МИКРОМАНИПУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК G02B21/32 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания микроперемещений в медико-биологической технике, химической, электронной и других отраслях промышленности.

Известен микроманипулятор, содержащий подвижный столик и привод [1]
Известно двухкоординатное установочное устройство, содержащее неподвижную рамку, на которой устанавливаются пьезоэлектрические изгибные ("биморфные") элементы. Недостатком данного устройства является малый диапазон регулировки микроперемещений, наличие дрейфа и т.д. [2]
Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для перемещения предметного столика микроскопа, в котором с целью расширения диапазона регулирования и обеспечения возможности автоматизации процесса перемещения каретка с установленным на ней объектом перемещается с помощью шагового двигателя, передающего вращение микрометрическому винту [3]
Величина единичного микроперемещения в данном устройстве определяется шагом двигателя и для шаговых двигателей определяется десятками угловых минут. Дальнейшее уменьшение микроперемещений в таких системах может быть достигнуто установкой понижающих редукторов на двигатели или изменением передаточного числа микрометрического винта, что приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов, энерго- и трудоемкости, а также к ограничению возможности временной группировки микроперемещений, что определяет скорость микроподачи. Микроперемещение однозначно завязано на скорость и наоборот.

Задачей изобретения является обеспечение возможности одновременного формирования малых единичных перемещений и их группировки по скорости (времени).

Указанный технический результат достигается тем, что в микроманипуляторе, содержащем подвижный столик, соединенный через винт-гайку с приводом, подключенным к блоку управления, привод выполнен в виде вала с ротором, связанным через толкатели с кольцевыми пьезоэлементами, один из которых установлен на валу, а второй установлен на корпусе, при этом блок управления выполнен в виде последовательно соединенных блока формирования частоты пачек импульсов возбуждения, блока формирования длительности пачки импульсов возбуждения, управляемого ключа и генератора формирования высокочастотных импульсов возбуждения пьезоэлементов, причем вход управляющего ключа подключен к источнику питания.

На фиг.1 показана блок-схема микроманипулятора; на фиг.2 эпюры питающих напряжений, поясняющих работу.

Устройство содержит подвижную каретку 1 расположенную в подшипниковых направляющих 2, соединенную с микрометрической винт-гайкой 3. Винт-гайка 3 сопрягается через подвижную муфту 4 с валом пьезопривода 5, включающего ротор 6, кольцевой пьезоэлемент 7, установленный на валу, и пьезоэлемент 8, установленный на корпусе, на внешней цилиндрической стороне которых закреплены металлические упругие толкатели 9, упирающиеся во внутреннюю часть ротора 6.

Система управления включает в себя генератор формирования импульсов возбуждения 10 пьезоэлемента, управляемый ключ 11, источник питания 12, блок формирования 13 длительности пачки импульсов возбуждения и блок формирования 14 частоты пачек импульсов возбуждения.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Даже при наличии постоянного питающего напряжения на выходе блока 12 (эпюра А, фиг.2), например, напряжения питания U_n 27 В, сигнал в такой форме не поступает на блок 10. Форму импульсов питания формирует ключ 11, который управляется генератором частоты 14, формирующим частоту импульсов управления f_сл (эпюра Б). В блоке 13 формируется длительность импульсов управления τ_n в соответствии с частотой f_сл. Сформированный сигнал управления (эпюра В) поступает на управляемый ключ 11, с выхода которого идут импульсы питания, соответствующие частоте и длительности импульсов управления (эпюра Г).

В блоке 10 осуществляется преобразование импульсов питания в пачки импульсов возбуждения на резонансной частоте пьезоэлемента с напряжением возбуждения U_возб. и частотой f_рез (эпюра Д).

При наличии напряжения на пьезоэлементе 7 он возбуждается. Колебания от пьезоэлемента передаются в толкатели 9, которые, отталкиваясь от фрикционно-заторможенного толкателями нижнего пьезоэлемента ротора, создают момент вращения валу. При изменении направления вращения подключается пьезоэлемент 8. При этом вращающий момент, сообщенный толкателями этого пьезоэлемента ротору 6 передается через фрикционный контакт верхнего пьезоэлемента и дальше в нагрузку.

Шаг пьезопривода или угол разворота ротора Δϕ пропорционален длительности импульса управления τ (эпюра Е). Угловое вращение микрометрическим винтом 3 преобразуется в поступательное движение, которое передается каретке 1. Таким образом, единичное микроперемещение каретки 1 Δ l (эпюра Е) будет определяться шагом пьезопривода и передаточным отношением винт-гайка.

Скорость перемещения при заданной микроподаче Δ l будет определяться частотой следования импульсов управления f_сл.

Использование устройства за счет одновременного формирования микроподач и их группировки позволило значительно улучшить характеристики существующего микроманипулятора. Так, достигнутый угловой шаг на пьезоприводе с диаметром пьезошайбы 20 мм составляет ≈ 30 угл.с, что в сочетании с микрометрической винт-гайкой с передаточным числом 1/500 позволяет реализовать микроперемещение ≈ 10^-2 мкм, что при частоте f_сп ≈ 1 Гц обеспечивает скорость микроперемещения ≈ 10^-2 мкм/с.

Использование: приборостроение, для создания микроперемещений, в медико-биологической технике. Сущность изобретения: микроманипулятор содержит подвижную каретку 1, пьезоэлектрический привод в виде вала с ротором 6, связанный через толкатели 9 с кольцевыми пьезоэлементами 7 и 8, один из которых установлен на валу, а второй на корпусе, и систему управления, состоящую из генератора 10 высокочастотных импульсов, управляемого ключа 11, формирователей 14, 13 частоты и длительности импульсов возбуждения соответственно и источника питания 12. 2 ил.

МИКРОМАНИПУЛЯТОР, содержащий подвижный столик, соединенный через винт-гайку с приводом, подключенным к блоку управления, отличающийся тем, что привод выполнен в виде вала с ротором, связанным через толкатели с концевыми пьезоэлементами, один из которых установлен на валу, а второй установлен на корпусе, при этом блок управления выполнен в виде последовательно соединенных блока формирования частоты пачек импульсов возбуждения, управляемого ключа и генератора формирования высокочастотных импульсов возбуждения пьезоэлементов, причем вход управляющего ключа подключен к источнику питания.