4. Двигуни для мікропереміщень

У приводах подачі прецизійних шліфувальних верстатів, приладів точної механіки і оптики часто потрібно відпрацювання переміщень, що складають кілька мікрометрів, а іноді й десяті долі мікрометра. При використанні для цієї мети крокових двигунів, які мають малий кутовий крок, все ж необхідна механічна передача з великим передавальним відношенням, якій властиві істотні похибки. Подібні установки зазвичай вимагають дуже високої точності, тому застосування крокових двигунів практично виключається. Частковим рішенням завдання може бути використання крокових двигунів з електричним дробленням кроку, коли за допомогою спеціальної електронної схеми при подачі чергового імпульсу забезпечується переміщення не на повний крок, а тільки на його частину. По суті справи в цьому випадку від дискретного управління переходять до безперервного. Однак і тут не обійтися без механічної передачі.

У зв'язку з цим для мікропереміщень необхідні двигуни, виконані на іншій фізичній основі. Принципово можлива побудова двигунів на основі теплового розширення тіла, електромагнітної взаємодії, магнітострикції, зворотного п'єзоефекту.

Двигуни для мікропереміщень, що побудовані на тепловому розширенні тіла, не використовуються через велику інерційність і негативний вплив температурних полів на навколишні прилади і вузли.

Двигуни, виконані як втяжні або поворотні електромагнітні пристрої, іноді знаходять застосування, проте дуже важко в них забезпечити тягове зусилля, слабо залежне від переміщення. Крім того, такий двигун є вельми інерційним через велику індуктивності тягової котушки. Смуга пропускання керуючого сигналу в ньому становить 10 ... 20 Гц. Позитивна якість двигуна - забезпечення достатньо великих переміщень, що визначаються ходом електромагніта (хід може складати декілька міліметрів). У більшості випадків у прецизійних установках поряд з мікропереміщеннями необхідні і відносно великі юстіровочні подачі.

Більш широко застосовують магнітострикційні двигуни, в яких використовується властивість стержня з феромагнітного матеріалу змінювати довжину під впливом магнітного поля. Максимальна відносна зміна поздовжніх розмірів стрижнів з таких матеріалів, як нікель, железонікелеві, железохромнікелеві і залізокобальтові сплави, сплави типу інвар та інші, може складати (20 ... 50)·10^-6. Отже, при довжині 100 мм вільний кінець стрижня може переміщатися на 2 ... 5 мкм. Порогова чутливість становить 0,05 ... 0,10 мкм. Недолік магнітострикційного двигуна, так само як і електромагнітного, - інерційність, обумовлена процесами, що відбуваються в котушці намагнічення. Проте індуктивність її дещо менше, так як зазору в магнітному ланцюзі може не бути. Але смуга пропускання і в цьому випадку не перевищує 30 Гц. На точність роботи двигуна істотно впливають зовнішнє теплове поле і нагрівання стрижня. Слід мати на увазі, що намагнічуюча котушка двигуна сама створює відчутне теплове поле, так як її розміри і споживання енергії достатньо великі.

Найбільш бажаним є п'єзоелектричний двигун, що виконується зазвичай як стовпчик з п'єзокерамічних шайб, склеєних між собою. Вихідним матеріалом для п'єзокераміки служать оксиди металів (титанат барію, цирконат- титанат свинцю та ін.) Коли до торцевих поверхонь шайб прикладена напруга, то залежно від орієнтації електричного поля стовпчик стискається або подовжується. У деяких межах залежність подовження від напруженості електричного поля носить лінійний характер. Максимальне відносне подовження може складати (5...7)·10^-4. Отже, пьезостовпчик довжиною 50 мм може забезпечити переміщення до 25 мкм, тобто приблизно на порядок більше, ніж у магнітострикційних двигунах. Напруга, що подається на шайбу, досить велика - до 300 В. Споживання енергії є незначним.

Істотна перевага п'єзоелектричного двигуна - швидкодія. Смуга пропускання досягає 1000 Гц. До недоліків як магнітострикційного, так і п'єзоелектричного двигунів відноситься наявність петлі гістерезису в характеристиках. Ширина петлі може досягати 20 ... 30% максимального переміщення. У п'єзоелектричних двигунах вплив гістерезису можна дещо послабити попереднім стиском стовпчика шайб.

Зусилля, які можуть створювати магнітострикційні і п'єзоелектричні двигуни, природно, залежать від розмірів стрижня і шайб і в реальних двигунах становлять кілька сотень ньютонів.

1,3 - затискачі; 2 - шайба п'єзоелектрична

Рисунок 7.17 – Схема крокового п’єзоелектричного двигуна

Часто максимальні переміщення, якеі можуть забезпечити магнітострикційні і п'єзоелектричний двигуни, є недостатніми. Тоді доводиться звертатися до крокових двигунів, побудованих на тих же принципах. Роботу крокового п'єзоелектричного двигуна пояснює рисунок 7.17. Двигун складається з стовпчика п'єзоелектричних шайб 2 і двох затискних пристроїв 1 і 3 на його кінцях. При нормальній роботі в безперервному режимі затискний пристрій 3 зафіксовано, а пристрій 1 є вільним. У залежності від напруги, поданої на шайби, здійснюються мікропереміщення кінця А. При використанні можливого ресурсу переміщень і відповідно при досягненні напругою граничного значення напруги управління U_У затискач 1 фіксує кінець А, напруга з шайб знімається, а затискач 3 звільняє кінець В. При цьому стовпчик шайб стискається до вихідної довжини (кінець А підтягається). Після цього затискач 3 знову фіксується, а затискач 1 відпускає кінець А; далі знову подається напруга на шайби, і двигун починає роботать, переміщаючи кінець А, відповідно керуючи об'єктом, механічно пов'язаним з двигуном. Якщо одного кроку переміщення виявляється недостатньо, то цикл повторюється. Затискними пристроями керують за допомогою спеціального комутатора. Для того щоб зафіксувати кінець стовпчика шайб, можна встановити механічні пристрої (наприклад, цангові затискачі) з керуванням від магнітів або тих же п'єзокерамічних елементів - шайб.

Крокові магнітострикційні двигуни працюють за тим же принципом.