Привод

Союз Советскик Социалистических Рвспубпин(51) М. Кл. 005 В 11/01 осудврственный комитет ЮССР ио деаае изобретений и открытий. ) ,Г. Н. Бобров и И, И. ШишковЩ,: ,ЭоЯД 0Специальное конструкторское бюро биологическовприборостроения АН СССР(54) ИРИБОД Изобретение относится к автомати ке и приборостроению и может быть использовано в качестве привода гониометра в электронном микроскопе.Известен шаговый пьезопривод, содержащий злектрострикционный шаговый двигатель, движущий элемент которого снабжен измерителем приращения и стопорными устройствами, и источник питания 1.Из известных устройств по технической сущности наиболее близким является пьезопривод, содержащий первый ключ, первый вход которого соединен с источником постоянного напряже- "5 ния, а выход - с первым входом исполнительного механизма, первый триггер, выход которого соединен с первым входом первого элемента ЗИ, второй вход которого соединен с выходом одновибратора, третий вход " с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход через второй элемент ЗИ соединен с входом задатчика и непосредственно с входом преобразователя кода, первый выход которого через первый преобразователь код-напряжение соединен с вторым входом исполнительного механизма, а второй, третий, четвертый и пятый выходы соединены с соответствующими входами элемента 2 ИИЛИ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента ЭИ (23Погрешностью известного привода является его низкая точность и отсутствие возможности применения его.в реверсивной шаговой системе с шагом, заданным зубчатым звеном рейкой, шестерней).Целью изобретения является повышение точности привода и расширение его функциональных возможностей.Достигается это тем, что в пьезоприводе установлены элемент 3 ИЛИ, последовательно соединенные коммутатор, элемент 2 И, второй триггер н третий элемент 3 И и последовательно соединеттные второй преобразователь код-напряжение, второй ключ, блок памяти и нуль-орган, второй вход которого через второй преобразователь код-напряжение соединен с первым выходом преобразователя кода, а выход " с вторым входом элемента 2 И, второй вход третьего элемента 3 И соединен с выходом коммутатора, третий входс выходом первого триггера, а выходс вторым входом первого ключа и третьим входом второго элемента 3 И, выход задатчика соединен с одним извходов элемента 3 ИЛИ, выход которогосоединен с вторыми входами второгоключа и второго триггера и первымвходом первого, триггера, второй входкоторого соединен с третьим входомвторого триггера, выход которого соединен с входом одновибратора, шестой и седьмой выходы преобразователякода соединены с соответствующимивходами коммутатора.Блок-схема устройства представлена на чертеже.В ее состав входит генератор прямоугольных колебаний 1, одновибратор 2, первый и второй триггеры 3 и4, первый, второй и третий элементы 3 И 5, 6 и 7, исполнительный механизм 8, движущий пьезоэлемент 9,стопорный пьезоэлемент 10, преобразователь кода 11, элемент 2 ИИЛИ 12,блок памяти 13, первый и второй клю-чи 14 и 15, нуль-орган 16, первый ивторой преобразователи код-напряжение 17 и 18, коммутатор 19, элемент3 ИЛИ 20, элемент 2 И 21, задатчик 22, источник постоянного напряжения23, клемма 24 установки исходногосостояния, клемма стоп 25, клеммапуск 26, исполнительный орган 27,Для правильной работы пьезопривода необходимо, чтобы вспомогатель"ный преобразователь код-напряжение 18имел линейную характеристику. В товремя, как основной преобразователькод-напряжение 17, к выходу которогоподсоединен движущий пьезоэлемент 9,имеет неодинаковый вес младших истарших разрядов, сообразно с нелинейностью механической характеристики пьезоэлемента 9. Существенной особенностью преобразователя кода 11 является то, что его заполнение и сбросначинаются с одних и тех же разрядоа. Это позволяет обойтись без специальных мер при компенсации петлигистерезиса в механической характе"ристике пьезоэлемента 9, посколькудостаточно задать соответствующийвес разрядам в преобразователе коднапряжение 17. Пьезоэлементы 9 и10 выполнены из стандартной пьезокерамикй ЦТСсклейкой двух пластин в биморфный пакет. Гистерезистаких пакетов достигает 30. Поэтомуупомянутые меры неизбежны,Предлагаемый пьезопривод работает следующим образом.Для установки пьезопривода в ис"ходное состояние. на клемму 24 подается импульс напряжения, при этомна выходе элемента 3 ИЛЙ 20 и подключенных к нему входах триггеров 3и 4 также появляется импульс напряжения, устанавливающий иа выходетриггера 3 потенциал логического нуля, а на выходе триггера 4 - потенциал логической единицы, Ва всех выходах преобразователя кода 11, атакже во всех разрядах счетчика взадатчике 22 устанавливаются логические нули. В качестве эадатчика 22в пьезоприводе используется цифровойэадатчик перемещения, состоящий изреверсивного счетчика импульсов, наму 26 на выходе триггера 3 и на соединенных с ним входах элементов 3 И 5 и 3 И 7 устанавливается потенциал логической единицы. На выходе триггера 4 устанавливается потенциал логического нуля. С приходом первого же из импульсов с выхода нуль-органа 16 ( прохождение. которых разрешается во время рабочего хода логической единицей на втором входе элемента 2 И 21) на.вход триггера 4, он перебрасывается в такое состояние, при котором на его выходе устанавливается потенциал логической единицы; Так как на один из входов триггера 4 подан постоянно потенциал логической единицы, все последующие импульсы, поступающие на его первый вход, не изменят его состояния. Таким образом, переброс состояния триггера 4 по входу синхронизации соответствует равенству напряжений на входах нульоргаиа 16. Существенно также и то, что этот переброс происходит только при наличии потенциала логической едмнмцы на выходе коммутатора 19, что являетая Необходимым услбвием для срабатываипя стоаорного пьезоэлемента 10.Ири совпадепми сигналов на всех трех входах элемента 3 И 7 срабатывает стоцорннй пьезоэлемент 10, причем, циклы его срабатывания при отработке пьезеприводом перемещений, многократно превышающих шаг зубчатого элемента, совпадают с циклами сигнала иа выходе коммутатора 19.Переброс триггера 4 по входу синхронизации вь 1 эывает срабатывание одновибратора 2. При этом на время выдержки одновибратора 2 запрещается прохождение импульсов с выхода генератора 1 через элемент 3 И .5 на вход преобразователя кода 11. Время вы 5 6 35 20 25 ЗО 35 40 4 з 0 5 еО 65 бора переключателей, связанных с еговыходами, и блока совпадения. Реверсиввый счетчик задатчика 22 сблокироваи по направлению счета с коюеутатором 19, которнй осуществляет выбор направления движения пьеэопривода. При этом ключ 1 па время, равноедлительности установочного импульса,подключает вход блока памяти 13 квыходу преобразователя код-напряжение 18. В результате на обоих входахнуль-органа 16 потенциалы выравниваются, и на его выходе возникают прямоугольные колебания, частота которых определяется параметрами генератора компенсации зоны нечувствительности нуль"органа 16, Генератор вхо"дит в состав нуль-органа 16 и на чертеже не показан,При подаче импульса "пуск" на клемдержки одновибратора 2 несколькопревышает длительность переходногопроцесса срабатывания стопорногопьезоэлемента 10. Этим обеспечивается сохранение величины первого (послевключения ) шага в случае, когда навыходе коммутатора 19 в момент пускаприсутствует потенциал логическойединицы.Импульсы напряжения, поступающиеиа вход преобразователи кода 11 одновременно поступают и иа один иэ входоэ элемента 3 И б, однако, иа счетчна задатчика 22 проходят только тв81 иах, которые приходят при срабаъваиии стопориого пьезоэлемента 10.Причем при срабатывании избыточныхразрядов в распределителе кода Джонсона 11, элемент 2 и - 2 или 12 запрещает прохождение упомянутых им"пульсов и нри включенном стопорномпьезоэлементе 10. Таким образом, всчетчике задатчика 22 накапливаютаятолько те импульсы, после прохождения которых произошло перемещениеисполнительного органа 27,Количество разрядов"преобразователя кода 11 и предбразователя коднапряжение 17 определяется требуемойточностью выхода на позицию исполнительного органа 27 и величиной шагаперемещения.Остановка пьезопрнвода осуществляется автоматически, либо вручную.Автоматическая остановка происходитпри равенстве набранного в задатчике22 числа импульсов заданному числу,т.е. величине перемещения некоторойзаданной величине. При этом на выходе задатчика 22 появляется импульснапряжения, который через элемент3 ИЛИ .20 поступает на вход триггера 3 и переводит его в состояние, прикотором на выходе его появляетсялогический нуль, что запрещает прохождение импульсов напряжения с генератора 1 на распределитель кодаДжонсона 11 через элемент 3 И 5. Навыходах преобразователя кода 11 приэтом фиксируется состояние, соответствующее текущему значению напряжения на пьезоэлементе 9, при котором произошла остановка пьеэопривода.Логический нуль появляется также и навыходе элемента 3 И 7, орин из входов которого соединен с выходом триггера 3, что приводит к зааираиизэ ключа 14 и отведению с помощью стопориого пьезоэлемента 10 исполнительногооргана 27 при Фиксированном напряжении на движущем пьезоэлементе 9. Ключ15 на время, равное длительноати импульса, выработанного задатчиком 22этот импульс поступает через эле"мент 3 ИЛИ 20 на управляющий входключа 15), подключает блок памяти 13к выходу преобразователя 18. При.этомна выходе. блока памяти 13 и первомвходе нуль-органа 16 появляется на пряжение, соответствующее выходному напряжению преобразователя код-на-.пряжение 18 в момент остановки пьезопривода. Ручная остановка может быть рсуществлена в любой момент работы путем подачи импульса напряжения (команда "Стол" ) на клемму 25 элемента 3 ИЛИ 20, что совершенно аналогично остановке пьезопривода при появлении соответствующего импульса на выходе задатчика 22,Для смены направления движенияпьезопривода необходимо с помощью коммутатора 19 соединить вход элемента3 И 7 и соединенный с ним вход элемента 2 И 21 с шестым выходом преобраэо вателя кода 11. Иа вход задатчика 22при этом также поступает команда счета в обратном направлении ( цепи ре" верса задатчика 22 на чертеже не показаны ). Необходимо также задать пе- Я реключателями новую величину перемещения и подать импульс "Пускф на клеМму 26. При этом на выходе триггера 3устанавливается потенциал логическойединицы, что приводит к появлениюимпульсов на входе распределителяпреобразователя кода 11, а на выходетриггера 4 устанавливается логическийнуль, что приводит к сохранению навыходе элемента 3 И 7 логического нуля. Ключ 14 не отпирается, стопорныйпьезоэлемент 10 остается в отведенномсостоянии, а элемент 3 И 6, вход которого соединен с выходом элемента 3И 7, не пропускает импульсы на входзадатчика 22. Таким образом, распределитель кода Джонсона 11 интегрирует поступающие на его вход импульсы,а преобразователь код-напряжение 17преобразует комбинацию кода на еговходах в напряжение, управляющее пье зоэлементом 9 при выведенном из зацепления исполнительном органе 27,Счета импульсов в задатчике 22 не происходит. При заполнении й +1 разрядараспределителя преобразователя кода 11происходит изменение сигналов на егошестом и седьмом выходах на инверсные, что приводит к появлению на выходе элемента 3 И 7 и входе элемента 2 И 21 логической единицы. Напряжения на выходах преобразователей коднапряжения 17 и 18, достигшие макси"мума, начинают убывать с поступлением каждого последующего импульсана вход распределителя преобразовате"ля кода 11. В момент, когда текущее эз значение напряжения на выходе преобразователя код-напряжение 18 и напряжение на выходе блока памяти 13сравняются, нуль-орган 16 вырабатывает сигнал в виде прямоугольных импульсов, поступающий на вход элемента 2 И 21, а следовательно н на входсинхронизации триггера 4, так как Надругом входе элемента 2 И 21 присутствует сигнал с шестого выхода преобразователя кода 11. Триггер 4 пере 802917брасывается в состояние, при которомна его выходе появляется логическаяединица. При этом состояние выходаэлемента 3 И 7 меняется с логическогонуля на единицу, ключ 14 отпирается,подавая напряжение на стопорныйпьезоэлемент 10, а одновибратор 2 за 5прещает прохождение импульсов с генератора 1 на вход распределителяпреобразователя кода 11 через элемент 3 И 5 на время, достаточное длясрабатывания стопорного пьезоэлемента 10. После этого распределителькода Джонсона 11 продолжает интегрировать входные импульсы, а задатчик 22начинает осуществлять обратный счетвычитание) до момента автоматической остановки при отработке заданногоперемещения, либо до поступления команды "Стоп", т.е. совершенно так же,как и при прямом направлении движения, После отработки перемещения сто Опорный пьезоэлемент 10 вновь выводится иэ зацепления, а в блоке памяти 13вновь фиксируется величина напряженияна выходе преобразователя код-напряжение 18, при котором произошла остановка пьезопривода,Изложенная последовательность операций соответсвует перемещению движущего пьезоэлемента 9 по одному и томуже частному циклу петли гистерезисапри отработке задания какой угодновеличины и направления. Это исключает неоднозначность позиции исполнительного органа 27 при входе в зацепление после остановки в прямом иобратном направлениях, 35Линеаризация электромеханическогопреобразования управляющего воздействия и компенсация петли гистерезисаисполнительного механизма 8 позволяют получить .высокую точность переме Ощения без применения датчиков перемещения, положения исполнительногооргана и т,п. Это обстоятельство выгодно отличает данный пьезоприводот известных устройств, тем более,что измерение микроперемещений (например в интервалах, измеряемых долями микрон) само по себе представляет значительные трудности.Низкий уровень магнитных помехи высокая надежность пьезоприводаделают его применение наиболее оправданным в таких приборах, как электронные микроскопы высокого разрешения.Существенным преимуществом предлагаемого пьезопривода является также возможность управления от стандартных вычислительных средств. Формула изобретенияПривод, содержащий первый ключ,первый вход которого соединен с источником постоянного напряжения, авыход - с первым входом исполнительного механизма, первый триггер, выход которого соединен с первым входом первого элемента 3 И, второйвход которого соединен с выходом одновибратора, третий вход - с выходомгенератора прямоугольных импульсов,а выход через второй элемент 3 И соединен с входом задатчика и непосредственно с входом преобразователя кода, первый выход которого через первый преобразователь код-напряжениесоединен с вторым входом исполнительного механизма, а второй, третий, четвертый и пятый выходы соединены с соответствующими входами элемента 2 И2 ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента 3 И, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности и расширения Функциональных возможностей привода, в нем установлены элемент 3 ИЛИпоследовательно соединенные коммутатор, элемент 2 И, второй триггер итретий элемент 3 И и последовательносоединенные второй преобразователькод-напряжение, второй ключ, блокпамяти и нуль-орган,второй вход которого через второй преобразователькод-напряжение соединен с первым выходом преобразователя кода, а выходс вторым входом элемента 2 И, второйвход третьего элемента 3 И соединенс выходом коммутатора, третий вход -с выходом первого триггера, а выход -с вторым входом первого ключа и третьим входом второго элемента 3 И,выход задатчика соединен с одним извходов элемента 3 ИЛИ, выход которогосоединен с вторыми входами второгоключа и второго триггера и первымвходом первого триггера, второй входкоторого соединен с третьим входомвторого триггера, выход которого соединен с входом одновибратора, шестой и седьмой выходы преобразователя кода соединены с соответствующимивходами коммутатора,Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2337200/18-24,кл. 6 05 в 11/01, 197 б.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2344580/18-24,кл. С 05 В 11/01, 197 б.Составитель Г. НедоедоваТех вд .С.Ииг нова Ко ькто онч акт исное каз 0635ВНИИПИ 113035 Хос а аб., д, 4 5илиал ППП "Патент , г, Умгород, ул. Проектная, 4 тирам 95 осударственного к лам изобретений и ква, Ж. Ра ск мит отк я н Па СССРтий