RU224439U1

RU224439U1 - Angular movement actuator

Info

Publication number: RU224439U1
Application number: RU2024100267U
Authority: RU
Inventors: Павел Анатольевич Грахов; Елизавета Павловна Грахова; Григорий Сергеевич Воронков; Руслан Владимирович Кутлуяров
Filing date: 2024-01-10
Publication date: 2024-03-22

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, конкретно к электрическим устройствам малых угловых перемещений. Сущность заявленной полезной модели заключается в следующем. Исполнительное устройство угловых перемещений содержит консольно-установленные на жестком основании биморфную прямоугольную пластину, состоящую из скрепленных друг с другом слоев, как минимум один из которых выполнен из поляризованной по толщине пьезокерамики с расположенными по ее плоскостям электродами, а также поворотный элемент, на котором установлен перемещаемый объект, связанный через соединитель со свободным концом биморфной пластиной. Технический результат заявленного решения заключается в повышении точности углового позиционирования. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. The utility model relates to the field of electrical engineering, specifically to electrical devices of small angular displacements. The essence of the claimed utility model is as follows. The angular displacement actuator contains a cantilever-mounted bimorph rectangular plate on a rigid base, consisting of layers bonded to each other, at least one of which is made of thickness-polarized piezoceramics with electrodes located along its planes, as well as a rotating element on which a movable an object connected through a connector to the free end by a bimorph plate. The technical result of the claimed solution is to increase the accuracy of angular positioning. 3 salary f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, конкретно к электрическим устройствам малых угловых перемещений, и может быть использована как исполнительный элемент в узлах высокоточных систем автоматической юстировки оптических элементов, в оптико-механических устройствах, в медицинском оборудовании, в системах автоматического наведения, для коррекции кинематических цепей в высокоточных станках и т.д.The utility model relates to the field of electrical engineering, specifically to electrical devices of small angular movements, and can be used as an actuator in units of high-precision systems for automatic adjustment of optical elements, in optical-mechanical devices, in medical equipment, in automatic guidance systems, for the correction of kinematic chains in high-precision machines, etc.

Известно устройство угловых перемещений, содержащее закрепленный на основании двухслойный прямоугольный элемент, слои которого выполнены из материалов с различными по знаку коэффициентами магнитострикции, и обмотку продольного намагничивания. На свободном конце в поперечном направлении закреплена жесткая пластина из неферромагнитного материала [А.С. СССР №01371481, H01L 41/12, опубликовано 07.07.93]. A device for angular movements is known, containing a two-layer rectangular element fixed on a base, the layers of which are made of materials with magnetostriction coefficients of different signs, and a longitudinal magnetization winding. A rigid plate made of non-ferromagnetic material is fixed at the free end in the transverse direction [A.S. USSR No. 01371481, H01L 41/12, published 07.07.93].

Недостатком аналога является невысокая точность углового позиционирования, т.к. свободный конец, где соосно с пластиной устанавливается перемещаемый объект, помимо угловых перемещений совершает линейные перемещения и, кроме того, в силу четности магнитострикционного эффекта угловые перемещения нагрузки возможны только одного знака.The disadvantage of the analogue is the low accuracy of angular positioning, because the free end, where the object being moved is installed coaxially with the plate, in addition to angular movements, performs linear movements and, in addition, due to the parity of the magnetostrictive effect, angular movements of the load are only possible of one sign.

Известно устройство перемещений, содержащее консольно-закрепленный на основании двухслойный прямоугольный элемент, биморфную пьезокерамическую пластину с соосно установленным на свободном конце перемещаемым объектом и блок управления – регулируемый источник напряжения, подключенный к электродам слоев пластины [Никольский А.А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. М. : Энергоиздат, 1988, с.9]. Устройство позволяет осуществлять статические и динамические перемещения объекта разного знака в зависимости от знака напряжения.A displacement device is known that contains a two-layer rectangular element mounted on a cantilever at the base, a bimorph piezoceramic plate with a movable object coaxially installed at the free end, and a control unit - an adjustable voltage source connected to the electrodes of the plate layers [Nikolsky A.A. Precise two-channel servo electric drives with piezo compensators. M.: Energoizdat, 1988, p.9]. The device allows for static and dynamic movements of an object of different signs depending on the sign of the voltage.

Недостатком аналога является то, что свободный конец пластины помимо угловых перемещений также совершает линейные перемещения, что не обеспечивает точность позиционирования объекта, и помимо этого при заметной массе нагрузки еще дополнительно снижает быстродействие устройства.The disadvantage of the analogue is that the free end of the plate, in addition to angular movements, also makes linear movements, which does not ensure the accuracy of object positioning, and in addition, with a noticeable load mass, it further reduces the performance of the device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство угловых перемещений пьезоэлектрического дефлектора [И.А. Кошкин, А.Б. Смирнов. Пьезоэлектрический двухкоординатный дефлектор маркирующего лазера. Изв. Вузов. Приборостроение 2010, т.53, №2, с. 29-33], содержащее в составе отклоняющей системы по одной оси два биморфных пьезоэлемента (пластины прямоугольной формы), консольно-закрепленных на основании и расположенных симметрично и встречно вдоль продольной оси. Между ними, через соединители – упругие пластины и шарниры, установлен поворотный элемент (стакан качания) с закрепленным на нем перемещаемым объектом (отражающим зеркалом) и источник регулируемого напряжения. При подаче напряжения на оба пьезоэлемента напряжения противоположной полярности биморфные элементы изгибаются в разные стороны от исходного положения и поворачивают стакан качания с зеркалом через соединители – упругие элементы и шарниры на некоторый угол.The closest in technical essence and achieved result to the claimed one is a device for angular movements of a piezoelectric deflector [I.A. Koshkin, A.B. Smirnov. Piezoelectric two-coordinate deflector of a marking laser. Izv. Universities. Instrument Engineering 2010, v. 53, no. 2, p. 29-33], containing as part of the deflection system along one axis two bimorph piezoelements (rectangular plates), cantilever-mounted on the base and located symmetrically and counter along the longitudinal axis. Between them, through connectors - elastic plates and hinges, a rotating element (oscillating glass) with a movable object (reflecting mirror) fixed to it and an adjustable voltage source are installed. When a voltage of opposite polarity is applied to both piezoelectric elements, the bimorph elements bend in different directions from the initial position and rotate the swing glass with the mirror through connectors - elastic elements and hinges at a certain angle.

Недостатком прототипа является то, что наличие упругих элементов и шарниров снижает чувствительность и точность (особенно в динамике), существенно ограничивает надежность и конструкционную жесткость механической системы движитель – перемещаемый объект, снижает динамические характеристики, особенно при заметной инерционности нагрузки, требует применения двух пьезоэлементов и имеет значительные продольные габариты. The disadvantage of the prototype is that the presence of elastic elements and hinges reduces sensitivity and accuracy (especially in dynamics), significantly limits the reliability and structural rigidity of the mechanical system of the propulsion unit - the moved object, reduces the dynamic characteristics, especially with noticeable inertia of the load, requires the use of two piezoelements and has significant longitudinal dimensions.

Задача полезной модели – уменьшение габаритов исполнительного устройства угловых перемещений, при обеспечении жесткости и надежности механической системы исполнительное устройство – перемещаемый объект.The purpose of the utility model is to reduce the dimensions of the actuator for angular movements, while ensuring the rigidity and reliability of the mechanical system, the actuator is the object being moved.

Технический результат предлагаемого исполнительного устройства угловых перемещений – повышение точности углового позиционирования.The technical result of the proposed actuator for angular movements is to increase the accuracy of angular positioning.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство угловых перемещений содержит консольно-установленную на жестком основании биморфную прямоугольную пластину, состоящую из скрепленных друг с другом слоев, как минимум один из которых выполнен из поляризованной по толщине пьезокерамики с расположенными по ее плоскостям электродами, а также поворотный элемент, на котором установлен регулируемый источник напряжения и перемещаемый объект, связанный через соединитель со свободным концом биморфной пластиной. В отличие от прототипа, поворотный элемент выполнен в виде жесткого стержня длиной не менее половины длины биморфной пластины, и его продольная ось расположена параллельно и в одной плоскости с серединной плоскостью биморфной пластины, при этом соединитель выполнен в виде расположенной перпендикулярно пластине и поворотному элементу жесткой планки, а ось вращения перемещаемого объекта расположена на расстоянии, равном половине длины биморфной пластины от места соединения поворотного элемента с ее свободным концом. The problem posed is solved, and the technical result is achieved by the fact that the angular displacement device contains a cantilever-mounted bimorph rectangular plate on a rigid base, consisting of layers bonded to each other, at least one of which is made of piezoceramics polarized in thickness with electrodes located along its planes , as well as a rotating element on which an adjustable voltage source and a movable object are mounted, connected through a connector to the free end of a bimorph plate. Unlike the prototype, the rotating element is made in the form of a rigid rod with a length of at least half the length of the bimorph plate, and its longitudinal axis is located parallel and in the same plane with the middle plane of the bimorph plate, while the connector is made in the form of a rigid bar located perpendicular to the plate and the rotating element, and the axis of rotation of the moved object is located at a distance equal to half the length of the bimorph plate from the junction of the rotating element with its free end.

Согласно полезной модели, второй слой биморфной пластины может быть выполнен пассивным из жесткого конструкционного материала, например, из металла с таким же коэффициентом линейного температурного расширения, как и у материала пьезокерамического слоя биморфной пластины. Согласно полезной модели, коэффициент температурного расширения конструкционного материала пассивного слоя может быть равен коэффициенту линейного температурного расширения материала пьезокерамического слоя биморфной пластины. Согласно полезной модели, поворотный элемент может быть выполнен из жесткого материала, коэффициент линейного температурного расширения которого в два раза выше чем у материалов слоев биморфной пластины.According to the utility model, the second layer of the bimorph plate can be made passive from a rigid structural material, for example, from a metal with the same coefficient of linear thermal expansion as the material of the piezoceramic layer of the bimorph plate. According to the utility model, the coefficient of thermal expansion of the structural material of the passive layer can be equal to the coefficient of linear thermal expansion of the material of the piezoceramic layer of the bimorph plate. According to the utility model, the rotary element can be made of a rigid material, the coefficient of linear thermal expansion of which is twice as high as that of the materials of the layers of the bimorph plate.

Сущность устройства поясняется чертежом с двумя проекциями (фиг. 1 – основной вид и фиг. 2 – вид сверху), на которых представлено исполнительное устройство угловых перемещений. The essence of the device is illustrated by a drawing with two projections (Fig. 1 - main view and Fig. 2 - top view), which shows the angular movement actuator.

Исполнительное устройство угловых перемещений состоит из консольноустановленной на жестком основании 1 биморфной прямоугольной пластины 2, состоящей из скрепленных друг с другом слоев 3, как минимум один из которых выполнен из поляризованной по толщине пьезокерамики с расположенными по ее плоскостям электродами 4, а также поворотного элемента 5, на котором установлен перемещаемый объект 6, соединенный со свободным концом биморфной пластины. От внешнего источника напряжения 7 питание подводится к электродам 4. Поворотный элемент 5 выполнен в виде жесткого стержня (это может быть пластина или прямоугольная призма), длиной не менее половины длины биморфной пластины, и его продольная ось расположена параллельно и в одной плоскости с серединной плоскостью биморфной пластины. Поворотный элемент 5 соединен со свободным концом биморфной пластины 2, (например, как показано на фиг.1 и фиг.2) посредством соединителя, при этом соединитель выполнен в виде жесткой планки 8, расположенной перпендикулярно пластине и поворотному элементу и закрепленной с пластиной по всей ее ширине b и с поворотным элементом по его ширине с небольшим зазором между боковыми торцами пластины и поворотного элемента. Планка 8 может располагаться и снизу (фиг.1 – показано пунктиром) и даже с торца. Их может быть и две – сверху и снизу. Ось вращения 10 перемещаемого объекта 6 расположена на расстоянии равном половине длины биморфной пластины 2 от места соединения элемента 5 с ее свободным концом в направлении другого конца биморфной пластины 2, закрепленного на основании 1.The angular displacement actuator consists of a bimorph rectangular plate 2 mounted on a rigid base 1, consisting of layers 3 bonded to each other, at least one of which is made of piezoelectric ceramics polarized in thickness with electrodes 4 located along its planes, as well as a rotary element 5, on which a movable object 6 is installed, connected to the free end of the bimorph plate. From an external voltage source 7, power is supplied to the electrodes 4. The rotating element 5 is made in the form of a rigid rod (it can be a plate or a rectangular prism), with a length of at least half the length of the bimorph plate, and its longitudinal axis is parallel and in the same plane with the middle plane of the bimorph plate. The rotating element 5 is connected to the free end of the bimorph plate 2 (for example, as shown in Fig. 1 and Fig. 2) via a connector, the connector being made in the form of a rigid strip 8 located perpendicular to the plate and the rotating element and secured to the plate throughout its width b and with a rotating element along its width with a small gap between the side ends of the plate and the rotating element. Plank 8 can be located at the bottom (Fig. 1 - shown in dotted lines) and even at the end. There may be two of them - above and below. The axis of rotation 10 of the moved object 6 is located at a distance equal to half the length of the bimorph plate 2 from the junction of the element 5 with its free end in the direction of the other end of the bimorph plate 2, fixed to the base 1.

Исполнительное устройство угловых перемещений работает следующим образом. При подаче напряжения U от источника 7 на электроды 4 поляризованных встречно слоев 3 биморфной пластины нижний слой удлиняется (знак «+» на фиг. 1), а верхний укорачивается (знак «–» на фиг. 1), пластина 3 изгибается (см. фиг.1 линия изгиба 9) и относительно продольной оси перемещает соединитель-планку 8 и связанный с ней поворотный элемент 5 вверх (фиг.1) на величину Δξ =3·d ₃₁ Ul ²/Z² [Никольский А.А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. М.: Энергоиздат, 1988, с.19], при этом еще поворачивая элемент 5 и закрепленный на нем объект 6 относительно продольной оси на небольшой угол Δϕ=6·d ₃₁ Ul ²/Z ². При этом ось вращения 10 перемещаемого объекта 6, располагаясь на расстоянии l/2 от места соединения (поперечной планки 8), не смещается вверх или вниз, так как место соединения одновременно совершает встречное линейное движение вниз и в силу малости угла поворота – на величину, равную Δξ=Δϕ·l/2 = 3·d ₃₁ Ul ²/Z ² [А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, В. В. Григорьев, П. В. Карев. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. – СПб: Университет ИТМО, 2017, с.48]. Таким образом, перемещаемый объект относительно своей оси не перемещается вверх или вниз, а совершает практически только вращательное движение, не увеличивая инерционность нагрузки, следовательно, повышая быстродействие устройства. Выше обозначены: l и Z, b – активная длина, толщина и ширина биморфной пластины; d ₃₁ – пьезомодуль материала. Величина и знак углового перемещения объекта 6 регулируется величиной и полярностью подаваемого от источника 7 напряжения U на внутренние и внешние электроды 4 слоев 3 биморфной пластины 2. В ряде случаев поворотный элемент может иметь более значительные продольные габариты и выполнять функции непосредственно перемещаемого объекта (см. фиг. 2, позиция 5-6) с таким же, как и ранее расположением оси вращения 10, однако за счет параллельного и встречно-направленного размещения биморфной пластины 2 и поворотного элемента 5 продольные габариты исполнительного устройства существенно снижаются. The angular movement actuator operates as follows. When voltage U is applied from the source 7 to the electrodes 4 of counter-polarized layers 3 of the bimorph plate, the bottom layer is lengthened (the “+” sign in Fig. 1), and the top layer is shortened (the “–” sign in Fig. 1), the plate 3 is bent (see. Fig.1 bending line 9) and relative to the longitudinal axis moves the connector-bar 8 and the associated rotary element 5 upward (Fig.1) by an amount Δξ =3· d ₃₁ Ul ² /Z ² [Nikolsky A.A. Precise two-channel servo electric drives with piezo compensators. M.: Energoizdat, 1988, p. 19], while still rotating the element 5 and the object 6 attached to it relative to the longitudinal axis by a small angle Δϕ= 6 · d ₃₁ Ul ² / Z ² . In this case, the axis of rotation 10 of the moved object 6, located at a distance l /2 from the connection point (transverse bar 8), does not move up or down, since the connection point simultaneously makes a counter linear movement downwards and, due to the small angle of rotation, by an amount equal to Δξ=Δϕ· l / 2 = 3· d ₃₁ Ul ² / Z ² [A. A. Bobtsov, V. I. Boykov, S. V. Bystrov, V. V. Grigoriev, P. V. Karev. Actuators and systems for micro-movements. – St. Petersburg: ITMO University, 2017, p.48]. Thus, the object being moved relative to its axis does not move up or down, but performs almost only rotational motion, without increasing the inertia of the load, therefore, increasing the performance of the device. Above are indicated: l and Z, b – active length, thickness and width of the bimorph plate; d ₃₁ – piezomodulus of the material. The magnitude and sign of the angular movement of the object 6 is controlled by the magnitude and polarity of the voltage U supplied from the source 7 to the internal and external electrodes 4 of layers 3 of the bimorph plate 2. In some cases, the rotating element may have larger longitudinal dimensions and perform the functions of a directly moved object (see Fig. 2, position 5-6) with the same arrangement of the rotation axis 10 as before, however, due to the parallel and counter-directional placement of the bimorph plate 2 and the rotary element 5, the longitudinal dimensions of the actuator are significantly reduced.

Выполнение одного слоя биморфной пластины пассивным из жесткого материала, например, из металла повышает жесткость и конструкционную надежность устройства, обеспечивает температурную стабильность, за счет выбора материала пассивного слоя с коэффициентом линейного температурного расширения равным коэффициенту линейного температурного расширения материала пьезокерамического слоя биморфной пластины. В этом случае отсутствуют нежелательные термодинамические изгибные деформации биморфной пластины.Making one layer of a bimorph plate passive from a rigid material, for example, metal, increases the rigidity and structural reliability of the device, ensures temperature stability, due to the choice of a passive layer material with a coefficient of linear thermal expansion equal to the coefficient of linear thermal expansion of the material of the piezoceramic layer of the bimorph plate. In this case, there are no unwanted thermodynamic bending deformations of the bimorph plate.

Для уменьшения температурных продольных смещений оси 10, целесообразно выбрать материал поворотного элемента, имеющий коэффициент линейного температурного расширения в два раза больший, чем таковой у материалов биморфной пластины 2. Так как в этом случае ось вращения 10 не будет перемещаться продольно при изменениях температуры, свободный конец биморфной пластины при увеличении или уменьшении температуры сместится по продольной оси пропорционально коэффициенту линейного температурного расширения материала биморфной пластины, а за счет встречного расположения поворотного элемента его тепловые продольные деформации будут направлены в противоположную сторону. Если коэффициент линейного температурного расширения материала поворотного элемента в два раза выше, то его продольные деформации до положения оси вращения 10, будут такими же в продольном направлении, и положение оси вращения 10 не изменится. To reduce the temperature longitudinal displacements of the axis 10, it is advisable to choose a material for the rotary element that has a coefficient of linear thermal expansion twice as large as that of the materials of the bimorph plate 2. Since in this case the axis of rotation 10 will not move longitudinally with temperature changes, the free end When the temperature increases or decreases, the bimorph plate will shift along the longitudinal axis in proportion to the coefficient of linear thermal expansion of the material of the bimorph plate, and due to the opposite position of the rotating element, its thermal longitudinal deformations will be directed in the opposite direction. If the coefficient of linear thermal expansion of the material of the rotary element is twice as high, then its longitudinal deformations to the position of the rotation axis 10 will be the same in the longitudinal direction, and the position of the rotation axis 10 will not change.

Предлагаемое исполнительное устройство угловых перемещений расширяет область применения подобных технических решений в высокоточных системах микроперемещений за счет увеличения точности углового перемещений исполнительных органов, снижения габаритов, повышения жесткости системы устройство перемещения – исполнительный орган (перемещаемый объект), более высокой конструкционной надежности за счет исключения шарниров и упругих элементов. Использование предложенного устройства в высокоточных системах микроперемещений позволяет контролировать направление угловых перемещений, уменьшить влияние температурного коэффициента теплового расширения на точность позиционирования перемещаемого объекта.The proposed actuator for angular movements expands the scope of application of such technical solutions in high-precision micro-movement systems by increasing the accuracy of the angular movements of the actuators, reducing dimensions, increasing the rigidity of the system of movement device - actuator (movable object), higher structural reliability due to the elimination of hinges and elastic elements. The use of the proposed device in high-precision micro-movement systems makes it possible to control the direction of angular movements and reduce the influence of the temperature coefficient of thermal expansion on the positioning accuracy of the moved object.

Claims

1. An angular displacement actuator containing a cantilever-mounted bimorph rectangular plate on a rigid base, consisting of layers bonded to each other, at least one of which is made of thickness-polarized piezoceramics with electrodes located along its planes, as well as a rotating element on in which a movable object is installed, connected through a connector to the free end of the bimorph plate, characterized in that the rotary element is made in the form of a rigid rod with a length of at least half the length of the bimorph plate, and its longitudinal axis is located parallel and in the same plane with the middle plane of the bimorph plate, with In this case, the connector is made in the form of a rigid bar located perpendicular to the plate and the rotating element, and the axis of rotation of the moved object is located at a distance equal to half the length of the bimorph plate from the junction of the element with its free end.

2. The angular displacement actuator according to claim 1, characterized in that the second layer of the bimorph plate is made passive of a rigid structural material.

3. The angular displacement actuator according to claim 2, characterized in that the coefficient of thermal expansion of the structural material of the passive layer is equal to the coefficient of linear thermal expansion of the material of the piezoceramic layer of the bimorph plate.

4. An angular displacement actuator according to claims 1-3, characterized in that the rotary element is made of a material whose coefficient of linear thermal expansion is twice as high as that of the materials of the layers of the bimorph plate.