Мехатронный модуль точных перемещений двухкоординатного столика с биморфными пьезоэлектрическими актюаторами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат наук Зиеп Фи Хоанг

• Зиеп Фи Хоанг
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Зиеп Фи Хоанг

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ принципов построения многокоординатных предметных столиков. Постановка задач исследования

1.1. Аналитический обзор литературы по многокоординатным системам точного позиционирования и их классификация

1.2. Преимущества и недостатки пьезоэлектрических приводов миниатюрных устройств точного позиционирования

1.3. Обзор методов исследований пьезоэлектрических устройств и постановка задач диссертации

1.3.1. Аналитические методы исследования

1.3.2. Методы измерения микроперемещений

1.3.3. Гистерезис и методы его компенсации при управлении

1.3.4. Моделирование пьезоактюакторов методом конечных элементов

1.3.5. Методы управления системы с пьезоактюаторами

1.3.6. Приборы для экспериментальных исследований пьезоэлектрических устройств

1.4. Постановка задач диссертации

1.5. Выводы

Глава 2. Аналитическое исследование модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА

2.1. Описание принципа действия модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА

2.2. Исходные данные для исследований

2.3. Квазистатический режим работы модуля точных перемещений двухкоординатного столика

2.3.2. Расчет перемещения столика по оси У

2.3.3. Расчет перемещения столика по оси Х

2.3.4. Расчет угла поворота столика при подаче неодинаковых напряжений на БПА по оси У

2.4. Определение передаточных функций модуля точных перемещений столика

2.5. Выводы

Глава 3. Компьютерное моделирование работы модуля точных перемещений столика с БПА в среде МайаЪ БтШпк и Сош8о1 Multiphysics

3.1. Компьютерное моделирование в среде Matlab Simulink

3.1.1. Система управления без обратных связей

3.1.2. Система управления с обратными связями

3.1.3. Выводы

3.2. Компьютерное моделирование в среде Comsol Multyphisycs

Глава 4. Экспериментальное исследование модуля точных перемещений столика с БПА

4.1. Описание действующего макета и экспериментального стенда

4.2. Исследования в квазистатическом режиме

4.3. Исследования в динамическом режиме

Глава 5. Алгоритмы управления и система управления модуля точных перемещений двухкоординатного столика

5.1. Алгоритмы управления модуля точных перемещений двухкоординатным столиком

5.2. Схема и описание элементов системы управления модуля точных перемещений двухкоординатного столика

5.3. Оценка параметров емкостных датчиков для решения нашей задачи

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

135

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АЦП - аналогоцифровой преобразователь; БПА - биморфный пьезоактюатор; КИМ - комплекс исследования микрообъектов; МКЭ - метод конечных элементов;

ПИД-регулятор - пропорционально интегрально дифференцирующий регулятор.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мехатронный модуль точных перемещений двухкоординатного столика с биморфными пьезоэлектрическими актюаторами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. На сегодняшний день разработки ученых все чаще имеют отношение к объектам микромира. При работе с микрообъектами необходимы микроманипуляционные системы, в состав которых обычно входят микроскоп с системой технического зрения, микроманипуляторы, автоматизированные многокоординатные предметные столики.

Сейчас на рынке присутствует много типов многокоординатных столиков точного позиционирования разных фирм, таких как Jiangxi Liansheng Technolog (Китай) [1], Schneeberger (Швейцария) [2], SKF (Швеция) [3], Aerotech (США) [4], Physik Instrumente (Германия) [5], Комнет (Россия) [6], Standa (Литва) [7] и др. Столики этих фирм имеют высокую точность позиционирования порядка десятков или сотен нанометров, однако они стоят очень дорого и сложны в изготовлении. Эти столики могут различаться по типу приводов: с ручным приводом, с электродвигателями постоянного тока, с шаговыми электродвигателями, с электромагнитными двигателями, с пьезоэлектрическими и магнитострикционными двигателями. Есть ряд задач, для которых требования по точности несколько ниже и использовать такую дорогую и сложную технику не целесообразно.

Благодаря преимуществам пьезоэлектрических приводов, таким как высокая жесткость, точность, компактность и невысокая стоимость, заслуживают внимания многокоординатные системы, состоящие из модуля грубых перемещений больших диапазонов и модуля точных перемещений с пьезоэлектрическими приводами с использованием мехатронных принципов построения.

Объектом разработки диссертации является автоматизированный модуль точных перемещений столика для комплекса исследования микрообъектов (КИМ), который предназначен для изучения клеточного материала в области медицины и биологии (например, для выделения одной или нескольких клеток, измерения мембранной проводимости клеток и т. д.) [8, 9, 11], а также для тестирования компонентов микроэлектронной техники. КИМ, показанный на рис. 1, состоит из основания 1, микроскопа 2, видеокамеры 3, микроманипулятора 4, автоматизированной многокоординатной системы столика 5, джойстиков 6, монитора 7 и системы управления 8.

Д А

Рис. 1. Схема комплекса для исследования микрообъектов

В диссертации рассматривается многокоординатная система столика, состоящая из модуля грубых перемещений и модуля точных перемещений (рис. 2). Для осуществления грубых перемещений по осям Х, У, Ъ в диапазоне до 50 мм можно использовать трехкоординатный модуль 1 на базе шаговых двигателе, а для точных перемещений на нем установлен модуль точных перемещений 2 предметного столика 3 на базе биморфных

пьезоактюаторов (БПА). Подобная автоматизированная система имеет на порядок ниже стоимость по сравнению с высокоточными одномодульными позиционирующими системами такого же диапазона перемещений, оснащенными абсолютными энкодерами в качестве датчиков перемещений.

Рис. 2. Многокоординатные системы: 1- модуль грубых перемещений, 2 -модуль точных перемещений, 3 - столик

Работа КИМ с использованием модуля точных перемещений столика заключается в следующем. На рабочую поверхность столика помещают биологический материал для изучения. Затем запускается соответствующая программа, и сигналы с системы управления поступают на приводы шаговых двигателей и манипулятора. В определенной последовательности происходит движение модуля грубых перемещений по осям Х, Y и Z. Из-за разности размеров и формы исследуемых клеток, которые очень малы (порядка 0,5х0,5 мкм), используется система технического зрения, определяющая координаты биологической клетки по отношению к микроскопу. Столик перемещается в заданные координаты, и после этого происходит исследование клетки с помощью микроскопа и микроманипулятора. Возможно ручное управление столиком и микроманипулятором при помощью джойстиков.

Надо подчеркнуть, что впервые идею двухуровневого построения систем точного позиционирования осветил в своей книге [12] А. А. Никольский. Создание простого по конструкции, относительно дешевого и компактного мехатронного модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА и его исследование является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы - разработка модуля точных перемещений двухкоординатного столика с параллельной кинематикой на основе мехатронных принципов построения и пьезоэлектрических актюаторов, имеющего простую, надежную и быстро устанавливаемую в КИМ конструкцию, а также возможность корректировки углового смещения столика при помощи системы управления. Такой модуль точных перемещений с БПА для указанных задач позволяет иметь при общих габаритах порядка 100х100х20 мм диапазон перемещения по двум осям до 0,5 мм с точностью позиционирования до 0,5 мкм и поворот до 0,30 с точностью 0,010 исходя из требований исследований в области биологии и медицины, а также электронного машиностроения.

В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:

- проведение анализа конструкций и систем управления многокоординатных столиков с пьезоэлектрическими актюаторами, предназначенных для точного позиционирования объектов;

- разработка модуля точных перемещений двухкоординатного предметного столика с параллельной кинематикой с БПА, основанного на мехатронных принципах построения;

- разработка аналитических моделей работы модуля точных перемещений столика в квазистатическом и динамическом режимах;

- исследование модуля точных перемещений столика в квазистатическом и динамическом режимах методом компьютерного моделирования в среде Comsol Multiphysics и Matlab Simulink;

- разработка экспериментальной установки для исследования действующего макета модуля точных перемещений столика;

- разработка и изготовление действующего макета модуля точных перемещений столика и его экспериментальное исследование;

- разработка алгоритмов управления и схемы управления модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА.

Объект исследования - мехатронный модуль точных перемещений двухкоординатный столик с БПА.

Методы исследования.

Аналитические методы исследования модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА основаны на математическом анализе механики твердого и деформируемого тела и теории автоматического управления.

Для моделирования столика методом конечных элементов были использованы пакеты прикладных программ Comsol Multiphysics, Solid Works. Моделирование динамики системы управления было выполнено в Matlab Simulink. Для вычислений и построения графиков использовался пакет MathCAD.

Экспериментальные исследования проводились c помощью телевизионно-микроскопического комплекса МБС-10, разработанного автором экспериментального стенда и универсальных электроизмерительных приборов.

Научная новизна работы:

1. Получено новое схемное решение компактного модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА, обеспечивающее больший диапазон перемещений столика по двум осям и более простое решение по сравнению с аналогичными известными устройствами за счет использования мехатронных принципов построения и параллельной кинематики.

2. Получены аналитические выражения для расчета перемещений столика по двум ортогональным осям и углу поворота столика в зависимости от напряжений на БПА.

3. Предложены передаточные функции модуля точных перемещений столика с БПА.

4. В результате компьютерного моделирования модуля точных перемещений определены параметры системы управления при заданных значениях быстродействия системы как для линейных моделей, так и нелинейных с учетом гистерезиса БПА, а также уточнены указанные параметры за счет использования экспериментально полученной механической добротности динамической системы двухкоординатного столика.

5. Разработаны алгоритмы управления модуля точных перемещений столика с БПА на основе мехатронных принципов, позволяющие упростить кинематику всего устройства.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена автором самостоятельно, и ее основные результаты представлены в 9 научных публикациях. При использовании результатов исследований других авторов указаны литературные источники.

Практическая значимость:

1. Предложена новая компактная, простая и быстроустанавливаемая конструкция мехатронного модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА.

2. Разработан действующий макет модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА, на котором отработаны принципы управления.

3. Оптимизированы параметры системы управления столика по критерию быстродействия для использования столика при исследованиях микрообъектов в области биологии и электронной техники.

4. Материалы диссертации могут быть полезны работникам отраслей науки, относящихся к применению пьезоактюакторов в области мехатроники и робототехники, а также для обучения студентов в области экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и докладывались на III международной научно-практической конференции 2014 г. "Фундаментальная наука и технологии", на V международной научно-практической конференции 2016 г. "Современное машиностроение: наука и образование", на Неделе науки СПбПУ 2014, 2015, на семинарах кафедры «Автоматы».

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 9 статьях, среди которых 2 - в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Она изложена на 136 страницах, включает 88 рисунков, 1 таблицу. Список

литературы содержит 89 наименований. Приложение представлено на 2 страницах.

Первая глава посвящена анализу научно-технической литературы по существующим многокоординатным системам точного позиционирования, дана их классификация по важнейшим признакам. Приведен анализ преимуществ и недостатков пьезоэлектрических приводов миниатюрных устройств точного позиционировани для применения его в миниатюрных устройствах точного позиционирования. В главе также рассмотрены методы исследований на основе научных публикаций и диссертаций, которые применялись в области изучения пьезоэлектрических устройств точного позиционирования, пригодные для решения задач диссертации.

Вторая глава посвящена разработке принципов действия модуля точных перемещений двухкоординатного столика с БПА, основанного на мехатронных принципах построения, и его аналитическому исследованию. Найдены зависимости перемещений столика по осям X и У от электрических напряжений, подаваемых на БПА в квазистатическом режиме. Далее в этой главе составлены уравнения динамики столика. Для линеаризованной модели получены передаточные функции двухкоординатного столика как объекта управления. Разработаны структурные схемы системы управления с пропорционально интегрально дифференцирующим регулятором (ПИД -регулятором).

Третья глава посвящена компьютерному моделированию работы модуля точных перемещений столика, которое заключается в нахождении основных параметров системы управления, удовлетворяющих требованиям по быстродействию и точности, предъявляемым к исследуемой системе. Для этого в среде ЫайаЪ БтыНпк моделируется поведение динамической

системы без обратных связей и с обратными связями по положению выходного звена системы - подвижного столика и анализируются полученные результаты. В качестве входного управляющего воздействия рассматривается электрическое напряжение, подаваемое от источника питания на пьезоактюаторы, а в качестве отклика системы - перемещения по осям Х и Y.

В главе рассматриваются линейные и нелинейные модели динамической системы столика, учитывающие гистерезис пьезокерамики. Для учета влияния сил сопротивления перемещению выходного звена в компьютерной модели используются численные значения механической добротности динамической системы по осям Х и Y, полученные в результате экспериментов, описанных в 4 главе.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям модуля точных перемещений столика с БПА. В данной главе дано описание действующего макета модуля точных перемещений столика, экспериментального стенда, выполненных экспериментов и их результатов. Проведено сравнение результатов экспериментов с результатами расчетов по математическим моделям, приведенным во второй главе.

В рамках экспериментального исследования модуля точных перемещений столика были проведены следующие две группы экспериментов:

- в квазистатическом режиме: определение зависимости перемещения свободного конца БПА от напряжения, зависимости перемещений столика от напряжения в циклическом режиме по Х, Y и углов поворота в плоскости ХY, определение коэффициента гистерезиса БПА.

- в динамическом режиме: определение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), собственных частот и добротности системы для перемещений столика по осям Х, Y.

Пятая глава посвящена алгоритмам управления двухкоординатным столиком, схеме и описанию системы управления. Эти алгоритмы имеют различия при перемещениях по осям X и Y, что связано с различиями в кинематике устройства для перемещения столика по этим координатам. В главе определены параметры основных элементов системы управления. В частности, приведены расчеты параметров емкостных датчиков, примененных в модуле точных перемещений, позволяющих определять перемещение столика с требуемой точностью.

Глава 1. Анализ принципов построения многокоординатных предметных столиков. Постановка задач исследования

1.1. Аналитический обзор литературы по многокоординатным системам точного позиционирования и их классификация

Цель обзора - провести анализ научно-технической литературы по существующим многокоординатным системам точного позиционирования и выполнить классификацию по их важнейшим признакам.

На сегодняшний день во многих отраслях промышленности с высокими требованиями по точности, например, при реализации лазерных, плазменных технологий и других возникает необходимость осуществлять точное и плавное движение рабочего органа или обрабатываемого объекта по требуемым траекториям. В этом случае речь идёт о многокоординатных системах точного позиционирования. Кроме того многокоординатные системы точного позиционирования часто используются в современной медицинской и биологической технике. Они, в частности, предназначены для перемещения и установки в определенном положении микрообъекта в поле зрения микроскопа. Системы позиционирования могут различаться по своей конструкции и позволяют перемещать микрообъект по вертикали, горизонтали и осуществлять поворот микрообъекта на определенный угол с высокой точностью.

Разрабатывая что-то новое или просто модернизируя производимый продукт, необходимо проанализировать динамику развития на рынке аналогичного оборудования. Сейчас на рынке присутствует много типов многокоординатных систем точного позиционирования разных фирм, таких, как Jiangxi Liansheng Technolog (Китай), Schneeberger (Швейцария), SKF

(Швеция), Aerotech (США), Physik Instrumente (Германия) и др. Их продукция представлена в таблице 1.

Таблица 1. Типы многокоординатных систем для точного позиционирования

Название

Рисунок

Технические характеристики

Lss-0603 XYZ комбинированный ручной позиционированный столик фирмы Jiangxi Liansheng Technolog (Китай) [1]_

- Диапазон перемещения: по трем осям: 13 мм;

- Точность: 5 мкм;

- Платформа: 34x34 мм;

- Работа по принципу последовательной кинематики;

- Минимальный шаг перемещения равен 0,01 мм.

- Ручные приводы: микрометры.

Высокоточный ХУ столик LSDP-Jg фирмы Jiangxi Liansheng Technolog (Китай) [1]

- Габаритный размер: 355x335x80 мм;

- Диапазон перемещения: по двум осям: 4 мм;

- Точность: 5 мкм;

- Работа по принципу последовательной кинематики;

- Направляющие: перекрёстные ролики;

- Приводы: шаговые двигатели.

Позиционная система Twin Gantry фирмы Schneeberger (Швейцария) [2]

- Диапазон перемещения: по двум осям: 200 мм;

- Максимальная скорость до 2

м/с;

- Точность: 5 мкм;

- Работа по принципу параллельной кинематики;

- Направляющие: шариковые ролики;

- Рабочая нагрузка: до 1 кг.

XYT тестовая вафля и метрология фирмы Schneeberger (Швейцария) [2]

- Диапазон перемещения: по двум осям: 450 мм;

- Точность: 1 мкм;

- Максимальная скорость до 2.5

м/с;

- Область применения: полупроводник;

- Работа по принципу параллельной кинематики.

Малогабаритный

координатный столик TS фирмы SKF (Швеция) [3]

- Габаритный размер: 160x160x70 мм;

- Диапазон перемещения: по двум осям: 25 до 100 мм;

- Точность: 4-5 мкм на 100 мм;

- Направляющие: прецизионные рельсовые с перекрёстными роликами;

- Ручные приводы: микрометрические винты._

Малогабарит-

ный

координатный столик TLM 300 фирмы ЗКБ (Швеция) [3]

- Габаритный размер: 360x334x109 мм;

- Диапазон перемещения: по двум осям: 110 мм;

- Точность: 7-8 мкм на 200 мм;

- Направляющие: прецизионные рельсовые с перекрёстными роликами;

- Приводы: линейные двигатели.

Двухкоординат ная платформа SL фирмы Aero-tech (США) [4]

- Габаритный размер: 310x310x75 мм;

- Диапазон перемещения: по двум осям: 1 00 мм;

- Точность: 1 мкм;

- Максимальная скорость до 0.3 м/с;

- Тип передачи: шарико-винтовая;

- Приводы: линейные двигатели;

- Работа по принципу последовательной кинематики.

Нанопозицио-нный

пьезоэлектриче ский столик QNP2-100 фирмы Aerotech (США) [4]

- Габаритный размер: 100x100x25 мм;

- Диапазон перемещения: по двум осям: 120 мкм;

- Точность: 0.3 нм;

- Работа по принципу параллельной кинематики;

- Диапазон напряжения: -30 В до +150 В;

- Приводы: пьезоэлектрические актюаторы;

- Упругие напрвляющие._

XYZ

координатная система F-130 из линейных платформ M-122 фирмы Physik Instrument (Германия) [5]

- Диапазон перемещения: по трем осям: 25 мм;

Точность: 0.5 мкм; Максимальная скорость до 1

|мм/с;

Тип передачи: ходовой винт; Приводы: двигатели ¡постоянного тока с редуктором;

Датчик контроля: датчик I Холла;

■Шариковые направляющие;

- Работа по принципу последовательной кинематики.

Гексаподы H-810 фирмы Physik Instrument (Германия) [5]

- Шестикоординатная;

- Диапазон перемещения: по X, У: ± 20 мм, 2: ± 6,5 мм, 0Х, 0^ ± 10°, 02: ± 30°;

- Точность: по X, У: ± 1 мкм, 2: ± 0,1 мкм, по 0Х, 0^ ± 3 мкрад, 02: ± 15мкрад; максимальная скорость по оси Х,У, 2 до 2.5 мм/с и по 0Х, 0у, ДО 60 мрад/с;

Приводы: бесщеточные двигатели постоянного тока; Цилиндрические шарниры;

- Работа по принципу параллельной кинематики._

Пьезосканер серии P-713 фирмы Physik Instrument (Германия) [5] - Габаритный размер: 45x45x6 мм; - Диапазон перемещения: по двум осям: 15 мкм; - Точность: 0.1 нм; - Масса исследуемого объекта: до 200 г; - Диапазон напряжения: -20 В до +120 В; -Упругие направляющие; - Работа по принцип параллельной кинематики; - Приводы: пьезоэлектрические актюаторы Р-882 серии Р1СМА.

Платформа P-562.6CD фирмы Physik Instrument (Германия) [5] - Шестикоординатная; - Диапазон перемещения: по оси оси Х,У, I до ±200 мкм; по 0Х, 0у, 07 до ±0.5 мрад; - Масса исследуемого объекта: до 5 кг; - Точность: по X, У: ± 2 нм, I: ± 3 нм, по 0Х, 0У: ± 0.1 мкрад, 07: ± 0.15 мкрад; - Приводы: пьезоэлектрические актюаторы серии Р1СМА; -Упругие направляющие; - Работа по принцип параллельно-последовательной кинематики.

Указанные в таблице 1 фирмы производят многокоординатные системы, имеющие высокую точность позиционирования, однако их продукция стоит очень дорого. Создание относительно дешевых и компактных устройств и их исследование является актуальной задачей.

Исходя из данных таблицы 1, можно классифицировать многокоординатные системы точного позиционирования по следующим признакам:

- по количеству степеней подвижности: двухкоординатные, трехкоординатные, ..., шестикоординатные;

- по типу движения: линейное, поворотное, комбинированное;

- по диапазону перемещений: + от 0,01 нм до 100 нм;

+ от 0,1 мкм до 10 мкм; + от 10 мкм до 1 мм; + от 1 мм до 100 мм.

- по кинематике: последовательная, параллельная кинематика, параллельно-последовательная;

- по типу направляющих: + скольжения;

+ качения;

+ упругие направляющие.

- по типу приводов: ручной с микрометрическими винтами, с двигателями постоянного тока, двухфазными шаговыми, электромагнитными двигателями, пьезоэлектрическими, магнитострикционными;

- по количеству уровней точности: одноуровневые и двухуровневые. Одно из наиболее эффективных направлений в разработке

высокоточных позиционирующих систем - это создание двухуровневых по уровню точности устройств [12, 13]. Такое направление перспективно для операционных столиков микроскопов, входящих в состав комплексов исследования микрообъектов. Многокоординатный операционный столик с этим принципом построения может состоять из модуля грубых и больших перемещений, на который устанавливается модуль точных и малых перемещений.

На рис. 3 представлены кинематические схемы двухкоординатных систем плоскопараллельного движения точного позиционирования.

а б в

Рис.3. Кинематические схемы двухкоординатных систем плоскопараллельного движения для точного позиционирования: а - последовательная с поступательными направляющими; б - параллельная с поступательными направляющими; в - последовательная с шарнирами

Анализируя компоновочные схемы систем точного позиционирования, можно сделать вывод, что недостатком систем последовательной кинематики являются большие габариты: на одной подвижной платформе находится вторая. Системы параллельной кинематики, по сравнению с системами последовательной кинематики, имеют большую жесткостью, меньшие габариты, не имеют движущихся электрических кабелей, что уменьшает сопротивление движению и увеличивает точность позиционирования. У системы параллельной кинематики ниже центр тяжести, что создаёт дополнительную устойчивость при позиционировании, и не накапливается суммарная погрешность, связанная с погрешностью позиционирования по каждой координате, как у системы последовательной кинематики. Однако конструктивно системы с параллельной кинематикой сложнее.

1.2. Преимущества и недостатки пьезоэлектрических приводов миниатюрных устройств точного позиционирования

Цель раздела - оценить сильные и слабые стороны выбора пьезоэлектричекого привода для применения его в миниатюрных устройствах точного позиционирования.

Преимущества пьезоприводов

Пьезоэлектрические приводы получили широкое распространение в отдельных областях науки и техники благодаря совокупности присущих им полезных свойств. Среди таких свойств особо отметим следующие:

- стоимость пьезоэлектрических приводов невысока по сравнению с другими;

- высокая точность позиционирования (способность осуществлять перемещения на уровне десятых и даже сотых долей нанометров);

- высокая скорость срабатывания (в диапазоне микросекунд);

- большое усилие (не требуются редукторы);

- простота конструкции и управления;

- низкая потребляемая мощность;

- малый износ (на практике износ не выявлен после нескольких миллионов рабочих циклов) при отсутствии механических передач;

- отсутствие магнитного поля (пьезоэлектрические приводы работают от электростатического поля, поэтому они не генерируют магнитного поля и не подвержены его влиянию);

- возможность работы в экстремальных условиях (пьезоэлектрические приводы способны работать в условиях пониженных и повышенных температур, высокого вакуума);

- компактные размеры и малая масса, что особенно подходит для области микроэлектроники, биологии и др.

Обладая таким спектром уникальных свойств, пьезоэлектрические приводы нашли применение в медицине, оптике, точной механике, компьютерной технике, производстве полупроводников, космической технике и др.

Благодаря большим преимуществам пьезоэлектрических приводов, заслуживают внимания многокоординатные предметные столики с пьезоприводами.

В патенте США [14] приводятся сведения о двухкоординатном столике с последовательной кинематикой, в котором в качестве пьезопривода применены БПА (рис. 4) для увеличения рабочего хода при малых габаритах.

Рис. 4. Двухкоординатный столик на базе БПА с последовательной

кинематикой

Для поступательного движения столика в направлениях Х и У применена х-образная кинематическая схема типа «Нюрнбергские ножницы»

X

/1

У

(рис. 5)

а

б

Рис. 5. Пьезопривод столика: а - х-образная схема двух БПА; б - схема соединения БПА

В описании изобретения указывается максимальный ход столика - 120 мкм при разрешении 1,2 мкм. В качестве недостатка устройства можно указать низкую жесткость конструкции предметного столика, что приводит к большим колебаниям на низких резонансных частотах.

В статье [15] описан двухкоординатный ХУ-предметный столик с параллельной кинематикой на базе механизмов двойных параллелограммов с упругими шарнирами (рис. 6). В качестве приводов Р7Т 1 и Р7Т 2 используются составные пьезоактюаторы. Максимальный рабочий ход столика - 110 мкм по обоим направлениям при напряжении 75 В, минимальный шаг (разрешение) - 0,40 мкм с погрешностью ±0,20 мкм, в качестве датчиков перемещения использовались лазерные датчики. При размерах устройства 250х250х40 мм сам столик имеет размеры 80х80 мм.

Рис. 6. Двухкоординатный столик с упругими параллелограммами

Указанное устройство имеет высокую точность позиционирования, относительно малый ход и большие габариты и сложную кинематику.

В статье [16] описано миниатюрное ХУ - устройство с параллельной кинематикой и стержневыми пьезоактюаторами (рис. 7.). Оно содержит только четыре механизма с упругими параллелограммами вместо восьми параллелограммов как у двухкоординатного столика (рис. 6). Жесткость такой механической системы ниже, но она имеет более простую и компактную конструкцию с размерами 40х40х6 мм. Это миниатюрное устройство выполнено из прочного стекла методом ультрафиолетовой литографии. При напряжении в диапазоне -100 В...+100 В столик перемещается по осям Хи У в диапазоне -15...+15 мкм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зиеп Фи Хоанг, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сайт фирмы Jiangxi Liansheng Technolog [Электронный ресурс]. URL: http://jxlskj.en.made-in-china.com.

2. Сайт фирмы Schneeberger [Электронный ресурс]. URL: https://www.schneeberger.com/ru.

3. Сайт фирмы SKF [Электронный ресурс]. URL: http://www.skf.com/ru.

4. Сайт фирмы Aerotech [Электронный ресурс]. URL: https://www. aerotech. co.uk.

5. Сайт фирмы Physik Instrument [Электронный ресурс]. URL: https: //www. physikinstrumente. com/en.

6. Сайт фирмы Комнет [Электронный ресурс]. URL: http: //www. comnet.vrn.ru.

7. Сайт фирмы Standa [Электронный ресурс]. URL: http://www.standa.lt.

8. Подгорный О.В., Лазарев В.Н., Говорун В.М. Лазерная микродиссекция в биологии и медицине [электр. ресурс] URL: http://www.tsitologiya.cytspb.rssi.ru/54_5/podgorny_ms.pdf (дата обращения 11.01.2016).

9. Лазерная микродиссекция и катапультирование PALM [электр. ресурс] URL: www.img.ras.ru/files/PUBLIC/CCU/Microdissector.pdf (дата обращения 11.01.2016).

10. L. C. Ramos, G. B. Pintarelli, D. Altenhofen, D. O. H. Suzuki. Micro Electro-permeabilization System for Cell Medium Conductivity Change Measurement of Erythrocytes Cells/ 1st World Congress on Electroporation and Pulsed Electric Fields in Biology, Medicine and Food & Environmental TechnologiesVolume 53,2016 of the series IFMBE Proceedingspp 87-90 [электр. ресурс]

http://link. springer.com/chapter/10.1007%2F978-981 -287-817-5_20 (дата

обращения 11.04.2016).

11. Gianni Ciofani ■ Arianna Menciassi Piezoelectric Nanomaterials for Biomedical Applications Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012. 245 p.

12. Никольский А.А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с.

13. O. Fuchiwaki, T. Kawai, A.Ohta, D.Misaki and H. Aoyama. Development of a Positioning & Compensation Device for a Versatile Micro Robot /2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Acropolis Convention Center Nice, France, Sept, 22-26, 2008. pp/ 83 - 88.

14. Yusuke Takeuchi. Патент US7508117. Piezoelectric Actuator, Imaging Element Moving Device Using the Same, and Imaging Device Using the Same,

2009.

15. Yangmin Li, Qingsong Xu: Development and Assessment of a Novel Decoupled XY Parallel Micropositioning Platform // IEEE/Asme Transactions On Mechatronics, Vol. 15, No. 1, February 2010. pp. 125 - 135.

16. Cas J., Skorc G., Safaric, R. Neural network position control of XY pie-zo actuator stage by visual feedback. Neural Computing and Applications. October

2010, Vol.19, Issue 7, pp 1043-1055.

17. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления: Справочник. - СПб.: Политехника, 1994, 608 c.

18. Головнин В. А., Каплунов И. А., Малышкина О. В., Педько Б. Б., Мовчикова А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. Москва: Техносфера, 2013, 272 с.

19. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. Л.: Энергоатомиздат. 1990, 271 с.

125

20. Сопротивление материалов: учеб. пособие для вузов по группе направлений подгот. "Техника и технология" / П. А. Павлов [и др.] ; под ред. Б. Е. Мельникова .— Изд. 2-е, испр. и доп. — СПб. [и др.] : Лань, 2007 .— 553 с.— (Учебники для вузов. Специальная литература).

21. Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. - М.: Высшая школа, 1990. - 400 с.

22. Степин П.А. Сопротивление материалов: учебник / П. А. Степин .— Изд. 10-е, стер. — СПб. [и др.] : Лань, 2010 .— 319 с.— (Учебники для вузов, Специальная литература) .— Библиогр.: с. 309-310. — ISBN 9785811410385.

23. Liping Shi; Xiwen Wei; Yanbo Wei. "Investigation on nonlinear analysis and correction method of piezoelectric sensors and actuators". 2012 International Conference on Measurement, Information and Control (MIC). Volume: 2. Pages: 912 - 916.

24. Zhou Yan-guo, Chen Yun-min, Ding Hao-jiang. "Analytical modelling and free vibration analysis of piezoelectric bimorphs". Journal of Zhejiang University SCIENCE. 938-944, 2005.

25. Смирнов А.Б. Элементная база автоматических машин и оборудования. Мехатронные модули микроперемещений технологических машин: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун -та, 2008. - 172 с. [электр. ресурс] URL: http://elib.spbstu.ru/dl/2/3878.pdf/view (дата обращения 11.01.2016).

26. Han J. M. T. A. Adriaens, Willem L. de Koning, and Reinder Banning. "Modeling piezoelectric actuators". IEEE/ASME TRANSACTIONS ON ME-CHATRONICS, VOL. 5, NO. 4, DECEMBER 2000. рр 331 -341.

27. Zugen Yan, Lining Sun. "Design, Control and Application of a PZT-driven Micro-stage". Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation August 5 - 8, 2007, Harbin, China.

126

28. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управлени. В. А. Бесекерский, Е. П. Попов .[Изд. 4-е, перераб. и доп.] .— Санкт-Петербург : Профессия, 2003 .— 747 с.: ил; 25 см. (Специалист). Библиогр.: с. 744-747. — ISBN 5-93913-035-6.

29. Андреев А.А. Теория автоматического управления: лабораторный практикум / А. А. Андреев, Л. А. Киселева, М. А. Голубева ; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет .— СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005 .— 33 с.: ил .— Библиогр.: с. 31.

30. Ким Д.П. Теория автоматического управления : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. "Автоматизация и управление" / Д. П. Ким . — М.: Физматлит, 2003-2004.

31. Haifen Li, Yonghong Tan, Ruili Dong, Yanyan Li. "State Estimation of Micro-positioning Stage with Piezoactuators". IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume: PP, Issue: 99, 2016.

32. Зрюмов Е.А. Оптический метод контроля линейных микроперемещений с помощью цветной видеокамеры при нониусном сопряжении растров. Алтайском государственном техническом университет им. И.И. Ползунова, 2005.

33. Chao ChenYunlai Shi, Jun Zhang, Junshan Wang. "Novel linear piezoelectric motor for precision position stage". Chinese Journal of Mechanical Engineering, Volume 29, Issue 2, pp 378-385. March 2016.

34. Wen-Yuh Jywe, Yeau-Ren Jeng, Yun-Feng Teng, Hung-Shu Wang, Chia-Hung Wu "Development of the Nano-Measuring Machine stage". The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON) Nov. 5-8, 2007, Taipei, Taiwan. pp: 2970-2973.

35. Ya-Hui Hu, Farn-Shiun Hwu, Kao-Hui Lin. "Design, analysis and fabrication of a novel six-axis micropositioning stage". IET Science, Measurement & Technology ( Volume: 7, Issue: 1, January 2013 ), pp: 69 - 75.

36. Qingsong Xu. "Precision Position/Force Interaction Control of a Piezoelectric Multimorph Microgripper for Microassembly". IEEE Transactions on Automation Science and Engineering ( Volume: 10, Issue: 3, July 2013 ). pp 503 -514.

37. Ranjan Ganguli, Dipali Thakkar, Sathyamangalam Ramanarayanan Vis-wamurthy. "Piezoceramic Actuator Hysteresis". Advances in Industrial Control pp 129-164, 2015.

38. Ge, P., Jouaneh, M.: Tracking control of a piezoceramic actuator. IEEE Trans. Contr. Syst. Technol. 4(3), 209-216 (1996).

39. Stefanski, Frederik, Minorowicz, Bartosz. "Non-linear control of a hydraulic piezo-valve using a generalised Prandtl-Ishlinskii hysteresis model". In Mechanical Systems and Signal Processing 1 January 2017 82:412-431.

40. Xie, W., Fu, J., Yao, H., Su, C.Y.: Observer Based Control of Piezoelectric Actuators with Classical Duhem Modeled Hysteresis. In: 2009 American Control Conference Hyatt Regency Riverfront, St. Louis, MO, USA, June 10-12 (2009).

41. Lin, C.J., Chen, S.Y.: Evolutionary algorithm based feedforward control for contouring of a biaxial piezo-actuated stage. Mechatronics 19(6), 829-839 (2009).

42. Juhasz, L., Maas, J., Borovac, B.: Parameter identification and hysteresis compensation of embedded piezoelectric stack actuators. Mechatronics 21(1), 329-338 (2011).

43. Xu, Q., Li, Y.: Dahl model-based hysteresis compensation and precise positioning control of an XY parallel micromanipulator with piezoelectric actuation. J. Dyn. Syst. Meas. Control-Trans. ASME 132(4), 041,011 (2010).

44. Qingsong Xu, Kok Kiong Tan. "Feedforward Control Based on Inverse Hysteresis Models". Advanced Control of Piezoelectric Micro-/Nano-positioning Systems; 2016, p23-55, 33p.

45. Ru C., Sun L.: Hysteresis and creep compensation for piezoelectric actuator in open-loop operation. Sensors and Actuators A: Physical 122(1), 124-130 (2005).

46. Andrew J. Fleming, Kam K. Leang. "Feedback Control". Design, Modeling and Control of Nanopositioning Systems. pp 175-219, 2014.

47. Shannon A. Rios, Andrew J. Fleming. "Design of a Charge Drive for Reducing Hysteresis in a Piezoelectric Bimorph Actuator". IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ( Volume: 21, Issue: 1, Feb. 2016.

48. Fang-Jung Shiou et al: Development of a real-time closed-loop micro-/nano-positioning system embedded with a capacitive sensor , 2010 Meas. Sci. Technol. 21 054007. [электр. ресурс] URL: http://iopscience.iop.org/0957-0233/21/5/054007/ (дата обращения 11.01.2016).

49. Ravi Kant Jain, Somajyoti Majumder, Bhaskar Ghosh: Design and analysis of piezoelectric actuator for micro gripper // International Journal of Mechanics and Materials in Design. September 2015, Volume 11, Issue 3, pp. 253 - 276.

50. Ершов В.С., Ивашов Е.Н., Федотов К.Д. Расчет пьезоактюаторов методом конечных элементов // ADVANCES IN CURRENT NATURAL SCIENCES №1, 2014. pp: 45-47.

51. S. Noveanu, V.I. Csibi, A.I. Ivan, D. M~andru. "Design and Modelling a Mini-System with Piezoelectric Actuation".

52. A. Michael, S.H. Chen, and C.Y. Kwok. "Design, fabrication and testing of piezo-electric driving mechanism for micro-optics".

53. Wu-Le Zhu, Zhiwei Zhu, Yi Shi, Xinwei Wang, Kaimin Guan and Bing-Feng Ju."Design, modeling, analysis and testing of a novel piezo-actuated XY compliant mechanism for large workspace nanopositioning". 2016 г.

54. Маринушкин П. С. Разработка и исследование датчиков угловой скорости с улучшенными метрологическими характеристиками для приборов контроля параметров движения и деформации объектов: диссертация кандидата технических наук: 05.11.13/Место защиты: Омский государственный технический университет. - Омск, 2015.- 121 с.

55. Michal Staworko, Tadeusz Uhl. "Modelling and simulation of piezoelectric element. Comparison of available methods and tools". 2008 г.

56. David J. Cappelleri, Mary I. Frecker, Timothy W. Simpson. "Optimal Design of a PZT Bimorph Actuator for Minimally Invasive Surgery".

57. Kiran Junagal, R.S.Meena. "A Novel Design Microstage Based on Pie-zoeletric Actuation". 2016 г.

58. Tarun Kumar, Rajeev Kumar. "Design and Finite Element Analysis of Varying Width Piezoelectric Cantilever Beam to Harvest Energy". 2015 г.

59. M. Nafea, S. Kazi, Z. Mohamed, M. S. Mohamed Ali. "A Hybrid Control Approach for Precise Positioning of a Piezo-Actuated Stage". International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2014). pp: 667-671.

60. Geng Wang, Guoqiang Chen, Hong Zhou, and Fuzhong Bai. "Modeling and Tracking Control for Piezoelectric Actuator Based on a New Asymmetric Hysteresis Model". Journal of automatic Sinica.

61. Fang-Jung Shiou et al: Development of a real-time closed-loop micro-/nano-positioning system embedded with a capacitive sensor , 2010 Meas. Sci.

Technol. 21 054007. [электр. ресурс] URL: http://iopscience.iop.org/0957-0233/21/5/054007/ (дата обращения 11.01.2016).

62. М. А. Михайлов, В. В. Манойлов Обзор методов измерения малых перемещений в приложении системы автоматического регулирования сканеров// Научное приборостроение, 2013, том 23, № 2, c. 27-37.

63. Борисевич А.В. Теория автоматического управления: элементарное введение с применением MATLAB. Изд-во Политехн. ун -та, 2011 г.

64. Xiuyu Zhang, Zhi Li, Chun-Yi Su, Senior Member, IEEE, Yan Lin, and Yongling Fu. "Implementable Adaptive Inverse Control of Hysteretic Systems via Output Feedback With Application to Piezoelectric Positioning Stages". IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 63, NO. 9, SEPTEMBER 2016. pp 5733-5743.

65. Jinhao Chen, Beibei Ren, Qing-Chang Zhong. "UDE-Based Trajectory Tracking Control of Piezoelectric Stages". IEEE Transactations on industrial electronics. Vol. 63, No. 10, October 2016. pp: 6450-6459.

66. Andrew J. Fleming, Garth Berriman, Yuen Kuan Yong. "Design, Modeling, and Characterization of an XY Nanopositioning Stage Constructed from a Single Sheet of Piezoelectric Material". International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM) Banff, Alberta, Canada, July 12-15, 2016.

67. Jinghua Zhong. "Modeling and adaptive robust motion control of piezoelectric actuators". PhD. Thesis. Faculty of Purdue University, West Lafayette, Indiana. May 2014.

68. Бардин В.А. Системы управления высококоточнными устройствами позиционирования на основе пьезоэлектрических актюаторов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пензенский государственный университет. Пенза, 2015 г.

69. Sam Owens. Thick-film piezoelectric bimorph actuators for MEMS devices. Cranfield university - School of applied sciences. PhD. Thesis 2008.

70. Зиеп Хоанг Фи, Смирнов А.Б. Двухкоординатный столик с пьезоприводом// Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ»: материалы научно-практической конференции 1-6 декабря 2014. Институт металлургии, машиностроения и транспорта СПбПУ. Ч. 2. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. - С. 13-17.

71. Смирнов А.Б., Крушинский И.А., Борисевич А.В. Пьезоэлектрический схват // Патент РФ на изобретение № 2529126. Приоритет 25.04.2013.

72. Смирнов А.Б., Крушинский И.А. Исследование пьезоэлектрического схвата с резонансным очувствлением и микропозиционированием //Изв. Вузов. Приборостроение Т. 53, № 2, 2010. С 33 - 37.

73. Сайт фирмы APC [Электронный ресурс]. URL: https://www. americanpiezo.com.

74. Смирнов А.Б., Зиеп Хоанг Фи., Полищук М.Н. Компьютерное моделирование работы двухкоординатного столика с пьезоэлектрическими актюаторами // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 1(238), 2016. С. 172 - 182.

75. Зиеп Хоанг Фи, Смирнов А.Б. Компьютерное моделирование динамики двухкоординатного столика с пьезоприводом.// Неделя науки СПбПУ: м-лы научн. форума с междунар. участием, 30 ноября 5 декабря 2015 г. Лучшие доклады.- Спб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. С. 83-88.

76. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. М.: Мир, 1970. 557 с.

77. Nader Jalili. Piezoelectric-Based Vibration Control. - Springer Science+Business Media, New York, 2010. http://www. springer. com/us/book/9781441900692.

78. Jingang Yi, Steven Chang, and YantaoShen. Disturbance-Observer-Based Hysteresis Compensation for Piezoelectric Actuators/IEEE/Asme transactions on mechatronics, vol. 14, no. 4, august 2009, pp. 456 -464.

79. Зиеп Хоанг Фи, Смирнов А.Б. Моделирование двухкоординатного столика с пьезоприводом. Неделя науки СПбПУ: материалы научного форума с международным участием. Институт металлургии, машиностроения и транспорта. Часть I. - Изд-во Политехн. ун-та, 2015. - с. 69.

80. Зиеп Хоанг Фи, Смирнов А.Б., Полищук М.Н. Моделирование динамики модуля микропозиционирования // Современное машиностроение: Наука и образование: Материалы 5-й Междунар. науч.-практ. конференции. / Под ред. А.Н. Евграфова и А.А. Поповича. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. - С. 665-676.

81. Зиеп Хоанг Фи, Смирнов А.Б. Исследование предметного столика с биморфными пьезоактюаторами // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 12. С. 1043—1048.

82. Зиеп Хоанг Фи, Смирнов А.Б., Полищук М.Н. Разработка и исследование двухкоординатного столика с пьезоэлектрическими актюаторами // Современное машиностроение: Наука и образование: Материалы 5-й Междунар. науч.-практ. конференции. / Под ред. А.Н. Евграфова и А.А. Поповича. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. - С. 677 -686.

83. Зиеп Хоанг Фи, Егорова Э.Ю., Смирнов А.Б. Исследование биморфных пьезоактюаторов двухкоординатного столика // Научный форум

133

с международным участием «Неделя науки СПбПУ»: материалы научно-практической конференции 1-6 декабря 2014. Институт металлургии, машиностроения и транспорта СПбПУ. Ч. 2. - СПб.: Изд-во Политехн. ун -та, 2015. - С.17-21

84. Попов В.Д. Исследование гистерезиса биморфных деформируемых зеркал. [электр. ресурс] URL: http://pvd2.narod.ru/publ/hysteresis/hysteresis.htm (дата обращения 11.03.2016).

85. Bruno Ando, PietroGiannone, and Salvatore Graziani,A Low-Cost Experimental Setup to Characterize Piezoelectric Cantilever Bimorphs//IEEE, Transactions on instrumentation and measurement, vol. 5V, no. 1, january 200S.

86. Белов В.Н. Обработка экспериментальных результатов/Метод. указ. к лабараторным работам. -Л., изд. ЛПИ, 1988. - 42 с.

SV. Сайт фирмы Analog Device [Электронный ресурс]. URL: http://www.analog.com/ru/products/analog-to-digital-converters/integrated-special-purpose-converters/capacitive-to-digital-and-touch-screen-controllers/adVV4б.html#product-overview.

SS. Сайт фирмы dSPACE [Электронный ресурс]. URL: https://www.dspace.com/en/pub/home/products/hw/singbord/dsll04.cfm.

S9. Сайт фирмы TREK [Электронный ресурс]. URL: http://www.perel-russia.ru/catalog/usiliteli_do_5_kv_2/60 lc.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Преобразователь емкости в цифровой код для емкостного датчика

перемещений [87]

AD7746 - это сигма-дельта (D-Д) преобразователь емкости в цифровой код (capacitance-to-digital converter, CDC) с высоким разрешением фирмы Analog Device. Измеряемая емкость подключается непосредственно к входам преобразователя. Его архитектура обеспечивает высокое разрешение (24 бита без пропуска кодов, эффективное разрешение до 21 бита), высокую линейность (±0.01%) и малую погрешность (±4 фФ за счет заводской

калибровки). Л07746 имеет рабочий диапазон входных емкостей (изменяющихся) ±4 пФ, а также поддерживают работу с синфазными (постоянными) емкостями до 17 пФ, которые могут быть преобразованы в балансную форму при помощи внутреннего программируемого преобразователя кода в емкость (СЛРБЛС).

Л07746 имеет два канала. Каждый из каналов можно сконфигурировать для работы в несимметричном или дифференциальном режимах.