Линейные системы для нанопозиционирования

Линейные системы для нанопозиционирования

Приводы пьезо, Приводы звуковой катушки, Ступени линейного двигателя.

Когда мы говорим о линейном движении, мы обычно обсуждаем приложения, в которых расстояние перемещения составляет, по меньшей мере, несколько сотен миллиметров, а требуемое позиционирование находится в диапазоне нескольких десятых миллиметра. И для этих требований хорошо подходят направляющие и приводы с рециркуляционными подшипниками. Показательный пример: отклонение отведения для обычного шарикового винта класса 5 составляет 26 микрон на 300 мм хода. Но когда приложение требует позиционирования в нанометровом диапазоне (одна миллиардная часть метра), инженерам приходится выходить за рамки механических элементов качения и рециркуляции, чтобы достичь требуемого разрешения.

Три наиболее распространенных решения линейного движения для нанопозиционирования - это пьезоприводы, приводы звуковой катушки и ступени линейного двигателя. Механизм привода в каждом из этих решений полностью свободен от механических элементов качения или скольжения, и они могут быть соединены с воздушными подшипниками для высокой точности позиционирования и разрешения.

Пьезоприводы

Приводы пьезо (также называемые пьезодвигателями) используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания движения и силы. Существует много стилей пьезоприводов, но двумя наиболее распространенными для нанопозиционирования являются линейный шаговый и линейный ультразвуковой. В линейных шаговых пьезодвигателях используются несколько пьезоэлементов, установленных в ряд, которые действуют как пары «ножек». Когда электрический заряд приложен, одна пара ног захватывает продольный стержень посредством трения и перемещает его вперед, когда ноги расширяются и изгибаются. Когда эта пара ног освобождается, следующая пара вступает во владение. Работая на очень высоких частотах, линейные шаговые пьезодвигатели обеспечивают непрерывное линейное движение с ходом до 150 мм и разрешением на уровне пикометра.

Линейные ультразвуковые пьезодвигатели основаны на пьезоэлектрической пластине. Когда электрический заряд прикладывается к пластине, он возбуждается на своей резонансной частоте, заставляя ее колебаться. Эти колебания производят ультразвуковые волны в пластине. Муфта (или толкатель) прикреплена к плите и предварительно нагружена против продольного стержня (также называемого бегунком). Ультразвуковые волны заставляют пластину расширяться и сжиматься эллиптическим образом, что позволяет муфте продвигать стержень вперед и производить линейное движение. Линейные ультразвуковые пьезодвигатели могут достигать разрешения от 50 до 80 нм с максимальным ходом, аналогичным линейным шаговым двигателям, от 100 до 150 мм.

Приводы звуковой катушки

Другим решением для применения в области нанопозиционирования являются приводы звуковой катушки. Как и линейные двигатели, приводы звуковой катушки используют поле постоянного магнита и обмотку катушки. Когда ток подается на катушку, генерируется сила (известная как сила Лоренца). Величина силы определяется произведением тока и магнитного потока.

Эта сила заставляет движущуюся часть (которая может быть или магнитом, или катушкой) перемещаться под управлением, обеспечиваемым либо воздушными подшипниками, либо скрещенными роликовыми направляющими. Приводы звуковой катушки могут достигать разрешения до 10 нм, с ходами, как правило, до 30 мм, хотя некоторые доступны с ходами до 100 мм.

Линейные моторные ступени

Когда для более длинных ходов требуется разрешение в нанометрах, линейные электродвигатели с воздушными подшипниками обычно являются лучшим выбором. Хотя приводы пьезо и звуковой катушки имеют ограниченные возможности перемещения, линейные двигатели могут быть рассчитаны на перемещение до нескольких метров. Использование воздушных подшипников в качестве направляющей системы делает ступень линейного двигателя полностью бесконтактной, без механических элементов трансмиссии или трения, влияющих на движение и точность позиционирования. Фактически, ступени линейного двигателя с воздушными подшипниками могут достигать разрешения в один нанометр.

Недостатком ступеней линейного двигателя для приложений с нанопозиционированием является их занимаемая площадь, которая намного больше, чем у приводов пьезо или звуковой катушки. Хотя их может быть сложно интегрировать в небольшие устройства, они хорошо подходят для приложений, требующих относительно длинного удара и высокого разрешения, таких как медицинские изображения.


Время публикации: июнь-15-2020