WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
0 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ А.А.Бобцов, В.И.Бойков, С.В.Быстров, В.В. Григорьев ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 1 Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстров С.В., Григорьев В.В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений.- СПБ ГУ ИТМО, 2011.- 131 с.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с разработкой, исследованием и применением пьезоэлектрических преобразователей в качестве исполнительных устройств для микроперемещений. Проблема прецизионного позиционирования оптических элементов, различного инструмента весьма актуальна в наши дни, когда во многих областях науки и техники активно внедряются нанотехнологии, создаются сверхточные оптические и оптико-электронные приборы и системы. Круг задач, где применяются пьезоэлектрические исполнительные устройства постоянно расширяется: это и автомобилестроение, и прецизионное станкостроение, фото- и видеотехника. Представляется, что современный специалист в области приборостроения должны владеть основными вопросами, связанными с проектированием, элементной базой пьезоэлектрических исполнительных устройств, разбираться в их конструктивных особенностях и способах управления. В первом разделе учебного пособия содержится информация о распространении пьезоактивных устройств в различных областях, приводятся конкретные примеры. Дается историческая справка внедрения пьезоэлектрического эффекта в технические системы. Раскрывается физическая природа прямого и обратного пьезоэффектов, предлагается подход к их математическому описанию.

Второй раздел пособия посвящен материальной базе пьезоэлектрических исполнительных устройств: от современной пьезокерамики до законченного в своем конструктивном исполнении пьезодвигателя. Анализируются физические свойства различных отечественных и зарубежных пьезоматериалов, даются рекомендации по их применению в исполнительных устройствах. Приводятся аналитические выражения для расчета статических характеристик типовых пьезоэлементов и актюаторов. В третьем разделе рассматривается подход к составлению модели пьезодвигателя на примере многослойного пьезоактюатора с нагрузкой. Опираясь на данный материал, студенты смогут составить математическое описание и других пьезоэлектрических исполнительных устройств. В этом же разделе рассматриваются проблемы, связанные с нелинейностью статических характеристик пьезоактюаторов, называются причины их появления, даются рекомендации по их учету при моделировании. Четвертый раздел содержит рекомендации по структуре и составу функциональных схем цифровых пьезоприводов, рассматриваются часто встречающиеся варианты с регулированием по выходу и подчиненным регулированием. В качестве примеров приводятся системы и приводы, разработанные авторами в последние годы. Кроме того, учебное пособие содержит ряд приложений с информацией о характеристиках отечественных и зарубежных пьезоматериалов, стандартные ряды отечественных пьезоэлементов и др., что может быть полезным для студентов при выполнении аудиторных и домашних практических заданий.

Рекомендовано к печати Учёным советом Факультета КТ и У, 12.04.2011, протокол №Авторы благодарят магистрантов второго года обучения Обертова Д.А. и Гончар А.А. за помощь в обработке и подготовке материалов учебного пособия.

Содержание Введение……………………………………………………………… 1 Пьезопреобразователи, тенденции развития, принцип действия.. 1.1 Тенденции развития и использования пьезоэлектрических исполнительных устройств………………… 1.2 История открытия пьезоэффекта……………………… 1.3 Явление пьезоэлектрического эффекта………………… 2 Материально-техническая база пьезоэлектрических исполнительных устройств………………………………… … 2.1 Пьезоэлектрические материалы……………………………… 2.1.1 Пьезоэлектрики – монокристаллы…………………… 2.1.2 Поликристаллические пьезоэлектрики……………… 2.2 Пьезоэлементы………………………………………………… 2.3 Пьезокерамические актюаторы……………………………… 2.3.1 Пакетная конструкция………………………………… 2.3.2 Биморфная конструкция……………………………… 2.4 Пьезоэлектрические двигатели. Особенности конструкций.. 2.4.1 Резонансный (ультразвуковой) пьезоэлектрический   двигатель (РПД)……………………………………………….… 56  2.4.2 Силовые двигатели с ограниченным диапазоном   угловых и линейных перемещений………………………….2.4.3 Шаговые двигатели…………………………………… 3 Математическое описание пьезоэлектрических исполнительных устройств……………………………………… 3.1 Математическая модель многослойного тонкопленочного актюатора………………………………………………………… 3.2 Гистерезис, последействие и ползучесть пьезоэлектрических исполнительных устройств ………… 3.3 Учет влияния гистерезиса и последействия (ползучести) при проектировании и моделировании пьезоэлектрических исполнительных устройств……………………………………… 4 Цифровой пьезоэлектрический привод…………………………4.1 Пьезоэлктрический привод с регулированием по положению………………………………………………………. 4.2 Пьезоэлектрический привод с подчиненным регулированием……………………………………………… 4.3 Система управления многосегментным адаптивным зеркалом телескопа………………..…………………………………… 4.4 Цифровой контрольно-измерительный стенд…………. 4.4.1 Принцип действия стенда………………………… 4.4.2 Структурная схема измерительной системы…….. 4.4.3 Математическая модель процесса измерения…… Литература……………………………………………………… Приложение А…………………………………………………. Приложение Б………………………………………………… Приложение В………………………………………………… Приложение Г……………………………………………………… Приложение Д……………………………………………………… Приложение Е……………………………………………………… Приложение Ж…………………………………………………… Приложение З……………………………………………...……… Приложение И…………………………………………………...… Приложение К……………………………………………………… Приложение Л……………………………………………………… Приложение М……………………………………………...……… Приложение Н…………………………………………………...… Введение Во все времена электромеханическим системам отводилось центральное место, уровень их развития определял производственные возможности многих отраслей промышленности, успешность проведения различных научных исследований, боевые качества военной техники, потребительские характеристики товаров народного потребления.



Вот и сейчас, когда взят курс на развитие нанотехнологий, в первую очередь должны решаться задачи развития и совершенствования элементной базы электромеханических систем. Для решения различных задач в микрометровом, а тем более в нанометровом диапазоне, потребуются совершенно новые технологии и технические средства. Самой актуальной проблемой является повышение точности позиционирования. Субмикронный диапазон погрешностей линейного позиционирования и секундный диапазон для угловых перемещений характерен для современных металлообрабатывающих станков, оптико-механических приборов, роботов микроманипуляторов и т. д. Попытки решения данной проблемы с помощью традиционных электромеханических систем наталкиваются на целый ряд технических трудностей. При создании микроперемещений и работе на сверхнизких скоростях электромашинные устройства постоянного и переменного тока работают в неустойчивых (зарегулированных) режимах, что проявляется в нерегулярных колебаниях объекта позиционирования в направлении движения. Кроме того, существенное влияние оказывают нелинейности кинематических передач (люфты, сухое трение, зоны нечувствительности и т.д.), пренебречь которыми в данных условиях не представляется возможным. Даже в лучших шарико-винтовых передачах повторяемость позиции достигается с погрешностью от десятков долей до единиц микрометров. Большое влияние на точность микроперемещений оказывают тепловые и вибрационные возмущения, которые при больших диапазонах перемещений, как правило, не учитываются. Таким образом, можно сделать вывод о том, что традиционные электромашинные исполнительные устройства в данном направлении свои возможности исчерпали и необходим переход на другой технологический уровень с применением новых материалов, иных физических эффектов и конструктивных решений.

Уже не один десяток лет у нас в стране и за рубежом ведутся исследования и разработки исполнительных устройств нового типа, преодолевающих перечисленные недостатки. Это и магнитострикционные, и пьезоэлектрические, и электромагнитные и даже тепловые преобразовательные устройства. Анализ результатов поиска в технической литературе и Интернете показывает, что пьезоэлектрические устройства занимают лидирующие позиции, обгоняя все остальные типы устройств еще и по таким показателям как энергосбережение, миниатюризация и адаптивность к компьютерным системам управления. Такое лидерство накладывает серьезные обязательства на производителей пьезоматериалов и устройств на их основе в плане улучшения их свойств и характеристик, повышения стабильности параметров. За последние пять лет, многое сделано в этом направлении как у нас в стране, так и за рубежом. Разработаны новые типы пьезокерамик, созданы новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты, предназначенные специально для исполнительных устройств нового поколения.

1. Пьезопреобразователи, тенденции развития, принцип действия 1.1 Тенденции развития и использования пьезоэлектрических исполнительных устройств В начале ХХI века пьезотехника переживает бум в своем развитии.

Расширяются области применения пьезоэлектрических преобразователей различного назначения: от пьезозажигалок, акустических излучателей и приемников до коммутирующих устройств, компенсаторов вибраций и микророботов. Несмотря на то, что пьезоэффект был открыт еще в XIX веке, а со второй половины XX активно развивалась теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика — один из перспективных материалов века XXI. Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями. Пристальное внимание, которое в особенности теперь уделяется пьезоматериалам и элементам на их основе, объясняется целым рядом их достоинств:

1. Высокая надежность – выходит на уровень электронных схем (например, интенсивность отказов пьезоэлементов <10-6 1/час) основными причинами отказов являются электропробой и разрыв соединительного шва у биморфных элементов, который происходит в результате изгибных колебаний.

2. Малые массогабаритные показатели – определяются размерами пьезоэлементов (массогабаритные показатели отдельных узлов систем управления могут быть снижены при применении ПД в десятки раз).

3. Высокая радиационная стойкость - ПД могут сохранять работоспособность при воздействии всех известных видов радиоактивного излучения.

4. Стойкость к действию различных агрессивных сред – из известных в настоящее время химических соединений только плавиковая кислота способна оказать разрушающее действие на пьезокерамику, что позволяет использовать ПД в ряде химических производств.

5. Высокая термостойкость – элементы, изготовленные из некоторых марок пьезокерамики ЦТС, ПКР не теряют своей работоспособности при температурах до 300-400°С, а на основе кобольта способны выдерживать температуру равную и более 700 °С. Разработана также высокотемпературная и высокостабильная пьезоэлектрическая керамика, предназначенная для применения в топливных системах двигателей современных автомобилей.





Весьма важным является то, что данная керамика обладает значительной стойкостью к высоким температурам и механическим воздействия. Единообразная частотная реакция делает датчики из данной керамики пригодной для любого типа автомобильного двигателя.

6. Возможность использования ПД непосредственно без дополнительных кинематических связей с объектом измерения – что обеспечивает отсутствие дополнительных погрешностей измерения (механических, тепловых и др.).

7. Диэлектрическая природа пьезоэлемента – функционирование за счет действия электрического поля (а не тока проводимости), практическое отсутствие тока и связанных с этим тепловыделений в диапазоне инфранизких частот обеспечивает ему качество взрывобезопасного элемента (возможно использование на нефтехимических производствах).

Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в середине XX века. Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей [1,2,3]. Неоспоримо первенство пьезокерамик в использовании для ультразвуковой диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефте - газовом комплексе, в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении и т. д. В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов в комбинированных системах.

Если 20-30 лет назад главными потребителями подобных устройств считались только разработчики систем адаптивной оптики для лазерной и космической техники, а также прецизионных оптических инструментов, то сейчас пьезотехника активно шагнула в станкостроение, автомобилестроение и бытовую технику. Ярким примером комплексного использования пьезокерамических элементов, узлов и деталей на их основе могут послужить совместные разработки американской компании APC International, Ltd. [15] c производителями комплектующих для автомобильной промышленности.

Современные, технически сложные автомобили постоянно требуют внедрения дополнительной электроники для повышения надежности, безопасности и комфорта. В настоящее время американские производители автомобильной техники активно используют устройства и узлы на базе пьезоэлектрической керамики. Примерами таких устройств могут служить:

• пьезоактюаторы-клапаны впрыска топлива;

• пьезоактюаторы-клапаны для газораспределительной системы двигателя;

• датчики поворота для определения угла положения дроссельной заслонки;

• датчики детонации;

• датчики уровня заправочных жидкостей;

• датчики давления для измерения давления в топливном баке с целью определения утечки топлива;

• пьезоприводы зеркал;

• пьезоприводы регулировки сидений;

• передние ультразвуковые дистанционные датчики (датчики предотвращения столкновений);

• боковые дистанционные датчики;

• задние (парковочные) ультразвуковые дистанционные датчики;

• датчики системы сигнализации и зуммеры оповещения;

• скоростные сенсоры в передней панели для подушек безопасности;

• боковые ударные сенсоры подушек безопасности;

• аварийные датчики-сенсоры подушек безопасности;

• актюаторы системы антиблокировки тормозов;

• пьезоприводы системы подвески;

•датчики угловой скорости и линейные акселерометры малых перегрузок, ориентированные по трем осям автомобиля, предназначенные для автоматизированного управления маршрутом;

• пьезоприводы регулировки фар;

• датчики и актюаторы положения фар, для обеспечения динамического регулирования луча света передних фар в зависимости от профиля дороги и изменения величины полезной нагрузки автомобиля;

• пьезоакустические системы адаптивного регулирования скорости автомобиля.

Инновационные разработки пьезоактюаторов (пьезоприводов) и датчиков обеспечивают решение многих проблем автомобилестроения и улучшает эксплуатационные качества автомобиля, отвечающие жестким эксплуатационным требованиям. Одним из самых перспективных направлений использования составных пьезоактюаторов является управление гидравлическими клапанами. Примером этого могут служить последние разработки пьезокерамических высокоскоростных клапанов как для топливной аппаратуры дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей, так и для газораспределительных систем дизелей и двигателей внутреннего сгорания. В дизельном двигателе (рисунок 1.1) процесс сгорания топлива в цилиндре тесно связан с процессом впрыскивания топлива.

Путем управления периодичностью впрыскивания ее длительностью, качеством топлива и скоростью протекания топлива как функции времени становится возможным эффективно управлять рабочими характеристиками двигателя. К сожалению, параметры единовременного впрыскивания не обеспечивают одновременно минимума выбросов, наилучшей экономии топлива и высокой величины крутящего момента. Автомобильная промышленность за рубежом, в последнее время, усовершенствовала систему впрыска дизельного топлива с помощью пьезоактюаторов. Система общей топливной магистрали (Common Rail)– это система впрыска, которая подает топливо высокого давления в любой момент. Для снижения шума двигателя и эмиссии необходимо добавить несколько предварительных впрыскиваний в основное впрыскивание в течение рабочего цикла дизельного двигателя.

Основной компонент общей топливной магистрали - это инжектор, в состав которого входит пьезоэлектрический актюатор, который выполняет роль быстродействующего пьезопривода.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.