Картинка: sciencedirect.com, under CC license, коллектив авторов

Современные технологии всё больше миниатюризируются, что требует соответствующих подходов, в плане манипулирования миниатюрными объектами.

В некоторой мере, этот вопрос позволяют решать разнообразные редукторы, совмещённые с микрошаговыми режимами шаговых двигателей и иные подходы.

Однако, что же делать, если требуется манипулировать объектами с субнанометровой точностью?

Для чего это может быть нужно: для исследований в области биологии, где происходит манипулирование живой клеткой под микроскопом, для использования в сканирующих туннельных микроскопах, для атомно-силовой микроскопии и иных промышленных и научных применений.

Тут уже обычными шаговыми двигателями не обойдёшься — разрешающей способности не хватит (т. е. двигатель даже в микрошаговом режиме будет делать слишком крупные шаги).

Да, в некоторой степени это может быть решено с помощью применения редукторов — как мы уже ранее разбирали, при желании редуктор может иметь практически бесконечную разрешающую способность. На этом факте базируется, например, довольно забавное устройство — «бесконечный редуктор», состоящий из 100 шестерней, каждая из которых имеет коэффициент редукции 10, таким образом, если вращать входной вал редуктора, то на поворот выходного вала потребуется количество времени, равное возраста вселенной. Поэтому, для усиления внешнего эффекта психологического воздействия на наблюдателя — частенько выходной вал редуктора вмонтируют в бетонный блок (всё равно в обозримом будущем он не повернётся):

Однако даже у таких экзотических по разрешению редукторов есть один минус — дрейф вала. То есть, например, мы подаём на двигатель команду: повернуться на один оборот, а выходной вал редуктора повернётся, например, на 0,85 оборота (число взято случайно, просто чтобы дать понять суть происходящего; оно может быть разным для разных редукторов) — причиной этого являются люфты между шестернями, и другие причины.

Точно такие же проблемы возникнут и при использовании червячных приводов (как альтернативы описанному выше подходу).

Таким образом, если использовать подобный подход для манипулирования с субнанометровой точностью, эти люфты многократно усложнят процесс.

Причём, если движение прямолинейное (люфт выберется в самом начале, и дальше будет движение без люфтов) — это более простой вариант, а если требуется постоянно менять направление?

Тоже, в принципе, дело поправимое (программно всегда учитывать люфт), однако есть способ лучше — так как именно для таких случаев и был разработан любопытный класс устройств — пьезоэлектрические двигатели, на так называемом «гусеничном принципе» и предназначенные для осуществления линейных перемещений.

Проще всего понять принцип их действия на примере демонстрационной макромодели (видео ниже).

Такие двигатели, будучи исполненными в самом простом варианте, содержат три пьезо- привода: два — для осуществления фиксации на достигнутом положении и промежуточный, который соединяет их друг с другом — для «подтягивания» заднего пьезоэлемента. В видео ниже в качестве среднего привода использована деревянная пружинная пластина, в то время как в реальном приводе, это был бы действующий пьезоэлемент (насколько можно судить, здесь в демонстрационных целях для подтягивания заднего элемента использована верёвочная наматывающаяся тяга, и деревянная пластина, по сути, просто стоит «для красоты» и реально не работает; хотя вся конструкция хорошо даёт понять принцип действия подобных устройств):

Регулируя величину напряжения на среднем пьезоэлементе, можно изменять степень его искривления, и соответственно, величину линейного перемещения всей конструкции.

Для смещения на условно большое расстояние, последовательность, показанная в видео выше (фиксация заднего элемента, освобождение переднего, вытягивание вперёд переднего, фиксация переднего, ослабление заднего, подтягивание заднего) — повторяется многократно.

Причём, если в видео выше показан вариант перемещения по поверхности, то в реальности обычно происходит перемещение линейной тяги, и конструкция таких актуаторов может быть разной, существенно отличающейся от описанной выше:

Интересно то, что, используя идею гусеничного движителя, могут быть изготовлены устройства с разным типом непосредственно физического привода и разного назначения — как было показано выше, даже с верёвочным подтягиванием второго, заднего фиксатора. Так и, например, на базе электростатического принципа:

Или даже просто механического:

Существуют open source проекты, предлагающие своим последователям исходники в открытом доступе, позволяющие построить подобное устройство. Описание одного из них можно найти здесь.

Рассмотрим вкратце основные моменты, что предлагает рассматриваемый проект: он предоставляет описание подходов, а также необходимые файлы (программный код, электрические схемы, 3D модели деталей для фотополимерной 3D печати и прочие компоненты), позволяющие построить миниатюрное устройство для позиционирования по трём осям (XYZ), где:

• величина получающегося разрешения позволяет осуществлять сканирование с высоким разрешением, на атомном уровне, а позиционирование (т. е. более грубое перемещение) может осуществляться с нанометровым разрешением,
• при этом он может быть построен из достаточно простых и дешёвых компонентов,
• устройство имеет компактный размер, что позволяет его легко умещать в вакуумируемых камерах,
• обладает высокой грузоподъёмностью, что позволяет ему перемещать грузы вплоть до 12 кг (в файлах проекта идёт краткая отсылка на тест перемещения, как я понял, небольшой гранитной плиты; однако, автор проекта, похоже, забыл выложить сам видеофайл теста (хотя ссылается на него), так что остаётся только поверить на слово).

Но сначала небольшое видео построенного (одним из последователей проекта) 1-осевого привода на таком принципе:

Как можно видеть, конструкция крайне простая, и механическая часть представляет собой буквально 4 компонента:

• цилиндрический стальной вал,
• цилиндрический подшипник (наподобие тех, которые используются в FDM 3D принтерах, типа Prusa и не только),
• многослойный пьезоэлектрический стек с внешним полимерным покрытием (такие на AliExpress стоят приблизительно от 2600 руб),
• парочка мелких кубических неодимовых магнитов.

Насколько можно судить по видео, работает это следующим образом: при подаче на пьезоэлементную сборку — питания, ультразвуковой частоты, это вызывает её циклические искривления.

Так как эта сборка жёстко прикреплена к цилиндрическому подшипнику и неодимовым магнитам с помощью эпоксидной смолы, то её колебания приводят к тому, что она циклически отталкивается от стального вала (так как отклоняться в противоположную от вала сторону она не может).

После того, как «акт отталкивания» завершён — вся конструкция удерживается на новом месте с помощью силы притяжения неодимовых магнитов, которой хватает для удержания системы в состоянии «между отталкиваниями», и в то же время которая легко преодолевается пьезоэлементной сборкой, собственно, в момент её отталкивания.

Реверс направления движения осуществляется сменой полярности питающего напряжения.

Цилиндрический подшипник в составе конструкции служит для её облегчения передвижения по валу, а также фиксации пьезоэлемента относительно вала.

При этом, как выше уже было сказано, привод может как осуществлять плавное перемещение (на картинке ниже, — левая часть, А), так и перемещение рывками на большое расстояние (Б), и для этого используется питание с помощью пилообразного или треугольного вида сигналов:

Картинка: sciencedirect.com

В то время как выше была показана самая простая самодельная версия, корневой open source проект предлагает более сложный вариант, базирующийся на линейных ползунках и перемещении в трёх координатах:

Картинка: sciencedirect.com

В конструкции используются неодимовые магниты, которые, по мнению разработчика проекта, имеют заводское хромовое покрытие*, которое работает как твёрдая смазка, предотвращая износ как самого ползунка, так и магнита.

*это отдельно не оговаривается, однако, как я понимаю, разработчик проекта предлагает использовать для него магниты со спецпокрытием (хромированием), так как обычно неодимовые магниты покрывают другими составами.

Для управления приводом применяется микроконтроллер Arduino Mega 2560 (но могут использоваться и профессиональные, специально для этих целей предназначенные контроллеры), и трёхканальный цифро-аналоговый преобразователь/усилитель звуковой частоты (на микросхеме TDA2050), позволяющий подавать на устройство диапазон напряжений от 0 до 35 В, с током до 5А.

Для управления устройством используются 8-битные сигналы, идущие с шагом в 5 Гц (можно поменять, при желании, в коде).

В разделе «Key components» можно найти все необходимые файлы печатных плат, 3D модели для печати и код Arduino, а в разделе «Electronics» — схемы печатных плат и распиновку соединений с Arduino.

Как заявляется, в ходе экспериментов по тестированию сканирования с помощью этого устройства, в режиме высокого разрешения, для горизонтального перемещения был взят диапазон: 0…3,75 мкм, а для вертикального: 0…3,29 мкм и средний шаг для горизонтальных перемещений составил 25 нм, в то время как для вертикальных 21,9 нм. При этом также было выявлено, что если использовать профессиональный контроллер, с полосой пропускания в 20 МГц, то в этом случае шаг уже смог составить 0,125 нм и 0,11 нм (также, для горизонтали и вертикали).

Кроме того, как отмечается, установка позволяет перемещать довольно большой вес — в ходе тестирования была успешно проверена возможность по перемещению 12 кг образца.

В целом, если обобщить и подытожить, то разработчик проекта отмечает, что этот проект вполне может конкурировать с коммерческими образцами манипуляторов, позволяющих работать в нано- и даже субнано- метровых диапазонах.

Эти и множество других деталей проекта вы сможете найти по ссылке выше, которую для удобства продублирую здесь.

Подытоживая, можно отметить, что, как мы видим, сам принцип подобного «гусеничного» манипулятора довольно прост и может быть реализован на разных аппаратных основах.

Например, мне после ознакомления с этим проектом сразу пришло в голову, что подобную конструкцию вполне можно было бы попробовать повторить из трёх соленоидов, только, скорее всего, получится достаточно грубый аппарат…

Хотя, как мы уже разбирали ранее, на электромагнитном принципе могут быть построены и достаточно точные машины, в том числе, чьей точности даже вполне хватает для использования в роботах поверхностного монтажа электронных компонентов, хотя, насколько мне известно, точность таких аппаратов не позволяет говорить о нано- или субнано- метровых перемещениях (что, однако, не исключает того, что где-то в природе они есть, просто мне неизвестны).

Вкратце, подобные приводы устроены следующим образом: немагнитный вал наполняется изнутри неодимовыми магнитами, и далее, по нему перемещается подвижная каретка, представляющая собой массив электромагнитных катушек:


Источник картинки: Диссертация «Design and Construction of a Precision Tubular Linear Motor and Controller, — Bryan Craig Murphy»

При этом, скорость перемещения может быть весьма высокой, например, даже 1,8 м/с:

А движение их, в случае потребности, отличается высокой плавностью:

Снабдив такую каретку неким устройством обратной связи, например, на базе аналогового датчика Холла, в теории, можно попытаться собрать ещё один вариант простого высокоточного устройства.

Возможно и у таких двигателей тоже есть некоторая перспектива быть использованными для приводов нано- и меньших диапазонов, а вы как думаете?;-)

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?