RU2175601C2 - Actuator for micromanipulator - Google Patents

Actuator for micromanipulator Download PDF

Info

Publication number
RU2175601C2
RU2175601C2 RU2000101111A RU2000101111A RU2175601C2 RU 2175601 C2 RU2175601 C2 RU 2175601C2 RU 2000101111 A RU2000101111 A RU 2000101111A RU 2000101111 A RU2000101111 A RU 2000101111A RU 2175601 C2 RU2175601 C2 RU 2175601C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
deformable
piezocrystal
piston
cones
cylinder
Prior art date
Application number
RU2000101111A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000101111A (en
Inventor
А.М. Пугин
О.В. Даринцев
Н.В. Чувилина
Original Assignee
Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Уфимский государственный авиационный технический университет filed Critical Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority to RU2000101111A priority Critical patent/RU2175601C2/en
Publication of RU2000101111A publication Critical patent/RU2000101111A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2175601C2 publication Critical patent/RU2175601C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: precision instrument making, namely actuators of micromanipulators, possibly for relatively large motion of microinstrument and its precise positioning. SUBSTANCE: actuator includes piezopump having piezoelement, two elastic construction members, two ducts of piezopump provided with two sleeves and two valves arranged in them. Actuator also includes cylinder with piston and working liquid. Piezoelement is deformable and movable one, it may be adjusted by means of screw. Each valve is in the form of piezocrystal. Ducts are connected with cavity of cylinder. Clamp is secured to piston. Elastic members of construction may be in the form of deformable cones, deformable inner surfaces of cones or cover plates on deformable and moving member of piezopump. Deformable and moving member of construction may be in the form of piezocrystal or lever joined with piezocrystal. EFFECT: increased loading capacity, enhanced precision of positioning, increased useful life period. 6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к приводам микроманипуляторов, и может быть использовано в промышленных микророботах для прецизионной сборки изделий, в изготовление микрокомпонентов с объемной структурой, в биологии и медицине, где требуются значительные перемещения микроинструмента с высокоточным позиционированием. The invention relates to precision instrumentation, in particular to drives of micromanipulators, and can be used in industrial microrobots for precision assembly of products, in the manufacture of microcomponents with a three-dimensional structure, in biology and medicine, where significant movements of micro-tools with high-precision positioning are required.

Известен манипулятор, содержащий основание, схват, механизм перемещения схвата, установленный на основании, шток, на котором закреплен схват, и позиционирующее устройство [авт. св. СССР N 1060461, М. Кл. B 25 J 7/00, 1983]. Known manipulator containing a base, a tong, a gripper moving mechanism mounted on the base, a rod on which the tong is fixed, and a positioning device [ed. St. USSR N 1060461, M. Cl. B 25 J 7/00, 1983].

Недостатком является малая величина перемещения. The disadvantage is the small amount of displacement.

Известен привод микроманипулятора, содержащий основание, входное звено, соединенное с вибратором и выполненное в виде цилиндра с зубчатым венцом на его боковой поверхности, выходное звено, связанное со столом, снабженным направляющими, и электромагниты [авт. св. СССР N 1366386, М. Кл. B 25 J 7/00, 1988]. A known micromanipulator drive containing a base, an input link connected to a vibrator and made in the form of a cylinder with a gear ring on its side surface, an output link connected to a table equipped with guides, and electromagnets [ed. St. USSR N 1366386, M. Cl. B 25 J 7/00, 1988].

Недостатком является невысокая нагрузочная способность. The disadvantage is the low load capacity.

Известно также устройство для перемещения микроманипулятора, содержащее входное звено, соединенное с вибратором крутильных колебаний, выходное звено, имеющее вал и электромагниты. A device for moving a micromanipulator is also known, comprising an input link connected to a torsional vibration vibrator, an output link having a shaft and electromagnets.

Недостатком устройства также является невысокая нагрузочная способность [Авторское свидетельство СССР N 1073088, М. Кл B 25 J 7/00, 1984]. The disadvantage of this device is also low load capacity [USSR Author's Certificate N 1073088, M. Cl B 25 J 7/00, 1984].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является привод микроманипулятора, содержащий установленный в корпусе пьезопреобразователь, включающий, по крайней мере, две прямоугольные призмы, выполненные из пьезоматериала и расположенные вдоль штока с закрепленной на нем зубчатой рейкой. Шток установлен в корпусе на шариковых направляющих. Призмы соединены обращенными друг к другу основаниями с корпусом, а на одной из граней каждой из призм, обращенной к зубчатой рейке штока, установлена накладка с выступом по форме впадины между зубьями рейки. На каждой из двух других расположенных противоположно гранях закреплены параллельно ребрам призмы два электрода, при этом призмы подпружинены к корпусу пружинами в направлении к штоку [авт. св. СССР N 1271738, М. Кл B 25 J 7/00, 1986]. The closest in technical essence and the achieved result to the declared one is a micromanipulator drive containing a piezoelectric transducer installed in the housing, including at least two rectangular prisms made of piezomaterial and located along the rod with a gear rack fixed to it. The rod is installed in the housing on ball guides. The prisms are connected to each other by bases with the housing, and on one of the faces of each of the prisms facing the toothed rack of the rod, an overlay is installed with a protrusion in the form of a depression between the teeth of the rack. Two electrodes are mounted parallel to the edges of the prism on each of the other two opposite faces, while the prisms are spring-loaded to the housing by springs in the direction of the rod [ed. St. USSR N 1271738, M. Cl B 25 J 7/00, 1986].

Недостатком прототипа являются малые величины усилий, создаваемые приводом. The disadvantage of the prototype is the small amount of effort created by the drive.

Задача изобретения - повышение нагрузочной способности, диапазона перемещений, долговечности и точности позиционирования за счет использования в конструкции привода микроманипулятора гидравлической системы. The objective of the invention is to increase the load capacity, range of movement, durability and accuracy of positioning due to the use in the design of the drive micromanipulator hydraulic system.

Поставленная задача достигается тем, что привод микроманипулятора, содержащий пьезоэлемент и схват, в отличие от прототипа выполнен в виде пьезонасоса, состоящего из пьезоэлемента, выполненного деформируемым и подвижным и регулируемым с помощью винта, двух эластичных элементов конструкции, двух каналов пьезонасоса, снабженных двумя стаканами, расположенных в них двумя клапанами, каждый из которых представляет собой пьезокристалл, цилиндра с поршнем и рабочей жидкости, причем каналы соединены с полостью цилиндра, а к поршню прикреплен схват. This object is achieved in that the micromanipulator drive containing a piezoelectric element and a gripper, in contrast to the prototype, is made in the form of a piezoelectric pump, consisting of a piezoelectric element made of a deformable and movable and adjustable using a screw, two elastic structural elements, two channels of the piezoelectric pump, equipped with two glasses, located in them by two valves, each of which is a piezocrystal, a cylinder with a piston and a working fluid, and the channels are connected to the cylinder cavity, and attached to the piston grip.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых конусов. In addition, in the drive of the micromanipulator, unlike the prototype, the elastic structural elements are made in the form of deformable cones.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых внутренних поверхностей конусов. In addition, in the drive of the micromanipulator, unlike the prototype, the elastic structural elements are made in the form of deformable inner surfaces of the cones.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа эластичные элементы конструкции выполнены в виде накладок на деформируемом и подвижном элементе пьезонасоса. In addition, in the drive of the micromanipulator, unlike the prototype, the elastic structural elements are made in the form of overlays on the deformable and movable element of the piezo pump.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде пьезокристалла. In addition, in the drive of the micromanipulator, unlike the prototype, the deformable and movable piezoelectric structure is made in the form of a piezocrystal.

Кроме того, в приводе микроманипулятора в отличие от прототипа деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде рычага, соединенным с пьезокристаллом. In addition, in the drive of the micromanipulator, unlike the prototype, the deformable and movable piezoelectric structure is made in the form of a lever connected to the piezocrystal.

Существо устройства пояснено чертежами. На фиг. 1 представлена конструкция привода микроманипулятора; на фиг. 2 - электрическая схема; на фиг. 3 - временная диаграмма сигналов управления пьезокристаллами; на фиг. 4 - вариант конструкции эластичного элемента; на фиг. 5 - варианты конструкций эластичного элемента и деформируемого и подвижного элемента. The essence of the device is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows the design of the drive of the micromanipulator; in FIG. 2 - electric circuit; in FIG. 3 is a timing chart of piezocrystal control signals; in FIG. 4 - design variant of the elastic element; in FIG. 5 - design options for the elastic element and the deformable and movable element.

Привод микроманипулятора (первый вариант) содержит пьезонасос, состоящий из деформируемого и подвижного элемента 1, который выполнен в виде пьезокристалла, регулируемого с помощью винта 2, и первого и второго эластичных элементов конструкции, которые выполнены в виде первого 3 и второго 4 конусов из эластичного материала, при этом в первом 5 и во втором 6 каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый 7 и второй 8 пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом 9 и во втором 10 стаканах, и рабочей жидкостью. При этом первый 5 и второй 6 каналы соединены с полостью цилиндра 11, к поршню 12 которого прикреплен схват 13. The micromanipulator drive (the first option) contains a piezo pump, consisting of a deformable and movable element 1, which is made in the form of a piezocrystal, adjustable with screw 2, and the first and second elastic structural elements, which are made in the form of the first 3 and second 4 cones of elastic material while in the first 5 and in the second 6 channels of the pyezonasos the first and second valves are located, which are the first 7 and second 8 piezoelectric crystals, each installed respectively in the first 9 and second 10 glasses, working fluid. In this case, the first 5 and second 6 channels are connected to the cavity of the cylinder 11, to the piston 12 of which the tong 13 is attached.

Привод микроманипулятора (второй вариант) содержит пьезонасос, состоящий из деформируемого и подвижного элемента 1, регулируемого с помощью винта 2, и первого и второго эластичных элементов конструкции, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 внутренних поверхностей конусов из эластичного материала, при этом в первом 5 и во втором 6 каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый 7 и второй 8 пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом 9 и во втором 10 стаканах, и рабочей жидкостью, при этом первый 5 и второй 6 каналы соединены с полостью цилиндра 11, к поршню 12 которого прикреплен схват 13. The micromanipulator drive (second option) contains a piezo pump, consisting of a deformable and movable element 1, adjustable with a screw 2, and the first and second elastic structural elements, which are made in the form of the first 3 and second 4 inner surfaces of the cones of elastic material, while the first 5 and second 6 channels of the piezo pump are the first and second valves, which are the first 7 and second 8 piezo crystals, each installed in the first 9 and second 10 glasses, respectively, and the working fluid w, wherein the first 5 and second 6 channel connected with the cylinder 11, the piston 12 of which gripper 13 is attached.

Привод микроманипулятора (третий вариант) содержит пьезонасос, состоящий из деформируемого и подвижного элемента 1, выполненного в виде рычага, соединенным с пьезокристаллом, регулируемого с помощью винта 2, и первого и второго эластичных элементов конструкции, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 накладок на подвижном элементе насоса, при этом в первом 5 и во втором 6 каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый 7 и второй 8 пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом 9 и во втором 10 стаканах, и рабочей жидкостью, при этом первый 5 и второй 6 каналы соединены с полостью цилиндра 11, к поршню 12 которого прикреплен схват 13. The micromanipulator drive (third option) contains a piezo pump, consisting of a deformable and movable element 1, made in the form of a lever connected to the piezoelectric crystal, adjustable with screw 2, and the first and second elastic structural elements, which are made in the form of the first 3 and second 4 overlays on the movable element of the pump, while in the first 5 and second 6 channels of the piezo pump, the first and second valves are located, which are the first 7 and second 8 piezo crystals, each installed respectively in the first 9 and in the second 10 glasses, and the working fluid, while the first 5 and second 6 channels are connected to the cavity of the cylinder 11, to the piston 12 of which the tong 13 is attached.

Устройство работает следующим образом (первый вариант). Система управления генерирует сигналы, представленные на фиг. 3, где U1 - сигнал, подаваемый на первый 7 и второй 8 пьезокристаллы и вызывающий сокращение их размера, тем самым открывая и закрывая первый 5 и второй 6 каналы. Одновременно генерируется сигнал U2, вызывающий отклонение деформируемого и подвижного элемента 1, выполненного в виде пьезокристалла в сторону, определяемую полярностью сигнала, вызывая смятие первого или второго эластичных элементов, которые выполнены в виде первого 3 и второго 4 конусов из эластичного материала, для создания избыточного давления в соответствующей полости цилиндра 11, что приводит к перемещению поршня 12 с закрепленным на нем схватом 13 в сторону полости с более низким давлением. The device operates as follows (first option). The control system generates the signals shown in FIG. 3, where U1 is the signal supplied to the first 7 and second 8 piezoelectric crystals and causing a reduction in their size, thereby opening and closing the first 5 and second 6 channels. At the same time, a signal U2 is generated, causing the deformed and movable element 1 to be deflected in the form of a piezocrystal to the side determined by the polarity of the signal, causing the first or second elastic elements, which are made in the form of the first 3 and second 4 cones of elastic material, to create excess pressure in the corresponding cavity of the cylinder 11, which leads to the displacement of the piston 12 with the tong 13 fixed on it towards the cavity with a lower pressure.

Устройство работает следующим образом (второй вариант). Система управления генерирует сигналы, представленные на фиг. 3. где U1 - сигнал, подаваемый на первый 7 и второй 8 пьезокристаллы и вызывающий сокращение их размера, тем самым открывая и закрывая первый 5 и второй 6 каналы. Одновременно генерируется сигнал U2, вызывающий отклонение деформируемого и подвижного элемента 1 в сторону, определяемую полярностью сигнала, вызывая вхождение элемента 1 внутрь конуса и смятие первого или второго эластичных элементов, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 внутренних поверхностей конусов из эластичного материала, для создания избыточного давления в соответствующей полости цилиндра 11, что приводит к перемещению поршня 12 с закрепленным на нем схватом 13 в сторону полости с более низким давлением. The device operates as follows (second option). The control system generates the signals shown in FIG. 3. where U1 is the signal supplied to the first 7 and second 8 piezocrystals and causing a reduction in their size, thereby opening and closing the first 5 and second 6 channels. At the same time, a signal U2 is generated, causing the deformed and movable element 1 to deviate to the side, determined by the signal polarity, causing the element 1 to enter the cone and crush the first or second elastic elements, which are made in the form of the first 3 and second 4 inner surfaces of the cones of elastic material, for creating excess pressure in the corresponding cavity of the cylinder 11, which leads to the displacement of the piston 12 with a grip 13 fixed to it towards the cavity with a lower pressure.

Устройство работает следующим образом (третий вариант). Система управления генерирует сигналы, представленные на фиг. 3, где U1 - сигнал, подаваемый на первый 7 и второй 8 пьезокристаллы и вызывающий сокращение их размера, тем самым открывая и закрывая первый 5 и второй 6 каналы. Одновременно генерируется сигнал U2, вызывающий отклонение деформируемого и подвижного элемента 1, выполненного в виде рычага, соединенным с пьезокристаллом в сторону, определяемую полярностью сигнала, вызывая смятие первого или второго эластичных элементов, которые выполнены в виде первой 3 и второй 4 накладок на подвижном элементе насоса, для создания избыточного давления в соответствующей полостью цилиндра 11, что приводит к перемещению поршня 12 с закрепленным на нем схватом 13 в сторону полости с более низким давлением. The device operates as follows (third option). The control system generates the signals shown in FIG. 3, where U1 is the signal supplied to the first 7 and second 8 piezoelectric crystals and causing a reduction in their size, thereby opening and closing the first 5 and second 6 channels. At the same time, a signal U2 is generated, causing the deformed and movable element 1 to deviate, made in the form of a lever, connected to the piezocrystal to the side determined by the signal polarity, causing the first or second elastic elements to be crushed, which are made in the form of the first 3 and second 4 overlays on the pump moving element , to create excess pressure in the corresponding cavity of the cylinder 11, which leads to the displacement of the piston 12 with a grip 13 fixed on it towards the cavity with a lower pressure.

Итак, преимущество достигается тем, что используются пьезокристаллы в качестве запирающих клапанов, которые перекрывают каналы в отсутствие напряжения. Достигается большая нагрузочная способность за счет того, что механические усилия создаются не напрямую пьезокристаллом, а передаются через рабочую жидкость, несжимаемость которой обеспечивает жесткость конструкции и соответственно точность позиционирования. Повышение долговечности достигается за счет одновременной смазки деталей конструкции рабочей жидкостью и малого числа механических контактов, а следовательно, и трения. So, the advantage is achieved in that piezocrystals are used as shut-off valves that block the channels in the absence of voltage. A large load capacity is achieved due to the fact that mechanical forces are not created directly by the piezocrystal, but transmitted through the working fluid, whose incompressibility ensures rigidity of the structure and, accordingly, positioning accuracy. Increased durability is achieved due to the simultaneous lubrication of structural parts with a working fluid and a small number of mechanical contacts, and hence friction.

Claims (6)

1. Привод микроманипулятора, содержащий пьезоэлемент и схват, отличающийся тем, что привод выполнен в виде пьезонасоса, состоящего из пьезоэлемента, выполненного деформируемым и подвижным и регулируемым с помощью винта, двух эластичных элементов конструкции, двух каналов пьезонасоса, снабженных двумя стаканами, расположенньми в них двумя клапанами, каждый из которых представляет собой пьезокристалл, цилиндра с поршнем и рабочей жидкости, причем каналы соединены с полостью цилиндра, а к поршню прикреплен схват. 1. The drive of the micromanipulator containing a piezoelectric element and a grip, characterized in that the actuator is made in the form of a piezoelectric pump, consisting of a piezoelectric element made deformable and movable and adjustable with a screw, two elastic structural elements, two channels of the piezoelectric pump equipped with two glasses located in them two valves, each of which is a piezocrystal, a cylinder with a piston and a working fluid, the channels being connected to the cylinder cavity and a grip attached to the piston. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых конусов. 2. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic structural elements are made in the form of deformable cones. 3. Привод по п.1, отличающийся тем, что эластичные элементы конструкции выполнены в виде деформируемых внутренних поверхностей конусов. 3. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic structural elements are made in the form of deformable inner surfaces of the cones. 4. Привод по п.1, отличающийся тем, что эластичные элементы конструкции выполнены в виде накладок на деформируемом и подвижном пьезоэлементе пьезонасоса. 4. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic structural elements are made in the form of pads on a deformable and movable piezoelectric element of the piezo pump. 5. Привод по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде пьезокристалла. 5. A drive according to any one of claims 1 and 4, characterized in that the deformable and movable piezoelectric element of the structure is made in the form of a piezocrystal. 6. Привод по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что деформируемый и подвижный пьезоэлемент конструкции выполнен в виде рычага, соединенного с пьезокристаллом. 6. The drive according to any one of claims 1 and 4, characterized in that the deformable and movable piezoelectric element of the structure is made in the form of a lever connected to the piezoelectric crystal.
RU2000101111A 2000-01-12 2000-01-12 Actuator for micromanipulator RU2175601C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000101111A RU2175601C2 (en) 2000-01-12 2000-01-12 Actuator for micromanipulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000101111A RU2175601C2 (en) 2000-01-12 2000-01-12 Actuator for micromanipulator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000101111A RU2000101111A (en) 2001-10-27
RU2175601C2 true RU2175601C2 (en) 2001-11-10

Family

ID=20229446

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000101111A RU2175601C2 (en) 2000-01-12 2000-01-12 Actuator for micromanipulator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2175601C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2475354C2 (en) * 2011-01-27 2013-02-20 Вадим Израилович Раховский High-precision positioner
RU2576389C1 (en) * 2015-03-16 2016-03-10 Анатолий Александрович Рыбаков Ways to synchronize movement of the piston in antiphase

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2475354C2 (en) * 2011-01-27 2013-02-20 Вадим Израилович Раховский High-precision positioner
RU2576389C1 (en) * 2015-03-16 2016-03-10 Анатолий Александрович Рыбаков Ways to synchronize movement of the piston in antiphase

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7205704B2 (en) Valve control device
US5229679A (en) Microdrive apparatus
JPH0440951B2 (en)
US6291928B1 (en) High bandwidth, large stroke actuator
US11799397B2 (en) Inertia drive motor and method for controlling such motor
RU2175601C2 (en) Actuator for micromanipulator
JP6810328B2 (en) Piezoelectric actuators and piezo valves
US5074654A (en) Hydraulic actuators for optical systems
EP3332475B1 (en) Actuator for operating an adjusting element
CN109514594A (en) A kind of piezo mechanical hand and its control method based on spherical joint
US11396928B2 (en) Actuator with a parallel eccentric gear train driven by a mechanically amplified piezoelectric assembly
JPH11103583A (en) Drive unit using electro-mechanical converter and drive pulse generator adapted to its drive
JP2009050142A (en) Drive unit
JPWO2016006333A1 (en) Actuator
CN1526483A (en) Completely flexible three-freedom miniature vibration exciter
RU2475354C2 (en) High-precision positioner
Kanda et al. A small three-way hydraulic valve using particle excitation controlled by one piezoelectric transducer
CN110661445B (en) Parallel three-degree-of-freedom piezoelectric resonance self-actuating mechanism and excitation method thereof
CN1845443B (en) High-precision linear driver with arbitrary distance of run
CN108063564B (en) Novel friction type linear piezoelectric driver
RU2266811C1 (en) Rotation drive of micro-manipulator
JP4578799B2 (en) Piezoelectric actuator and electronic device using the same
JP4198853B2 (en) Hybrid actuator
RU2259913C1 (en) Two-way piezoelectro-mechanic micro-drive unit
CN204577109U (en) Two dimension series connection small size worktable