УСТРОЙСТВО ЛИНЕЙНЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 1994 года по МПК H02N2/00 H01L41/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к шаговым двигателям микроперемещений. Изобретение может быть использовано в высокоточных системах автоматики, в устройствах адаптивной оптики, в механических сканирующих устройствах и устройствах позиционирования.

Известен шаговый двигатель, состоящий из направляющих, двух электромагнитных фиксаторов и пьезоэлемента, закрепленного между фиксаторами. При зафиксированном одном конце пьезоэлемента другой его конец может свободно перемещаться по направляющим при сжатии пьезоэлемента или его растяжении [1].

Известно устройство линейных перемещений, состоящее из направляющих, установленных на основании, двух фиксаторов и двух приводов (пьезоэлементов), каждый из которых жестко прикреплен одним концом к соответствующему фиксатору [2].

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство линейных прецизионных перемещений, состоящее из основания, направляющих, двух приводов, выполненных в виде многоспиральных цилиндрических пружин из магнитострикционного материала (концы пружин подключены к источнику постоянного тока), с обмотками возбуждения на витках пружин, подключенными к управляемым источникам тока, двух соединенных с ними фиксаторов и блоков питания приводов и фиксаторов.

Недостатком устройства является невозможность достижения высокой точности позиционирования при реализации высокой скорости перемещения и увеличенные габариты.

Известен способ управления устройством линейных прецизионных перемещений, заключающийся в том, что закрепляют один фиксатор, удлиняют приводы, отпускают первый фиксатор, закрепляют второй фиксатор, подтягивают приводы, отпускают второй фиксатор и закрепляют первый, затем цикл повторяется. Местоположение перемещаемого объекта определяют путем счета числа шагов [1,2] .

Наиболее близок к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату способ, заключающийся в том, что закрепляют один фиксатор, затем, пропуская по обмоткам возбуждения приводов нарастающий ток, удлиняют приводы, по достижении током максимума закрепляют второй фиксатор, отпускают первый и уменьшают ток до минимума, по достижении которого отпускают второй фиксатор и закрепляют первый, затем цикл повторяется. Местоположение объекта перемещения определяют путем счета числа шагов [3].

Цель изобретения - повышение точности позиционирования перемещаемого объекта и уменьшение габаритов устройства линейных прецизионных перемещений.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве линейных прецизионных перемещений установлены датчик перемещения объекта и датчики удлинения приводов на основе позиционно-чувствительных фотоприемников и источников света с диафрагмами. При этом двигатель выполнен в виде двух вложенных одна в другую многоспиральных цилиндрических пружин из магнитострикционного материала с обмотками возбуждения, которые разделены цилиндрической оболочкой и установлены вместе с оболочкой одним торцом на фланце с центральным отверстием, а с другой стороны связаны упругой диафрагмой. Фиксаторы выполнены в виде конических цанговых зажимов из неферромагнитного материала с отдельно установленными на них электромагнитами и надетой на конус пластиной из ферромагнитного материала с центральным отверстием. Направляющая проходит через цанговые зажимы и фланец.

Предлагаемый способ управления предназначен для повышения точности позиционирования и заключается в том, что регулируют удлинение приводов в пределах элементарного шага и линеаризуют процесс их удлинения. Сигналы изменения направления движения и остановок получают при помощи нелинейного элемента с характеристикой релейного типа, имеющей зону нечувствительности, ширина которой соответствует максимальной деформации данного типа привода. При ненулевой величине сигнала с релейного элемента формируют циклограмму движения устройства в направлении уменьшения сигнала ошибки, а при нулевом значении сигнала производится окончательная установка (доводка) в точку позиционирования (т.е. точноcть позиционирования определяется только точностью датчика положения).

На фиг.1 показаны устройства и функциональная схема электронного блока для осуществления способа управления устройством линейных прецизионных перемещений; на фиг.2 показана циклограмма управляющих и информативных сигналов при реализации способа управления.

Направляющая 1 представляет собой круг цилиндр сечением 20 мм, фланец 2 выполнен с центральным отверстием, предназначенным для направляющей. Приводы 3 имеют вид многоспиральных цилиндрических пружин сечением 50 и 100 мм, и выполнены из магнитострикционного материала (сплава 49КФ). Между приводами на фланце установлена цилиндрическая оболочка 4 диаметром 70 мм с толщиной стенки 8 мм, которая предназначена для повышения жесткости системы в радиальном направлении посредством связи свободных торцов пружин и оболочки тонкой упругой диафрагмой. На пружинах намотаны обмотки управления, подключенные к источнику тока. На фланце установлены, соединенные с пружинами 3 клеммы (не показаны), предназначенные для подачи тока в пружины. К торцам пружин прикреплены фиксаторы 5. Один фиксатор прикреплен непосредственно к торцу внутренней пружины 3, а другой - к торцу внешней пружины при помощи стакана 6. На цилиндрической оболочке 4 и на приводах 3 установлены датчики 7 удлинения приводов, представляющие собой оптоэлектронные пары: установленный на приводе 3 светодиод с диафрагмой и установленный на цилиндрической оболочке 4 позиционно-чувствительный фотодиод. В качестве излучающих использованы светодиоды АЛ106, а в качестве приемников - фотодиоды ФД21КК. Размер диафрагм обеспечивает диаметр светового пятна на фотоприемнике около 2,5 мм. Соседние площадки фотоприемника соединены попарно и щель, разделяющая пары площадок, ориентирована перпендикулярно направлению перемещения. В этом случае чувствительность датчика составляет 0,33 В/мкм, при разрешении 0,1 мкм, а максимальный диапазон регистрируемых смещений 100 мкм.

Фиксаторы выполнены следующим образом. Основание фиксатора имеет вид стакана диаметром 70 мм из стали, в котором уложена обмотка. В центре стакана в отверстие запрессована латунная коническая цанга с внутренним сечением, равным сечению направляющей, на конус цанги надета стальная пластина с центральным отверстием, которое имеет коническую образующую, соответствующую образующей цанги. Цанга выполнена из латуни для исключения эффектов остаточного намагничивания между цангой и направляющей. Процесс закрепления состоит в притягивании пластины к электромагниту при пропускании по нему тока. При этом происходит обжатие цанги пластиной. К фланцу 2 прикреплен емкостный датчик 8 перемещения.

Устройство содержит также сумматоры 9 и 14 (суммирующие усилители), регуляторы 10 и 15, представляющие собой усилители для согласования отдельных блоков устройства, нелинейный элемент 11 в виде компаратора с регулируемой зоной нечувствительности, цикловой автомат 12, представляющий собой задающий генератор с регулируемой частотой, генераторы пилообразных напряжений с регулируемой фазовой задержкой и генераторы прямоугольных импульсов с регулируемой длительностью и фазовой задержкой, электронные блоки 13 датчиков удлинения приводов, представляющий собой разностные усилители, и управляемые источники 16 тока, предназначенные для питания обмоток управления.

В начальный момент времени сигнал рассогласования Δ (фиг.2) между сигналом с датчика 8 положения и сигналом установки U_хо равен нулю. В момент времени t_o изменяется сигнал установки на величину Uвх и появляется сигнал рассогласования Δ = U_вх - U_х, который поступает на нелинейный элемент (НЭ) 11 с релейной характеристикой. НЭ в соответствии с величиной и знаком сигнала Δ вырабатывает сигнал установки шагового режима Р, знак которого соответствует напряжению перемещения ("+" - вперед, "-" - назад, "0" - стоп). Этим сигналом включается цикловой автомат 12. Приводы 3 и фиксаторы 5 начинают циклическую работу в направлении уменьшения сигнала рассогласования.

На фиг. 2 U1, U2 - сигналы удлинения приводов; 11 и 12 - токи обмоток управления фиксаторов. Величина деформации приводов в режиме циклической работы равна половине максимально возможного удлинения привода Δ_мах. По достижении сигналом рассогласования величины Δ d = Δ_o=(момент времени t₁ на фиг. 2) сигнал Р принимает значение Р = 0 и цикловой автомат 12 переходит в режим трансляции сигнала S = Δ_o-Δ на выход U1 или U2. Трансляция осуществляется путем суммирования сигнала S и сигнала U1 или U2, который поступал на данный привод 3 в момент перехода Р в О. Сигнал S транслируется на тот привод 3, который находился в момент перехода сигнала Р в О в режиме рабочего хода. На другой привод 3 цикловой автомат 12 передает сигнал, соответствующий уровню сигнала на нем в цикле обратного хода. При этом на фиксаторы подаются сигналы, соответствующие моменту перехода Р в О. Такой алгоритм работы циклового автомата обусловлен необходимостью сопряжения выходных сигналов U1 и U2 по уровню в шаговом режиме и режиме слежения (при Р= 0), что позволяет избежать скачков координаты при переходе из одного режима в другой. Тем самым система обратной связи замыкается через цикловой автомат 12 на вход системы автоматического регулирования (САР) удлинением привода, которая состоит из датчика перемещения, сумматора, регулятора и управляемого источника тока. При удлинении приводов 3 датчик положения регистрирует удлинение привода относительно неподвижного основания устройства, на сумматоре 14 формируется сигнал ошибки как разность входного сигнала и сигнала удлинения привода, регулятор 15 обеспечивает согласование сигнала с сумматора 14 и входа управляемого источника 16 тока.

Использование: в высокоточных системах автоматики, в устройствах адаптивной оптики, в механических сканирующих устройствах и устройствах позиционирования. Сущность изобретения: в устройстве приводы выполнены в виде цилиндрических многоспиральных пружин из магнитострикционного материала с различными поперечными сечениями и установлены торцами на фланце. Пружины вложены одна в другую и связаны по свободным торцам с установленной между ними оболочкой, упругой диафрагмой. К свободным торцам пружин прикреплены фиксаторы в виде цанговых зажимов из неферромагнитного материала. Процесс фиксации осуществляется при притягивании пластины из ферромагнитного материала к обмотке электромагнита, прикрепленного к корпусу зажима. Вблизи свободных торцов приводов установлены датчики удаления приводов, состоящие из источников света с диафрагмами и позиционно-чувствительных фотоприемников. Направляющая проходит по оси двигателя, а к фланцу прикреплен датчик перемещения объекта. Способ управления устройством заключается в том, что движение осуществляется в двух режимах: циклическом и режиме слежения, при этом переход в режим слежения осуществляется по сигналу, вырабатываемому при помощи нелинейного элемента с характеристиков релейного типа, имеющей зону нечувствительности, по сигналам с датчика перемещения объекта, а процесс удлинения приводов осуществляется в соответствии с управляющими сигналами посредством сигналов с датчиков удлинения приводов. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство линейных прецизионных перемещений, содержащее направляющую, два привода, выполненные в виде многоспиральных цилиндрических пружин из магнитострикционного материала, подключенных к источникам постоянного тока, с размещенными на них обмотками возбуждения, подключенными к управляемым источникам тока, два фиксатора, соединенные с приводами, отличающееся тем, что, с целью повышения точности позиционирования перемещаемого объекта и уменьшения габаритов, приводы выполнены с отличающимися поперечными сечениями, установлены одними торцами на фланце с центральным отверстием соосно одни с другим, между приводами с зазором размещена цилиндрическая оболочка, связанная с вторыми торцами приводов упругой диафрагмой с центральным отверстием, к вторым торцам приводов прикреплено по фиксатору, состоящему из конического цангового зажима из неферромагнитного материала с внутренним сечением, равным сечению отверстия во фланце, обмотки электромагнита, установленной соосно с коническим цанговым зажимом, и пластины из ферромагнитного материала с центральным отверстием, надетой на конус цангового зажима, причем направляющая выполнена в виде цилиндрического стержня, проходящего через отверстия конических цанговых зажимов и фланца, на котором закреплен дополнительно введенный датчик перемещения объекта, в каждом приводе перпендикулярно его оси выполнено отверстие, в котором установлен источник света с диафрагмой, а напротив источников света в отверстиях, выполненных в цилиндрической оболочке, установлены позиционно-чувствительные фотоприемники. 2. Способ управления устройством линейных презиционных перемещений, заключающийся в циклическом деформировании приводов путем подачи управляющих сигналов, при поочередном закреплении фиксаторов на направляющей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности позиционирования, циклическую деформацию приводов производят на величину, равную половине максимально возможной, регистрируют сигнал ошибки, равный отклонению текущей координаты устройства от заданной, подают его на нелинейный элемент релейного типа с зоной нечувствительности, величина которой соответствует максимально возможной деформации привода, при наличии на выходе нелинейного элемента релейного типа ненулевого сигнала осуществляют движение устройства в направлении уменьшения сигнала ошибки и при достижении нулевого сигнала на выходе нелинейного элемента релейного типа, останавливают фиксаторы в текущем состоянии, на привод, фиксатор которого закреплен на направляющей, подают сигнал, равный сумме сигнала ошибки и сигнала на этом приводе в момент остановки фиксаторов, а на второй привод подают постоянный сигнал, равный сигналу на нем в момент остановки фиксаторов, причем в процессе деформаций каждого привода регистрируют сигнал, соответствующий его удлинению, получают сигнал рассогласования текущего удлинения привода и текущего сигнала управления и подают его на соответствующий привод.