Вибродвигатели

ОБЗОР РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ ВИБРОДВИГАТЕЛЕЙ

Связь вибродвигателей с низкочастотным вибротранспортом. Немало схем вибродвигателей можно получить путем обращения известных устройств для виброперемещения, увеличив частоту колебаний на несколько порядков. Конструкции первых вибродвигателей появились на прочном теоретическом и экспериментальном фундаменте, созданном главным образом отечественны­ми учеными И. И. Блехманом, И. Ф. Гончаревичем, В. В. Гортинским, Г. Ю. Джанелидзе, Б. И. Крюковым, Э. Э. Лавенделом, Д. Д. Малкиным, Ю. И. Неймарком, В. А. Плиссом, В. А. Повидайло, В. Н. Потураевым,

В. К. Пресняковым, В. Л. Рагульскене, О. А. Савиновым, А. О. Спиваковским, а также зарубежными учеными Р. Юнгом, В. Кролем, Т. Олесеном, Г. Зай­делем, С. Бетчером и др. Большое значение для развития вибродвигателей имели фундаментальные работы И. И. Артоболевского, В. И. Бабицкого, А. П. Бессонова, В. В. Болотина, Н. В. Бутенина, И. И. Вульфсона, Р. Ф. Га­ниева, М. Д. Генкина, Ф. М. Диментберга, А. Е. Кобринского, К. С. Колес­никова, С. Н. Кожевникова, М. 3. Коловского, В. О. Кононенко, П. А. Ле­бедева, Н. И. Левитского, Я. Г. Пановко, Н. П. Ряшенцева, В. А. Светлицкого, К. В. Фролова, М. В. Хвингии и др., в которых изучены явления, сопровожда­ющие действие вибрации на нелинейные механические системы. Достигнутые результаты способствовали сокращению промежутка времени между пер­выми схемами вибродвигателей и их промышленными образцами.

Работы по созданию вибродвигателей. История создания вибродвигате­лей — это история становления и совершенствования механизмов, преобра­зующих колебательное движение одного звена в непрерывное (в среднем) движение другого. Как правило, они содержат источник колебательного движения и используют разные методы для создания неодинаковой силы сопротивления или реакции связей при движении колеблющегося преобразо­вателя в положительном или отрицательном направлении.

В качестве источника колебательного движения применяются эксцентрики, кривошипно-шатунные механизмы, кулачки. С усовершенствованием меха­низмов колебательное движение сообщалось звену при помощи электромаг­нитных или электродинамических сил [81, 112], магнитострикционных [5, 57, 82—84] или пьезоэлектрических [125, 126, 128—130] преобразователей, гидравлических или пневматических механизмов. Методы создания нелиней­ностей во взаимодействии звеньев при колебаниях одного из них основаны, в частности, на изменении нормальных составляющих сил в зоне контакта или структуры механизма. В качестве зажимных устройств применялись магнитострикционные [83] и пьезоэлектрические преобразователи, магнит­ные механизмы [128], системы сжатого воздуха и гидравлики [5] и др.

Все более расширяется сфера применения механизмов для преобразования движения: от механизмов общего назначения — двигателей вращательного и линейного движения, работающих в основном в шаговом режиме [82 — 84, 118 и др.], до специализированных устройств подач [5] и позиционеров, обладающих высокой чувствительностью [129]. Появляются схемы для при­вода гибких сигналоносителей [112, 126] и решения других задач.

С применением пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразова­телей частоты преобразуемых колебаний начинают расти. Увеличиваются и скорости виброперемещения. Используются не только продольные или изгибные колебания преобразователей, но и волновые [114] и крутильные (Пат. США № 3211931). В 1963 г. М. Е. Архангельский [3] описал превращение колебательного движения поверхности стержня во вращательное и поступа­тельное движение соприкасающегося с ним тела и объяснил это явление на основе существования в стержне суперпозиции продольных и изгибных ко­лебаний и вытекающего отсюда прерывного механического контакта между телами. Автор назвал рассмотренную им систему „акустический двигатель". В 1964 г. В. В. Лавриненко создает двигатель вращательного движения с пьезокерамическим преобразователем (А. с. № 217509) и начинает активные работы по созданию пьезоэлектрических двигателей. В 1967 г. П. Е. Коляда использует пьезоэлектрические двигатели в магнитофонах (А. с. № 263924) для привода тонвала аппарата магнитной записи [96].

В Каунасском политехническом институте им. А. Снечкуса к созданию вибродвигателей приступили в 1969 г., когда был разработан способ преобра­зования высокочастотных механических колебаний во вращательное или поступательное движение [85] и на его основе созданы приводы высокоточных запоминающих устройств [92, 97]. Особенно эффективными оказались устрой­ства, преобразующие крутильные колебания преобразователей [86], так как оказалось возможным осуществить плоскостной контакт и тем повысить на­дежность и момент двигателя.

с

Много внимания уделялось авторами созданию лентопротяжных механиз­мов, особенно работающих в старт-стопных и шаговых режимах. Первые механизмы разработаны в 1969 г., они осуществляли непосредственный кон­такт преобразователя с лентой [86, 87, 90, 98]. Одновременно создавались лентопротяжные механизмы, у которых вал вибродвигателя служил тонва­лом. Схемы таких механизмов обобщены, приведены схемы вибродви гателей, использующих суперпозицию продольных и поперечных, продольных и из - гибных, продольных и крутильных, продольных и сдвиговых колебаний, представлена также классификация вибродвигателей [7, 15].

Одновременно с протяжкой гибкой ленты стало возможным осуществле­ние желаемого воздействия на характер движения. Так, в 1971 г. с помощью направленных асимметрических микровибраций решается одна из сложнейших задач — центрирование сигналоносителей относительно магнитных головок [93]. Было положено начало новому подходу к конструированию узла магнит­ных головок, так как введение управляемого взаимодействия магнитная лента — магнитная головка или контактирующий элемент позволило повы­сить точность записи при внешних возмущениях (т. е. продольных и попе­речных колебаниях магнитной ленты, а также при ее статических и динами­ческих перекосах). Позже методы привода магнитных лент переносятся и на другие виды гибких тел [14, 20, 94], включая бумажную ленту.

Однако основное внимание авторов было уделено разработке вибродвига­телей общего назначения, основанных на различных принципах работы. Уже первые образцы двигателей линей­ного и вращательного движения по­казали широкие функциональные возможности и высокую чувстви­тельность вибродвигателей. Совер­шается постепенный переход от точечных и линейных контактов звеньев к плоскостным - создаются волновые вибродвигатели враща­тельного и линейного движения, об­ладающие рядом интересных свойств [И, 12, 70, 98, 105].

Разработанные принципы сум­мирования колебаний в плоскости и в пространстве [16, 99, 100, 107] позволили создать малогабаритные автономные вибродвигатели вращатель­ного (рис. 1.1) и линейного (рис. 1.2) движения. Постепенно расширяется диапазон мощностей вибродвигателей. Создаются схемы (рис. 1.3) с дву­мя активными элементами в зоне контакта [101, 106]. Эксперименты пока­зали высокое динамическое качество вибродвигателей в переходных режи­мах движения [22]. Это дает основание для разработки устройств, в ко­торых время переходных процессов играет первостепенную роль [16, 19]. Одновременно решаются задачи определения параметров вибродвигателей [ІЗ, 47, 48] и разрабатываются вопросы теории [68, 131].

Принципы действия вибродвигателей позволяют осуществить регулирова­ние скорости рабочего органа в широком диапазоне, вплоть до wmax/<omin =
= 100 тыс. Это свойство вибродвигателей использовано в специальной плат­форме для калибровки датчиков угловых скоростей [102].

Ряд работ и разработок авторов посвящены одному из наиболее интересных свойств вибродвигателей - возможности построения схем с несколькими степенями подвижности: это позиционирующие устройства на плоскости с двумя и тремя степенями подвижности [9, 18, 21, 69, 71], схемы микрома-

нипуляторов [8, 18, 104], схемы „искусственных мышц“ [108] для роботов. В совокупности с механизмами переменной структуры [122] вибродвигатели с несколькими степенями подвижности позволяют ввести новый класс — „прецизионные микророботы". Авторами предложено несколько способов формирования траекторий в схемах роботов [10].

В схемах с несколькими степенями подвижности оказываются эффективны­ми предложенные авторами вибродвигатели с асимметрическими циклами колебаний [9, 121], а также ряд схем, решающих частные задачи [19]. Интересны методы компенсации сил трения в узлах вращения (подвеска с „нулевым" трением [103] или применение ролямайтов [105]).

Из последних разработок авторов наиболее интересны сканирующие устройства оптического излучения и узлы микроманипуляторов с нескольки­ми степенями подвижности. Применяя вибродвигатели, строятся чувстви­тельные одно-, двух - и трехкоординатные сканаторы, значительно превосхо­дящие по точности и быстродействию обычные электромеханические скани­рующие устройства.

Интересные исследования и эффективные разработки проводит В. В. Лав­риненко и сотрудники руководимого им коллектива [30, 32, 115, 120]. Боль­шую работу по развитию вибродвигателей проделали П. Е. Васильев [29], А. И. Навицкас [91], Р. Э. Курыло [49], А. В. Кочикян [44], Л. Р. Паташене [62], В. С. Вишневский [31], А. Ю. Славенас, А. А. Лукошявичюс, И. А. Кар­ташев, В. А. Кириченко, Л. Л. Штацас, И. И. Гасюнас, В. И. Милукене, Г. П. Кульветис [46] и др., которые продолжают вносить ощутимый вклад в решение этой проблемы.

Данный обзор исследований и разработок по вибродвигателям не пре­тендует на полноту. В последнее время появилось множество схем и разно­видностей вибродвигателей, повторяющих в различных исполнениях имею­щиеся основные схемы или улучшающих тот или иной параметр. Однако основная тенденция как теоретических разработок, так и приложений — повы­шение скоростей и функциональных возможностей.