Aktuatory piezoelektryczne – bezluzowi mistrzowie precyzji

aktuator piezoelektryczny © Steinmeyer Mechatronik

Udostępnij:

Aktuatory piezoelektryczne są małe, wydajne, a ich ruchy cechują się precyzją rzędu nanometrów. Wszystko to sprawia, że w zadaniach z zakresu justowania, fokusowania i pomiarów te małe elementy wykonawcze nie mają sobie równych – zwłaszcza że pracują praktycznie bez luzów.

Nawet niewielkie przestrzenie pomiędzy poszczególnymi elementami silnika i zespołu napędowego powodują powstawanie luzów, które zresztą w wielu aplikacjach okazują się mieć pozytywny wpływ na pracę napędu. Pasowanie takie zapewnia bowiem większą swobodę ruchu, ułatwia montaż, zapobiega powstawaniu naprężeń, a także zwiększa odporność na różnice temperatur i zabrudzenia.



Luzy mechaniczne ograniczają jednak dokładność pozycjonowania i przyspieszają zużycie komponentów. A to sprawia, że są one wielce niepożądane wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka precyzja sterowania ruchem, m.in. w biotechnologii, medycynie, produkcji półprzewodników, akceleratorach cząstek czy skanerach cyfrowych. Rozwiązaniem jest zastosowanie aktuatorów piezoelektrycznych.

Precyzja i miniaturyzacja układów napędowych

Bezluzowość i wysoka dokładność przy zachowaniu kompaktowych wymiarów napędu – te trzy wymogi już dziś spędzają sen z powiek producentom układów napędowych. A przewiduje się, że wraz z rosnącą dokładnością i powtarzalnością obróbki popyt na maszyny precyzyjne i wysoce dokładne przyrządy pomiarowe jeszcze wzrośnie.

W efekcie rosła będzie także popularność napędów bezpośrednich, które – pozbawione układu przeniesienia mocy, a tym samym i strat mocy powstałych na skutek tarcia na przekładniach – cechują się większą sprawnością niż napędy pośrednie. Ale nie tylko: ze względu na brak luzów zapewniają także wysoką dokładność i dynamikę ruchu przejawiającą się krótszym czasem reakcji, większą dokładnością odwzorowania toru oraz wyższą maksymalną prędkością i liczbą obrotów.

Konstrukcja klasycznego napędu bezpośredniego jest prosta i kompaktowa. Z tego samego względu nie dysponuje on jednak funkcją samohamowania, co wymusza stosowanie dodatkowych hamulców i zwiększa gabaryty całego napędu. Wady tej pozbawione są aktuatory piezoelektryczne, co sprawia, że są one stosowane wszędzie tam, gdzie kluczowe znaczenie mają wysoka precyzja i miniaturyzacja.

Aktuatory niczym miniaturowe „nóżki”

Unikalne właściwości aktuatorów piezoelektrycznych sprawiają, że cieszą się one coraz większą popularnością w wielu aplikacjach. Przykładem może być opatentowana technologia Piezo LEGS szwedzkiej firmy Piezomotor, która w połączeniu z wytrzymałymi silnikami liniowymi i obrotowymi zapewnia bezluzowe ruchy o dokładności już nie nanometrów, lecz dziesiętnych nanometra. Wykorzystuje ona tzw. odwrotny efekt piezoelektryczny, tj. zjawisko odkształcenia materiałów pod wpływem przyłożenia napięcia. Efekt ten jest przeciwny do zjawiska piezoelektrycznego, które polega na zmianie polaryzacji ciała stałego pod wpływem odkształcenia mechanicznego.

Piezo LEGS (ang. nóżki piezoeletryczne) to nic innego, jak zestaw ceramicznych elementów przypominających miniaturowe nóżki, które pod wpływem przyłożonego napięcia wydłużają się i wyginają na boki, dzięki czemu mogą się poruszać. Synchronizacja poszczególnych par „nóżek” umożliwia im wykonywanie mikroruchów o długości dziesiętnych nanometra do kilku nanometrów, które z kolei napędzają silniki liniowe i obrotowe.

Zespół napędowy bezpośrednio styka się zarówno z poruszanym obiektem, jak i aktuatorem piezoelektrycznym, a sprzężenie cierne między nim a „nóżkami” eliminuje luzy przy zachowaniu krótkiego czasu reakcji i wysokiej dokładności pozycjonowania.

Więcej piezoelektryka, większa moc



Napęd bezpośredni wyposażony w technologię Piezo LEGS może również zostać zablokowany w danej pozycji po unieruchomieniu silnika – i to bez pobierania prądu. Zadanie to realizowane jest przez te same komponenty co rozruch: w fazie rozruchu „nóżki” aktuatora poruszają się ruchem eliptycznym i naciskają na poruszany element, wprawiając go w ruch. Ich przesunięty fazowo ruch blokuje wirnik lub zespół napędowy, zapobiegając wykonywaniu ruchów jałowych.

Moc znamionowa napędu z technologią Piezo LEGS zależy w dużej mierze od ilości (objętości) zastosowanego piezoelektryka i może sięgać od kilku do kilkuset niutonów. Dostępne w ofercie firmy Piezomotor aktuatory wyposażone są w 4-6 „nóżek”, co zapewnia możliwość dostosowania siły trzymania napędu do potrzeb danej aplikacji.

Aktuatory piezoelektryczne ułatwiają miniaturyzację

W porównaniu z popularnymi napędami konwencjonalnymi aktuatory piezoelektryczne składają się z relatywnie małej liczby komponentów, dzięki czemu zajmują niewiele miejsca, ułatwiając miniaturyzację układów napędowych. A dodatkowo zapewniają bezluzowość, dużą siłę trzymania po wyłączeniu napędu i bardzo wysoką dynamikę pracy, co dla wielu użytkowników stanowi zalety nie do przecenienia. To jednak nie wszystko: są również niemal bezobsługowe, mogą pracować w środowisku próżniowym i nie generują pola elektromagnetycznego, co czyni je idealnym rozwiązaniem do wszelkich zastosowań OEM, w których wymagana jest wysoka precyzja pozycjonowania.

Udostępnij:

Drukuj



Karin Pfeiffer




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również