Мехатроника и динамика мини-роботов

может быть рассчитана как изменение U в зависимости от изменения расстояния x. Сила рассчитывается по формуле

Fk V22 C . x

Существует несколько вариантов реализации электростатических актуаторов на основе плоскопараллельных конденсаторов.

Однако для генерации больших сил в такого рода устройства, которые будут совершать полезную работу, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись емкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневых микродвигателей.

Гребневые микродвигатели состоят из большого количества встречностержневых штырей. При приложении напряжения появляется сила взаимодействия между штырями, и они начинают двигаться. Увеличение емкости пропорционально количеству штырей, таким образом, для генерации больших сил требуется большое количество штырей. Одной из потенциальных проблем такого устройства будет то, что если поперечное расстояние между штырями неодинаково с обеих сторон (или если устройство поломано), то возможно движение штырей под прямым углом к правильному направлению и соединение их друг с другом. Гребневые двигатели особенно распространены среди устройств, полученных микрообработкой поверхностей.

Двигатели качения названы так по действию раскачивания, положенному в основу их принципа работы. Ротор – это круглый диск. Во время работы расположенные снизу последовательно, друг за другом электроды включают и выключают. Диск последовательно притягивается к каждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным над электродами. В такой манере он медленно вращается по кругу, делая один оборот вокруг своей оси по совокупности нескольких изменений напряжения на статоре.

Другая конструкция двигателя качения: ротор, находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое поле раскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор. Проблемы могут возникнуть, если быстро износится изоляция на электродах

150

статора, произойдет сцепление или слипание с ротором, или ротор и подшипник не круглые.

4.4.4. Магнитные актуаторы

Основным компонентом большинства актуаторов этого типа является тонкопленочная структура пластины, которая поддерживает электролитический пермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент при условии помещения его в магнитное поле. Как структурные пластины, так и поддерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких пленок. Когда внешнее магнитное поле равно нулю, структурная пластина парал-

лельна плоскости подложки. Когда внешнее магнитное поле Hвнеш

приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевого участка возникает вектор намагниченности М, и он

впоследствии взаимодействует с Hвнеш. Взаимодействие создает вращающий момент Ммаг и небольшую силу, воздействующую на сво-

бодный конец консольной балки, при этом заставляя ее изгибаться. При приложении внешнего подмагничивания пермаллоевый ма-

териал рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный вектор намагниченности с величиной равной намагни-

ченности насыщения Мнас. При помещении во внешнее магнитное поле генерируются две компоненты силы. Величина обеих, как F1 (которая действует на верхнюю грань), так и F2 (которая действует на нижнюю грань), рассчитывается следующим образом:

F1 МнасWTH1;

F2 МнасWTH2 ,

где H1 и H2 – напряженность магнитного поля на верхней и нижней грани пластины (в текущей конфигурации H1 H2 ).

Величины H1 и H2 линейно зависят от соответствующего рас-

стояния до поверхности электромагнитного источника. Пластина вместе с пермаллоевым участком рассматривается как твердое тело,

151

так как она существенно толще консольной балки. Основываясь на этом предположении, систему сил упрощают, перемещая F1 до

совмещения с F2. Результатом является вращающий момент, дей-

ствующий против часовой стрелки, и сосредоточенная сила, воздействующая на нижнюю грань структурной пластины. Этот результат можно представить как

Ммаг F1Lcos ;

F F2 F1.

Вращающий момент всегда стремится уменьшить полную энергию в системе актуатора выравниванием вектора намагниченности с силовыми линиями внешнего магнитного поля.

4.4.5. Гидравлические актуаторы

Гидравлические микроактуаторы имеют значительный потенциал, так как они могут передавать довольно много энергии от внешнего источника по очень узким трубкам. Этот факт можно использовать в таких местах, как наконечник катетера смонтированного микрохирургического инструмента. Гидравлические и пневматические приводы имеют во многих применениях преимущество над актуаторами электромагнитными, в первую очередь как преобразователи линейные, имеющие высокую мощность по отношению к их весу.

К особенностям гидравлического микроактуатора можно отнести то, что он имеет довольно большие размеры, высокий уровень выходных сил и может иметь крайне низкое трение.

4.4.6. Тепловые актуаторы

Тепловые актуаторы используют как линейное или объемное расширение жидкости или газа, так и деформацию формы вследствие биметаллического эффекта, которые имеют место благодаря изменению температуры. Рассмотрим биметаллический актуатор. При нагревании один материал расширяется быстрее, чем другой, и балка изгибается. Нагревание можно производить пропусканием через это устройство электрического тока.

152

4.4.7.Пьезоэлектрические актуаторы

Воснове теории пьезоэлектрических актуаторов лежит прямой пьезоэлектрический эффект – появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях некоторых кристаллов при их механических деформациях: сжатии, растяжении и т. п., и обратный пьезоэлектрический эффект, состоящий в деформации этих же кристаллов под действием внешнего электрического поля.

Определяющие уравнения пьезоэлектрических материалов имеют вид

В случае d 0 пьезоэлектричность отсутствует. Обычно пьезоэлектрическим материалам можно приписать декартову систему координат, так что оси координат соответствуют направлениям поляризации. В большинстве случаев применяется управляющее напряжение в направлении поляризации. В пьезоэлектрических актуаторах различают два эффекта – доминирующий эффект продольный, для которого направление действия совпадает с направлением поляриза-

153

ции, а также эффект поперечный (трансверсальный) с направлением действия, перпендикулярным направлению поляризации. На рис. 4.13 изображены: а – продольная; б – поперечная схема.

Рис. 4.13. Пьезоэлектрические актуаторы

Если в (4.24) положить T 0, то получим

S dE.

Тогда при уменьшающемся внешнем нагружении и напряжении U EI получим для продольного эффекта, рис. 4.13, а:

ll d33E или l d33U ,

а для поперечного эффекта, рис. 4.13, б:

Если сила F действует в заданном направлении, то из (4.24) для случая рис. 4.13, а получим

154

а для случая рис. 4.13, б имеем

причем модули упругости E11, E33 могут быть определены из (4.23)

при dT 0. Коэффициенты при F в (4.26), (4.27) можно интерпретировать как обратные значения жесткости пьезоэлектрического материала при исчезающем электрическом поле E 0:

c11 E11sal ;

(4.28)

c33 E33sas .

Из уравнения (4.26) получаем

Fc33 l c33d33U.

Спомощью (4.24), (4.25) можно показать, что идеальный пьезоэлектрический преобразователь может быть представлен как сложное устройство из конденсатора емкостью С как вход и упругий механизм с жесткостью С как выход.

На рис. 4.14 показан пример зависимости пьезоэлектрического преобразователя, реализующего продольный эффект.

Реально пьезоэлектрические преобразователи всегда имеют потери. Кроме того, механическая пружина нагружена массой

meff m2 .

Круговая частота вычисляется по формуле

где c определяется по формуле (4.28).

155

Глава 5. СЕНСОРЫ

5.1.Модели и схемы датчиков измерений

вмехатронных системах

Сенсорами (датчиками) называются элементы мехатронных систем, которые получая входные сигналы о состоянии системы и окружающей среды, в общем случае неэлектрической природы, преобразуют их, как правило, в электрические сигналы – выходные.

На рис. 5.1 изображена принципиальная схема прохождения сигнала в сенсоре с максимальной степенью расширения структуры.

Рис. 5.1. Принципиальная схема прохождения сигнала в сенсоре

Рассмотрим сенсор силы, схема которого представлена на рис. 5.1. Сигнал проходит следующие этапы преобразования.

1.Преобразование величины, которую нужно измерить, в одну или несколько промежуточных неэлектрических величин.

2.Преобразование входной или промежуточной величины в первоначальную электрическую величину с помощью преобразующих элементов (преобразователей).

157

3.Следующий этап обработки электрического сигнала происходит

вэлементахобрабатывающей электроники (синтезированный сенсор).

4.Так как измеряемая величина дальше должна быть обработана компьютером, выходной аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Это происходит в ADC (аналогово-цифровой пре-

образователь Analogue-Digital-Convergence).

Сенсоры с синтезированной цифровой частью называются ин-

теллектуальными (smartsensor).

5.1.1.Принципы измерения кинематических

идинамических величин

Основными кинематическими величинами являются:

–расстояние s, угол ;

–скорость s, угловая скорость (n – число оборотов);

–ускорение a s , угловое ускорение .

Основными динамическими величинами являются:

–сила F;

–вращающий момент М;

–давление p FA , где A – площадь, накоторой действует сила F.

В табл. 5.1 представлены измеряемые величины и физические принципы их измерения

158

На рис. 5.2, а изображена электрическая схема, замещающая потенциометр с присоединенным измерительным устройством, где

Rm – внутреннее сопротивление измерительного устройства.

б

a

Рис. 5.2. Схема замещения потенциометра

Измеряемый сигнал (напряжение U1 ) получается из закона деления напряжения:

159