Привод микроманипулятора Советский патент 1992 года по МПК B25J7/00 

Изобретение относится к робототехни-;; ке, точному приборо- и машиностроению.

Известен привод микроманипулятора, содержащий корпус с размещенным в нем пьезокерамическим вибратором, состоящим из двух пьезокерамических стержней, располЬжейных под углом друг к Другу и сопряженных своими концами с подвижным звеном (Авт. св. СССР № 960004, кл. В 7/00.1982). В пьезбэлементах возбуждаются импульсные механические колебания, преобразуемые в перемещение подвижного звена благодаря фрикционному взаимодействию с ним пьезрэлементов, Устройство имеет малую нагрузочную способность и недолговечно вследствие фрикционно-толчко- вого характера передачи усилий на подвижное звено.

Известен привод мйкроманипулятора, содержащий подвижное звено с зубчатой рейкой и два призматических пьезоэлем ен- та с. накладками на концах, сопряженными с зубчатой рейкой. Устройство обеспечива ет невысокую точность перемещЕёний подвижного звена из-за наличия предпочтительных дискретных положений при фиксации вследствие использования зубчатой рейки, а также имеет малый срок службы из-за износа зубчатой поверхности рейки.

Наиболее близким к изобретению является привод микроманипулятор аТ содержащий расположенные соосно вал (подвижное звено) и пьезоэпемент вформе MtvwH),KnpaffvBo- пспожным концам которого поЛ мые фиксаторь, сопряясенныес валом .Недостатком устройства являются узкиетехнопогичеоадё возможности вследствие малюй величины шага перемещения: Целью изобретения является расшире- ;нйе технологических возможностей за счет увеличения шага перемещения.

Это достигается тем, что привод микроманипулятора, содержащий пьезоэлемент, противоположные концы которого связаны через управляемые фиксаторы с подвижным звеном, снабжен механическими звеньями, расположенными в продольной

со

С

vj

01

СА) СО

плоскости относительно оси подвижного звена, наклонно к этой оси, при этом один конец каждого из механических звеньев связан с пьезоэлементом, а другой - с соответствующим фиксатором.

Расширение технологических возможностей устройство обусловлено использованием радиального усилия, развиваемого пьезоэлементом одновременно с осевым усилием, для дополнительного перемещения подвижного звена.

На фиг. 1 показан вариант конструкции привода микрома нигТулятора с полым пьезоэлектрическим цилиндром с радиальной поляризацией в качестве пьезоэлектрического элемента; на фиг. 2 - то же, с пьезоэлектрическим пакетом с осевой поляризацией, имеющим сквозное осевое отверстие; на фиг. 3 - геометрическая схема, поясняющая работу устройства.

Привод микроманипулятора состоит (фиг. 1) из ггьезоэлемента в виде полого пье- зокерамического цилиндра 1 с радиальной поляризацией, расположенного соосно с ним подвижного звена 2 в виде жесткого стержня, сопряженного с управляемыми фиксаторами 3 и 4, соединенными с пьезо- цилиндром 1 механическими звеньями 5 и 6, направленными наклонно к оси подвижного звена 2, причем углы наклона звеньев 5 и 6 противоположны по знаку.

В другом варианте конструкции устройства (фиг. 2) в качестве пьезоэлемента использован пьезопакет 7 со сквозным осевым отве рстием.

Привод микроманипулятора работает следующим образом. В исходном положении подвижное звено 2 удерживается относительно пьезоцилиндра 1 управляемыми фикбатор ами 3 и 4. Для перемещения подвижного звена 2 вправо отключается фиксатор 3 и подается питание на пьезоцилиндр 1. При этом увеличибаются длина и диаметр пьезоцилиндра 1, Подвижное звено 2, зажатое фиксатором 4, связанным с правым концом пьезоцилиндра 1, перемещается впр аво за счет удлинения пьезоцилиндра 1 и дополнительно за счет преобразования изменения его диаметра в линейное перемещение фиксатора 4 и зажатого им подвижного звена 2 с помощью на- клонных звеньев 6 После того, как пьезоцилиндр 1 достигает максимальной деформации, включается фиксатор 3 и выключается фиксатор 4 Напряжение с пьезо- цилиндра 1 снимается. При этом уменьшается его длина и диаметр Уменьшение диаметра пьезоцилиндра 1 преобразуется в линейное перемещение фиксатора 3 и зажатого в нем подвижного звена 2 с

помощью наклонных звеньев 5. Так осуществляется использование обратного хода пьезоцилиндра 1 для дополнительного перемещения подвижного звена 2. После того,

как пьезоцилиндр 1 возвращается в исходное состояние, включается фиксатор 4, отключается фиксатор 3, и весь процесс повторяется. Перемещение подвижного звена 2 влево осуществляется при обратном

порядке подключения фиксаторов 3 и 4.

Привод микроманипулятора с полым пьезопакетом 7 с осевой поляризацией в качестве пьезоэлемента (фиг. 2) работает аналогично с той лишь разницей, что при

увеличении длины пьезопакета 7 его диаметр уменьшается.

Величина смещения подвижного звена 2 А I при изменении радиуса пьезоэлемента 1 (7) на Д h (фиг. 3) определяется по

формуле

1& (-Щ«,

где а - угол наклона звеньев 5 (6) к продольной оси подвижно звена 2; h - расстояние от пьезоэлемента 1 (7) до фиксатора 3

(4).

Изменение длины L пьезоцилиндра 1 под действием напряжения U, приложенного через его толщину Ь, выражается уравнением

35

AU d3iUL/b,

где бз1 - пьезомодуль в перпендикулярном вектору предварительной поляризации направлении.

Изменение радиуса A h пьезоцилинд- ра 1 при этом определяется по формуле

hi U(d3iR/b + d33/2).

где ds3 пьезомодуль в параллельном век- тору предварительной поляризации направлении.

Изменение длины пьезопакета 7 под действием напряжения U, приложенного через толщину t составляющих его пьезоди- сков

A L dsaUN,

где N - количество пьезодисков. Изменение радиуса пьезопакета 7 при этом составляет

Ah7 d3iUR/t.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Пусть L 30 мм, R 20 мм, h 5 мм, а - 20°, b 2,5 мм, t 1 мм, U 1 кВ, d33 - 2. Кл/м, d3i -1. Кл/м.

Для пьезоцилиндра 1 получаем A LI -1,2 мкм, A hi -0,7 мкм, A h 1,4 мкм. Следовательно, за один рабочий цикл осуществляется перемещение A Ij. A Li + 2 АН 4мкм.

Для пьезопакета 7 получаем A L 6 мкм, Дг17 -2мкм, А I 5,5 мкм. Следовательно, за один рабочий цикл осуществляется перемещение A lЈ A L + 2 A мкм.

Управляемые фиксаторы 3 и 4 могут быть изготовлены с применением электро

5

реологической жидкости, а звенья 5 и б - в виде металлических мембран.

Формула изобретения

Привод микроманипулятора, содержащий пьезоэлемент, противоположные концы которого связаны через управляемые фиксаторы с подвижным звеном, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, он снабжен механическими звеньями, расположенными в продольной плоскости относительно оси подвижного звена, наклонно к этой оси, при этом один конец каждого из механических звеньев связан с пьезоэлегаентом, а другой - с соответствующим фиксатором.

Сущность изобретения: в исходном положении подвижное звено 2 удерживается управляемыми фиксаторами 3 и 4. Для перемещения звена 2, например, вправо на один шаг отключается фиксатор 3 и подается питание на пьезоцилиндр 1, что приводит к увеличению его длины и диаметра.. Таким образом, для перемещения звена 2 используется одновременно радиально|а СЧ|т наклонного положения механйчесшх Швев 5 и 6 и осевое усилия, развиваеШШ Же зоэ- лементом 1. После смещения звенаГ2 включается фиксатор 3 и выключается фиксатдр 4, а затем снимается напряжение с пьезоэ- лемента 1.3 ил,,..,.

фа 2. г

фаг.З