RU2475354C2 - High-precision positioner - Google Patents
High-precision positioner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2475354C2 RU2475354C2 RU2011103005/07A RU2011103005A RU2475354C2 RU 2475354 C2 RU2475354 C2 RU 2475354C2 RU 2011103005/07 A RU2011103005/07 A RU 2011103005/07A RU 2011103005 A RU2011103005 A RU 2011103005A RU 2475354 C2 RU2475354 C2 RU 2475354C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piston
- pistons
- bellows
- drive
- vessels
- Prior art date
Links
Landscapes
- Supply Devices, Intensifiers, Converters, And Telemotors (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к приводам микроманипуляторов, и может быть использовано для значительного перемещения объектов с высокоточным позиционированием и с приложением значительных усилий.The invention relates to precision instrumentation, in particular to drives of micromanipulators, and can be used to significantly move objects with high-precision positioning and with considerable effort.
Известен привод перемещения объектов, который 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, расположенными 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 перемещаемый объект (RU 2175601 [1]).A known drive for moving objects, which is made in the form of a piezo-pump, consisting of a piezoelectric element, made deformable and movable and adjustable with a screw, two elastic structural elements, two channels of the piezo-pump, equipped with two glasses located in them with two valves, each of which is a piezo-crystal , a cylinder with a piston and a working fluid, the channels being connected to the cylinder cavity, and a movable object attached to the piston (RU 2175601 [1]).
Недостатком известного устройства является невозможность создания больших усилий. Это обусловлено как самой конструкцией гидроцилиндра (двухполостной), так и конструктивных элементов пьезонасоса. Перекачка жидкости осуществляется за счет деформации эластичных элементов, поэтому создать высокое давление в рабочих объемах не представляется возможным.A disadvantage of the known device is the inability to create great effort. This is due to both the design of the hydraulic cylinder (two-cavity) and the structural elements of the piezo pump. Liquid transfer is carried out due to the deformation of the elastic elements, so it is not possible to create a high pressure in the working volumes.
Известны силовые магнитострикционные нанопозиционеры, позволяющие осуществлять сверхточное (дискретный шаг позиционирования до 0,01 нм) позиционирование со значительными (до нескольких тонн) усилиями на значительной (до 1 м) базе (V.I.Rakhovsky, «Super-precise nanopositioners for nanotechnology», Proc. of the International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Micro Systems, Moscow, p.115, 2003 [2]). Однако использование этих позиционеров осложняется тем, что конструктивно они являются двухступенчатыми, причем точная ступень допускает перемещение только в диапазоне длин 10-50 мкм. Эта особенность ограничивает их применение во многих приложениях, где требуется позиционирование с высокой точностью на достаточно протяженной базе без перехода от одной ступени перемещения к другой с сохранением высокоточного силового позиционирования.Power magnetostrictive nanopositioners are known that allow ultra-precise (discrete positioning step up to 0.01 nm) positioning with significant (up to several tons) forces on a significant (up to 1 m) base (VIRakhovsky, "Super-precise nanopositioners for nanotechnology", Proc. of the International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Micro Systems, Moscow, p. 115, 2003 [2]). However, the use of these positioners is complicated by the fact that they are structurally two-stage, and the exact stage allows movement only in the range of lengths 10-50 microns. This feature limits their application in many applications where positioning with high accuracy on a fairly long base is required without moving from one stage of movement to another while maintaining high-precision force positioning.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является устройство для точного позиционирования, содержащее два сообщающихся сосуда различного сечения, заполненные жидкостью и герметически закрытые подвижными поршнями. Устройство для точного позиционирования содержит привод, создающий усилие на одном из поршней, в качестве которого используется расширяющийся магнитостриктор (RU 2279755 [3])The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is a device for precise positioning, containing two communicating vessels of different sections, filled with liquid and hermetically closed by movable pistons. The device for accurate positioning contains a drive that creates a force on one of the pistons, which is used as an expanding magnetostrictor (RU 2279755 [3])
Недостатком известного устройства является его недостаточно высокая точность позиционирования, необходимая для целого ряда применений в нанотехнологиях при сохранении возможности перемещения на значительное расстояние с весьма высоким линейным разрешением и большими усилиями.A disadvantage of the known device is its insufficiently high positioning accuracy, which is necessary for a number of applications in nanotechnology, while maintaining the ability to move a considerable distance with a very high linear resolution and great effort.
Заявляемое устройство направлено на повышение точности позиционирования.The inventive device is aimed at improving the accuracy of positioning.
Указанный результат достигается тем, что устройство для точного позиционирования содержит два сообщающихся сосуда различного сечения, заполненные жидкостью и герметически закрытые подвижными поршнями и привод, создающий усилие на одном из поршней, при этом, по крайней мере один из сосудов снабжен по крайней мере одним средством изменения его подпоршневого объема, выполненным в виде перемещаемого внутрь его сильфона или мембраны малого диаметра, размещенных в его стенке или поршне.This result is achieved by the fact that the device for accurate positioning contains two communicating vessels of different sections, filled with liquid and hermetically closed by movable pistons and a drive that creates a force on one of the pistons, while at least one of the vessels is equipped with at least one means of change its sub-piston volume, made in the form of a bellows or a small-diameter membrane moved inside of it, located in its wall or piston.
Указанный результат достигается так же тем, что привод, создающий усилие на одном из поршней, выполнен в виде магнитостриктора.The specified result is achieved in the same way that the drive, creating a force on one of the pistons, is made in the form of a magnetostrictor.
Указанный результат достигается так же тем, что привод, создающий усилие на одном из поршней, выполнен в виде пьезоэлемента.The specified result is achieved in the same way that the drive, creating a force on one of the pistons, is made in the form of a piezoelectric element.
Указанный результат достигается так же тем, что привод перемещения мембраны малого диаметра выполнен в виде магнитостриктора.The indicated result is also achieved by the fact that the drive for moving the membrane of small diameter is made in the form of a magnetostrictor.
Указанный результат достигается так же тем, что привод перемещения мембраны малого диаметра выполнен в виде пьезоэлемента.The indicated result is also achieved by the fact that the drive for moving the membrane of small diameter is made in the form of a piezoelectric element.
Указанный результат достигается так же тем, что привод перемещения сильфона выполнен в виде магнитостриктора.The indicated result is also achieved by the fact that the bellows displacement drive is made in the form of a magnetostrictor.
Указанный результат достигается так же тем, что привод перемещения сильфона выполнен в виде пьезоэлемента.The specified result is achieved in the same way that the bellows displacement drive is made in the form of a piezoelectric element.
Поскольку величины перемещений поршней в сосудах большого и меньшего диаметров обратно пропорциональны квадрату отношения их диаметров, то выполнение устройства для точного позиционирования в виде двух сообщающихся сосудов различного сечения, заполненными жидкостью и герметически закрытыми подвижными поршнями позволяет обеспечить непрерывное перемещение поршня в сосуде меньшего диаметра на значительное расстояние с достижением значительных усилий, прикладываемых к объекту перемещения и с линейным разрешением, определяемым в свою очередь перемещением поршня большого диаметра. Поскольку даже при незначительных перемещениях поршня большого диаметра, поршень меньшего диаметра будет перемещаться на значительно большие расстояния, чем поршень большого диаметра, то для обеспечения прецизионных перемещений поршня меньшего диаметра необходимо осуществлять незначительные изменения объема их общего подпоршневого пространства. Для этого известное устройство и снабжается (по крайней мере один из сосудов) по крайней мере одним средством изменения его подпоршневого объема. При этом не существенно, где это средство размещено - в стенках сосудов или в самих поршнях. При наличии такого дополнения к известному устройству, выбранному в качестве прототипа, могут быть существенно снижены требования к точности позиционирования поршней за счет их перемещения, а значит, в качестве привода их перемещения может быть выбран любой из числа известных. Но наиболее целесообразно использовать привод, создающий усилие на одном из поршней в виде магнитостриктора или пьезоэлемента, поскольку они обладают большим КПД преобразования электрической энергии в механическую и могут обеспечить большие усилия с высокой точность позиционирования.Since the displacement of the pistons in the vessels of larger and smaller diameters is inversely proportional to the square of the ratio of their diameters, the implementation of the device for accurate positioning in the form of two communicating vessels of different sections, filled with liquid and hermetically sealed movable pistons allows for continuous movement of the piston in the vessel of smaller diameter for a considerable distance with the achievement of significant efforts applied to the object of displacement and with a linear resolution defined in its It’s the turn of moving a large diameter piston. Since even with small displacements of a large diameter piston, a smaller diameter piston will move significantly longer than a large diameter piston, insignificant changes in the volume of their total piston space are necessary to ensure precision movements of a smaller diameter piston. For this, the known device is supplied (at least one of the vessels) with at least one means of changing its piston volume. It doesn’t matter where this tool is located - in the walls of the vessels or in the pistons themselves. If there is such an addition to the known device selected as a prototype, the requirements for the accuracy of positioning of the pistons due to their movement can be significantly reduced, which means that any of the known ones can be selected as a drive for their movement. But it is most advisable to use a drive that creates a force on one of the pistons in the form of a magnetostrictor or a piezoelectric element, since they have a high efficiency of converting electrical energy into mechanical energy and can provide great efforts with high positioning accuracy.
Средство изменения подпоршневого объема сосуда может быть выбрано любым из числа известных. Например, в виде дополнительного поршня с соответствующим приводом его перемещения в одной из боковых стенок сосуда. Однако в этом случае будет необходимо решать проблему уплотнения поршня, т.к. при создании больших усилий в сосуде будет высокое давление. Поэтому представляется целесообразным выполнять средство изменения подпоршневого объема сосуда в виде размещенной в его стенке или поршне мембраны малого диаметра или в виде перемещаемого внутрь объема сосуда сильфона, размещенного в стенке сосуда или поршне. Для того чтобы расширить диапазон микроперемещений, средство изменения подпоршневого объема сосуда может быть выполнено в виде размещенного в его стенке или поршне набора из нескольких мембран различного или одинакового диаметра или в виде набора из нескольких сильфонов различного или одинакового размера. Приводы перемещения мембран и сильфонов могут быть выбраны любыми из числа известных. Но наиболее целесообразно использовать приводы в виде магнитостриктора или пьезоэлемента, поскольку они, как указывалось выше, обладают большим КПД преобразования электрической энергии в механическую и могут обеспечить большие усилия с высокой точность позиционирования. А учитывая наличие высокого давления в пространстве между поршнями, это становится весьма существенным их преимуществом.The means for changing the piston volume of the vessel can be selected by any of the known. For example, in the form of an additional piston with a corresponding drive for its movement in one of the side walls of the vessel. However, in this case it will be necessary to solve the problem of piston sealing, as when creating large efforts in the vessel will be high pressure. Therefore, it seems advisable to implement a means of changing the piston volume of the vessel in the form of a membrane of small diameter placed in its wall or piston or in the form of a bellows placed inside the vessel volume located in the vessel wall or piston. In order to expand the range of micromovements, the means for changing the piston volume of the vessel can be made in the form of a set of several membranes of different or the same diameter placed in its wall or piston or in the form of a set of several bellows of different or the same size. Membrane and bellows actuators can be selected from any of the known ones. But it is most advisable to use actuators in the form of a magnetostrictor or piezoelectric element, since they, as mentioned above, have a high efficiency of converting electrical energy into mechanical energy and can provide great efforts with high positioning accuracy. And given the presence of high pressure in the space between the pistons, this becomes a very significant advantage.
Сущность изобретения поясняется чертежом и примером его реализации.The invention is illustrated in the drawing and an example of its implementation.
На чертеже схематично представлена функциональная схема устройства для точного позиционирования.The drawing schematically shows a functional diagram of a device for accurate positioning.
Устройство содержит два сообщающихся сосуда 1 и 2 с сильно различающимися сечениями, заполненные жидкостью 3. Каждый из сосудов закрыт поршнем соответствующего сечения 4. К одному из поршней (на чертеже показан вариант использования поршня большого сечения) присоединен привод (показан стрелкой), с помощью которого прикладывается усилие. Привод выбирается из числа известных, в том числе и из перечисленных в формуле изобретения. Шток второго поршня (на чертеже показан вариант использования для этой цели поршня меньшего сечения) соединен с перемещаемым объектом 5. В стенке сосудов (одного или обоих) устанавливается мембрана 6 или сильфон (одна или один или несколько) в качестве средства изменения подпоршневого объема. Средство изменения подпоршневого объема снабжается соответствующим приводом (показан стрелкой), который выбирается из числа известных, в том числе и из перечисленных в формуле изобретения.The device contains two communicating vessels 1 and 2 with very different sections, filled with liquid 3. Each of the vessels is closed by a piston of the corresponding section 4. An actuator (shown by an arrow) is connected to one of the pistons (the drawing shows the use of a large section piston), with which force is applied. The drive is selected from among the known, including those listed in the claims. The rod of the second piston (the drawing shows the use of a smaller piston for this purpose) is connected to the moving object 5. A membrane 6 or a bellows (one or one or several) is installed in the wall of the vessels (one or both) as a means of changing the piston volume. The means for changing the piston volume is provided with an appropriate drive (shown by an arrow), which is selected from among the known, including those listed in the claims.
Устройство функционирует следующим образом. С помощью привода перемещения к поршню 4 большого сечения прикладывается усилие, обеспечивающее его расчетное смещение. В результате происходит и расчетное смещение поршня 4 меньшего сечения, но на большее расстояние и с относительно невысокой точностью позиционирования. Для повышения точности позиционирования производят изменение подпоршневого объема сосудов 1 и 2, прикладывая с помощью соответствующих приводов усилие к средству изменения подпоршневого объема 6 (мембране или сильфону). В результате этого, при сохранении приложения усилия к поршню 4 большого сечения, происходит дополнительное смещение поршня 4 меньшего сечения. Учитывая, что изменения подпоршневого объема за счет прогиба внутрь мембран или введения сильфонов могут быть ничтожно малы, можно достичь сколь угодно малых величин смещений поршня 4 меньшего сечения. При этом, при совместном использовании привода перемещения поршня большого сечения и приводов нескольких мембран или сильфонов достигается неограниченная широта диапазонов смещений поршня 4 меньшего сечения с любой требуемой точностью и на значительные расстояния.The device operates as follows. By means of a displacement drive, a force is applied to the piston 4 of a large cross section, which ensures its calculated displacement. As a result, the calculated displacement of the piston 4 of a smaller cross section occurs, but to a greater distance and with relatively low positioning accuracy. To increase the accuracy of positioning, a change in the piston volume of the vessels 1 and 2 is made by applying force to the means for changing the piston volume 6 (membrane or bellows) using appropriate drives. As a result of this, while maintaining the application of force to the piston 4 of a large section, an additional displacement of the piston 4 of a smaller section occurs. Given that changes in the piston volume due to deflection inside the membranes or the introduction of bellows can be negligible, it is possible to achieve arbitrarily small displacements of the piston 4 of a smaller section. At the same time, when using a large-cross-section piston displacement drive and drives of several membranes or bellows, an unlimited breadth of the displacement ranges of the smaller piston 4 with any desired accuracy and over considerable distances is achieved.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011103005/07A RU2475354C2 (en) | 2011-01-27 | 2011-01-27 | High-precision positioner |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011103005/07A RU2475354C2 (en) | 2011-01-27 | 2011-01-27 | High-precision positioner |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011103005A RU2011103005A (en) | 2012-08-10 |
| RU2475354C2 true RU2475354C2 (en) | 2013-02-20 |
Family
ID=46849205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011103005/07A RU2475354C2 (en) | 2011-01-27 | 2011-01-27 | High-precision positioner |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2475354C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2756491C1 (en) * | 2021-03-17 | 2021-09-30 | Андрей Леонидович Кузнецов | Gate valve with striction drive in gate |
| RU2766949C1 (en) * | 2021-03-17 | 2022-03-16 | Андрей Леонидович Кузнецов | Gate valve with an internal strictional drive |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU179908A1 (en) * | Биб. Иотека | WEIGHT SENSOR | ||
| SU567858A1 (en) * | 1972-07-03 | 1977-08-05 | Экспериментальная База Всесоюзного Научно-Исследовательсого Института Гидротехники И Мелиорации Им.А.Н.Костякова | Method of elimintaing natural oscillations of liquid in communicating vessels |
| RU2018004C1 (en) * | 1991-06-24 | 1994-08-15 | Турубаров Юрий Владиславович | Free-piston internal combustion engine |
| RU2175601C2 (en) * | 2000-01-12 | 2001-11-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Actuator for micromanipulator |
| DE10120196A1 (en) * | 2000-05-19 | 2001-11-22 | Mannesmann Rexroth Ag | Free piston engine has engine piston driven by staged hydraulic piston, section of which with lesser diameter is arranged in work cylinder and section with greater diameter in compression cylinder |
| US20050044851A1 (en) * | 2001-09-27 | 2005-03-03 | Michael Goldfarb | Monoprolellant/hypergolic powered proportional actuator |
| RU2279755C2 (en) * | 2004-04-23 | 2006-07-10 | Вадим Израилович Раховский | Broad range device for precise positioning |
-
2011
- 2011-01-27 RU RU2011103005/07A patent/RU2475354C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU179908A1 (en) * | Биб. Иотека | WEIGHT SENSOR | ||
| SU567858A1 (en) * | 1972-07-03 | 1977-08-05 | Экспериментальная База Всесоюзного Научно-Исследовательсого Института Гидротехники И Мелиорации Им.А.Н.Костякова | Method of elimintaing natural oscillations of liquid in communicating vessels |
| RU2018004C1 (en) * | 1991-06-24 | 1994-08-15 | Турубаров Юрий Владиславович | Free-piston internal combustion engine |
| RU2175601C2 (en) * | 2000-01-12 | 2001-11-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Actuator for micromanipulator |
| RU2000104168A (en) * | 2000-02-21 | 2001-12-10 | Владимир Николаевич Горянин | LIQUID DRIVE DEVICE |
| DE10120196A1 (en) * | 2000-05-19 | 2001-11-22 | Mannesmann Rexroth Ag | Free piston engine has engine piston driven by staged hydraulic piston, section of which with lesser diameter is arranged in work cylinder and section with greater diameter in compression cylinder |
| US20050044851A1 (en) * | 2001-09-27 | 2005-03-03 | Michael Goldfarb | Monoprolellant/hypergolic powered proportional actuator |
| RU2279755C2 (en) * | 2004-04-23 | 2006-07-10 | Вадим Израилович Раховский | Broad range device for precise positioning |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2756491C1 (en) * | 2021-03-17 | 2021-09-30 | Андрей Леонидович Кузнецов | Gate valve with striction drive in gate |
| RU2766949C1 (en) * | 2021-03-17 | 2022-03-16 | Андрей Леонидович Кузнецов | Gate valve with an internal strictional drive |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011103005A (en) | 2012-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | A review of recent studies on non-resonant piezoelectric actuators | |
| Drossel et al. | Smart3–Smart materials for smart applications | |
| CN103021472B (en) | Plane parallel type three-freedom-degree precise positioning work table | |
| CN102291039B (en) | Multi-degree-of-freedom bionic piezoelectric driver | |
| RU2561551C2 (en) | Hexapod platform and power cylinder, that can be used in hexapod platform | |
| US20190271336A1 (en) | Piezohydraulic Actuator | |
| CN104362890B (en) | Inertia stick-slip trans-scale precision movement platform capable of achieving bidirectional movement | |
| CN107834897B (en) | Crawling actuator based on piezoelectric driving and working method thereof | |
| CN102291040A (en) | Multi-degree-of-freedom micronano-level bionic precision rotary driver | |
| RU2475354C2 (en) | High-precision positioner | |
| Kedzierski et al. | Microhydraulic electrowetting actuators | |
| CN103904937A (en) | Rotation type driving device and method based on three piezoelectric stacks | |
| JP2010180913A (en) | Single rod double-acting cylinder and testing machine | |
| Miyoshi et al. | Proposal of a multiple ER microactuator system using an alternating pressure source | |
| Tian et al. | Design and modeling of a decoupled 2-DOF stick-slip positioning stage | |
| Liu et al. | An unconventional inchworm actuator based on PZT/ERFs control technology | |
| Wang et al. | Design of a flexure-based XY precision positioning stage with constant force output | |
| CN204481717U (en) | A kind of inertia stick-slip formula realizing bidirectional-movement is across yardstick precision movement platform | |
| CN202135076U (en) | Multi-freedom bionic piezoelectric driving device | |
| RU2279755C2 (en) | Broad range device for precise positioning | |
| CN104766634A (en) | Piezoelectric-type two-dimension series small-volume workbench | |
| CN108306547A (en) | A kind of piezoelectric hydraulic hybrid linear actuator and start method | |
| Zhou et al. | Linear piezo-actuator and its applications | |
| Zubir et al. | Development of a compliant-based microgripper for microassembly | |
| Gandhi et al. | Design, fabrication, and characterization of a pneumatic micro actuator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180128 |