RU2279755C2

RU2279755C2 - Broad range device for precise positioning

Info

Publication number: RU2279755C2
Application number: RU2004112287/28A
Authority: RU
Inventors: Вадим Израилович Раховский (RU); Вадим Израилович Раховский
Original assignee: Вадим Израилович Раховский
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2006-07-10

Abstract

FIELD: engineering of precise positioning devices, providing for significant continuous movement range of object (~10mm) with extremely high (~0,1 nm) resolution.

SUBSTANCE: positioning device includes magnetostriction poly-crystal of material, having an effect of gigantic magnetostriction, encased between abutment plate and piston, affecting the liquid, filling the communicating vessels of different diameters. Movement of piston in a vessel of large cross-section is performed due to force, appearing during alteration of length of magnetostriction device, produced by change of magnetic field in the volume of aforementioned magnetostriction device, which is formed by a source of magnetic field. Piston movement values in vessels of larger and lesser diameters are reversely proportional to square value of relation of their diameters, which makes it possible to maintain continuous movement of piston in vessel of lesser diameter for significant distance with extremely high linear resolution, determined by elongation of magnetostriction device during changing of strength of magnetic field in its volume. By setting the acceleration speed for this field, absence of unevenness at the beginning of movement is provided for, and smoothness of movement of lesser piston along whole movement base.

EFFECT: increased efficiency.

3 cl, 1 dwg

Description

Существуют силовые магнитострикционные нанопозиционеры, позволяющие осуществлять сверхточное (дискретный шаг позиционирования до 0,01 нм) позиционирование со значительными (до нескольких тонн) усилиями на значительной (до 1 м) базе [V.I. Rakhovsky, «Super-precise nanopositioners for nanotechnology», Proc. of the International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Micro Systems, Moscow, p.115, 2003]. Однако использование этих позиционеров осложняется тем, что конструктивно они являются двухступенчатыми, причем точная ступень допускает перемещение только в диапазоне длин 10-50 мкм. Эта особенность ограничивает их применение во многих приложениях, где требуется позиционирование с высокой точностью на достаточно протяженной базе без перехода от одной ступени перемещения к другой. Поэтому нами предлагается простое устройство, существенно расширяющее диапазон высокоточного силового позиционирования.There are power magnetostrictive nanopositioners that allow ultra-precise (discrete positioning step up to 0.01 nm) positioning with significant (up to several tons) forces on a significant (up to 1 m) base [V.I. Rakhovsky, “Super-precise nanopositioners for nanotechnology”, Proc. of the International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Micro Systems, Moscow, p. 115, 2003]. However, the use of these positioners is complicated by the fact that they are structurally two-stage, and the exact stage allows movement only in the range of lengths 10-50 microns. This feature limits their application in many applications where positioning with high accuracy on a fairly long base without moving from one stage to another is required. Therefore, we propose a simple device that significantly expands the range of high-precision power positioning.

Учитывая, что магнитострикционные позиционеры развивают весьма значительные усилия в малом диапазоне длин позиционирования, предлагается использовать для увеличения диапазона высокоточного позиционирования с высоким (0,1-1 нм) линейным разрешением гидравлический преобразователь, принципиальная схема которого аналогична схеме хорошо известного гидравлического пресса [Роберт Вихард Поль «Механика, акустика и учение о теплоте», издательство «Наука», ГИФМЛ, Москва, 1971]. Так же, как и в гидравлическом прессе, преобразователь состоит из двух сообщающихся сосудов 1 и 2 с сильно различающимися сечениями, заполненных жидкостью 3. Каждый из сосудов закрыт поршнем соответствующего сечения 4 (см. чертеж). Однако в нашем изобретении мы предлагаем использовать для перемещения поршня в сосуде большего сечения увеличение длины магнитостриктора 5, расположенного между поршнем 4 и опорной плитой 6, вследствие изменения приложенного к нему внешнего магнитного поля, создаваемого источником магнитного поля 7, вследствие чего поршень меньшего диаметра обеспечит плавное перемещение закрепленного на нем объекта 8 на достаточно большое расстояние.Considering that magnetostrictive positioners develop very significant efforts in a small range of positioning lengths, it is proposed to use a hydraulic converter to increase the range of high-precision positioning with a high (0.1-1 nm) linear resolution, the circuit diagram of which is similar to that of a well-known hydraulic press [Robert Wichard Paul “Mechanics, Acoustics, and the Doctrine of Heat”, Nauka Publishing House, GIFML, Moscow, 1971]. As in the hydraulic press, the transducer consists of two communicating vessels 1 and 2 with very different sections filled with liquid 3. Each of the vessels is closed by a piston of the corresponding section 4 (see drawing). However, in our invention, we propose to use to move the piston in a larger cross-section vessel, increasing the length of the magnetostrictor 5 located between the piston 4 and the base plate 6, due to a change in the external magnetic field applied to it created by the magnetic field source 7, as a result of which the smaller diameter piston will provide a smooth moving the object 8 fixed thereon over a sufficiently large distance.

Перемещение поршня в сосуде большего сечения осуществляется вследствие усилия, возникающего при изменении длины магнитостриктора, расположенного на этом поршне, при изменении магнитного поля в объеме этого магнитостриктора. Используемый для перемещения поршня магнитостриктор изготовлен из редкоземельного сплава Terfenol-D, обладающего эффектом гигантской магнитострикции. Удлинение стриктора в этом случае будет составлять 10^-3 от его первоначальной длины в направлении вектора магнитного поля (в случае обычных магнитострикционных материалов, например Ni, такое удлинение составляет всего лишь 10^-6).The movement of the piston in a vessel of a larger cross section is due to the force arising from a change in the length of the magnetostrictor located on this piston when the magnetic field in the volume of this magnetostrictor changes. The magnetostrictor used to move the piston is made of the rare earth Terfenol-D alloy, which has the effect of giant magnetostriction. The elongation of the stricter in this case will be 10 ^-3 from its original length in the direction of the magnetic field vector (in the case of conventional magnetostrictive materials, for example Ni, this elongation is only 10 ^-6 ).

Разберем конкретный пример. При длине стриктора l=50 мм удлинение при воздействии магнитного поля напряженностью Н=0,65 Т составит L₁=50 μ. Возникающее при этом усилие составляет на каждый 1 мм² сечения стриктора 10 кг, т.е. при диаметре стриктора 5 см суммарное усилие, воздействующее на поршень, составит 19,6 т. При этом радиус сосуда большего диаметра нашего преобразователя, а значит и радиус находящегося в нем поршня, будет равен R₁=60 мм.We will analyze a concrete example. When the length of the stricter l = 50 mm, the elongation when exposed to a magnetic field of intensity H = 0.65 T will be L ₁ = 50 μ. The force arising in this case is 10 kg for each 1 mm ² section of the strictor, i.e. with a strictor diameter of 5 cm, the total force acting on the piston will be 19.6 tons. In this case, the radius of the vessel of the larger diameter of our transducer, and hence the radius of the piston located in it, will be equal to R ₁ = 60 mm.

Если радиус сосуда меньшего диаметра будет равен R₂=4 мм, то полное перемещение поршня в этом сосуде L₂ можно определить из соотношенияIf the radius of the vessel of smaller diameter is equal to R ₂ = 4 mm, then the full movement of the piston in this vessel L ₂ can be determined from the ratio

При этом достижимое линейное разрешение при измерении перемещения поршня в сосуде малого диаметра будет определяться разрешением интерферометра, который будет использоваться для измерения такого перемещения.In this case, the attainable linear resolution when measuring the displacement of the piston in a vessel of small diameter will be determined by the resolution of the interferometer, which will be used to measure such displacement.

Таким образом, наш гидропреобразователь позволит преобразовать малое перемещение, обусловленное удлинением стриктора на 0,05 мм, в перемещение малого поршня на 11,25 мм с усилием ~ 10³ Н.Thus, our hydraulic converter will allow us to convert the small displacement due to the extension of the stricter by 0.05 mm, into the displacement of the small piston by 11.25 mm with a force of ~ 10 ³ N.

Чтобы обеспечить возможно более плавное перемещение объекта 7, закрепленного на малом поршне, необходимо избегать любых возмущений в жидкости, заполняющей преобразователь, особенно в начале движения. Для этого можно использовать жидкости с большими коэффициентами вязкости, в которых такие возмущения будут эффективно затухать. С другой стороны, т.к. движение обусловлено удлинением магнитостриктора, на который воздействует магнитное поле, то, задавая скорость нарастания этого поля, можно обеспечить как отсутствие неравномерности в начале движения, так и плавность перемещения малого поршня на всей базе перемещения.To ensure the smoother movement of the object 7, mounted on a small piston, it is necessary to avoid any disturbances in the fluid filling the transducer, especially at the beginning of the movement. For this, liquids with high viscosity coefficients can be used in which such perturbations will effectively damp. On the other hand, because the movement is due to the elongation of the magnetostrictor, which is affected by the magnetic field, then, by setting the rate of rise of this field, it is possible to ensure both the absence of unevenness at the beginning of the movement and the smooth movement of the small piston throughout the movement base.

Claims

1. A precision displacement hydraulic converter, consisting of two communicating vessels of different sections, filled with liquid and hermetically sealed by movable pistons, comprising a drive generating a force on one of the pistons, characterized in that, in order to ensure precise movement of the piston on an extended base in a vessel of smaller cross section , the movement of the piston in a vessel of a larger cross section is carried out as a result of the force created by the expanding magnetostrictor when the absolute value of the external the magnetic field acting on the magnetostrictor, and / or the direction of the intensity vector of this magnetic field generated by an external source.

2. The precision hydraulic converter according to claim 1, characterized in that to ensure smooth movement and eliminate micro-irregularities in the movement of the piston in a vessel of a smaller diameter, a liquid with a high viscosity is used as a filling fluid to the converter.

3. The precision transducer according to claim 1 or 2, characterized in that to ensure smooth movement and eliminate micro-irregularities in the movement of the piston in a vessel of a smaller diameter, the change in the magnetic field acting on the magnetostrictor is carried out according to a special program that avoids the occurrence of a sharp change in fluid pressure at the moment start of movement.