Пьезоэлектрический манипулятор для прецизионного позиционирования оптических элементов

 

Использование для прецизионного позиционирования оптических элементов в технологическом процессе производства волоконно-оптических систем Сущность изобретения1 пьезоэлектрический манипулятор содержит корпус манипулятора 10 с закрепленными на нем биморфными-пьезоэлектрическими элементами 11, 15, светодиод 13, укрепленный с помощью держателя 14, оптический кабель 17, укрепленный с помощью держателя 12, фотодиод 16, микро- ЭВМ 1, устройства согласования пьезопривода 7, 8, порты ввода-вывода 2 3, устройство 9 сьема сигнала обратной связи в цифровом коде, порты ввода-вывода 4,5.6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s В 25 J 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТ

1 (21) 4804222/08 (22) 14,02.90 (46) 23,07.92. Бюл, ¹ 27 (71) Одесский политехнический институт (72) Р.Г.Джагупов, М.В.Ядрова, В.Г.Бровков, А,Н.Сидорчук и Г.B.Ìàéêî (56) Заявка Великобритании № 2139819, кл. Н 01 1 41/00, 1983.

{54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАНИПУЛЯТОР ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (57) Использование: для прецизиойного rio зиционирования оптических элементов в,5U 1749019 А1

2 технологическом процессе производства волоконйо-оптических систем. Сущность изобретения: пьезоэлектрический манипулятор содержит корпус манипулятора 10 с закрепленными на нем биморфйыми пьезоэлектрическими элементами 11, 15, светодиод

13, укрепленный с помощью держателя 14, оптический кабель 17, укрепленный с помощью держателя, 12, фотодиод 16, микроЭ ВМ 1, устройства согласования пьезопривода 7, 8, порты ввода-вывода 2, 3, устройство 9 сьема сигнала обратной связи в цифровом коде. порты ввода-eveoha 4, 5. 6 ил.

1749019

Изобретение относится к устройствам позиционирования и может быть испольэовайо для прециЗионного позиционирования оптических элементов в технологическом процессе производства волоконно-оптических систем, Целью изобретения является повышение производительности труда при производстве изделий оптоэлектроники.

На фиг.1 изображена функциональная схема пьезоэлектрического манипулятора для прецизионного позиционирования оптических элементов; на фиг,2 — схема устройства согласования пьеэопривода с микроЭВМ; на фиг.3 — импульсный метод формирования напряжения на пьезоэлектрическом элементе; нэ фиг.4 — схема устройства съема сигнала обратной связи в цифровом коде; на фиг,5 и 6 — алгоритм управления позиционированием оптиче ских элементов.

Конструкция" пьезоэлектрического манипулятора (фиг,1) и редставляет собой два консольно закрепленных в корпусе 10 манипулятора биморфных пьезоэлектрических элементов 11 и 15 (БПЭ). Светодиод 13 укреплен на пьезоэлементе 15 с помощью держателя 14, Одий конец оптического кабеля 17 укреплен на пьезоэлементе 11 с помощью держателя 12, а другой конец оптического кабеля соединен с фотодиодом

16. МикроЭВМ 1 подключена к входам устройств 7 и 8 согласования пьезаприводэ с микроЭВМ, с помощью встроенных портов

2 и 3 ввода-вывода. Выходы устройства 9 съема сигнала обратной связи в цифровом коде подключены к порту 4 ввода-вывода, а вход "Старт" и выход "Готов" устройства 9 подключены к порту 5 ввода-вывода микроЭВМ 1. Оба устройства 7 и 8 согласования пьезопривода с микроЭВМ подключены к высоковольтному источнику 6 питания. Выход устройства 7 согласования пьезопривода с микроЭВМ соединен с первым выводом

БПЭ 15, выход устройства 8 согласования пьеэопривода с микроЭВМ соединен с первым выводом БПЭ 11, вторые выводы БПЭ

11 и 15 подключены к высоковольтному источнику 6 питания. Вход устройства 9 съема сигнала обратной связи в цифровом коде подключен к фотодиоду 16, соединенному с оптическим кабелем 17. укрепленном на

БПЭ 11, Устройство согласования пьезопривода с микроЭВМ (фиг.2) содержит генератор 18 тактовых импульсов, подключенный к счетному входу двоичного счетчика 19, выходы которого соединены с входами А сумматоров 20 и 21, входы B которых подключены к микроЭВМ. Выходы переноса сумматоров образование

Выход ЦАП 35 соединен с одним входом компаратора 36, второй вход которого подключен к выходу операционного усилителя

34. Выход компаратора 36 соединен с вха40 дам О регистра 31 последовательного приближения. Выход Р РПП 31 подключен к входу S РПП 31 и к входу С триггера 29.

Восемь выходных разрядов РПП 31 являются выходом устройства съема сигнала обратной связи вцифровом коде,,они подключены к входу ЦАП 35 и порту ввода-вывода микроЭВМ, Кроме того, устройство 9 содержит резисторы 32 и 33, 50 Манипулятор работает следующим образом, БПЭ 15 (фиг.1) является приводом линеййого перемещения. Один конец БПЭ 15 закреплен в корпусе 10 манипулятора, а другой соединен с держателем светодиода

13. Подача электроэнергии на пьезоэлемент

15 заставляет его принять заданное положе- ние и обеспечивает перемещение светодиода 13 по координате х. БПЭ 11 также является приводом линейного перемеще20 и 21 соединены с входами буферных ключей 22 и 23 представляющих собой логические элементы И-НЕ с открытым коллектором, выходы которых через резисторы 27

5 и 28 подключены к змиттеру высоковольтного транзистора 26 управляемого токового ключа 24, БПЭ 15, являющийся пьезопривадом линейного перемещения, включен параллельно коллекторному сопротивлению .

10 25, первый вывод БПЭ 15 подключен к коллектору транзистора 26, а второй вывод — к шине высоковольтного источника питания Е . Высоковольтный токовый ключ 24 собран по схеме с общей базой, управление им осуще15 ствляется по цепи эмиттера, а на бээу подается фиксированный потенциал Uo, .

Фотодиод 16 подключен к входу устройства сьема сигнала обратной связи в цифровом коде, а именно к входу операционного

20 усилителя 34 (фиг.4) выход усилителя 34 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), состоящего из генератора

30 тактовых импульсов, регистра 31 последовательного приближения (РПП), цифро25 аналогового преобразователя 35 (ЦАП) и кампаратара 36. Выход генератора 30 тактовых импульсов подключен к входу С регистра 31 последовательного приближения, а вход генератора 30 соединен с выходом

30 триггера 29, который также подключен к микроЭВМ, таким образом сигнал "Готов", сигнализирующий об окончании преобразования, поступает в микроЭВМ. К микроЭВМ подключен и вход S триггера 29, на него

35 приходит сигнал "Старт", начинающий преi 749019 ния, подача электроэнергии на него обеспе- полнен, и выход переноса сумматора перейчивает перемещение укрепленного на нем дет из состояния "0" в состояние "1". в котооптического кабеля 17 по координате у. С ром он будет находиться до переполнения помощью микроЭВМ I задается программа счетчика 19. Так как счетчик имеет четыре перемещения БПЭ 11 и 15. 5 разряда и с выхода микроЭВМ на каждый из

Для получения необходимого переме- сумматоров поступает четырехразрядный щения БПЭ 11 и 15 на пьезоэлементах не- цифровой код, то каждый из этих узлов в обходимо формировать постоянное отдельности не может переполнить четырехнапряжение высокого уровня в соответст- . разрядный сумматор. Двоичное число на вывии с цифровым кодом микроЭВМ 1, это 10 ходе счетчика 19 изменяется от 0 до (2"-1), обеспечивается с помощью устройств 7 и 8 При этом в зависимости от величины двоичсогласования пьезопривода с микроЭВМ. ного числа на выходе микроЭВМ момент

Изменение положения светодиода 13 переполнения сумматора будет наступать относительно оптического волокна кабеля раньше или позже, т.е. ширина импульса

17 вызывает изменение освещенности фо- 15 изменяется при перемещении переднего тодиода 16, связанного с оптическим ка- фронта, а момент окончания импульса фикбелем. Фотодиод генерирует ток 1фд, сирован и определяется моментом переполпропорциональный его освещенности; Фо- нения двоичного счетчика 19. тодиод 16 подключен к входу устройства 9 Таким образом, на выходе переноса сумсъема сигнала обратной связи в цифровом 20 маторов формируется последовательность . коде, преобразующего выходной сигнал фо- импульсов постоянного периода Ta = 2" х Т, тодиода в цифровой код, поступающий в где и — число двоичйых разрядов счетчика порт 4 ввода-вывода микроЭВМ. Таким об- 19, а Т вЂ” период следования импульсов такразом осуществляется контроль положения тового генератора 18, при .этом. длительоптических элементов друг относительно 25 ность импульсов на выходе сумматоров Ь друга с помощью микроЭВМ. Оптимальное определяется цифровйм кодом микроЭВМ. положение светодиода 13 относительно on- Управляющий цифровой код от микро-" тического волокна кабеля 17 соответствует ЭВМ поступает на входы В сумматоров 20 и максимальной освещенности фотодиода 16, 21, причем четыре младших разряда постуследовательно. позиционирование" оптиче- 30 пают на сумматор 20, а четыре старших — на ских элементов 13 и 17 заключается в по- сумматор 21, При этом на выходе переноиске максимума освещенности фотодиода са P сумматора 20 формируется последова16, Алгоритм программы микроЭВМ (фиг.б тельность импульсов,длительность которых и 6) осуществляет поиск максимума осве- при заданном периоде следования импульщенности фотодиода. 35 сов пропорциональна цифровому коду четыПрецизионное позиционирование све- рех младших разрядов микроЭВМ, а на тодиода и оптического волокна кабеля, сое- выходе P сумматора 21 — последовательдиненного с фотодиодом, осуществляется: ность импульсов с длительностью, пропорпри производстве волстронов, представля- циональной цифровому коду четырех ющих собой светодиод и фотодиод, соеди- 40 старших разрядов микроЭВМ. ненные.с помощью оптического волокна. Эти импульсные последовательности

Оптические элементы соединяются между через соответствующие элементы И-НЕ 22 собой микросваркой. и 23 с открытым коллектором и токозадаюУстройство согласования пьезопривода щие резисторы 27 и 28 поступают на эмитс микроЭВМ позволяет импульсным спосо- 45 тер высоковольтного транзистора 26, на бом сформировать на биморфном пьезоэ- котором собран управляемый токовый ключ лектрическом элементе постоянное 24, и управляют его работой. напряжение заданного уровня в соответст- Пьезоэлектрический элемент 15, вклювиисцифровымкодоммикроЭВМиобеспе- ченный в систему управления паралчиваетпростоесогласование пьезопривода 50 лельно коллекторному сопротивлению 25 с микроЭВМ. управляемого токового ключа 24, облаРассмотрим работу этого устройства дает электрической емкостью С„, его за(фиг,2), Управляющий цифровой код(двоич- ряд осуществляется через открытый ное число) от микроЭВМ поступает на входы токовый ключ постоянным током при отриВ сумматоров 20 и 21, на входы А этих сум- 55 цательном управляющем импульсе на эмитматоровпоступаетдвоичноечислосвыхода . тере транзистора 26. разряд емкости счетчика 19. Когда сумма двух чисел, посту- пьезоэлемента осуществляется постоянно пающих на входы сумматора, будет больше через сопротивление 25. (2"-1), где и — число разрядов сумматора, в Импульсный метод формирования наданном случае n = 4. сумматор будет пере- пряжения на пьезоэлементе представлен на

1749019 фиг.3. На вход элемента И-НЕ с открытым коллектором поступает последовательность импульсов заданного периода То и длительностью t и, определенной микроЭВМ.

Ток открытого транзистора ЧТ1 4 постоянен;

Io = Iэ = (LIoï Ueq)/Rэ= COnSt, где I s — ток эмиттера транзистора VT1;

Оьэ — напряжение на эмиттерном переходе VT1.

В течение времени действия импульса

t< токовый ключ на транзисторе VT1 отпирается, и заряд емкости пьезоэлемента 15 С„осуществляется постоянным током 4 через открытый транзистор VT1 в течение временои t<. Разряд емкости пьезоэлемента осуществляется постоянно в течение всего периода Т, через сопротивление R, При выборе достаточно высокой частоты управляющих импульсов Т, «т,, То «zp,ãäå тз — постоянная времени цепи заряда; гр — постоянная времени цепи разряда, напряжение на емкости С» возрастает постепенно (фиг,3), с приходом очередного импульса пьезоэлемент получает новую порцию заряда. Причем ток заряда постоянен 1з и равен Io, а ток разряда Ip определяется напряжением на пьезоэлементе 15 Оп, и сопротивлением R», через которое осуществляется разряд:

Опэ

P—

R»

B начале процесса заряда емкости пьезоэлемента ток разряда намного меньше тока заряда Ip < 1з, так как Ip определяется малым уровнем напряжения на пьезоэле менте Uo>.

Напряжение на пьезоэлементе за время действия одного импульса равно (2) О

Оз =

Спэ

С приходоФ очередного импульса напряжение на пьезоэлементе увеличивается, и C ростом Опэ возрастает lp, определяемый по формуле (1). Ток разряда возрастает до тех пор, пока на пьезоэлементе не установится режим, при котором напряжение заряда U3 за период и напряжение разряда

Up за период не будут равны (фиг.3).

В установившемся режиме

Цз tip, rAe яз = 41и = lotw — заряд емкости пьезоэлемента при действии импульса

gp = 1р То — заряд, стекающий с емкости пьезоэлемента во время его разряда То.

Используем формулы для q> . ор и формулу для Ip (1), тогда

Опэ

Iota = — - To

R, отсюда определяем величину постоянного

10 напряжения на пьезоэлементе

Опэ = loRk— и

То (3) Опэ = lo ср », где lo cp — средний ток через транзистор

VT1:

R» — коллекторное сопротивление транзистора. т где — коэффициент заполнения управляТо ющих импульсов.

Ток открытого транзистора Io для данной схемы — величина постоянная, тогда, как следует из (3), величиной напряжения на пьезоэлементе можно управлять, изменяя коэффициент заполнения управляющих имти пульСов —, т.е. управлять чисто цифровы25

То ми методами за счет изменения среднего времени открытого состояния токового ключа.

Влияние пульсаций напряжения (фиг,3) на точность перемещения пьезоэлемента

/ мало, это обусловлено тем, что при выборе достаточно высокой частоты управляющих

1 импульсов Т «Спэйс», To « —, где С R»вЂ”

fp постоянная времени разряда пьезоэлемента; fp — частота основного резонанса пьезоэлемента, амплитуда пульсаций на пьезоэлектричеСком элементе становится пренебрежимо малой (десятые доли процента).

Время установления напряжения на пьезоэлементе тус (фиг.3) мало и не оказывает существенного влияния на работу устройства.

Анализ данной схемы (фиг.3) можно провести также на постоянном токе в установившемся режиме.

В установившемся режиме емкость пьезоэлемента 15 Спэ зарядилась до некоторого значения, тогда ток заряда через нее равен нулю, 4 =О.

В этом случае постоянное напряжение на пьезоэлементе равно

1749019

1749019

1749019

Составитель M.ßäðîâà

Редактор О.Юрковецкая Техред M,Ìîðãåíòàë

Корректор Т.палий

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 2553 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5