Вибродвигатели

ВИБРОДВИГАТЕЛИ КАК ПРИВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОМАНИПУЛЯТОРОВ

В манипуляционных роботах применяются различные виды приводов: электрические, гидравлические и пневматические. Выбор их зависит как от предельных технических параметров манипулятора (грузоподъемность, точность, быстродействие, зона обслуживания), так и от характера выпол­няемой ими работы. К приводам манипуляторов предъявляются повышен­ные требования компактности, высокого кпд, точности и высоких динамических качеств движения в широком диапазоне скоростей, в том числе и при очень малых („ползучих") скоростях, точной и надежной фиксации неподвижных положений элементов робота. Требования эти еще повышаются для приво­дов микроманипуляторов и манипуляторов малой мощности.

Микроманипуляторы с вибрационным приводом. По предложенной клас­сификации роботов [Ш7], в класс „Микророботов" включаются устройства, способные манипулировать предметами массой до 0,01 кг в объеме 0,1 х 0,1 х х 0,1 м со средней точностью ± 0,01 мм. Быстродействие, т. е. время выпол­нения некоторого стандартного объема операций по захвату, перемещению и установке объектов, строго не регламентируется, но должно быть в среднем равным или превышать быстродействие человека-оператора.

Однако развитие электроники, прецизионного приборостроения, телеме­ханики, космической техники выдвинули новые требования к микророботам как по точности, так и по быстродействию. Точность в 0,01 мм оказывается явно недостаточной для ряда новых задач. Сборка узлов интегральной радио­электроники, задачи голографических запоминающих устройств требуют точности манипулирования порядка 1 • 10“3-1 • 10~4 мм и выше. Очевидно, что существующие рекомендации по применению пневмо - или гидроприво­дов для манипуляторов малой мощности [5] не применимы для создания микроманипуляторов высокой точности.

Разработка схем вибродвигателей с несколькими степенями подвижности, обладающих высокой разрешающей способностью и малой постоянной времени, позволяет расширить класс „Микророботы" (табл. 6.5) подклассами повышен­ных точностей [18]. В настоящее время подклассы высокой точности и преци­зионные можно осуществить только с помощью приводных узлов с вибро­двигателями. Манипуляторы микророботов нормальной чувствительности изготовляются как с вибродвигателями, так и с классическими приводами.

Подклассы отличаются только точностью, которая задается не приводом (чувствительность вибродвигателей значительно выше, чем средняя точность прецизионных микророботов), а системой измерения положения.

Особенности построения микроманипуляторов с вибродвигателями. Если сравнить схемы построения обычного манипулятора и микроманипу­лятора с активными кинематическими парами с тем же числом степеней по­движности (рис. 6.23), то видно, что последовательное наращивание степеней

подвижности в обычной схеме построения (рис. 6.23 а) приводит к снижению жесткостных характеристик и к увеличению времени переходных процессов. Суммарная жесткость кинематической цепи микроманипулятора захват - основание большая, что позволяет обеспечить точностные характеристики микроманипулятора. Так как чувствительность исполнения координат по каждой паре очень высокая (~0,02 мкм), то в итоге точность манипулятора задают датчики обратной связи.

Ввиду большого разнообразия управляемых кинематических пар при построении схемы манипулятора следует учитывать не только возможность получения тех или иных движений, но и ограниченность перемещений по каждой координате, удобство замыкания силового или геометрического кон­такта в парах, данные о характере контакта звеньев пары. В табл. 6.6 приведе­ны сводные данные вибродвигателей с несколькими степенями подвижности, выполненные в виде кинематических пар. Буквой Т обозначена зона касания звеньев точкой, Л — линией и П — плоскостью или поверхностью. Применяя данные табл. 6,6, можно сконструировать микроманипулятор с любой напе-

ред заданной степенью подвижности и с требуемыми характеристиками взаимодействия звеньев. При построении схемы микроманипуляторов возмож­но как последовательное, так и последовательно-параллельное соединение кинематических пар с W> 1. Для иллюстрации приведены две разновидности схем (рис. 6.24 и 6.25) для точного приборостроения.

Еще одна особенность схем с вибродвигателями — фиксация положения звеньев в отключенном состоянии при отсутствии люфта в кинематических парах из-за силового их замыкания.

6.2. РАЗНЫЕ ЗАДАЧИ

Применение вибродви гателей оказалось особенно эффективным для реше­ния следующих задач.

1. Активные опоры. Возможность приложения к подвижному звену сил или моментов любого знака и модуля используется для' полного исклю­чения трения в опорах приборов, выполненных в виде подшипников качения или скольжения. Пример такой активной опоры приведен на рис. 6.26 [103].

Ротор 1 смонтирован на осях 2, вращающихся на опорных элементах 3, к наружным торцам которых приклеены кольцевые пьезопреобразователи 4 с осевой поляризацией. Один из электродов 5 заземлен, другой разделен на три одинаковых сектора 6, подсоединенных к источнику высокочастотного напряжения 7 со сдвигом фаз на 2/3 тс. Опорный элемент 3 в месте обра­зования узла его изгибных колебаний снабжен жестко соединенной с ним упругой мембраной 8, с помощью которой он монтируется в корпусе 9.

Колебания различных секторов 6 пьезопреобразователей происходят с одной частотой, но с различной фазой, в результате чего концы опорных
элементов 3, в которых расположены оси 2, начинают двигаться по круговой траектории с круговой частотой, равной частоте напряжения источника 7. На ось 2 со стороны опорного элемента 3 действует возмущающий момент, величина которого зависит от напряжения источника 7. Вибропреобразователи часто используются в качестве датчиков момента трения, возникающего в опоре; в этом случае осуществляется обратная связь по моменту.

2. Передача движения в вакуум. Применение волноводов с узлами колебаний, в местах которых производится герметизация и закрепление в корпусе, позволяет ввести одно - или многокомпонентные колебания в закры­тое пространство или вакуум без потерь мощности. Единственное требование к вибродвигателям, работающим в вакууме, — подбор материалов контакт­ной пары, исключающий микроприварку при долгом хранении в глубоком вакууме в выключенном состоянии.

3. Стабилизация положения или скорости. Зависимость абсолют­ной скорости подвижного звена от параметров (давления, относительной скорости звеньев, амплитуд тангенциальной и нормальной составляющих колебаний) зоны контакта может быть использована для стабилизации поло­жения или скорости подвижного звена. Выше была показана возможность стабилизации положения на выбранной траектории (см. гл. 5). Приведем примеры решения других задач по стабилизации.

Устройство для автоматического совмещения центра тяжести тела пере­менной массы с некоторой заданной осью состоит (рис. 6.27) из двух вибро­преобразователей продольных и изгибных колебаний 1,2 и пассивного звена 3, воспринимающего нагрузку т. При несовпадении силы тяжести mg с центрируемой осью возникают неодинаковые реакции N[ и N’2, приводящие к разным величинам тангенциальных импульсов в каждой зоне контакта, сме­щающих звено 3 ДО положения, При котором N[=N'2- Подобный принцип лег в основу устройства для устранения поперечных колебаний магнитных лент (рис. 6.27 б), в котором использованы асимметрические законы колебаний преобразователей 2 и 3 относительно магнитной ленты 1.

В задачах, требующих повышенной стабильности средней и мгновенной угловой скорости вибродвигателей, приходится вводить обратную связь по скорости, применяя тот или иной тип датчика скорости. Однако при жестких требованиях к стабильности единственными датчиками, обладающими высо­

кой чувствительностью при низких скоростях вращения, являются растро­вые муаровые датчики со сложной схемой обработки сигнала, снимаемого с растрового сопряжения. Обработка сигнала сводится к его усилению, огра­ничению на определенном уровне, сравнению с частотой или фазой эталонного сигнала (либо к применению частотных или фазовых дискриминаторов и к последующей фильтрации высокочастотных составляющих). Схема эта не всегда приемлема, так как синхронный привод значительно проще осуществля­ется с помощью синхронных электродвигателей. Существует простая возмож­ность стабилизации средней и мгновенной угловой скорости вибродвигателей, используя зависимость скорости подвижного звена от частоты питания пре­образователя. В этом случае генератор рабочей частоты не применяется, а к преобразователю подводится усиленное напряжение, снимаемое с растрового сопряжения (рис. 6.28 а), с частотой f=zp • ы, где zp - число меток растра, или в общем случаеf=kg ы, где <о — угловая скорость вращения подвижного звена 2. Совместное решение уравнений

со = <о(/) f=kg(x>

дает два значения угловой скорости (рис. 6.28 б): на восходящей (неустойчи­вое решение) и на нисходящей ветви (устойчивое) характеристики со = ы (/). Если используются максимумы более высоких частот, приходится ввести смещение частоты

f=kga+f0, (6.15)

где /о — постоянная, имеющая размерность частоты.

Запуск вибродвигателя производится начальной скоростью со >со1; например, путем подачи импульса напряжения на электроды преобразователя во время включения.

Рис. 6.28. Использование зависимости to (/) для стабилизации скорости подвижного звеиа: 1,2 — растровое сопряжение; 3 — вибропреобразователь; 4 — усилитель; 5 — оптический датчик

4. Интегрирующий привод. Формирование законов управления в автоматических системах привело к использованию эффекта интегрирования, при котором угол поворота вала вибродвигателя равен интегралу по времени в зависимости от скорости. Вибродвигателями обеспечивается высокая точ­
ность зависимости скорости от входного сигнала. На этом принципе основано построение счетчиков импульсов и отработанного времени; в них импульс включения какого-либо устройства вызывает поворот на небольшой шаг ротора счетчика.

5. Микронасосы. Микродозаторы и микронасосы — хорошая иллюстра­ция эффективности применения вибродвигателей. Замена традиционных при­водов придает конструкции качественно новые свойства. При этом можно

использовать уже известные схемы (рис. 6.29 а, б) или разработать новые с управляемыми кинематическими парами с одной или двумя степенями по­движности (рис. 6.29 в, г, е). Так, привод шестеренного насоса (рис. 6.29 а) осуществим при помощи двух дисков 1, соединенных с шестернями, которые взаимодействуют с волноводом 2, а пьезоэлектрический преобразователь вынесен за пределы перекачиваемых сред. Такая же задача решается и воз­буждением радиальных колебаний шестерен, внутри которых вмонтированы дисковые вибропреобразователи 1 (рис. 6.29 б). Роль криволинейных волно­водов играют зубья шестерен, выполненные с радиальной асимметрией и составляющие с корпусом зону контакта. Упругий натяг обеспечивается, например, постоянным магнитом 2.

В схеме, приведенной на рис. 6.29 в, поршень 1 совершает и поступательное и вращательное движения (из-за взаимодействия скорпусом2 из пьезоактивно­

го материала). Выступы на поршне перекрывают входные и выходные отверс­тия, т. е. поршень играет роль и клапанной системы. Схема применима для построения высокочувствительных микродозаторов.

Вибродвигатели с криволинейными волноводами использованы в схеме бесклапанного микронасоса, в котором лопасти / и 2 вращаются в цилиндри­ческой камере 3 (рис. 6. 29 г). Угловые скорости лопастей имеют постоянную и переменную составляющие (рис. 6.29 5), т. е. камеры всасывания и вытес­нения все время находятся в зонах каналов входа и выхода.

В бесклапанной конструкции микронасоса (рис. 6.29 е) корпус насоса 1 совершает колебания типа бегущей волны, вызываемые преобразователями

2. Поршень 3 и герметизирующие элементы 4 совершают сложное движение в эллипсообразной внутренней полости корпуса.

Аналогично можно построить многопоршневые схемы, лопастные насосы и т. д. Во всех случаях выполнение совмещенного привода на вибродвигате­лях позволяет значительно уменьшить габариты устройств.

[1] Vibrovarikliai

[2] Колебания кольцевых преобразователей с учетом пьезоэффекта рассмотрены в статье В. Н. Лазуткина, А. И. Михайлова: Динамика и эквивалентные электрические схемы пьезокерамических колец с аксиальной поляризацией. — Акустич. журн., 1974, т. XX, вып. 4.

[3] Баисевичюс Р. Ю. Магнитная передача. А. с. 280142 (СССР). (См. также: Кожевни­ков С. Н., Есипенко Я - Ч., Раскин Я. М. Механизмы. Справочник. — М.: Машиностроение, 1976, с. 170-171.)

[4] 0 для остальных X, (4.49)

где т — число учитываемых максимумов характеристики спектральной плотности; Aj — половина высоты максимума j.

[5] См. например: Виталинская Г. Н., Дорошенко В. А., Угрюмова М. А. Исследование температурной стабильности свойств пьезокерамики на основе ЦТС. — Акустич. журн., 1975, т. XXI, вып. 6.

[6] Вопросы влияния радиации на пьезоактивные материалы рассмотрены в кииге: Дей­ствие проникающей радиации на изделия электронной техники / Под ред. Е. А. Ладычина. — М.: Сов. радио, 1980. - 224 с.

[7]ІХ ---------- F — ® (5.64)

д* |Уг* + Дх*| ’

[8] Vassin G. G., Levanikov V. V. The use of flexible members in technique. — In: Proceedings of V World Congress on Theory of Machines and Mechanisms. Montreal, Canada, 1979.