тел: (495) 600-40-84

Надёжность и износостойкость позиционеров серии PILine

  1. Введение

Позиционеры серии PILine основаны на ультразвуковом пьезоэлектрическом двигателе прямого типа. Эта особенность позволяет достичь коротких временных интервалов отклика наряду с высокой точностью позиционирования. Благодаря особенностям конструкции двигателя, приводы PILine являются самоблокирующимися, в том числе при выключении питания. Однако данный тип двигателя в определённой степени подвержен износу.

В данной статье приводится информация в отношении износостойкости, а также корреляции степени износа и срока службы двигателя. Дополнительно рассказывается о том, при каких условиях имеется возможность эксплуатировать позиционеры PILine длительный срок.

  1. Принцип работы позиционеров серии PILine

В основу двигателя PILine входит пьезоэлектрический актуатор, к которому прикреплён толкатель, плотно соприкасающийся с направляющей благодаря преднагрузке (рис.1).

Fig.1_Scheme of PILine.JPG

Рис.1 Принципиальная схема пьезоэлектрического двигателя серии PILine

На актуатор подаётся сигнал высокой частоты. Благодаря обратному пьезоэффекту возникают осцилляции актуатора, которые передаются на толкатель. Таким образом, создаётся непрерывное перемещение с высокой скоростью. Стоит отметить, что сам актуатор не подвержен износу, так как обратный пьезоэффект основан на изменении кристаллической структуры пьезоматериала при подаче напряжения на электроды.

Трение и износ возникают при соприкосновении толкателя и направляющей. При этом потеря энергии может достигать 40%. Таким образом, требуется определение оптимального состава используемых материалов.

В ходе проведённых исследований, оксид алюминия (Al2O3) и циркониевый электрокорунд (Al2O3/ZrO2), из которых изготавливались толкатель и направляющая, оказались наиболее эффективными материалами.

3. Последствия износа

В результате трения толкателя и направляющей, образующиеся частицы накапливаются в корпусе двигателя (рис.2)

Fig 2_Abraded particals.JPG

Рис.2 Изображение двигателя серии PILine, установленного в линейную пьезоплатформу M-663.5U после 19000 часов эксплуатации. Длина масштабной метки 2 мм.

Тем не менее, использование керамических элементов сводит степень износа к минимуму. Кроме того, толкатель имеет такую форму, чтобы предотвратить возникновение критических уровней износа в течение установленного срока службы. Вследствие электростатиеских эффектов, большое количество частиц остаётся в корпусе и оседает на пьезоактуаторе и толкателе.

3.1. Зависимость износа от времени

В течение периода приработки (приблизительно 100 ч), неровности, вызванные небольшими дефектами при выравнивании толкателя и направляющей, сглаживаются. После этого периода, скорость износа уменьшается и устанавливается на низком постоянном значении.

Fig 3_Wear-time dependence.JPG

Рис.3. Зависимость объёма частиц, образованных в результате износа, от времени эксплуатации (синяя кривая). Зависимость скорости износа от времени эксплуатации (зелёная кривая).

Из графика можно сделать вывод, что скорость износа после приработки составляет 10-4 мм3/ч, что соответствует 0.5 мкг/ч.

3.2. Зависимость износа от состояния поверхности

При изготовлении пьезодвигателя рабочие поверхности толкателя и направляющей гладко полируются. В течение периода приработки, неидеальность выравнивания толкателя и направляющей компенсируется в результате трения и износа. После периода, сопоставимого со сроком эксплуатации, на толкателе и направляющей видны признаки износа вследствие трения и неидеальности выравнивания соприкасающихся поверхностей.

Результаты тестирования линейной пьезоплатформы M-663.5U в течение 19000 часов детально обсуждаются ниже в пункте 4.2. Износ и степень истирания толкателя и направляющей показаны на рис.4 и 5 соответственно. После истечения срока эксплуатации средняя высота толкателя уменьшилась на 60 мкм, осталось более 85% изначальной высоты (400 мкм). Объём частиц в результате износа составил 0.05 мм3 (0.2 мг).

Средняя глубина истирания направляющей составила приблизительно 1 мкм в зоне контакта (рис.5). Исходя из сканирования профиля поверхности, объём частиц, образованных в результате износа, оценивается приблизительно в 0.03 мм3 (0.11 мг).


В итоге, в ходе тестирования отдельной платформы было получено 0.08 мм3 частиц (0.31 мг) вследствие истирания. Таким образом, после начального периода приработки, предполагаемая постоянная скорость износа составляет 0.02 мкг/ч. 

Fig 4_Coupling elements.JPG

Рис.4 Изображение двух толкателей (вид сверху): после производства (слева) и после 19000 часов эксплуатации (справа). Длина масштабной метки 0.5 мм

Fig 5_ Optical microscope image of the runner.JPG

Рис.5 Верхняя часть: изображение направляющей, полученное с помощью оптического микроскопа. Длина масштабных меток 1 мм. На изображении хорошо прослеживается область контакта направляющей и толкателя. Траектория движения направляющей указана черной стрелкой. Нижняя часть: Профиль поверхности направляющей, полученный с помощью лазерного микроскопа. Наибольший износ наблюдается в левой части изображения. Средняя глубина истирания в области контакта составляет порядка 1 мкм.

3.3. Размер и состав частиц, образовавшихся в результате износа

Размер частицы в результате истирания оценивается в 1 мкм, согласно изображению на рис. 6.

Fig 6_SEM image of the runner.JPG

Рис. 6 Изображение поверхности направляющей, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Длина масштабной метки: 2 мкм (слева), 10 мкм (справа). На изображении видны отдельные частицы (небольшие светлые пятна менее 1 мкм). Подавляющее число частиц образуют плотно сложенные кластеры, что может быть видно на изображении справа

В основном частицы образуют плотные большие кластеры, число отдельных частиц невелико. Состав частиц анализировался с помощью рентгеновского дифрактометра. Результаты исследования не обнаружили каких-либо дополнительных веществ, кроме материала, из которого состоят толкатель и направляющая. Таким образом, частицы относятся к диэлектрикам, химически инертны и не представляют опасности для электронных компонентов. Кроме того, они не оказывают никакого влияния на производительность двигателей PILine.

4. Информация о различных применениях двигателей PILine

В процессе разработки продукта, были проведены многочисленные испытания для того, чтобы достичь ожидаемого срока службы и выполнять различные требования заказчиков.

Ниже приведена информация о применении позиционеров, оснащённых двигателями PILine, для конкретных приложений.

4.1. Тахеометр производства Leica

Компания Leica Geosystems – ведущий производитель высокоточных геодезических инструментов, использует приводы PILine в тахеометрах (рис.7). 

Fig 7_Leica total station.JPG

Рис.7 Тахеометр серии Nova TS60 производства Leica Geosystems, оснащённый позиционерами PILine.

Тахеометры используются для измерения углов и расстояний в геодезии. В требования заказчика входило повышение скорости вращения и углового разрешения. Для того, чтобы проверить выполнение этих требований, были проведены испытания, близкие к реальным условиям. Испытания включали в себя поворот объекта массой 6 кг в обоих направлениях. После проведения тестирования длительностью 7000 часов, что соответствует 2500 км, требования к позиционеру выполнялись в полной мере. Соответствующий график, показывающий зависимость износа от времени, приведён на рис.3.

4.2. Линейная пьезоплатформа M-663.5U серии PILine

Линейная пьезоплатформа M-663.5U является универсальным позиционером с отличными динамическими характеристиками. Благодаря универсальности, заказчики используют данную платформу в различных нестандартных ситуациях. К примеру, платформа может быть по-разному закреплена.

Условия крепежа платформы могут оказывать значительное влияние на показатели износа вследствие изменения нагрузки на толкатель. Требования в отношении срока эксплуатации были подтверждены в ходе долгосрочных испытаний, при которых платформа была расположена вертикально (рис.8). При данной ориентации на толкатель оказывается наибольшая нагрузка.

Fig 8_M-663.5U.JPG

Рис.8. Линейная пьезоплатформа M-663.5U, установленная в вертикальном положении. Нагрузка варьировалась от 0.5 Н до 2 Н.

В ходе испытаний, платформы непрерывно двигались вдоль всего диапазона перемещения (18 мм) со скоростью 20 мм/сек. Максимальная нагрузка на платформы составляла 2 Н. Испытания продлились 19000 часов. Каждая из платформ проехала по 600 км. После окончания испытаний все платформы оказались в хорошем техническом состоянии. Ухудшение характеристик, заявленных в спецификации, не наблюдалось. Исследования в отношении износа толкателя и направляющей для этих платформ представлены в пунктах 3.2 и 3.3.

4.3. Пьезоплатформа M-663 серии PILine, изготовленная под заказ

В данном пункте будет рассматриваться пьезоплатформа M-663 с двигателем PILine, изготовленная под заказ. Заказчику требовалось, чтобы максимальное допустимое отклонение от заданного положения составляло ±1.2 мкм, а время стабилизации было менее чем 250 мс. Соответствие этим требованиям было подтверждено в ходе длительных тестовых экспериментов, результаты которых показаны на рис.9.

Fig 9_Results of customized M-663 stage.JPG

Рис.9 Результаты тестирования для платформы M-663, изготовленной под заказ.

После окончания 45.6 миллионов циклов (380 км) наблюдалось только очень малое число ошибок в отношении времени стабилизации. Отклонение от заданной координаты находилось всегда ниже допустимого уровня.

5. Факторы, влияющие на степень износа двигателя PILIne

В зависимости от внешних условий, при которых эксплуатируется двигатель PILine, происходит варьирование степени его износа (табл.1). Ниже будет приведена информация о том, как максимально увеличить срок эксплуатации приводов серии PILine.

Table 1.JPG

Табл.1 Влияние различных факторов и условий окружающей среды на износ двигателя PILine.

5.1. Влажность


Степень истирания толкателя и направляющей зависит от условий окружающей среды. Сухая окружающая среда позволяет передавать больше мощности за счёт повышенного износа. Особенно это касается условий вакуума, где может быть достигнута максимальная передача мощности. Однако, в условиях высокой влажности, передача мощности между толкателем и направляющей уменьшается за счёт более низкого трения между этими элементами. 

Fig 10_Recommended duty cycle and motor power depending on the.JPG

Рис.10 Мощность двигателя в зависимости от температуры окружающей среды

5.2. Температура

Идеальная рабочая температура для двигателей PILine находится в диапазоне от 10 °С до 40 °С. При более низких температурах, передача мощности и максимальная развиваемая скорость снижаются ввиду уменьшения обратного пьезоэффекта. Для диапазона выше 40 °С рекомендуется уменьшение мощности двигателя для предотвращения его перегрева (рис.10).

5.3. Нагрузка

Длительная работа при высокой мощности двигателя приводит к его перегреву и является причиной износа.

Рекомендуется устанавливать выходную мощность двигателя ниже 60%. Оставшиеся резервные 40% используются для ускорения или замедления.

Двигатели PILine подвергаются наибольшему износу во время ускорения и замедления, когда преодолевается статическое трение. Требуется устанавливать величины ускорения и замедления как можно ниже, особенно при перемещении тяжёлых объектов. В целом, 1000 мм/сек2 является хорошим значением. Двигатель PILine может легко достигать величин ускорения порядка 10000 мм/сек2.

Когда пользователь устанавливает одну и ту же координату большое количество раз, на направляющей может образоваться неровность. Время от времени, следует изменять задаваемую координату как можно дальше для обеспечения гладкости поверхности направляющей.

6. Заключение

Несмотря на то, что двигатели PILine подвержены износу, они с успехом используются в приложениях, где необходимо непрерывное перемещение. Как правило, позиционеры, оснащённые двигателями PILine, могут работать в течение 2000 ч, проходить 2000 км или совершать 20 миллионов циклов (в зависимости от того, что наступит раньше).