволил установить, что присущие предлагаемому изобретению отличительные признаки такие, как наличие, по крайней мере, двух сдвоенных катушек в магнитной подсистеме 16 исполнительного устройства для каждого активного элемента 4, 5, возможность индивидуального управления сдвоенными катушками магнитной подсистемы 16, посредствам использования многоканального управляемого импульсного источника тока 2 и учет влияния температуры, с помощью датчика температуры активных элементов 15, на свойства активного элемента (4, 5), при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое исполнительное устройство для прецизионного позиционирования исполнительного элемента выше указанные блоки проявляют новые свойства, заключающиеся в уменьшение времени отклика магнитной подсистемы, что обеспечивает увеличение скорости позиционирования исполнительного элемента, т.е. быстродействия устройства позиционирования, повышению разрешающей способности и, как следствие, точности позиционирования, уменьшению габаритных размеров. Это позволяет сделать положительный вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».
Устройство работает следующим образом.
Система управления 1, на основе информации, полученной от датчика температуры активных элементов 15 и датчика определения положения исполнительного элемента 3, формирует управляющие сигналы для многоканального управляемого импульсного источника тока 2, создающего импульсы тока с заданными параметрами в сдвоенных катушках 6-8 распределенной магнитной подсистемы 16, для движения исполнительного элемента 12 в прямом направлении, соответственно, для движения в обратном направлении импульсы тока формируются в сдвоенных катушках 9-11 магнитной подсистемы 16. Импульсное магнитное поле в ограниченном объеме активного элемента инициирует структурный фазовый переход, за счет которого выбранный активный элемент (4 или 5) удлиняется (принимает исходную форму) при этом сжимая (деформируя) противостоящий.
Многоканальный импульсный источник тока 2, может создавать ток одновременно во всех сдвоенных катушках 6-8 или 9-11, или индивидуально в зависимости от требуемой величины перемещения. Для увеличения разрешающей способности используются импульсы тока длительностью до 50 мкс, при этом стоит учитывать влияние температуры активных элементов (фиг. 4). При последовательном удлинении активного элемента (4 или 5) для уже деформированных сегментов формируется синхронные импульсы удерживающего магнитного поля, фиг. 3 поясняет принцип управления формой активного элемента (4 или 5) с помощью магнитной подсистемы. В случае, когда на исполнительный элемент не действует внешняя сила достаточная для упругой деформации активных элементов, его фиксация происходит за счет механического гистерезиса ФМПФ и не требует дополнительных затрат энергии. Исполнительный элемент 12 выполнен из немагнитного материала и может иметь произвольную форму или размеры, при этом активные элементы (4 и 5) установлены таким образом, чтобы удлинение одного из них непременно сжимало противостоящий (фиг. 6), при этом ограничители 13, 14 выполнены из немагнитного материала и используются для опоры активных элементов (4 и 5 соответственно). Датчик определения положения исполнительного элемента 3 определяет его положение с точностью до нанометров и передает эту информацию в систему управления 1 для формирования управляющих сигналов.