Пьезодвигатели основаны на пьезоматериалах, представляющих собой керамику, которая меняет форму при воздействии электрического поля, создавая вибрации, вызывающие движение — линейное или вращательное. (И наоборот, пьезоматериалы также могут вырабатывать электричество при механической нагрузке.) Существует несколько принципов, на которых могут работать пьезодвигатели, наиболее распространенными из которых являются использование ультразвуковых колебаний, эффект “прилипания-скольжения” (также называемый инерционными пьезодвигателями) или шагание, которое предполагает объединение нескольких пьезоэлементов для получения «шагающего» движения.
Большинству инженеров и дизайнеров, когда они думают о пьезодвигателях, в первую очередь приходят на ум преимущества небольшого размера и высокого разрешения. Но пьезодвигатели также обладают значительным соотношением мощности и габаритов, обеспечивая очень высокий крутящий момент или усилие при своих компактных размерах. Это делает их хорошо подходящими для применения в аэрокосмической промышленности и производстве потребительских товаров, где требуются большие усилия, но пространство имеет большое значение. Благодаря низкой инерции пьезодвигатели демонстрируют очень быстрое время отклика, что позволяет быстро запускать и останавливать их. Пьезодвигатели также самоблокируются при отключении питания и могут удерживать положение без смещения, в отличие от серводвигателей, которые постоянно “охотятся” за положением.
Условия, исключающие использование других технологий, как правило, не являются проблемой для пьезодвигателей. Например, пьезоэлементы могут работать в вакуумных условиях, которые широко распространены в оборудовании для производства полупроводников и электроники. Кроме того, ультразвуковые и шаговые пьезодвигатели немагнитны и могут работать в сильных магнитных полях, таких как аппараты МРТ. Другие области применения, которые хорошо подходят для пьезодвигателей, включают аэрокосмические компоненты, оборудование для оптического контроля и медицинские приборы.
Помимо преимуществ, рассмотренных выше, каждая технология пьезодвигателей обладает своими уникальными эксплуатационными преимуществами. Ультразвуковые пьезодвигатели могут развивать скорость до 1 м/с и разрешение до 50 нанометров. Шаговые пьезодвигатели имеют практически неограниченную длину хода и могут достигать пикометрового разрешения с помощью принципа, называемого сглаживанием. Инерционные пьезодвигатели, как правило, являются наиболее компактным вариантом и доступны по низкой цене.
Пьезоприводы (не путать с пьезодвигателями) обычно приводятся в движение за счет расширения или сжатия пьезоматериала прямо пропорционально приложенному напряжению. Высокое усилие и быстрая реакция позволяют пьезоприводам заменять соленоиды в клапанах, насосах и дозирующем оборудовании. Пьезо-ступени, в состав которых входят поперечные роликоподшипники или миниатюрные линейные направляющие, обеспечивают высокое разрешение и способность переносить тяжелые грузы — и все это в компактном корпусе. Ступени также могут быть сложены таким образом, чтобы обеспечить движение по оси X-Y или X-Y-Z.Единственной технологией, способной конкурировать с пьезокаскадами по разрешающей способности и повторяемости, являются воздушные подшипники. И хотя ступени с воздушными подшипниками способны преодолевать большие расстояния, они, возможно, более сложны в интеграции и эксплуатации.
В приложениях, требующих разрешения на микрометровом или даже нанометровом уровне, пьезодвигатели обеспечивают непревзойденное сочетание миниатюрных размеров, большой длины хода, высокой скорости и высокого усилия. Их разрешающая способность и повторяемость конкурируют с пневматическими подшипниками, что также делает их хорошим выбором для одноосных и многоосевых линейных ступенчатых конфигураций. И хотя пьезодвигатели используются в промышленности уже почти четыре десятилетия, они традиционно считались слишком дорогими для всех, кроме самых экстремальных требований. Однако достижения в области пьезоматериалов и методов производства, а также более экономичные средства управления привели к тому, что стоимость пьезодвигателей и приводов достигла уровня, конкурентоспособного по сравнению с другими решениями.
Свежие комментарии