Динамо-машины  Мехатроника и робототехнология 

1 2 3 4 5 6 7 [ 8 ] 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

случаев пьезоэлементы в пьезопреобразователях подключаются к источни напряжения теми же электродами, которые использовались для поляризации/

чение нескольких часов высокое постоянное напряжение (в зависимости и ti raquo;, . raquo; ох, ап,лй

jpro к пьезозлементу электрического поля Е: а= - . Для пьезокерамическои

толщины пьезоэлемента -от 0,5 кВ до 10 кВ). Направление поляризации

плюсового электрода к минусовому), перпендикулярное поверхностям элоластйны с параллельными электродами нащ)яженность электрического поля тродов и совпадающее с координатной осью, условно получило индекс 3 Я и электрическое напряжение U связаны формулой, аналогичной для кон-тальные два перпендикулярных направления получили индексы 1 и 2 (pjgcaropa =-, где й - толщина пьезоэлемента. (В механике принято отно-

3.1), Отметим, что на поверхностях пьезоэлемента могут быть дополштгель

птельную деформацию обозначать буквой s, а механическое напряжение бу-нанесены и другие электроды, которые в дальнейшем подключаются к истг t -у

кяпй а Колее мы будем придерживаться иных обозначений, принятых в меж-

нику переменного напряжения для возбуждения колебаний определенного ВЦ

, , ?шаоодной научно-технической литературе по пьезоэлектрической технике.

(например, сдвиговые). Однако подчеркнем, что в подавляющем большинсТ

Это связано с тем, что в литературе используются также электрические ее-

личины, имеющие те же обозначения. Например, буквой е обозначается относительная диэлектрическая проницаемость.)

В зависимости от рассматриваемого направления деформации и поляризации Элементов пьезомодуль различных пьезокрамических материалов может варьироваться в диапазоне 20-10- Кл/Н-600-10 Кл/Н. Законы пьезоэффек-та формируются для элемента объема пьезоматериала, в пределах которого напряженное и деформированное состояние можно считать однородным

Пьезоэлементы при работе в качестве вибраторов должны выдерживать большие знакопеременные нагрузки, поэтому важна динамическая прочность Пьезокерамические элементы чаще всего изготавливают в виде тонких пьезокерамики. Таким требованиям отвечают следующие отечественные марки толстых шайб и дисков, прямоугольных пластинок, трубок с элеетродами, laquo; ьезокерамики: ЦТС-19,ЦТСНВ-1,ПКР-7,ПКР-7М,ЦТБС-3,ЦТС-23 [8]. холящимися на образующих поверхностях.

При подаче на электроды пьезоэлемента напряжения, совпадающего по зк 32 ПЬЕЗОПРИВОДЫ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

ку с напряжением поляризации пьезоэлемента, он удлиняется, если же проп

воположного знака - то он укорачивается (во всех направлениях, но по-разно* в качестве приводов микроперемещений в основном используют три типа - в этом проявляется свойство анизотропии пьезокерамики). laquo;ьезопреобразоватвлей:

Важнейшее требование, предъявляемое к пьезоэлементам - высокое знач многослойные пакеты, набрашше из пьезокерамических шайб или ние пьезомодуля d, который в упрощенном виде представляет собой отноШ. работающих на растяжение-сжатие;

ние относительной механической деформации S к нащ)яжеш1остн щ)иложе1 рубчатые пьезопреобразователи; они могут работать как на растяжение-сжатие, так и на изгиб;

50 51

Рис. 3.1. Пьезокерамическая ггластина с параллельными электродами

биморфные пьезопреобразователи, состоящие из склеенных пьезоке-рамических пластин, между которыми может находиться металличе-екая рессора, они работают на изгиб.

Первый тип пьезопреобразователей имеет высокие силовые характеристики, которые ограничиваются в основном прочностными свойствами пьезоке-рамики. Такие приводы имеют высокую жесткость, соответствующую жесткости стержня при сжатии.

Второй тип пьезопреобразователей представляет собой отрезок тонкостенной цилиндрической или конической пьезокерамической трубки, электроды которой расположены на концентрических поверхностях. Эти трубчатые пьезопреобразователи отличаются простотой и малой стоимостью. Однако при одинаковых продольных размерах с многослойными пьезопреобразователями их перемещения на порядок меньше. Жесткость таких преобразователей также ниже, чем у многослойных.

Третий тип пьезоприводов характеризуется перемещениями, которые на 1-2 порядка выше перемещений, развиваемых приводами первого и второго типов, однако, жесткость и силовые характеристики их на 2-3 порядка хуже, чем у первого типа. Таким образом, если необходимо создать устройство микроперемещений, имеющее малые габариты и не требующее высоких силовых характеристик, то выбор можно остановить на биморфных пьезопреобразовате-лях.

Пьезоэлектрические приводы микроперемещений (ППМ) имеют ряд неоспоримых преимуществ перед другими приводами. Это высокие удельные силовые характеристики, малые значения электрических токов и потерь, высокая надежность и технологичность изготовления, радиационная и температурная стойкость. К недостаткам ППМ можно отнести сравнительно высокое напряжение, подаваемое на электроды, проявление гистерезиса, нестабильность пьезоэлектрических параметров, влияние изменения влажности на электрические параметры. Пути преодоления этих недостатков следующие:

. выбор соответствующих пьезоактивных материалов, . уменьшение толщины пьезоэлектрических слое raquo;,

- введение обратных связей по положению выходного звена,

- программные методы управления,

- гфименение технологий производства интегральных схем. Уменьшение влияния гистерезиса на работу пьезоэлектрического мехатронного ММ может быть достигнуто за счет применения определенных видов пьезокерамических материалов. Различные обзоры [8, 29] показывают, что для многих типов пьезокерамики в основном петля гистерезиса функции перемещение - прикладываемое электрическое напряжение имеет коэффициент гистерезиса порядка 10-12%, что явно плохо для точных приводов микроперемещений, В последнее время появились новые материалы, имеющие низкие значения коэффициента гистерезиса - от 2% до 5% при комнатной температуре. К ним относится, например, пьезокерамика laquo;PIEZOTITE raquo; типа Р-5Е и Р-7 японской компании MURATA (рис.3.2, 3.3) [36].

gf 400-1

100 150 Voltage (Vp-p)

Hysteresis -400- Material: Р-7

h=Sh/Sx100

Рис. 3.2. Петля гистерезиса для пьезокерамики Р-7

Отечественная промышленость выпускает пьезоприводы широкой номенклатуры. АО laquo;ЭЛПА raquo; производит пьезопакеты, набранные и склеенные из пьезокерамических шайб толщиной 0,6 мм, которые имеют следующие характеристики (табл.3.1) [32].

ff 10-

-P-7B

-- P-5E

О 2D Temperature (С)

Рис. 3.3. Зависимость коэффициента гистерезиса от температуры для пьезокерамики laquo;PIEZOTITE reg; raquo;

Табл. 3

Параметры пьезопакетов

Характеристики

Чувствительность мкм/В, 10

1Ш-4 ПП-11 ПП-12ПП-13 1Ш-14

4,0 4,0 4,0 4.0 4,0

Сопротивление изоляции 20,0 50,0 50,0 50,0 50,0 Статическая емкость, тыс пф

80 plusmn;20 65 plusmn;12,5 52 plusmn;10 22 plusmn;4 17 plusmn;0,3

~Ги7в deg; 0 00.0

Масса, г

20,0 15,0 15,0 6,0

Из этих пьезопакетов собираются составные пьезоприводы (СШ1), которые стягиваются винтовой стяжкой (рис. 3.4), их характеристики приведены в табл. 3.2.

Рис. 3.4. Внешний вид составного пьезопривода

Пьезоприводы ППУ-1, ППУ-2, ППУ- 5, ППУ-6, ППУ-8 стянуты шпилькой; пьезоприводы ППУ-3, ППУ-4 стянуты внешним корпусом (прорезной пружиной). Сила стяжки - Рд =2500 Н plusmn; 300 Н. Стягивание пьезопакетов в конструкциях пьезоприводов осуществляется для уменьшения гистерезиса и повышения сопротивления привода радиальным нагрузкам.

Табл. 3.2.

Последние три строки таблицы - расчетные.