Двигатели для микроперемещений

 

В приводах подачи прецизионных шлифовальных станков, приборов точной механики и оптики часто требуется отработка перемещений, составляющих несколько микрометров, а иногда и десятые доли микрометра. При использовании для этой цели шаговых двигателей как обладающих малым угловым шагом все же необходима механическая передача с большим передаточным отношением, которой свойственны существенные погрешности. Так как в перечисленных установках очень высоки точностные требования, то применение шаговых двигателей практически исключается. Частичным решением задачи может быть использование шаговых двигателей с электрическим дроблением шага, когда посредством специальной электронной схемы при подаче очередного импульса обеспечивается перемещение не на полный шаг, а только на его часть. По сути дела в этом случае от дискретного управления переходят к непрерывному. Однако и здесь не обойтись без механической передачи.

В связи с этим для микроперемещений необходимы двигатели, выполненные на иной физической основе. Принципиально возможно построение двигателей на основе теплового расширения тела, электромагнитного взаимодействия, магнитострикций, обратного пьезоэффекта.

Двигатели для микроперемещений, построенные на тепловом расширении тела, не используются из-за большой инерционности и отрицательного влияния температурных полей на окружающие приборы и узлы.

Двигатели, выполненные как втяжные или поворотные электромагнитные устройства, иногда находят применение, однако очень трудно в них обеспечить тяговое усилие, слабо зависящее от перемещения. Кроме того, такой двигатель весьма инерционен из-за большой индуктивности тяговой катушки. Полоса пропускания управляющего сигнала в нем составляет 10...20 Гц. Положительное качество двигателя — обеспечение достаточно больших перемещений, определяемых ходом электромагнита (ход может составлять несколько миллиметров). В большинстве случаев в прецизионных установках наряду с микроперемещениями необходимы и относительно большие юстировочные подачи.

Более широко применяют магнитострикционные двигатели, в которых используется свойство стержня из ферромагнитного материала изменять длину под воздействием магнитного поля. Максимальное относительное изменение продольных размеров стержней из таких материалов, как никель, железоникелевые, желе-зохромникелевые и железокобальтовые сплавы, сплавы типа инвар и другие, может составлять (20... 50) • 10^-6. Следовательно, при длине 100 мм свободный конец стержня может перемещаться на 2... 5 мкм. Пороговая чувствительность составляет 0,05... 0,10 мкм. Недостаток магнитострикционного двигателя, так же как и электромагнитного, — инерционность, обусловленная процессами, происходящими в намагничивающей катушке. Однако индуктивность ее несколько меньше, так как зазора в магнитной цепи может не быть. Все же полоса пропускания и в этом случае не превышает 30 Гц. На точность работы двигателя существенно влияют внешнее тепловое поле и нагрев стержня. Следует иметь в виду, что намагничивающая катушка двигателя сама создает ощутимое тепловое поле, так как ее размеры и потребление энергии достаточно велики.

Наиболее предпочтителен пьезоэлектрический двигатель, выполняемый обычно как столбик из пьезокерамических шайб, склеенных между собой. Исходным материалом для пьезокерамики служат оксиды металлов (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.). Когда к торцевым поверхностям шайб приложено напряжение, то в зависимости от ориентации электрического поля столбик сжимается или удлиняется. В некоторых пределах зависимость удлинения от напряженности электрического поля носит линейный характер. Максимальное относительное удлинение может составлять (5...7) • 10^-4. Следовательно, пьезостолбик длиной 50 мм может обеспечить перемещение до 25 мкм, т. е. примерно на порядок больше, чем в магнитострикционных двигателях. Напряжение, подаваемое на шайбу, достаточно велико — до 300 В. Потребление энергии незначительно.

Существенное достоинство пьезоэлектрического двигателя — быстродействие. Полоса пропускания достигает 1000 Гц. К недостаткам как магнитострикционного, так и пьезоэлектрического двигателей относится наличие петли гистерезиса в характеристиках. Ширина петли может достигать 20... 30 % максимального перемещения. В пьезоэлектрических двигателях влияние гистерезиса можно несколько ослабить предварительным сжатием столбика шайб.

Усилия, которые могут создавать магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, естественно, зависят от размеров стержня и шайб и в реальных двигателях составляют несколько сотен ньютонов.

 

 

Часто максимальные перемещения, которые могут обеспечить магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, недостаточны. Тогда приходится прибегать к шаговым двигателям, построенным на тех же принципах. Работу шагового пьезоэлектрического двигателя поясняет рис. 19.9. Двигатель состоит из столбика пьезоэлектрических шайб 2 и двух зажимных устройств 1 и 3 на его концах. При нормальной работе в непрерывном режиме зажимное устройство 3 зафиксировано, а устройство 1 свободно. В зависимости от напряжения, поданного на шайбы, осуществляются микроперемещения конца А. При использовании возможного ресурса перемещений и соответственно при достижении напряжением предельного значениям зажим 1 фиксирует конец А, напряжение с шайб снимается, а зажим 3 освобождает конец В. При этом столбик шайб сжимается до исходной длины (конец В подтягивается). После этого зажим 3 вновь фиксируется, а зажим 1 отпускает конец А; далее вновь подается напряжение на шайбы и двигатель начинает работать, перемещая конец А, соответственно управляя объектом, механически связанным с двигателем. Если одного шага перемещения оказывается недостаточно, то цикл повторяется. Зажимными устройствами управляют с помощью специального коммутатора. Для того чтобы зафиксировать конец столбика шайб, можно установить механические устройства (например, цанговые зажимы) с управлением от магнитов или тех же пьезокерамических элементов — шайб.

Шаговый магнитострикционный двигатель работает по тому же принципу.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Алексеенко А. Г. Основы микросхемотехники. — М.: Радио и связь, 1978.

2. Армейский Е. В., Фалк Г. Б. Электрические микромашины. — М.: Высш. шк, 1985.

3. Бабиков М.А., Косинский А. В. Элементы и устройства автоматики. — М.: Высш. шк., 1975.

4. Горошков Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств. — М.: Радио и связь, 1988.

5. Емельянов А. И., Емельянов В. А., Калинина С. А. Практические расчеты в автоматике. — М.: Машиностроение, 1967.

6. ЗимодроА. Ф., Скибинский Г.Л. Основы автоматики. — Л.: Энергоатом-издат, 1994.

7. Квартин М. И. Электромеханические и магнитные устройства автоматики: Учебник. — М.: Высш. шк., 1989.

8. Миловзоров В. П. Электромагнитные устройства автоматики: Учебник. — М.: Высш. шк., 1983.

9. Никифоров Г. Н., Котылев Г. В. Конструкция самолетных агрегатов. — М.: Машиностроение, 1989.

10. Обухов А. О. Теория элементов автоматики. — Минск: Наука и техника, 1989.

11. Подлипенский В. С., Сабинин Ю. А., Юрчук Л. Ю. Элементы и устройства автоматики / Под ред. Ю. А. Сабинина. — СПб.: Политехника, 1995.

12. Приборостроение и средства автоматики: Справочник / Под ред. А.Н.Гаврилова. — М.: Машиностроение, 1964.

13. Таев И. С. Электрические аппараты автоматики и управления. — М.: Высш. шк., 1985.

14. ШавровА.В., Коломнец А. П. Автоматика. — М.: Колос, 1999.

15. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 1982.

16. Энциклопедия современной техники: Автоматизация производства и промышленная электроника / Под ред. А. И. Берг и В.А.Трапезникова. — М.: Сов. энцикл., 1998.

17. Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. — М.: Высш. шк., 1998.