Задвижване MIROPEREMESCHENY NANO и системи за управление, мониторинг и безопасност

Bardin Vitali А. 1. Vasiliev Валери А. 2
1 Пенза държавен университет, завършил студент на отдел "инструмент"
2 Пенза държавен университет, доктор на техническите науки, професор, ръководител на катедра "инструмент"

Нано- и микро- премествания задвижващи механизми и за стремежа, контрол и системи за сигурност

Бардин Витали Анатолиевич 1. Василиев Валери Анатолиевич 2
1 Пенза държавен университет, завършил студент на отдел «уредостроене»
2 Пенза държавен университет, доктор на техническите науки, професор, ръководител на катедра «уредостроене»

абстрактен
Тази статия се фокусира върху изследването и създаването на механизми за нано- и микро- премествания. Това е преглед и от общ характер. Извършеният анализ осигурява картина на текущото състояние на развитие в областта на предавки шофиране, системи за контрол и безопасност.

С развитието на системи за управление, контрол и безопасност при използването на създаване на нано- и микропроизводство, нанотехнологиите и Microsystem технология увеличава необходимостта от устройства за прецизно позициониране на елементите на такива системи. В тази връзка, на ktualnymi са изследователски въпроси и създаване на механизми за нано- и микро-премествания, осигуряване на нано- и резолюция pikometrovoe [1 -6].

Водещи чуждестранни производители на пиезо диск за нано- и микро-премествания са физико INSTRUMENTE (PI. Германия), Ню Scale технологии (NST. САЩ), Cedrat Technologies (Франция), Morgan техническа керамика (MTC електрокерамика. Съединените Kindom), Noliac Group (Дания) пиезо кинетика. Inc. (САЩ), пиезо Systems Inc. (САЩ), Piezomechanik GmbH (Германия), Piezosystemjena (Германия), Омега Piezo Technologies Inc. (САЩ), TRS Technologies, Inc. (САЩ), CeramTec (Германия), Johnson Matthey Катализатори (Германия), Kinetic Керамика, Inc. (САЩ), на AEI (САЩ), Ferroperm Piezoceramics A / S (Дания), APC International, Ltd (USA), NEC Tokin Corporation (Япония), EPCOS · Член на TDK-EPC Corporation (Япония), в България - АД "SRI" Elpa "(България) [1].

Анализът на производителите на съществуващите и бъдещите разработки показват, че обещаващите области за създаване на нано- и мотори са micromovings - въз основа на използването на пиезоелектрични и piezomagnetic ефекти [7, 8]. Първият ефект е промяната в линейните размери на отделните материали в електрически и вторият - в външното магнитно поле. Както обратим пиезоелектрически ефект. Сензорите на механични количества използват директно пиезоелектрически ефект [9- 12]. Използвайте piezomotor обратен пиезоелектрически ефект, когато при прилагане на електрически или магнитни полета варира линейните размери на материала. Двигатели са базирани на пиезоелектричен ефект са по-предпочитани, защото те не чувствителни към магнитни полета и да имат по-широка област на приложение.

Пиезоелектричен ефект се наблюдава в кристали, които нямат център на симетрия [13]. Типичен пиезоелектрически кварц е - - SiO 2 (а -kvarts), пиезоелектрични свойства показват в повече от 1500 съединения. Притежава пиезоелектрични свойства керамика: BaTiO 3, PbTiO 3, Pb [Zrx Ti 1-х] O 3, 0≤ х ≤1 (PZT или PZT), KNbO 3. LiNbO 3. LiTaO 3. Na 2 WO 3, ZnO. Ba 2 NANB 5 O 5, Pb 2 KNB 5 O 15. В зависимост от piezomotor на пиезоелектричен материал (задвижвания) могат да бъдат pezokristallicheskimi (базирани на единични кристали) пиезокерамични и (на базата на поликристалния пиезокерамични). На практика пиезокерамични задвижвания намерят широко приложение [1 4 - 16].

Избор за piezomaterials piezomotor се извършва главно по следните параметри: пиезоелектричен модула по посока на работа щам, модул на Янг, коефициент на електромеханична свързване и механичен фактор качество. Те определят обхвата на движение, и еластични свойства резонанс, ефективността на преобразуване на електрическа енергия в механична енергия, степента на затихване на вибрационните процеси.

Piezoengine структурно се състои от корпус, един или повече пиезо (пиезо задвижващ механизъм) и различните елементи, които поддържат тяхната работа. Диск (задвижка) - общото име за устройства, които превръщат изразходваната енергия в механична енергия. Пиезо (пиезо задвижка) - преобразува електрическата енергия в механична енергия (напрежение и такса мощност и движение).

При проектирането piezomotor помисли пиезокерамични недостатъци: нелинейност, пълзене (пълзене - пълзене) - изоставане отговор на промяната в областта на контрол, хистерезис - неяснотата в зависимост от посоката на удължаване на електрическото поле (до 5 - 25% в зависимост от материала). За да се намали ефекта на хистерезиса на точност на позициониране piezomotor избрани piezomaterials с по-малко хистерезис и система за контрол се използва с позиция сензори и затворен контур [17]. Във всеки случай следва да се разглежда електромеханично превръщане на енергия Sobienie piezomotor micromovings нано- и [18].

Принципът на пиезо устройството може да бъде разделена на следните типове: ударни (vibropezoprivody), деформация етапи (стъпки) и действие сила (сила) двигатели [1]. В първия случай, подвижната част е под влиянието на шоковете, предавани от пиезоелектричен елемент с естествената честота (резонансната честота). Вторият - подвижната част се движи последователно с определена стъпка, поради промени в състоянието на стрес-щам на неговите елементи под действието на пиезоелектрични елементи. В трети - ефект сила е директно (или чрез лост предаване) се предава към обекта от пиезоелектричен елемент, прилаганата ъглово или линеен обем в ограничен размер. В зависимост от използваните области на пиезоелектрични структури, дестинация и т.н. широко след пиезо задвижващ механизъм: щипка огъване пиезокерамични биморфни и multimorfy (мода D31), моноблок ipaketnye, диференциална, огъване, опън, срязване, ламинарен лента с интегриран лост шофиране усилвател движение (аксиален - - мода D33 напречно мода D31). pezofleksernye, тръби [4].

Фиг. 1 показва един слой на пиезо плочи (D33) piezomaterial. При външно електрическо поле и поляризация на същата посока като посоката на поляризация на плочата, има дебелина разширяване или пиезо по оста поляризация. Единична слой на пиезо плаки (D31) с напречно свиване е показано на фиг. 2. Тук компресията се случва в посоки, перпендикулярни на посоката на поляризация. Ако промените полярността на посоката на движение е обърната.

Двойна пиезо устройство може да работи при удължение (фиг. 3). Между пиезоелектрични плочи, монтирани уплътнител на ламинат, което придава механична якост и твърдост, но намалява движение. Двуслойни дискове се наричат ​​в зависимост от броя на пиезокерамични плочи (пластове). В действителност, слоеве от материали повече обикновено девет четири електрода слоеве, двата пиезокерамични слоеве, два слоя от лепило, Полагане на ламинат. Когато конфигуриран за паралелна работа уплътнител направите двуслойна, което го прави възможно да се намали напрежението шофиране на половина. задвижващи механизми Двупластовите често използвани за движение по една ос. Типичен размер на изместване на такива дискове (фиг 3.) от десетки нанометра до няколко десетки микрона, и силите - от десетки до стотици нютона. Също двуслойни механизми могат да работят при огъване (фиг. 4, 5) или усукване (фиг. 6). Многослоен задвижващ механизъм е показан на фиг. 7.

Диференциалът проектира пиезо задвижване piezoelements една част, работещи на натиск, а другата - да се разширява, пиезо елементи са механично свързани така, че да се премести на капака по размер (Фигура 8.). Такива структури могат да бъдат образувани от отделни пиезоелектрични елементи и пиезоелектрични елементи на опаковката, както и биморфни пиезоелектрическите елементи. Диференциалът и включване съединението от пиезоелектрически елементи, за да се намали температурата на грешка, която се дължи на термично разширение на елементи piezomotor дизайн и увеличаване два пъти обхвата на изместване без значително увеличаване на габаритните размери и допълнителни разходи на енергия.

Огъване напрежение пиезо задвижка съчетава най-добрите характеристики на двуслойни многослойни предавки и задвижващи механизми. Такива устройства съединяващи малка дебелина срязване многослоен пиезокерамични елемент в огъване деформация на две метални плочи покриващ елемент. механично укрепване такава трансформация огъване обтягащите задвижващите механизми на проявяват многократно увеличаване на срязване в сравнение с многослойни механизми и постигане на по-висока якост и изпълнение на скоростта на реакцията, в сравнение с еквивалентна огъване двуслойни задвижки. Обикновено такива устройства имат резонансна честота от 300Hz до 3kHz. В зависимост от формата на тяхната конструкция (вж. Фиг. 9, 10) на огъване напрежение задвижвания се наричат ​​елипсовидна и Cymbal.

Срязване пиезо задвижващ механизъм може да генерира голям заключваща сила с значителна промяна (фиг. 11). Да не се използва като пиезоелектричните линейни двигатели, както и една единствена ос и членовете на двойна ос позициониране. Ламинарен ивица пиезо задвижка - за компресиране, задвижващи механизми. Активният материал на задвижващите механизми е пиезокерамични лента. Промяната се среща в тези механизми в посока, перпендикулярна на посоката на поляризация и приложеното електрическо поле (Фиг. 12).

Tubular пиезо задвижка работи на принципа на явлението свиване на вътрешния напречното сечение на кух цилиндър пиезокерамични. Цилиндър стена покрити вътрешни и външни електроди и работи на базата на напречната пиезоелектрически ефект. Напрежение се прилага между вътрешните и външните електроди, причинява аксиална и радиална компресия на пиезоелектрични керамика.

Контролирани механизми pezofleksernye - са сложни уред за позициониране на базата на пиезо задвижка с интегрирани в тях Flexer. Flexer - устройство, по същество без striction и триене, на принципа на която се основава на еластичната деформация (огъване) от твърд материал, например стомана. Те се използват в случаите, когато искате да получавате само директно движение по една или повече оси (шест оси) с нанометров отклонение от идеалната траектория. Такива устройства често се използват с усилвател лост движение, като по този начин увеличаване на максималното ход на задвижването на пиезо от почти 20 пъти, при което тя може да бъде няколко стотици микрона.

От особен интерес са степер piezomotor, които се използват за манипулиране на обекти с тяхното поетапно движение. Те са широко използвани в атомната сила и тунелиране микроскопия, тъй като те позволяват до нанометър позициониране на обекта в процес на проучване. Отличителна черта на стъпков piezomotor дизайн е наличието на пиезоелектрическите елементи освен работни заключващи устройства, като който може да бъде също piezoelements [19]. Такова piezomotor може да съдържа единична и пакет биморфни пиезо задвижване. Устройството за заключване е фиксиран подвижна част от двигателя в своята операционна стъпка цикъл движение. Те ви позволяват да се създаде (в сътрудничество с изпълнителния механизъм на работниците пиезо) и премахване на напрегнатото състояние-щам в деформирани мобилни елементи piezoengine дизайн. При отстраняване на стрес-деформиран състоянието на фиксиращо устройство подвижен елемент piezomotor удължена обекта и се движи на по една стъпка. За две или три координира движението се комбинират две или три пиезо (пиезо задвижка). Минимална стъпка пиезо обем зависи от свойствата и размерите на пиезоелектрическите елементи, количеството на контрол на напрежението. Ride пиезо се увеличава с намаляване на катран и увеличаване на честотата на повторение на импулсите за управление.

Напоследък активно се развива резонансната ултразвук piezoengine, които са модерна алтернатива на постояннотокови двигатели, те са известни и като вибриращи двигатели. Предимствата на тези двигатели са с високо нанометрично резолюция, скорост и сила, несъизмерим с техните размери.

Фиг. 13 показва конструкцията на резонансната верига и пиезо завъртулка фирмата NST [20-23]. Основните елементи са пиезо: четиристранна метал свързване (от немагнитен материал) С вътрешна резба водещ винт (червей) и четири на плочата на пиезоелектрични керамика. пиезокерамични плочи са прикрепени към повърхности на металната втулка, червей завинтва в металната втулка. При прилагане на два фазови напрежения на противоположни двойки пиезокерамични плочи с механични вибрации, които се предават метална втулка. Ако има фазово изместване между прилагат електрически напрежения на границата прилежащите повърхности на съединителя и силите на винтови възникват завърта компресия. В резултат на червея се върти и премества линейно спрямо втулката. Чрез промяна на фазовото изместване може да промени посоката на винта за движение (червей). Тези пиезо работят в резонансната честота на режима 30-200 кХц в зависимост от големината им. Минимален размер пиезо 1.55 х 1.55 х 6 mm, работна температура диапазон от минус 30 до 70 градуса по Целзий, консумацията на енергия

В България постепенно започват да се развиват дългосрочно производство на MEMS, NEMS и наноструктурирани материали. Въпреки това, този процес върви доста трудно, включително и поради липсата на вътрешен тест, процес и монтаж оборудване с резолюция нанометър.

Фиг. 14 показва дизайна на вътрешното dorezonansnogo piezoengine създаден през FSUE FSPC "" Старт ", за да ги. MV Протсенко "[3]. Този двигател има Н-образна група на пиезоелектрическите елементи (РЕ) - две спирачни PE изби с износоустойчиви керамика и една ходова част. Brake PE контролирано kvaziprjamougolnyh сигнали и шофиране - назъбени. Поради това е възможно да се приложи принципа на крачка раздробяване и да се спре piezoengine всяка мярка напрежение, образувайки бягане резачка.

Коефициентът на запълване на piezomotor се състои от няколко етапа. Първият спиране задвижващият механизъм се задейства и скоби единия край на устройството за задвижване. On-инициатор задвижка е под напрежение, и той работи - удължава. Вторият спирачна активатора след максималната височина витлото го скоби. От първия спирачна активатора е прекъснато, и то отключва двигател. Двигател от които де-напрежение, компресиран в посоката на движение и т.н.

При използване на описаната схема piezoengine чрез използването на редица нови дизайнерски решения могат да се сведат до минимум piezoengine размер. Фигура 15 показва piezoengine модел проба.

Предимства piezomotor: висока ефективност (до 90% или повече), голяма сила (не изисква редуктори), малки размери и тегло (в сравнение с електромагнитни двигатели), възможност за работа при криогенни температури и при условия на вакуум, способността да се осигури малък ъгъл (ъгъл единица секунди) и линейно движение (<1 нм) и др. [1, 3, 24].

Прилагането на висока точност пиезо кола бързо се разширява: нано- и микроманипулаторът, микро-роботи, нано- и микроскопия, нано- и микротехнология (microlithography), биотехнологии, астрономия, космическите изследвания, метрология, тестово оборудване за производството на полупроводници, тестване на устройства за съхранение на диск, устройства лазерни контрол лъч (задвижва лазерни резонатори), дистрибуция на горива, за бензинови и дизелови двигатели, вибрации компенсатори и т.н. [1-6].