Мікроманіпулятор

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания микроперемещений в медико-биологической технике, химической, электронной и других отраслях промышленности. В качестве прототипа выбрано устройство для перемещения предметного столика микроскопа. В этом устройстве каретка с установленным на ней объективом перемещается с помощью шагового двигателя, передающего вращение микрометрическому винту. Величина единичного микроперемещения определяется шагом двигателя и для шаговых двигателей определяется десятками угловых минут. Дальнейшее уменьшение микроперемещений в таких системах может быть достигнуто установкой понижающих редукторов на двигатели, либо изменением передаточного числа микрометрического винта, что приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов, энерго- и трудоемкости, а также к ограничению возможности временной группировки микроперемещений, что определяет скорость микропередачи. При создании изобретения решалась задача обеспечения возможности одновременного формирования малых единичных перемещений и их группировки по скорости (времени), что повысит разрешающую способность и точность устройства. Поставленная задача решается тем, что в микроманипуляторе, содержащем подвижной столик с приводом, подключенным к блоку управления, согласно изобретению, привод выполнен в виде вала с ротором, связанным через толкатели с кольцевыми пьезоэлементами, один из которых установлен на валу, а второй - на корпусе, блок управления содержит последовательно соединенные блок формирования частоты следования пачек импульсов возбуждения пьезоэлементов, управляемый ключ и генератор формирования высокочастотных импульсов возбуждения пьезоэлементов, причем второй вход управляемого ключа подключен к источнику питания. Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения обеспечивает формирование результирующего перемещения, которое осуществляется суммой высокочастотных микроперемещений, что позволяет значительно понизить единичное микроперемещение и сформировать пропорциональный закон управления скоростью микроперемещений в широком диапазоне независимо от самого единичного перемещения, что повышает разрешающую способность и точность устройства. На фиг.1 показана блок-схема микроманипулятора, на фиг.2 - эпюры питающих напряжений, поясняющих работу устройства. Устройство включает в себя подвижный столик 1, расположенный в подшипниковых направляющих 2, соединенный с микрометрической винт-гайкой 3. Винт-гайка 3 сопрягается через подвижную муфту 4 с валом пьезопривода 5, включающего ротор 6, кольцевой пьезоэлемент 7, установленный на валу, и кольцевой пьезоэлемент 8, установленный на корпусе. На внешней цилиндрической стороне пьезоэлементов 7 и 8 закреплены металлические упругие толкатели 9, упирающиеся во внутреннюю часть ротора 6. Блок управления включает в себя генератор 10 формирования высокочастотных импульсов возбуждения пьезоэлементов, управляемый ключ 11, источник питания 12, блок 13 формирования частоты следования пачек импульсов возбуждения. Работает устройство следующим образом. Задатчиком высокочастотных микроперемещений в заявляемом устройстве выступает на базе пьезоэлемента, работающего по принципу обратного пьезоэлемента, пьезопривод ударного типа вращательного движения с кольцевым пьезоэлементом. В сочетании с микрометрическим винтом-гайкой величина микроперемещения таким приводом пропорциональна его угловому шагу. Угловой шаг такого пьезопривода пропорционален длительности пачки резонансных высокочастотных импульсов возбуждения пьезоэлемента. Угловой шаг может меняться в зависимости от длительности пачки от минимального (соответствующего одному высокочастотному импульсу возбуждения пьезоэлемента) до ¥-непрерывного вращения. Изменяя шаг путем изменения длительности пaчки возбуждения tn, тем самым можно менять величину единичного микроперемещения Dl от 0 до ¥. Скорость перемещения может определяться как частотой следования f сл пачек импульсов возбуждения, так и напряжением питания пьезопривода. Но именно режим регулирования частотой следования пачек позволяет обеспечить постоянство момента на валу пьезопривода и, тем самым, значительно снизить нижний предел диапазона регулирования скорости перемещений, т.е. практически свести его к нулю. Такая схема пьезопривода обладает улучшенными старт-стопными характеристиками за счет повышенного внутреннего момента самоторможения, что позволяет получить весьма малые микроперемещения и выбирать люфты в системе за счет фрикционной заторможенности вала. При наличии постоянного питающего напряжения на выходе блока 12 (эпюра A, фиг.2), например, напряжения питания Un = 27B, сигнал в такой форме не поступает на блок 10. Форму импульсов питания формирует ключ 11, который управляется блоком частоты 13, формирующем частоту импульсов управления fсл (эпюра Б). Длительность импульсов управления tn формируется в соответствии с частотой f сл. Сформированный сигнал управления (эпюра B) поступает на управляемый ключ 11, с выхода которого идут импульсы питания, соответствующие частоте и длительности импульсов управления (эпюра Г). В блоке 10 осуществляется преобразование импульсов питания в пачки импульсов возбуждения на резонансной частоте пьезоэлемента с напряжением возбуждения Uвозб и частотой f рез (эпюра Д). При наличии напряжения на пьезоэлементе 7 он возбуждается. Колебания от пьезоэлемента передаются в толкатели 9, которые отталкиваясь от фрикционно-заторможенного (толкателями нижнего пьезоэлемента) ротора, создают момент вращения валу. При изменении направления вращения подключается пьезоэлемент 8. При этом вращающий момент, сообщенный толкателями этого пьезоэлемента ротору 6, передается через фрикционный контакт верхнего пьезоэлемента и дальше в нагрузку. Шаг пьезопривода, или угол разворота Dj пропорционален длительности импульса управления tn (эпюра E). Угловое вращение микрометрическим винтом 3 преобразуется в поступательное движение, которое передается каретке 1. Таким образом, единичное микроперемещение каретки Dl (эпюра E) будет определяться шагом пьезопривода и передаточным отношением винт-гайки. Скорость перемещения при заданной микропередаче Dl будет определяться частотой следования импульсов управления. Использование предлагаемого устройства за счет одновременного формирования микропередач и их группировки позволило значительно улучшить характеристики существующего микроманипулятора. Так, достигнутый угловой шаг на пьезоприводе с диаметром пьезошайбы 20мм составляет ~30угл.сек, что в сочетании с микрометрической винт-гайкой с передаточным числом 1/500 позволяет реализовать микроперемещение ~0,01мкм, что при частоте f сл ~ 1Гц обеспечивает скорость микроперемещения ~0,01мкм/с.