пьезоэлектрический привод микроманипулятора

Формула изобретения

Пьезоэлектрический привод микроманипулятора, содержащий цилиндрический корпус с установленными внутри него пьезоэлектрическими преобразователями, шток, расположенный соосно с корпусом, отличающийся тем, что, по крайней мере, два пьезоэлектрических преобразователя выполнены в форме стрежней, которые расположены параллельно оси штока, имеют регулируемую длину и одним из концов соединены с торцом корпуса, а другим концом соединены с пьезоэлектрическим преобразователем в форме диска, имеющего центральное отверстие регулируемого диаметра, сквозь которое проходит шток, причем при максимальном диаметре отверстия шток имеет возможность свободного возвратно-поступательного перемещения, а при минимальном диаметре отверстия шток жестко фиксируется пьезоэлектрическим преобразователем в форме диска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам микроробототехники, в частности к приводам микроманипуляторов.

Известен привод микроманипулятора, содержащий основание, входное звено, соединенное с вибратором и выполненное в виде цилиндра с зубчатым венцом на его боковой поверхности, выходное звено, связанное со столом, снабженным направляющими, и электромагниты [авторское свидетельство СССР №1366386, кл. B 25 J 7/00, 1988].

Недостатками данного устройства являются нелинейность и инерционность характеристик при определенных режимах работы. Кроме того, привод микроманипулятора может вызывать электромагнитные наводки на объекты микросреды.

Также известен привод микроманипулятора, выполненный в виде пьезонасоса, состоящего из деформируемого и подвижного пьезоэлемента, регулируемого с помощью винта, и первого и второго деформируемых элементов конструкции, при этом в первом и втором каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый и второй пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом и во втором стаканах, и рабочей жидкостью, причем первый и второй каналы соединены с полостью цилиндра, к поршню которого прикреплен схват [патент РФ №2175601, кл. В 25 J 7/00, 2001].

Основным недостатком данного устройства является его высокая стоимость, связанная со сложностью изготовления и сборки. Кроме того, устройство имеет неудовлетворительные массу и габариты.

К наиболее близкому по технической сущности к заявляемому изобретению можно отнести привод микроманипулятора, содержащий установленный в корпусе пьезопреобразователь, включающий, по крайней мере, две прямоугольные призмы, выполненные из пьезоматериала и расположенные вдоль штока с закрепленной на нем зубчатой рейкой. Шток установлен в корпусе на шариковых направляющих. Призмы соединены обращенными друг к другу основаниями с корпусом, а на одной из граней каждой из призм, обращенной к зубчатой рейке штока, установлена накладка с выступом по форме впадины между зубьями рейки. На каждой из двух других, расположенных противоположно гранях закреплены параллельно ребрам призмы два электрода, при этом призмы подпружинены к корпусу пружинами в направлении к штоку [авторское свидетельство СССР №1271738, кл. В 25 J 7/00, 1986].

Основным недостатком данного устройства является то, что конструктивная сложность и наличие достаточно большого числа механических передач приводит к неудовлетворительным массогабаритным характеристикам. Также у прототипа конструктивно ограничен диапазон прецизионного перемещения штока.

Задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении конструкции и технологического процесса изготовления и сборки, улучшении массовых и габаритных показателей, возможности прецизионного перемещения штока микроманипулятора в большем диапазоне.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в пьезоэлектрическом приводе микроманипулятора, содержащем цилиндрический корпус с установленными внутри него пьезоэлектрическими преобразователями, шток, расположенный соосно с корпусом, в отличие от прототипа, по крайней мере два пьезоэлектрических преобразователя выполнены в форме стержней, которые расположены параллельно оси штока, имеют регулируемую длину и одним из концов соединены с торцом корпуса, а другим концом соединены с пьезоэлектрическим преобразователем в форме диска, имеющего центральное отверстие регулируемого диаметра, сквозь которое проходит шток, причем при максимальном диаметре отверстия шток имеет возможность свободного возвратно-поступательного перемещения, а при минимальном диаметре отверстия шток жестко фиксируется пьезоэлектрическим преобразователем в форме диска.

На фиг.1 представлена конструкция пьезоэлектрического привода микроманипулятора; на фиг.2, а - сужение окружного дифференциального отверстия пьезоэлектрического преобразователя в форме диска и зажатие в нем штока; 2, б - перемещение штока, вызванное деформацией растяжения пьезоэлектрических преобразователей в форме стержней; на фиг.3 - последовательность управляющих импульсов, подаваемых на пьезоэлектрические преобразователи; на фиг.4 - эпюра движения штока по моментам времени.

Пьезоэлектрический привод микроманипулятора (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, шток 2, пьезоэлектрические преобразователи 3, которые выполнены в форме стержней, расположены параллельно оси штока, работают на растяжение-сжатие и одним из концов соединены с торцом корпуса 1, а другим концом соединены с пьезоэлектрическим преобразователем 4 в форме диска, имеющего центральное отверстие регулируемого диаметра, сквозь которое проходит шток 2, причем при максимальном диаметре отверстия шток 2 имеет возможность свободного возвратно-поступательного перемещения, а при минимальном диаметре отверстия шток 2 жестко фиксируется пьезоэлектрическим преобразователем 4 в форме диска.

Пьезоэлектрический привод микроманипулятора работает следующим образом.

Основой реализации движений являются пьезоэлектрические преобразователи, которые под действием электрического напряжения деформируются: пьезоэлектрические преобразователи 3 в форме стержней изменяют свою длину, а пьезоэлектрический преобразователь 4 в форме диска изменяет диаметр своего центрального отверстия. Определенная последовательность управляющих импульсов, подаваемая на каждый из пьезоэлектрических преобразователей, позволяет реализовать два основных режима работы привода микроманипулятора - прямой и обратный ход штока 2.

Рассмотрим подробнее втягивание штока 2 (обратный ход).

В момент времени t₁ на пьезоэлектрический преобразователь 4 подается прямоугольный импульс U₁ (фиг.3), что вызывает сужение центрального отверстия и зажатие им штока 2 (фиг.2, а). В момент времени t ₂ на все пьезоэлектрические преобразователи 3 одновременно подается прямоугольный импульс U₂ (фиг.3), под действием которого происходит их растяжение на величину S. Поскольку одним из концов они соединены с торцом корпуса 1, а другим концом соединены с пьезоэлектрическим преобразователем 4, то происходит также смещение пьезоэлектрического преобразователя 4 на величину S. В этот момент времени указанный преобразователь жестко связан со штоком 2, поэтому перемещение штока 2 составит также величину S (фиг.2, б). К моменту времени t₃, когда переходные процессы в преобразователях 3 и 4 завершатся и результирующее движение штока составит S (фиг.4), импульс U₁ снимается, тем самым центральное отверстие преобразователя 4 расширяется и жесткая связь между преобразователем 4 и штоком 2 нарушается. В момент времени t ₄ снимается импульс U₂, что также вызывает обратную деформацию преобразователей 3, то есть их сжатие и обратное смещение преобразователя 4. На этом первый цикл обратного хода привода микроманипулятора (втягивание штока 2) завершается и, начиная с момента времени t₅, последовательность подачи импульсов U₁, U₂ циклически повторяется, тем самым реализуется второй, третий, четвертый и т.д. циклы. Следует отметить, что рассмотренная реализация движений не ограничивает диапазон прецизионного перемещения штока, то есть конструктивно диапазон перемещений зависит только от длины штока.

Прямой ход (выдвижение штока 2) осуществляется полностью аналогично обратному ходу, за исключением того, что зажатие преобразователем 4 штока 2 происходит в момент, когда на преобразователях 3 уже присутствуют управляющие импульсы, а разжатие - при отсутствии управляющих импульсов.

Итак, заявляемое изобретение позволяет существенно упростить конструкцию, упростить технологический процесс изготовления и сборки привода, улучшить массовые и габаритные показатели, а также обеспечивает возможность прецизионного перемещения штока микроманипулятора в большем диапазоне.