Введение к работе
Актуальность темы. В таких областях науки и техники юн: микроэлектроника, оптика, точное машиностроение и приборостроение одной из актуальных и технически сложных является задача осуществления прецизионных перемещений подвимшх органов систем автоматического управления (САУ) раэличшзли объектами. К этому классу систем, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требовании. К их числу, в первую очередь, относится большая точность, значительное быстродействие, малые габаритное размера и масса, низкое энергопотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам, надежность, технологичность и іпзкая стоимость. Обеспечить эти условия во многом способны пьезоэлектрические позиционирующие устройства (Ш1У). 3 последнее время становится очевидным преимущество использования ППУ как в качестве силових исполнительных элементов в диапазона до 10 Вт, которыми являются линейные пьезоэлектрические двигатели ОЗДОї так ц 3 качестве многокоордипатпых пьезомлкроманипуляторов(ГО.М"), используемых в прецизионной технике для позиционирования на атомарном уровне (^например, в нанотехнологии, микробиологии, когерентной оптоэлектро-ннке, при производстве ССБИС). При реыешш ряда технологических задач для увеличения диапазона перемощений непользуются ППУ шагового типа с различными типами фиксирующих узлов.
Наиболее перспективными для работы в прецизионных устройствах являются монолитные к составные конструкции ППУ. Однако ППУ присущ такой недостаток, как значительная гистерозиснач зависимость деформации от приложенного электрического напряжения. Эти характеристики определяются не только параметрами пъезокерамлческил материалов конструкцией ППУ, но амплитудой и скоростью изменения внетлих воздействий.
Поэтому для повышения точности позиционирования устройств с использованием ППУ, создаваемых на базе серийно выпускаемой пьезокера-мнкп, необходимо исследовать гистерэзисные характеристики ЯЛУ и, соответственно, решить задачу компенсации их неоднозначности и нестабильности. Решить оту задачу гго.тло путем создания котх конструкций ППУ, разработкой программно-аппаратных способов' и устройств, пагграз-
лошшх на коррекцию гистерезиса.
Кроме того., на сегодняшний день нерешенными остаются задачи, связанные с повышением стабильности работы электростатических фиксирующих узлов ППУ. Таким образом, разработка и исследование ГИТУ, а также создание теории и устройств управления на их основе является актуальной и важной задачей как в теоретическом, так и в практическом плане,
Цель работы - исследование свойств петель гистерезиса, разработ- ка принципов построения безгистерезксных, высокостабильних пьезоэлектрических позиционирующих устройств.
Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования основаны ка использовании теории упругости, теории радиотехнических цепей и сигналов, теории автоматического управления, теории колебаний, методах аппроксимации объектов и систем, математическом моделировании на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились с использованием специально разработанного стенда.
Научную новизну работы составляют:
-
Новые защищенные двумя авторскими свидетельствами СССР на изобретение конструкции ППУ с компенсацией температурных дрейфов и гистерезиса, обеспечивающие высокую точность позиционировашія рабочего органа.
-
Методика анализа нелинейных статических характеристик ППУ и полученные ка ее основе зависимости, описывающие изменение формы петли гистерезиса с учетом конструктивных, климатических и алгоритмичес-
* ких факторов.
-
Математическая модель петли гистерезиса с учетом особенности режимов функционирования ППУ, выраженных в виде симметричного, несимметричного и частного циклов.
-
Инженерная методика расчета ППУ шагового типа с электростатическими фиксирующтш узлами, основанная на двумерной методике расчет; пьезопреобразователей и позволяющая анализировать влияние внешних возмущений на динамические свойства ППУ.
Практическая ценность работы:
-
Разработаны структурные и функциональные схемы устройств для исследования петель диэлектрического (ПДТ) и электромеханического СПїї.іГ) гистерезиса.
-
Реализовано устройство стабилизации усилия с коррекцией гистерезиса ка базе программируемого универсального контроллера.
-
Разработаны перспективные способы и устройства.коррекции гистерезиса в ППУ, основанные на свойствах стабильности статических характеристик.
4. Разработаны способи и устройства коррекции гистерезиса в ППУ
: учетом возмуіцахких факторов.
Новизна и оригинальность технических решений подтвэрдцена авторами свидетельствами СССР на изобретение: -№1463106,1505398,1604118. Реализация результатов рзботи. Основные научные и практические >езудьтаты диссертационной работы использованы в рамках НИР ". Разработка и исследование системы автоматического управления пространст-;снным положением оптических элементов"^ государственной регистрация )189.0034281) на предприятии п/я Р- 6681, в рамках НИР " Исследование і разработка пьезоманипулятора и системы управления для устройств ітомарного уровня"^ государственной регистрации 0187.0001549)на іредприятии п/я А-3390, шифр "Барьер". Результаты работы использова-ш таюке на предприятии п/я В-8051 при проведении НИР "КРАБ" и "СПРУТ" і в рамках НИР "Пьезопрнвод продольных перемещений, управляемой от ЭК,'.", сифр "Предел", проводимой на предприятии п/я Г-4671.
Результатом работы явилось создание ряда образцов ПІЙ', которые ірошли испытание и внедряются на предприятиях п/я Г-4671 и п/л А-3390. {роме того, предложенные способы коррекции неоднозначности статичес-шх характеристик ГКМ использованы предприятием п/я А-ЗЗЭО при создавши сканирующего туннельного микроскопа.
Апробация работы. Основные полог.енпя и результаты диссертадкон-юй работы докладывались и обсуждались во время работы 'Шестой Всесоюзной кколы-семинара по оптической обработке информации (г.Фрунзе, 1986г.), на Третьей Всесоюзной конференции "Актуальные проблемі: получения и применения сегнето- и пьззослектрчческих материалов и их рель э ускорении научно-технического прогресса (г.Москва, 1937г.), па Кра-звой научно-технической конференции "Автоматизация ялектропрпводов и эпткмпзащ:я регпмов злектропотргбленпя" (г.Красноярск, 1988г.), на Всесоюзном семинаре "Применение пьезоактавных материалов в промыплен-иостп" (г.Ленинград, 1988г.), на Всесоюзном семинаре-совещании "Нало-технология и интегральные квантовые схемы" (г.Москва, НПО "Микроэлектроника", 1939г.) , на научно-:пхкическом семинаре "Прецизионные электсспрчводн и датчики малых перемещений" ( г.Ленинград, 1990г.) , . на первой. ме7-отр-:слевой конференции "С-упкинональпая злектрокпка" (г, гіоіП'ііград, ІЇГТ0 "Авзгтард", 1990г.), а таку.е па научтго-техкических семинарах ха.їегр "."івтсматчка и вычислительная техника" и "Системы ^гттГ-а!~./>**пл дг;""""\:.'л "" ЛіТ/.
iiv^.i.:''--:- -и., "о ;~чулчта?ам гр-оъг-дс-нпмх і:ссл?дст;;пй и разработок:
опубликовано 15 печатных работ, в том числе: 4 описания изобретений, 6 статей, 4 тезисов' докладов и одна брошюра. Кроме того, результаты работы отражены е 5 отчетах по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация_состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 154 наимено вания, и четырех приложений; содержит 125 страниц основного текста, 45 страниц иллюстраций и 6 таблиц.
