Широкодиапазонное устройство для точного позиционирования

Широкодиапазонное устройство для точного позиционирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Существуют силовые магнитострикционные нанопозиционеры, позволяющие осуществлять сверхточное (дискретный шаг позиционирования до 0,01 нм) позиционирование со значительными (до нескольких тонн) усилиями на значительной (до 1 м) базе [V.I. Rakhovsky, «Super-precise nanopositioners for nanotechnology», Proc. of the International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Micro Systems, Moscow, p.115, 2003]. Однако использование этих позиционеров осложняется тем, что конструктивно они являются двухступенчатыми, причем точная ступень допускает перемещение только в диапазоне длин 10-50 мкм. Эта особенность ограничивает их применение во многих приложениях, где требуется позиционирование с высокой точностью на достаточно протяженной базе без перехода от одной ступени перемещения к другой. Поэтому нами предлагается простое устройство, существенно расширяющее диапазон высокоточного силового позиционирования.

Учитывая, что магнитострикционные позиционеры развивают весьма значительные усилия в малом диапазоне длин позиционирования, предлагается использовать для увеличения диапазона высокоточного позиционирования с высоким (0,1-1 нм) линейным разрешением гидравлический преобразователь, принципиальная схема которого аналогична схеме хорошо известного гидравлического пресса [Роберт Вихард Поль «Механика, акустика и учение о теплоте», издательство «Наука», ГИФМЛ, Москва, 1971]. Так же, как и в гидравлическом прессе, преобразователь состоит из двух сообщающихся сосудов 1 и 2 с сильно различающимися сечениями, заполненных жидкостью 3. Каждый из сосудов закрыт поршнем соответствующего сечения 4 (см. чертеж). Однако в нашем изобретении мы предлагаем использовать для перемещения поршня в сосуде большего сечения увеличение длины магнитостриктора 5, расположенного между поршнем 4 и опорной плитой 6, вследствие изменения приложенного к нему внешнего магнитного поля, создаваемого источником магнитного поля 7, вследствие чего поршень меньшего диаметра обеспечит плавное перемещение закрепленного на нем объекта 8 на достаточно большое расстояние.

Перемещение поршня в сосуде большего сечения осуществляется вследствие усилия, возникающего при изменении длины магнитостриктора, расположенного на этом поршне, при изменении магнитного поля в объеме этого магнитостриктора. Используемый для перемещения поршня магнитостриктор изготовлен из редкоземельного сплава Terfenol-D, обладающего эффектом гигантской магнитострикции. Удлинение стриктора в этом случае будет составлять 10^-3 от его первоначальной длины в направлении вектора магнитного поля (в случае обычных магнитострикционных материалов, например Ni, такое удлинение составляет всего лишь 10^-6).

Разберем конкретный пример. При длине стриктора l=50 мм удлинение при воздействии магнитного поля напряженностью Н=0,65 Т составит L₁=50 μ. Возникающее при этом усилие составляет на каждый 1 мм² сечения стриктора 10 кг, т.е. при диаметре стриктора 5 см суммарное усилие, воздействующее на поршень, составит 19,6 т. При этом радиус сосуда большего диаметра нашего преобразователя, а значит и радиус находящегося в нем поршня, будет равен R₁=60 мм.

Если радиус сосуда меньшего диаметра будет равен R₂=4 мм, то полное перемещение поршня в этом сосуде L₂ можно определить из соотношения

При этом достижимое линейное разрешение при измерении перемещения поршня в сосуде малого диаметра будет определяться разрешением интерферометра, который будет использоваться для измерения такого перемещения.

Таким образом, наш гидропреобразователь позволит преобразовать малое перемещение, обусловленное удлинением стриктора на 0,05 мм, в перемещение малого поршня на 11,25 мм с усилием ˜ 10³ Н.

Чтобы обеспечить возможно более плавное перемещение объекта 7, закрепленного на малом поршне, необходимо избегать любых возмущений в жидкости, заполняющей преобразователь, особенно в начале движения. Для этого можно использовать жидкости с большими коэффициентами вязкости, в которых такие возмущения будут эффективно затухать. С другой стороны, т.к. движение обусловлено удлинением магнитостриктора, на который воздействует магнитное поле, то, задавая скорость нарастания этого поля, можно обеспечить как отсутствие неравномерности в начале движения, так и плавность перемещения малого поршня на всей базе перемещения.

1. Прецизионный гидропреобразователь перемещения, состоящий из двух сообщающихся сосудов различного сечения, заполненных жидкостью и герметически закрытых подвижными поршнями, содержащий привод, создающий усилие на одном из поршней, отличающийся тем, что, с целью обеспечения прецизионного перемещения поршня на протяженной базе в сосуде меньшего сечения, движение поршня в сосуде большего сечения осуществляется в результате усилия, создаваемого расширяющимся магнитостриктором при изменении абсолютной величины напряженности внешнего магнитного поля, воздействующего на магнитостриктор, и/или направления вектора напряженности этого магнитного поля, генерируемого внешним источником.

2. Прецизионный гидропреобразователь по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения плавности перемещения и устранения микронеравномерностей движения поршня в сосуде меньшего диаметра в качестве заполняющей преобразователь жидкости используется жидкость с высокой вязкостью.

3. Прецизионный преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что для обеспечения плавности перемещения и устранения микронеравномерностей движения поршня в сосуде меньшего диаметра изменение магнитного поля, воздействующего на магнитостриктор, осуществляется по специальной программе, позволяющей избежать возникновения резкого изменения давления жидкости в момент начала движения.