Привод

 

Союз Советскив

Социалистических

Рвсаублин («)802917

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное н авт. свид-ву (22) Заявлено 15. 03. 7 7 (2 1 ) 2 4 63164/18-24 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 0702,81, Бюллетень ¹ 5

Дата опубликования описания 090281 (51)М. Кл.

005 В 11/01

ГосудврственныИ комитет

CCCP но деавв нзобретений

H открыт«Й (5Ç) УДК 62-50 (088.8) ° ° .

Г. Н. Бобров и И. И. Шишков

-"- Хд,: -:;4

Э S.(Д0)

Специальное конструкторское бюро биологическ мв» приборостроения AH СССР (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ИРИБОД

Изобретение относится к автомати р<е 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

2И-2ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента ЭИ (2).

Погрешностью 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 из

802917 входов элемента 3 ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами второго ключа и второ о триггера и первым входом первого .триггера, второй вход которого соединен с третьим входом второго триггера, выход которого соединен с входом одновибратора, шестой и седьмой выходы преобразователя кода соединены с соответствующими входами коммутатора.

Блок-схема устройства представлена на чертеже.

В ее состав входит генератор прямоугольных колебаний 1, одновибратор 2, первый и второй триггеры 3 и

4, первый, второй и третий элементы 3 И 5, 6 и 7, исполнительный механизм 8, движущий пьезоэлемент 9, стопорный пьезоэлемент 10, преобразователь кода 11, элемент 2И-2ИЛИ 12, блок памяти 13, первый и второй клю- чи 14 и 15, нуль-орган 16, первый и второй преобразователи код-напряжение 17 и 18, коммутатор 19, элемент

3 ИЛИ 20, элемент 2 И 21, задатчик22, источник постоянного напряжения

23, клемма 24 установки исходного состояния, клемма стоп 25, клемма пуск 26, исполнительный орган 27.

Для правильной работы пьезопривода необходимо, чтобы вспомогательный преобразователь код-напряжение 18 имел линейную характеристику. В то время, как основной преобразователь код-напряжение 17, к выходу которого подсоединен движущий пьезоэлемент 9, имеет неодинаковый вес младших и старших разрядов, сообразно с нелинейностью механической характеристики пьезоэлемента 9. Существенной особенностью преобразователя кода 11 является то, что его заполнение и сброс начинаются с одних и тех же разрядов. Это позволяет обойтись без специальных мер при компенсации петли гистерезиса в механической характеристике пьезоэлемента 9, поскольку достаточно задать соответствующий вес разрядам в преобразователе коднапряжение 17. Пьезоэлементы 9 и

10 выполнены из стандартной пьезокерамики ЦТС-19 склейкой двух пластин в биморфный пакет. Гистерезис таких пакетов достигает 30%. Поэтому упомянутые меры неизбежны.

Предлагаемый пьезопривод работает следующим образом.

Для установки пьезопривода в исходное состояние, на клемму 24 подается импульс напряжения, при этом на выходе элемента 3 ИЛЙ 20 и подключенных к нему входах триггеров 3 и 4 также появляется импульс напряжения, устанавливающий иа выходе триггера 3 потенциал логического нуля, а на выходе триггера 4 — потенциал логической единицы. На всех выходах преобразователя кода 11, а также во всех разрядах счетчика в

t6

t$

$0

65 задатчике 22 устанавливаются логические нули. В качестве эадатчика 22 в пьезоприводе используется цифровой эадатчик перемещения, состоящий из реверсивного счетчика импульсов, на- бора переключателей, связанных с его выходами, и блока совпадения. Реверсивиый счетчик задатчика 22 сблокироваи по направлению счета с коюаутатором 19, который осуществляет выбор направления движения пьеэопривода. При этом ключ 15 па время, равное длительности установочного импульса, подключает вход блока памяти 13 к выходу преобразователя код-напряжение 18. В результате на обоих входах нуль-органа 16 потенциалы выравниваются, и на его выходе возникают прямоугольные колебания, частота которых определяется параметрами генератора компенсации зоны нечувствительности нуль"органа 16. Генератор входит в состав нуль-органа 16 и на чертеже не показан, При подаче импульса "пуск" на клемму 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 единицы а выходе коммутатора 19, что являетая необходимым услбвием для срабатываипя стоаорного пьезоэлемента 10.

При соваадепми сигналов на всех трех входах элемента 3 И 7 срабатывает стоцорный пьезоэлемент 10, причем, циклы его срабатывания при отработке пьезеприводом перемещений, многократно превышающих шаг зубчатого элемента, совпадают с циклами сигнала иа выходв коммутатора 19.

Переброс триггера 4 по входу синхронизации вь1эывает срабатывание одновибратора 2. При этом на время ввщержки одновибратора 2 запрещается прохождение импульсов с выхода генератора 1 через элемент 3 И .5 на вход преобразователя кода 11. Время вы802917 держки одновибратора 2 несколько превышает длительность переходного процесса срабатывания стопорного пьезоэлемента 10. Этим обеспечивается сохранение величины первого (после включения ) шага в случае, когда на выходе коммутатора 19 в момент пуска присутствует потенциал логической единицы .

Импульсы напряжения, поступающие иа вход преобразователи кода 11, одновременно -поступают и иа один иэ входоз элемента 3 И б, однако, иа счвтчна задатчика 22 проходят только тв

g8 ижХ, кОторые ПРиходит при сРаба ъваиии стопорного пьезоэлемента 10.

Причем при срабатывании избыточных разрядов в распределителе кода Джонсона 11, элемент 2 и - 2 или 12 запрещает прохождение упомянутых импульсов и нри включенном стопорном пьезоэлементе 10. Таким образом, в счетчике задатчика 22 накапливаютая только те импульсы, после прохождения которых произошло перемещение исполнительного органа 27, Количество разрядов преобразователя кода 11 и предбразователя коднапряжение 17 определяется требуемой точностью выхода на позицию исполнительного органа 27 и величиной шага перемещения.

Остановка пьезопрнвода осуществляется автоматически, либо вручную.

Автоматическая остановка происходит при равенстве набранного в задатчике

22 числа импульсов заданному числу, т.е. величине перемещения некоторой заданной величине. При этом на выходе задатчика 22 появляется импульс напряжения, который через элемент

3 ИЛИ 20 поступает на вход триггера 3 и переводит его в состояние, при котором на выходе его появляется логический нуль, что запрещает прохождение импульсов напряжения с генератора 1 на распределитель кода

Джонсона 11 через элемент 3 И 5. На выходах преобразователя кода 11 при этом Фиксируется состояние, соответствующее текущему значению напряжения на пьезоэлементе 9, при котором произошла остановка пьеэопривода.

Логический нуль появляется также и на выходе 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 исполнительного органа 27 при фиксированном напряжении на движущем пьезоэлементе 9. Ключ

15 на время, равное длительности импульса, выработанного задатчиком 22 (этот импульс постунает через элемент 3 ИЛИ 20 на управляющий вход ключа 15), подключает блок памяти 13 к выходу преобразователя 18. При.этом на выходе. блока памяти 13 и первом входе нуль-органа 16 появляется на» пряжение, соответствующее выходному напряжению преобразователя код-на-. пряжение 18 в момент остановки пьезопривода. Ручная остановка может быть| осуществлена 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 движения пьезопривода необходимо с помощью коммутатора 19 соединить вход элемента

3 И 7 и соединенный с ним вход элемента 2 И 21 с шестым выходом преобраэо15 вателя кода 11. Иа вход задатчика 22 при этом также поступает команда счета в обратном направлении (цепи ре" верса задатчика 22 на чертеже не показаны ). Необходимо также задать пеЯ реключателями новую величину перемещения и подать импульс "Пуск" на клеМму 26. При этом на выходе триггера 3 устанавливается потенциал логической единицы, что приводит к появлению импульсов на входе распределителя преобразователя кода 11, а на выходе триггера 4 устанавливается логический нуль, что приводит к сохранению на выходе элемента 3 И 7 логического нуля. Ключ 14 не отпирается, стопорный пьезоэлемент 10 остается в отведенном состоянии, а элемент 3 И 6, вход которого соединен с выходом элемента 3

И 7, не пропускает импульсы на вход задатчика 22. Таким образом, распределитель кода Джонсона 11 интегрирует поступающие на его вход импульсы, а преобразователь код-напряжение 17 преобразует комбинацию кода на его входах в напряжение, управляющее пье40 зоэлементом 9 при выведенном из зацепления исполнительном органе 27.

Счета импульсов в задатчике 22 не происходит. При заполнении и +1 разряда распределителя преобразователя кода 11 происходит изменение сигналов на его шестом 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 максимума, начинают убывать с поступлением каждого последующего импульса на вход распределителя преобразователя кода 11. В момент, когда текущее

5$ значение напряжения на выходе преобразователя код-напряжение 18 и напряжение на выходе блока памяти 13 сравняются, нуль-орган 16 вырабатывает сигнал в виде прямоугольных импульсов, поступающий на вход элемента 2 И 21, а следовательно н на вход синхронизации триггера 4, так как На другом входе элемента 2 И 21 присутствует сигнал с шестого выхода преобразователя кода 11. Триггер 4 пере802917 брасывается в состояние, при котором на его выходе появляется логическая единица. При этом состояние выхода элемента 3 И 7 меняется с логического нуля на единицу, ключ 14 отпирается, подавая напряжение на стопорный пьезоэлемент 10, а одновибратор 2 за5 прещает прохождение импульсов с генератора 1 на вход распределителя преобразователя кода 11 через элемент 3 И 5 на время, достаточное для срабатывания стопорного пьезоэлемента 10. После этого распределитель кода Джонсона 11 продолжает интегрировать входные импульсы, а задатчик 22 начинает осуществлять обратный счет (вычитание) до момента автоматичес- 15 кой остановки при отработке заданного перемещения, либо до поступления команды "Стоп", т.е. совершенно так же, как и при прямом направлении движе-. ния. После отработки перемещения сто- 20 порный пьезоэлемент 10 вновь выводится иэ зацепления, а в блоке памяти 13 вновь фиксируется величина напряжения на выходе преобразователя код-напряжение 18, при котором произошла оста- 5 новка пьезопривода.

Изложенная последовательность операций соответсвует перемещению движущего пьезоэлемента 9 по одному и тому же частному циклу петли гистерезиса при отработке задания какой угодно величины и направления. Это исключает неоднозначность позиции исполнительного органа 27 при входе в зацепление после остановки в прямом и обратном направлениях. 35

Линеаризация электромеханического преобразования управляющего воздействия и компенсация петли гистерезиса исполнительного механизма 8 позволяют получить .высокую точность переме- 4Q щения без применения датчиков перемещения, положения исполнительного органа и т.п. Это обстоятельство выгодно отличает данный пьезопривод от известных устройств, тем более, что измерение микроперемещений (например в интервалах, измеряемых долями микрон) само Ilo себе представляет значительные трудности.

Низкий уровень магнитных помех. и высокая надежность пьезопривода делают его применение наиболее оправданным в таких приборах, как электронные микроскопы высокого разрешения.

Существенным преимуществом пред- 55 лагаемого пьезопривода является также возможность управления от стандартных вычислительных средств.

Формула изобретения

Привод, содержащий первый ключ, первый вход которого соединен с источником постоянного напряжения, а выход — с первым входом исполнительного механизма, первый триггер, выход которого соединен с первым входом первого элемента 3 И, второй вход которого соединен с выходом од новибратора, третий вход - с выходом генератора 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-напряжение соединен с вторым входом исполнительного механизма, а второй, третий, четвертый и пятый выходы соединены с соответствующими входами элемента 2 И

2 ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента 3 И, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей привода, в нем установлены элемент 3 ИЛИ последовательно соединенные коммутатор, элемент 2 И, второй триггер и третий элемент 3 И и последовательно соединенные 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 вход— с выходом первого триггера, а выход— с вторым входом первого ключа и третьим входом второго элемента 3 И., выход задатчика соединен с одним из входов элемента 3 ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами второго ключа и второго триггера и первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с третьим входом второго триггера, выход которого соединен с входом одновибратора, шестой и седьмой выходы преобразователя кода соединены с соответствующими входами коммутатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2337200/18-24, кл . Q 05 в 11/01, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2344580/18-24, кл. 0 05 В 11/01, 1976.

802917

Составитель Г. Недоедова

P акто Е. Гонча Тех ед .С.Ииг нова Ко @Кто

Эаказ 06 3 59 Тирам 95 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35 . Pa ская наб., д.. 4 5

Филиал ППП "Патент, r. Умгород, ул. Проектная, 4