Статья 12315

Название статьи

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ УСИЛИВАЮЩЕГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКТЮАТОРА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Авторы

Амельченко Анатолий Григорьевич, главный конструктор направления нанотехники, Производственное объединение «Старт имени М. В. Проценко» (Россия, Пензенская область, г. Заречный, пр. Мира, 1), opto@bk.ru
Бардин Виталий Анатольевич, аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40), opto@bk.ru
Васильев Валерий Анатольевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза,ул. Красная, 40), opto@bk.ru

Индекс УДК

681.586’326:539.2

Аннотация

Актуальность и цели. Объектом исследования является система управления прецизионным изгибно-натяжным (усиливающим) пьезоэлектрическим актюатором, состоящим из четырех пьезопакетов, размещенных на основании с упорами и установленных в охватывающий их упругий корпус. Предметом исследования являются методы компенсации гистерезиса и совершенствования конструктивных элементов, повышающие линейность, точность, диапазон его рабочего перемещения. Цель исследования – разработка системы управления изгибно-натяжным пьезоэлектрическим актюатором с замкнутой и разомкнутой цепью обратной связи для многофункционального тестового оборудования, обеспечивающего перемещение объекта по одной координате с нанометровым разрешением.
Материалы и методы. Повышение точности позиционирования системы управления с разомкнутой цепью обратной связи и компенсация гистерезиса
пьезоэлементов выполнены с помощью математической модели Прейсака, а с замкнутой цепью обратной связи – с помощью схемы с пленочными тензорезистивными датчиками изгибной деформации упругой рамки; исследование процессов деформирования изгибных элементов упругой рамки выполнены методом конечных элементов.
Результаты. Разработаны две системы управления для прецизионного позиционирования на основе усиливающего пьезоэлектрического актюатора, применяемые в многофункциональном тестовом оборудовании. Разработана компьютерная модель упругой рамки усиливающего пьезоактюатора, проведено ее исследование, введены изгибные элементы в виде вырезов и оптими-
зированы их размеры для получения максимальной точности при максимальном диапазоне перемещения.
Выводы. Разработанная система позиционирования с разомкнутой цепью обратной связи, использующая математическую модели Прейсака, имеет простую схему управления, обеспечивающую диапазон перемещения 200 мкм и точность позиционирования ±2,5 мкм. Система позиционирования с пленочными тензорезистивными датчиками изгибной деформации упругой рамки обеспечивает диапазон перемещения 104 мкм и точность позиционирования 12 нм.

Ключевые слова

система управления, усиливающий пьезоактюатор, упругая рамка, нано- и микроперемещение, точность позиционирования.

 

 Скачать статью в формате PDF

Список литературы

1. Бобцов А. А. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений / А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, В. В. Григорьев. – СПб. : СПбГУ ИТМО, 2011. – 131 с.
2. Бардин, В. А. Двигатели для нано- и микроперемещений / В. А. Бардин,В. А. Васильев // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 23–25 апреля 2013 г.) / под ред. д.т.н., проф. М. А. Щербакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. – С. 259–263.
3. Прибор прецизионного позиционирования с нанометровым разрешением / А. Г. Амельченко, В. А. Бардин, В. А. Васильев, А. Е. Немков, П. С. Чернов // Информационные материалы в науке и производстве (ИТНП-2013) : материалы Всерос. науч.-техн. конф. (5–6 июня 2013 г.). – Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2013. – С. 3–6.
4. Бардин, В. А. Влияние внутренних дестабилизирующих факторов на пьезоактюаторы и системы нано- и микропозиционирования / В. А. Бардин, В. А. Васильев, П. С. Чернов // Университетское образование (МКУО-2014) : сб. ст. XVIII Междунар. науч.-метод. конф., посвящ. 200-летию cо дня рождения М. Ю. Лермонтова (г. Пенза, 10–11 апреля 2014 г.) / под ред. А. Д. Гулякова, Р. М. Печерской. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. – 584 с.
5. Прибор для механических тестов с нанометровым разрешением / А. Г. Амельченко, В. А. Бардин, В. А. Васильев, А. Е. Немков, П. С. Чернов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : сб. ст. Междунар. науч.-техн.конф. (г. Пенза, 23–25 апреля 2013 г.) / под ред. д.т.н., проф. М. А. Щербакова. –Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. – С. 309–312.
6. Бардин, В. А. Пьезоактюаторы для измерительных и управляющих систем / В. А. Бардин, В. А. Васильев // Информационные материалы в науке и производстве (ИТНП-2013) : материалы Всерос. науч.-техн. конф. (5–6 июня 2013 г.). –Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2013. – С. 17–20.
7. Бардин, В. А. Принципы построения пьезоактюаторов для нано- и микроперемещений / В. А. Бардин, В. А. Васильев // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы : тр. XVI Междунар. конф. – Ульяновск : УлГУ, 2013. – С. 316–317.
8. Васильев, В. А. Пьезоприводы нано- и микроперемещений / В. А. Васильев, В. А. Бардин // Всероссийская научная школа «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении» : сб. материалов науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, посвящ. 350-летию г. Пензы (г. Пенза, 1–3 октября 2013 г.) / под ред. проф. Т. И. Мурашкиной. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. – С. 235–236.
9. Бардин, В. А. Принципы построения и перспективы исследований пьезоактюаторов для нано- и микропозиционирования / В. А. Бардин, В. А. Васильев, П. С. Чернов // Нано- и микросистемная техника. – М. : Новые технологии, 2015. – № 1. – С. 90–93.
10. Панич, А. Е. Пьезокерамические актюаторы / А. Е. Панич. – Ростов н/Д : РГУ, 2008. – 160 с.
11. Performance-drivencontrol of nano-motionsystems / by Roel J. E. Merry. – Eindhoven University of Technology, 2009.
12. Petitniot, J.-L. Manufacture and properties of first industrial APA’s actuators using carbon epoxy shell / J.-L. Petitniot, F. Claeyssen, A. Bataille // Actuator. – Bremen, 2010. – June 20.
13. Compact, Lightweight, and Efficient Piezo-Actuation Chain for Aeronautical Applications / A. Kras, M. Brahim, T. Porchez, C. Bouchet, F. Claeysse // Actuator. – Bremen, 2014. – June 23.
14. Чернов, С. А. Моделирование тонкостенных конструкций, подкрепленных стержнями коробчатого сечения / С. А. Чернов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. – № 1 (29). – С. 102–111.
15. Ziqiang Chi. Fuzzy PID Feedback Control of Piezoelectric Actuator with Feedforward Compensation / Ziqiang Chi, Minping Jia, and Qingsong Xul // Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO) : 4 International Conference (27–31 Oct. 2014) – Taipei, 2014. – P. 145–150.
16. Fleming, A. J. A review of nanometer resolution position sensors: Operation and performance / A. J. Fleming // Sensors and Actuators A. – 2013. – № 190. – P. 106–126.

 

Дата создания: 22.12.2015 15:59
Дата обновления: 24.12.2015 15:33