RU2644409C1 - Precision linear actuator - Google Patents

Precision linear actuator Download PDF

Info

Publication number
RU2644409C1
RU2644409C1 RU2016151680A RU2016151680A RU2644409C1 RU 2644409 C1 RU2644409 C1 RU 2644409C1 RU 2016151680 A RU2016151680 A RU 2016151680A RU 2016151680 A RU2016151680 A RU 2016151680A RU 2644409 C1 RU2644409 C1 RU 2644409C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
main
accuracy
platform
movable platform
moving platform
Prior art date
Application number
RU2016151680A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Игоревич Пронин
Кирилл Станиславович Беляев
Николай Викторович Тышкунов
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева"
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 Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" filed Critical Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева"
Priority to RU2016151680A priority Critical patent/RU2644409C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2644409C1 publication Critical patent/RU2644409C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: precision linear actuator comprises a rigid base, a ball screw actuated by a valve motor, a main movable platform rigidly connected to a slide nut, an additional movable platform with a positionable object, connected to the main platform by means of elastic suspensions and actuated by a piezoactuator. Control system achieves the required accuracy by adding velocities and displacements of two parallel working linear drive units, receiving information from feedback sensors, which can be presented by: a magnetic encoder with a ruler installed along the direction of motion for determining position of the main movable platform with a micrometric accuracy. A strain gauge transducer built into the piezoactuator determines the parameters of piezoactuator compression/expansion for determining position of the additional movable platform with the positionable object relative to the main platform with a micrometric accuracy.
EFFECT: expansion of functionality due to increase in the speed of positioning, increase in the accuracy of positioning when reducing nonuniformity of linear movements.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электромеханики. Прецизионные приводы необходимы в робототехнике, а также в системах, где требуется прецизионное позиционирование объекта вдоль одной координаты.The invention relates to the field of electromechanics. Precision drives are necessary in robotics, as well as in systems where the precise positioning of an object along one coordinate is required.

Известно устройство для механического перемещения объекта вдоль одной координаты, содержащее основание, пьезоэлемент, подвижную каретку, прижим описанное в патенте РФ №2297072 МПК: H01L 37/28, H01L 41/095, публ. 10.07.2007 г. Проблемой создания прецизионных приводов линейного перемещения в настоящее время является увеличение диапазона перемещений, повышения скорости и точности позиционирования, снижения неравномерности перемещения и повышения стабильности.A device is known for mechanical movement of an object along one coordinate, containing a base, a piezoelectric element, a movable carriage, a clamp described in RF patent No. 2297072 IPC: H01L 37/28, H01L 41/095, publ. July 10, 2007. The problem of creating precision linear displacement drives at the present time is to increase the range of displacements, increase the speed and accuracy of positioning, reduce uneven movement and increase stability.

Известно устройство, описанное в патенте РФ на полезную модель №87572, МПК. H01L 41/00 публ. 10.10.2009. Устройство предназначено для механического перемещения подвижной платформы, выполненной в виде каретки, вдоль одной координаты и содержит неподвижное основание, механизм перемещения, выполненный в виде движителя, включающего пьезоактуатор. Согласно полезной модели движитель выполнен из двух пластин, соединенных между собой, с возможностью смещения относительно друг друга только в направлении перемещения, например, с помощью четырех упругих шарниров, причем к одной из пластин жестко пристыкована перемещаемая каретка, а другая пластина прижата к неподвижному основанию для перемещения и фрикционно с ним взаимодействует. Но данное техническое решение ограничивает область применения устройства: низкая скорость позиционирования объекта, ограниченная возможностями пьезоактуатора; резкая прерывистость поступательного движения; колебания перемещаемого объекта в вертикальной плоскости; отсутствие системы контроля положения позиционируемого объекта в горизонтальной плоскости.A device is described in the patent of the Russian Federation for utility model No. 87572, IPC. H01L 41/00 publ. 10/10/2009. The device is intended for mechanical movement of a movable platform, made in the form of a carriage, along one coordinate and contains a fixed base, a movement mechanism made in the form of a mover, including a piezo actuator. According to a utility model, the propulsion device is made of two plates interconnected, with the possibility of displacement relative to each other only in the direction of movement, for example, by means of four elastic hinges, moreover, the movable carriage is rigidly docked to one of the plates and the other plate is pressed against a fixed base for displacement and friction interacts with it. But this technical solution limits the scope of the device: low speed positioning of the object, limited by the capabilities of the piezoelectric actuator; sharp discontinuity of translational motion; vibrations of a moving object in a vertical plane; lack of a control system for the position of the positioned object in the horizontal plane.

Задачей предлагаемого изобретения является создание прецизионного привода линейного перемещения, позволяющего добиться технического результата, заключающегося в увеличении скорости позиционирования, повышении точности позиционирования при снижении неравномерности линейных перемещений.The objective of the invention is the creation of a precision linear displacement drive, which allows to achieve a technical result, which consists in increasing the speed of positioning, increasing the accuracy of positioning while reducing the unevenness of linear displacements.

Технический результат достигается тем, что в прецизионном приводе линейного перемещения, содержащем основание и механизм перемещения подвижной платформы с позиционируемым объектом с помощью пьезоактуатора, в отличие от известного подвижная платформа с позиционируемым объектом установлена на основной подвижной платформе посредством упругих подвесов, механизм перемещения основной подвижной платформы представляет собой связку шарико-винтовой передачи и вентильного двигателя, а прецизионный привод дополнен системой управления.The technical result is achieved in that in a precision linear displacement drive containing a base and a mechanism for moving a movable platform with a positionable object using a piezo actuator, in contrast to the known movable platform with a positioned object installed on the main movable platform by means of elastic suspensions, the movement mechanism of the main movable platform is a combination of a ball screw transmission and a valve motor, and the precision drive is complemented by a control system.

Кроме того, прецизионный привод отличается системой управления, включающей два датчика обратной связи, связанных с блоком управления, первый из которых - магнитный энкодер, установленный вдоль направления перемещения позиционируемого объекта и предназначенный для определения положения основной подвижной платформы с микрометровой точностью, и второй - встроенный в пьезоактуатор тензодатчик, определяющий параметры сжатия/растяжения пьезоактуатора для контроля положения подвижной платформы с позиционируемым объектом с нанометровой точностью.In addition, the precision drive is characterized by a control system that includes two feedback sensors connected to the control unit, the first of which is a magnetic encoder installed along the direction of movement of the positioned object and designed to determine the position of the main movable platform with micrometer accuracy, and the second is built-in piezoelectric actuator strain gauge that determines the compression / extension parameters of the piezoelectric actuator to control the position of a moving platform with a positioned object with nanometer t full-time.

Функциональная схема прецизионного привода линейного перемещения представлена на чертеже.A functional diagram of a precision linear displacement drive is shown in the drawing.

Прецизионный привод линейного перемещения позиционируемого объекта 1 состоит из жесткого основания 2, на котором расположен вентильный двигатель 3, выполненный в виде замкнутой электромеханической системы, состоящей из бесколлекторной машины постоянного тока с трапецеидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности. В свою очередь, вентильный двигатель связан с шарико-винтовой передачей 4, выполненной в виде механического привода, преобразующего вращательное движение в линейное перемещение. К ходовой гайке шарико-винтовой передачи 4 жестко крепится основная подвижная платформа 5. На ней установлена подвижная платформа 6 с позиционируемым объектом 1 посредством упругих подвесов 7, которые могут представлять собой как систему пружин, так и упругую полимерную прокладку с устойчивыми характеристиками. Подвижная платформа 6 с позиционируемым объектом 1 является дополнительной подвижной платформой 6. Возможность ограниченных поступательных движений дополнительной подвижной платформы 6 относительно основной подвижной платформы 5 обеспечивает пьезоактуатор 8, выполненный в виде прецизионного короткоходного линейного электропривода, преобразующего электрическое напряжение в контролируемое линейное перемещение с высоким развиваемым усилием и с субмилисекундным временем отклика. В пьезоактуаторе 8 установлен тензодатчик - датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения электрический сигнал, по которому в процессе работы оценивается относительное положение подвижных платформ 5 и 6. Контроль положения основной подвижной платформы 5 относительно жесткого основания 2 осуществляется с помощью магнитного энкодера 9 с линейкой - устройства, преобразующего результат линейного перемещения в электрический сигнал, позволяющий однозначно определить положение основной подвижной платформы 5 в направлении движения.The precision linear drive of the positioned object 1 consists of a rigid base 2 on which the valve motor 3 is located, made in the form of a closed electromechanical system consisting of a DC brushless motor with trapezoidal distribution of the magnetic field in the gap, a rotor position sensor, a coordinate transformer and a power amplifier . In turn, the valve motor is connected with a ball screw transmission 4, made in the form of a mechanical drive that converts rotational motion into linear movement. The main movable platform 5 is rigidly fixed to the ball screw nut 4. The movable platform 6 is mounted on it with a positioned object 1 by means of elastic suspensions 7, which can be either a spring system or an elastic polymer gasket with stable characteristics. The movable platform 6 with the positioned object 1 is an additional movable platform 6. The possibility of limited translational movements of the additional movable platform 6 relative to the main movable platform 5 is ensured by a piezo actuator 8 made in the form of a precision short-stroke linear electric drive that converts electrical voltage into controlled linear movement with a high developed force and with sub-millisecond response time. A piezoelectric actuator 8 is equipped with a strain gauge — a sensor that converts the strain to an electrical signal convenient for measurement, by which the relative position of the movable platforms 5 and 6 is evaluated during operation. The position of the main movable platform 5 relative to the rigid base 2 is monitored using a magnetic encoder 9 with a ruler - a device that converts the result of linear displacement into an electrical signal that allows you to uniquely determine the position of the main movable platform 5 in the direction movement.

Управление вентильным двигателем 3 и пьезоактуатором 8 осуществляется с помощью реализованной в виде блока управления 10 специальной системы управления по принципу обратной связи по сигналам с датчиков. Блок управления 10 - это система, построенная на логических элементах и управляемая микроконтроллером (не показан) по специальной программе.The valve motor 3 and the piezo actuator 8 are controlled using a special control system implemented as a control unit 10 according to the principle of feedback from signals from sensors. The control unit 10 is a system built on logic elements and controlled by a microcontroller (not shown) according to a special program.

Пьезоактуатор 8 компенсирует неравномерность перемещения, вызванную погрешностями шарико-винтовой передачи 4, пульсациями момента вентильного двигателя 3, и значительно улучшает контроль постоянства скорости перемещения позиционируемого объекта 1. Пьезоактуатор 8 также обеспечивает компенсацию люфта и резкой прерывистости движения в моменты начала движения и остановки основной подвижной платформы 5.Piezo actuator 8 compensates for uneven movement caused by ball screw errors 4, pulsations of the valve motor 3, and significantly improves the control of the constancy of the speed of the positioned object 1. Piezo actuator 8 also provides backlash compensation and sharp discontinuity of movement at the moment of starting and stopping the main moving platform 5.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря указанным признакам скорость позиционирования прецизионного объекта 1 повышается и ограничивается техническими характеристиками вентильного двигателя 3. Также, благодаря использованию основной подвижной платформы 5 и дополнительной подвижной платформы 6, связанной с пьезоактуатором 8, удается избавиться от прерывистого движения и колебаний позиционируемого объекта 1 в вертикальной плоскости.The indicated set of features exhibits new properties, namely, due to the indicated features, the positioning speed of the precision object 1 is increased and limited by the technical characteristics of the valve motor 3. Also, thanks to the use of the main movable platform 5 and the additional movable platform 6 associated with the piezoelectric actuator 8, it is possible to get rid of from intermittent movement and vibrations of the positioned object 1 in a vertical plane.

Прецизионный привод линейного перемещения работает следующим образом.The precision linear actuator operates as follows.

Шарико-винтовая передача 4 приводится в действие вентильным двигателем 3, происходит перемещение основной подвижной платформы 5 вдоль оси с микрометровой точностью. От датчика обратной связи - магнитного энкодера 9 на блок управления 10 передаются данные о текущем положении основной подвижной платформы 5 относительно жесткого основания 2 с микрометровой точностью. От датчика обратной связи - тензодатчика, встроенного в пьезоактуатор 8, на блок управления 10 передаются данные о текущем положении дополнительной подвижной платформы 6 с позиционируемым объектом 1 относительно основной подвижной платформы 5 с нанометровой точностью.Ball screw 4 is driven by a valve motor 3, the main movable platform 5 is moved along the axis with micrometer accuracy. From the feedback sensor - magnetic encoder 9 to the control unit 10, data is transmitted on the current position of the main movable platform 5 relative to the rigid base 2 with micrometer accuracy. Data on the current position of the additional movable platform 6 with the positioned object 1 relative to the main movable platform 5 with nanometer accuracy are transmitted from the feedback sensor — the strain gauge built into the piezo actuator 8 — to the control unit 10.

Полученные данные используются блоком управления 10 для формирования и коррекции управляющих сигналов для вентильного двигателя 3 и пьезоактуатора 8 с целью достижения требуемой точности позиционирования и скорости премещения позиционируемого объекта 1.The data obtained are used by the control unit 10 to generate and correct control signals for the valve motor 3 and the piezo actuator 8 in order to achieve the required positioning accuracy and the speed of movement of the positioned object 1.

Получить требуемый технический результат позволяет использование гибридного принципа построения привода, а именно одновременное использование двух систем линейного перемещения - связки шарико-винтовой передачи с вентильным двигателем и пьезоактуатора.The required technical result can be obtained using the hybrid principle of drive construction, namely the simultaneous use of two linear displacement systems - a bunch of ball screw transmission with a valve motor and a piezo actuator.

Таким образом, достигнут технический результат - прецизионный привод линейного перемещения позволяет с нанометровой точностью осуществлять линейные перемещения позиционируемого объекта. Применение гибридного принципа построения привода, то есть использование двух подвижных платформ, а также применение связки вентильного двигателя с шарико-винтовой передачей и пьезоактуатора позволяет повысить скорость и точность позиционирования, стабильность работы и плавность хода.Thus, a technical result was achieved - a precision linear displacement drive allows linear movement of a positioned object with nanometer accuracy. The use of the hybrid principle of constructing the drive, that is, the use of two movable platforms, as well as the use of a bunch of a valve motor with a ball screw transmission and a piezo actuator, can increase the speed and accuracy of positioning, stability and smoothness of movement.

Claims (2)

1. Прецизионный привод линейного перемещения, содержащий основание и механизм перемещения подвижной платформы с позиционируемым объектом с помощью пьезоактуатора, отличающийся тем, что подвижная платформа с позиционируемым объектом установлена на основной подвижной платформе посредством упругих подвесов, механизм перемещения основной подвижной платформы выполнен в виде связки шарико-винтовой передачи и вентильного двигателя, при этом шарико-винтовая передача выполнена в виде механического привода, преобразующего вращательное движение в линейное перемещение, а к ходовой гайке шарико-винтовой передачи жестко прикреплена основная подвижная платформа, прецизионный привод дополнен системой управления, использующейся для формирования и коррекции управляющих сигналов для вентильного двигателя и пьезоактуатора с целью достижения требуемой точности позиционирования и скорости перемещения позиционируемого объекта.1. A precision linear displacement drive containing a base and a mechanism for moving a moving platform with a positionable object using a piezo actuator, characterized in that the moving platform with a positioned object is mounted on the main moving platform by means of elastic suspensions, the movement mechanism of the main moving platform is made in the form of a bunch of ball helical gear and valve motor, while the ball screw is made in the form of a mechanical drive that converts rotational motion ix into linear motion, and by running nut ballscrews rigidly affixed the movable main platform supplemented precision drive control system is used for forming and correcting the control signals for the engine valve and pezoaktuatora to achieve the desired positioning accuracy and speed of the positioned object. 2. Прецизионный привод линейного перемещения по п. 1, отличающийся системой управления, включающей два датчика обратной связи, связанных с блоком управления, первый из которых - магнитный энкодер, установленный вдоль направления перемещения позиционируемого объекта и предназначенный для определения положения основной подвижной платформы с микрометровой точностью, и второй - встроенный в пьезоактуатор тензодатчик, определяющий параметры сжатия/растяжения пьезоактуатора для контроля положения подвижной платформы с позиционируемым объектом с нанометровой точностью.2. The precision linear displacement drive according to claim 1, characterized by a control system including two feedback sensors connected to the control unit, the first of which is a magnetic encoder installed along the direction of movement of the positioned object and designed to determine the position of the main movable platform with micrometer accuracy and the second is a strain gauge built into the piezoelectric actuator that determines the compression / extension parameters of the piezoelectric actuator to control the position of the moving platform with a positioned volume ktomu with nanometer accuracy.
RU2016151680A 2016-12-28 2016-12-28 Precision linear actuator RU2644409C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016151680A RU2644409C1 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Precision linear actuator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016151680A RU2644409C1 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Precision linear actuator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2644409C1 true RU2644409C1 (en) 2018-02-12

Family

ID=61226728

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016151680A RU2644409C1 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Precision linear actuator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2644409C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429860A (en) * 2019-08-12 2019-11-08 吉林大学 A kind of measurable stick-slip driver of contact force and its test method
RU2826823C1 (en) * 2024-04-01 2024-09-17 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Linear displacement drive

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6215121B1 (en) * 1997-07-29 2001-04-10 Seiko Instruments Inc. Three-dimensional scanning probe microscope
RU2199171C2 (en) * 2001-04-12 2003-02-20 Зао "Нт-Мдт" Piezoelectric scanner
RU2257645C1 (en) * 2004-04-06 2005-07-27 Институт прикладной механики УрО РАН Device for microdisplacement of objects
RU2297072C1 (en) * 2005-11-08 2007-04-10 ЗАО "Нанотехнология-МДТ" Inertia motor
RU87572U1 (en) * 2009-06-05 2009-10-10 Ольга Олеговна Ивентьева PIEZO DEVICE FOR LINEAR MOVEMENTS

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6215121B1 (en) * 1997-07-29 2001-04-10 Seiko Instruments Inc. Three-dimensional scanning probe microscope
RU2199171C2 (en) * 2001-04-12 2003-02-20 Зао "Нт-Мдт" Piezoelectric scanner
RU2257645C1 (en) * 2004-04-06 2005-07-27 Институт прикладной механики УрО РАН Device for microdisplacement of objects
RU2297072C1 (en) * 2005-11-08 2007-04-10 ЗАО "Нанотехнология-МДТ" Inertia motor
RU87572U1 (en) * 2009-06-05 2009-10-10 Ольга Олеговна Ивентьева PIEZO DEVICE FOR LINEAR MOVEMENTS

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429860A (en) * 2019-08-12 2019-11-08 吉林大学 A kind of measurable stick-slip driver of contact force and its test method
RU2826823C1 (en) * 2024-04-01 2024-09-17 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Linear displacement drive

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103580532B (en) A kind of bottom prefastening stick-slip drives across yardstick precision movement platform
CN103170845B (en) Accuracy compensation method of coaxial macro-micro composite linear motion platform device
CN104440343A (en) Co-stator double-drive macro and micro integration high-speed precision movement one-dimensional platform for linear motor
CN104467525A (en) Pretightening force adjustable inertial stick-slip drive trans-dimension precision locating platform
CN107990859B (en) Micro-displacement sensor calibration device and application thereof
CN102136300A (en) Three-section combined type ultraprecise positioning table and positioning method thereof
CN204262872U (en) Linear electric motors are the grand micro-integration high speed precise motion one-dimensional platform of stator Dual Drive altogether
RU2644409C1 (en) Precision linear actuator
CN104440345A (en) Heterogeneous motor common-stator multi-drive macro and micro integrated high-speed precise movement two-dimensional platform
CN102830711B (en) Large-stroke and high-precision micro-motion platform
US11290030B2 (en) Drive device and method for linear or rotary positioning
CN204248537U (en) Isomery motor is the grand micro-integration high speed precise motion two-dimensional stage of the many drivings of stator altogether
CN113726216A (en) Non-same-frequency double-stator driving piezoelectric motor
CN103618473A (en) Vertical pre-tightening type stick-slip drive cross-scale precise motion platform
CN108453676B (en) Two-dimensional precision motion platform and motion method thereof
CN113258825B (en) Piezoelectric driver control method based on stick-slip and impact principle coupling
CN104079204B (en) Inter-bank journey precision positioning operating desk
CN104038100A (en) Multi-foot rotational piezoelectric actuator and excitation method for implementing cross-scale actuation therefor
CN106181995B (en) Power/position controllable type flexible actuator
CN109039146A (en) A kind of across the scale precision movement platform of inertia stick-slip driving
Spanner et al. Design of linear ultrasonic micro piezo motor for precision mechatronic systems
CN103825492A (en) Piezoelectric stepping motor
CN203632575U (en) Bottom pretightening stick-slip driving cross-scale precise movement platform
CN203365777U (en) Piezoelectric Ceramic Linear Motor Focusing Device Applied to Optical System
CN202771265U (en) Large stroke and high precision microchecker