тел: (495) 600-40-84

Производительность и особенности пьезоприводов на базе инерционных пьезодвигателей

Введение

Габаритные размеры привода очень часто являются важным аспектом. Традиционные электромагнитные двигатели имеют ограничения, когда требуется добиться небольших размеров при сохранении высокой эффективности и точности позиционирования при минимальном потреблении энергии. Пьезоэлектрические инерционные двигатели могут решить эту проблему. Миниатюрные инерционные пьезодвигатели Q-motion прямого типа могут быть использованы при конструировании линейных приводов, поворотных платформ, гониометров и даже шестикоординатных позиционеров, работающих по принципу параллельной кинематики. Кроме инерционных пьезодвигателей, существуют другие типы приводов на основе ультразвуковых и шаговых пьезодвигателей.

Пьезодвигатели, работающие на эффекте прерывистого движения (stick-slip effect), имеют небольшую себестоимость и могут обеспечивать позиционирование с нанометровым разрешением. Они обладают отличным соотношением развиваемое усилие/габариты.

Fig.1.JPG

Рис.1 Внешний вид инерционного пьезодвигателя (слева) и многоосевые комбинации из приводов на его основе (справа)

Принцип работы

Основой привода является преднагруженный пьезоэлектрический актуатор. В результате подачи пилообразного сигнала с контроллера, актуатор медленно растягивается, а затем быстро сжимается. Во время медленного растяжения, направляющая движется вместе с фрикционным элементом. При быстром сжатии фрикционный элемент проскальзывает, в то время как направляющая остаётся на месте.

Для производства позиционеров были разработаны две версии инерционного пьезодвигателя: тангенциальный и стержневой.


Тангенциальный инерционный пьезодвигатель имеет следующие особенности:

· миниатюрные размеры

· простота конструкции

· удерживающее усилие до 2 Н

Данный тип двигателя применяется, к примеру, в миниатюрных поворотных платформах серии Q-614 или линейных платформах серии Q-521.

Fig.2.JPG

Рис.2 Принципиальная схема тангенциального инерционного пьезодвигателя. Анимацию о том, как работает двигатель, Вы можете посмотреть по следующей ссылке

Fig.3.JPG

Рис.3 Внешний вид поворотной платформы Q-614 и линейной платформы Q-521, в которые встроен тангенциальный инерционный пьезодвигатель


Стержневой инерционный пьезодвигатель конструктивно состоит из пьезоактуатора, который перемещает направляющую в виде стержня. Возможен вариант, когда пьезоактуатор перемещается относительно закреплённой направляющей. Данный тип двигателя является более мощным в сравнении с тангенциальным пьезодвигателем. Толкающее и тянущее усилие стержневого пьезодвигателя может достигать 10 Н. Этот двигатель может быть интегрирован в линейные актуатор (к примеру, N-422) или платформу (к примеру, Q-545).

Fig.4.JPG

Рис.4 Принципиальная схема стержневого инерционного пьезодвигателя. Анимацию о том, как работает двигатель, Вы можете посмотреть по следующей ссылке

Fig.5.JPG

Рис.5. Внешний вид линейного актуатора N-422 (слева) и линейной платформы Q-545 (справа), в которые встроен стержневой инерциальный пьезодвигатель

Особенности инерционных пьезодвигателей

Как и другие пьезодвигатели, разработанные PI, инерционные пьезодвигатели обладают возможностью самоблокировки и, следовательно, удержания нагрузки при отключении питания. При этом отсутствует энергопотребление, не выделяется тепло и не изменяется положение привода.

Использование инерционного пьезодвигателя и энкодера высокого разрешения позволяет добиться точности повторного позиционирования в нанометровом диапазоне. Ниже приведён график перемещения пьезоплатформы Q-545 с шагом 6 нм в режиме обратной связи. Измерения выполнены с помощью лазерного интерферометра с частотой обновления данных 5 кГц. Позиционирование с указанным шагом позволяет использовать Q-545 в микроскопии высокого разрешения.

Fig.6.JPG

Рис.6 Перемещение пьезоплатформы Q-545 с шагом 6 нм в режиме обратной связи.

Типичный диапазон шага для инерционного пьезодвигателя составляет 0.3 – 1 мкм. Это зависит от модели пьезоактуатора и подаваемого напряжения. Пьезоактуатор может перемещаться в любое положение в пределах его диапазона перемещения с субнанометровым разрешением. Это достигается путём варьирования управляющего напряжения.


Во время медленного нарастания напряжения, направляющая перемещается в заданном направлении. В течение быстрого спада напряжения, направляющая перемещается в противоположном направлении на малую величину. Это происходит в течение временного интервала, который соответствует ускорению пьезоактуатора.

Fig.7.JPG

Рис.7 Циклическое движение инерционного пьезодвигателя

Данный эффект возврата направляющей связан с принципом работы инерционного пьезодвигателя и его значимость зависит от особенностей приложения.


На рис.8 изображён график движения пьезоплатформы Q-522.140 с использованием контроллера E-871.1A1. Частота управляющего сигнала составила 20 кГц. Частота обновления данных с энкодера – 133 кГц. На графике выделен отрезок времени в 0.3 мс, что соответствует шести полным шагам пьезодвигателя. Из графика видно, что эффект возврата направляющий очень незначительный и его в большинстве случаев можно не учитывать. Таким образом, данный эффект практически не оказывает влияние на постоянство скорости перемещения направляющей. Однако, существуют другие факторы, имеющие прямое влияние на скорость перемещения.

Fig.8.JPG

Рис.8 Перемещение линейной платформы Q-522.140 в зависимости от времени

Настройка управляющего сигнала

При использовании контроллера E-871.1A1, заданная скорость достигается путём настройки рабочей частоты управляющего сигнала. Под регулировкой частоты подразумевается, что профиль управляющего сигнала остаётся постоянным с паузами между циклами. В контроллере E-873 реализовано усовершенствованное управление скоростью.

Fig.9.JPG

Рис.9. Упрощённая схема профиля управляющего напряжения для различных рабочих частот

Срок службы

Продолжительность эксплуатации зависит от нагрузки, режима работы, условий окружающей среды (влажность, давление). При благоприятных условиях срок службы может составлять более 2 км.

Для увеличения срока службы:

  • Рабочий цикл должен не превышать 50%
  • Время непрерывной работы не должно превышать 10 сек


Особенности оборудования для управления приводами с инерционным пьезодвигателем


Одноканальный сервоконтроллер E-873 (рис.10) обладает следующими особенностями:


  • Запись данных
  • Цифровые порты ввода/вывода (TTL)
  • Поддержка ID чипа
  • Интерфейсы: USB, RS-232 и TCP/IP
  • Цифровой джойстик (опция) для ручного управления
  • Управление скоростью перемещения позиционера
  • Разъёмы Sub-D, совместимые с платформами серии Q-motion

Fig.10.JPG

Рис.10 Внешний вид сервоконтроллера E-873


Трёхканальный сервоконтроллер E-873.3QTU (рис.11) обладает следующим функционалом:


  • Широкополосный вход для сигнала с энкодера
  • Возможность автономной работы (без связи с ПК) за счёт использования макросов
  • Запись данных
  • Энергонезависимое запоминающее устройство для макросов и параметров
  • Цифровые порты ввода/вывода (TTL)
  • Поддержка ID чипа
  • Интерфейсы TCP/IP и USB
  • Цифровой джойстик (опция) для ручного управления

Fig.11.JPG

Рис.11 Внешний вид контроллера E-873.3QTU

Усилитель E-870 (рис.12) обладает следующими особенностями:


  • Управление инерционными двигателями серии PIShift и PiezoMike
  • Разработан для OEM приложений
  • Модификации для одновременного управления одним, двумя или четырьмя приводами
  • Встроенный цифровой USB интерфейс
  • В комплект поставки включен комплект ПО с драйверами LabVIEW

Fig.12.JPG

Рис.12 Внешний вид усилителя E-870

Эксплуатация позиционеров с инерционным пьезодвигателем в условиях вакуума

Стандартные платформы серии Q-motion могут использоваться при нормальных условиях, а также в вакууме до 10-6 гПа. В случае с вакуумом в комплект поставки может быть включен гермопроходник C-815.VF

Fig.13.JPG

Рис.13 Схема соединения платформы серии Q-motion и контроллера при работе в вакууме до 10-6 гПа.

Для соединения гермопроходника и сервоконтроллера E-873 в комплект поставки необходимо включить кабель E-873.UHV1 (разъём Sub-D 15, длина 1 м).

Существует возможность поставки позиционеров, адаптированных для вакуума до 10-9 гПа. В комплект поставки может быть включен гермопроходник C-815.VFU3 с тремя разъёмами Sub-D 15. (ри.14). Для соединения гермопроходника и сервоконтроллера E-873 требуется включить кабель E-873.UHV2 (разъём Sub-D 15, длина 2 м)

Fig.14.JPG

Рис.14 Схема соединения платформы серии Q-motion и контроллера при работе в вакууме до 10-9 гПа.

Немагнитные модификации

В настоящее время PI изучает возможность использования керамических подшипников для конструирования немагнитных модификаций платформ серии Q-motion. Данные версии могут применяться для приложений, где используются электронные пучки (литография, микроскопия).