ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ МИКРОРОБОТА
МЕХАТРОНИКА
УДК 621.865.8(075.8)
П. Ю. ГЕДЬКО, А. Б. СМИРНОВ, С. И. ПУГАЧЕВ, Е. Ю. РЫТОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ МИКРОРОБОТА
Исследованы трубчатые пьзоактюаторы микроробота, изготовленного на базе сферического шарнира, имеющего параллельную кинематику. Выявлен эффект вращения шара при несимметричности пьезоактюатора, работающего на ультразвуковых резонансных частотах; рассчитаны параметры движения шара. Рассмотрена технология изготовления пьезоактюаторов, показано преимущество использования ультразвукового формообразования пьезотрубок.
Ключевые слова: трубчатый пьезоактюатор, микроробот, шар, гармонические колебания, несимметричность, ультразвуковое формообразование пьезотрубок, сферический шарнир.
Введение. В области приборостроения последнее десятилетие характеризуется высоким
интересом к созданию миниатюрных высокоточных исполнительных механизмов. Это связа-
но, в первую очередь, с возросшими требованиями к размерам приводов и требованиями по
надежности и точности выполнения движений.
В миниатюрных исполнительных устройствах (МИУ) используются различные физические
эффекты для преобразования электрической энергии в механическую. Благодаря современному
уровню техники в приводах МИУ возможно использовать большой спектр физических эффектов.
Вследствие совершенствования пьезокерамических
материалов по совокупности параметров пьезо-
электрические приводы микроперемещений в на-
стоящее время являются одними из самых востре-
бованных. Пьезоэлектрические МИУ имеют ряд
неоспоримых преимуществ перед другими приво-
дами: высокие удельные силовые характеристики,
малые значения электрических токов и потерь, вы-
сокая надежность и технологичность изготовления
в серийном производстве, радиационная, химиче-
ская и температурная стойкость.
В настоящее время в СПбГПУ разрабатыва-
ется микроробот с тремя степенями подвижности
на базе сферического шарнира (рис. 1). В качестве привода используется трубчатый пьезоактюа-
Рис. 1
тор размером ∅14×∅10×29 мм, изготовленный из пьезокерамики ЦТС-19, который позволяет
вращать шар в трех плоскостях. Для миниатюрных роботов совершенствуется также пьезо-
электрический схват с микропозиционированием и включением датчиков положения.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
8 П. Ю. Гедько, А. Б. Смирнов, С. И. Пугачев, Е. Ю. Рытов
Микроробот со сферическим шарниром — это система с параллельной кинематикой, использующая силу трения. Сферический шарнир микроробота представляет собой шар, установленный на опору — пьезокерамическую трубку (трубчатый пьезоактюатор), которая является приводным элементом. Рабочий орган (схват) в такой системе крепится непосредственно на поверхности шара, усилие с пьезопривода на шар передается за счет силы трения. Поскольку поверхность шара однородна (кроме места крепления рабочего органа), то зона действия рабочего органа практически совпадает со сферой. Таким образом, можно получать углы сервиса манипулятора почти 360° по трем координатам, что является хорошим показателем. Сферический шарнир позволяет изменять усилие прижима шара к опорам при помощи электромагнита, что повышает нагрузочную способность микроробота.
Направление движения задается выбором электрода пьезотрубки, на который подается гармоническое напряжение на резонансной частоте. Вращение шара обусловлено разнотолщинностью пьезотрубки, поэтому при подаче напряжения на один электрод возникает несколько составляющих силы, действующей через поверхность, контактирующую с шаром, они передаются посредством силы трения, приводя последний в движение.
Для движения шара используются резонансные режимы при возбуждении изгибнокрутильных колебаний сложной формы, которые осуществляются за счет подачи гармонического напряжения на различные электроды пьезотрубки. В частности, для вращения вокруг вертикальной оси в одном направлении напряжение подается на один электрод, расположенный в центральной части образующей поверхности; для вращения в противоположную сторону напряжение подается на противоположный электрод. При конечно-элементном моделировании вынужденных колебаний на резонансной частоте 34 кГц была определена амплитуда колебаний порядка 1,2 мкм [1, 2] при действующем значении гармонического напряжения 300 В. Крутильная составляющая колебаний возникает за счет переменного по длине трубки эксцентриситета внутренней цилиндрической поверхности относительно внешней.
Экспериментальные исследования показали, что скорость вращения сферы относительно вертикальной оси линейно зависит от подаваемого напряжения. В этом случае движение начинается только при напряжении порядка 120 В, после 340 В скорость остается постоянной (рис. 2). Этот факт можно объяснить тем, что при напряжении до 120 В амплитуды колебаний торца в вертикальном направлении меньше суммарной высоты микронеровностей сопрягаемых поверхностей шара и пьезотрубки.
V, об/с
3 2,7
1
0,2
0 120 190 250 320 340 U, В
Рис. 2
При напряжении свыше 340 В действуют два фактора: нелинейность пьезоэффекта и интенсивное проскальзывание в обе стороны из-за инертности шара, что приводит к ограничению максимальной скорости.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
Исследование пьезоэлектрических актюаторов микроробота
9
Аналитическое исследование пьезоактюатора, взаимодействующего с шаром. Цель
настоящего исследования — оценить деформации и траектории движения торца пьезотрубки,
взаимодействующего с шаром, при подаче квазипостоянного (т.е. медленно меняющегося) и
гармонического напряжения на электроды. Допущения: толщина стенок трубки hp
УДК 621.865.8(075.8)
П. Ю. ГЕДЬКО, А. Б. СМИРНОВ, С. И. ПУГАЧЕВ, Е. Ю. РЫТОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ МИКРОРОБОТА
Исследованы трубчатые пьзоактюаторы микроробота, изготовленного на базе сферического шарнира, имеющего параллельную кинематику. Выявлен эффект вращения шара при несимметричности пьезоактюатора, работающего на ультразвуковых резонансных частотах; рассчитаны параметры движения шара. Рассмотрена технология изготовления пьезоактюаторов, показано преимущество использования ультразвукового формообразования пьезотрубок.
Ключевые слова: трубчатый пьезоактюатор, микроробот, шар, гармонические колебания, несимметричность, ультразвуковое формообразование пьезотрубок, сферический шарнир.
Введение. В области приборостроения последнее десятилетие характеризуется высоким
интересом к созданию миниатюрных высокоточных исполнительных механизмов. Это связа-
но, в первую очередь, с возросшими требованиями к размерам приводов и требованиями по
надежности и точности выполнения движений.
В миниатюрных исполнительных устройствах (МИУ) используются различные физические
эффекты для преобразования электрической энергии в механическую. Благодаря современному
уровню техники в приводах МИУ возможно использовать большой спектр физических эффектов.
Вследствие совершенствования пьезокерамических
материалов по совокупности параметров пьезо-
электрические приводы микроперемещений в на-
стоящее время являются одними из самых востре-
бованных. Пьезоэлектрические МИУ имеют ряд
неоспоримых преимуществ перед другими приво-
дами: высокие удельные силовые характеристики,
малые значения электрических токов и потерь, вы-
сокая надежность и технологичность изготовления
в серийном производстве, радиационная, химиче-
ская и температурная стойкость.
В настоящее время в СПбГПУ разрабатыва-
ется микроробот с тремя степенями подвижности
на базе сферического шарнира (рис. 1). В качестве привода используется трубчатый пьезоактюа-
Рис. 1
тор размером ∅14×∅10×29 мм, изготовленный из пьезокерамики ЦТС-19, который позволяет
вращать шар в трех плоскостях. Для миниатюрных роботов совершенствуется также пьезо-
электрический схват с микропозиционированием и включением датчиков положения.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
8 П. Ю. Гедько, А. Б. Смирнов, С. И. Пугачев, Е. Ю. Рытов
Микроробот со сферическим шарниром — это система с параллельной кинематикой, использующая силу трения. Сферический шарнир микроробота представляет собой шар, установленный на опору — пьезокерамическую трубку (трубчатый пьезоактюатор), которая является приводным элементом. Рабочий орган (схват) в такой системе крепится непосредственно на поверхности шара, усилие с пьезопривода на шар передается за счет силы трения. Поскольку поверхность шара однородна (кроме места крепления рабочего органа), то зона действия рабочего органа практически совпадает со сферой. Таким образом, можно получать углы сервиса манипулятора почти 360° по трем координатам, что является хорошим показателем. Сферический шарнир позволяет изменять усилие прижима шара к опорам при помощи электромагнита, что повышает нагрузочную способность микроробота.
Направление движения задается выбором электрода пьезотрубки, на который подается гармоническое напряжение на резонансной частоте. Вращение шара обусловлено разнотолщинностью пьезотрубки, поэтому при подаче напряжения на один электрод возникает несколько составляющих силы, действующей через поверхность, контактирующую с шаром, они передаются посредством силы трения, приводя последний в движение.
Для движения шара используются резонансные режимы при возбуждении изгибнокрутильных колебаний сложной формы, которые осуществляются за счет подачи гармонического напряжения на различные электроды пьезотрубки. В частности, для вращения вокруг вертикальной оси в одном направлении напряжение подается на один электрод, расположенный в центральной части образующей поверхности; для вращения в противоположную сторону напряжение подается на противоположный электрод. При конечно-элементном моделировании вынужденных колебаний на резонансной частоте 34 кГц была определена амплитуда колебаний порядка 1,2 мкм [1, 2] при действующем значении гармонического напряжения 300 В. Крутильная составляющая колебаний возникает за счет переменного по длине трубки эксцентриситета внутренней цилиндрической поверхности относительно внешней.
Экспериментальные исследования показали, что скорость вращения сферы относительно вертикальной оси линейно зависит от подаваемого напряжения. В этом случае движение начинается только при напряжении порядка 120 В, после 340 В скорость остается постоянной (рис. 2). Этот факт можно объяснить тем, что при напряжении до 120 В амплитуды колебаний торца в вертикальном направлении меньше суммарной высоты микронеровностей сопрягаемых поверхностей шара и пьезотрубки.
V, об/с
3 2,7
1
0,2
0 120 190 250 320 340 U, В
Рис. 2
При напряжении свыше 340 В действуют два фактора: нелинейность пьезоэффекта и интенсивное проскальзывание в обе стороны из-за инертности шара, что приводит к ограничению максимальной скорости.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
Исследование пьезоэлектрических актюаторов микроробота
9
Аналитическое исследование пьезоактюатора, взаимодействующего с шаром. Цель
настоящего исследования — оценить деформации и траектории движения торца пьезотрубки,
взаимодействующего с шаром, при подаче квазипостоянного (т.е. медленно меняющегося) и
гармонического напряжения на электроды. Допущения: толщина стенок трубки hp