10_Actu_vibro (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)
Описание файла
Документ из архива "Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "технология производства электронных средств (иу-4/рт-2)" из 10 семестр (2 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "технология радиоэлектронных средств" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "10_Actu_vibro"
Текст из документа "10_Actu_vibro"
7
Виброприводы.
Низкочастотные (НЧ) вибродвигатели используются для транспортировки деталей на конвейерах и в вибробункерах. Для создания механических колебаний применяются емкостной (электростатический) и магнитострикционный методы, пневмо- и гидро- приводы.
Действие высокочастотного (ВЧ) вибродвигателя (ВД) основано на преобразовании многокомпанентных упругих колебаний твердых или гибких тел в направленное многомерное движение подвижного звена: ротора, ползуна и др.. Используются стоячие и бегущие ультразвуковые (УЗ) волны от 20 103 Гц.
Для создания ВЧ механических колебаний акустической волны (АВ) применяются электростатический, пьезоэлектрический, оптический, магнитострикционный методы.
В упругой среде могут распространяться объемные (ОАВ) и поверхностные акустические (ПАВ) волны. Для возбуждения объемных волн на пьезоэлектрике формируют пару широких электродов, а для поверхностных волн - несколько пар узких электродов. Для обратного преобразования акустических колебаний в электрические вторая пара электродов для ОАВ располагается на противоположной стороне кристалла, а для ПАВ - на той же.
Для объемных волн максимальная амплитуда наблюдается в подэлектродной области и экспоненциально затухает в перпендикулярном направлении. Это позволяет разместить рядом несколько устройств (с определенным коэффициентом связи вблизи и независимые устройства - на удалении). Затухание объемной волны велико, поскольку возбуждается большое число частиц. Дополнительное рассеивание мощности АВ происходит на дефектах, поэтому к материалу звукопровода предъявляются требования идеальной структуры.
Скорость распространения АВ существенно меньше радиоволн и, следовательно, меньше длина волны ( = V/ f). АВ эффективно использовать для линий задержки, где требуются тракты с многими .
2 d
(а) (б)
Рис. Схема возбуждения объемных (а) и поверхностных волн (б).
Поверхностные акустические волны (ПАВ) распространяются в приповерхностном слое. Вдоль поверхности амплитуда АВ затухает медленно (частицы беспрепятственно сдвигаются наружу), а вглубь - быстро. Толщина слоя распространения ПАВ (поперечной):
= (1 ...2) .
f, МГц | 100 | 1.000 |
, мкм | 32 | 3.2 |
Чем меньше , тем требуется меньше бездефектного материала.
В отличие от объемных АВ с ПАВ
- легко связываться в любом месте поверхности,
- можно использовать планарную технологию.
АВ от пьезопреобразователя расходится в 2-х направлениях. Для поглощения ненужной АВ на поверхность кристалла наносят резистивное или другое поглощающее покрытие. Гребенчатые электроды возбуждения ПАВ имеют период
d = a + s,
где а - ширина проводника, s - зазор между разнополярными электродами. При равенстве = 2 d происходит резонансное синхронное сложение упругих колебаний - акустический синхронизм. Резонансная частота f = Vпоп / 2d. Ограничения частотного диапазона:
fmax - в разрешающей способности для реализации минимальных размеров а и d,
fmin - большой площади кристаллической подложки с идеальной структурой.
При воздействии УЗ частицы среды совершают интенсивные колебания. Разность давлений на расстоянии 1/2 длины волны может достигать десятков атмосфер. В результате оказывается механическое, тепловое и химическое воздействие.
Механические воздействия включают акустические течения, давление звуковой волны, кавитацию.
Акустические течения являются результатом действия закона сохранения количества движения - переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передается среде, вызывая ее регулярное движение. (Рэлей заметил, что звучащий перед резонатором камертон гасит свечу у другого конца резонатора.) Акустические течения у поверхности препятствий активизируют процессы массо- и теплопередачи через их поверхности. В процессе электролиза акустические течения УЗ в результате отражения от стенок ванны вызывают перемешивание электролита, способствующее выравниванию концентрации и удалению избытка газа из прикатодного пространства и пор катода (дегазации).
Давление звука определяется импульсом, передаваемым волной в единицу времени единице площади препятствия. Давление на границе 2-х жидких или газообразных сред приводит к вспучиванию поверхности раздела, которое при достаточной интенсивности приводит к фонтанированию. Это свойство используется для распыления жидкостей. АВ более энергетически эффективна, чем одноразовое воздействие.
В жидкости УЗ вызывает явление кавитации. Продольная УЗ волна образует чередующиеся зоны высокого и низкого давлений, т.е. области сжатий и растяжений. В разряженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. Жидкость локально разрывается, образуя множество газовых пузырьков. В период высокого давления пузырьки “схлопываются”, образуя ударные волны с большим мгновенным давлением.
Тепловое воздействие имеет место при поглощении УЗ колебаний. В зоне повышенного давления температура может достигать 1000 К. Нагревание неравномерно, наибольшее - на границе сред с различным волновым сопротивлением.
Химическое воздействие выражается в изменении свойств веществ в результате разрыва молекулярных связей под действием кавитации, акустических течений и локального нагревания. Кавитация активизирует электрохимические процессы. Улучшается структура покрытий: равномерность, мелкозернистость, толщина, твердость, адгезия к подложке.
Типовая схема ВД включает пьезоэлектрический преобразователь (1), который прижат к подвижному звену (4) с помощью упругих элементов (2) и (3) и который подключен к генератору колебаний (5) через блок управления (6).
Генератор - 5 Блок управления - 6
4 У 7 8 Х
9
2 ВД
3
Рис. Схема ВЧ вибродвигателя.
Блок управления (6) задает требуемую форму и вид колебаний. В зоне контакта подвижного звена (4) и ВД возбуждаются 2-мерные колебания, приводящие к постоянной состовляющей суммарной силы, действующей по оси Х и приводящей звено (4) в движение. Датчики положения (7) и скорости (8) звена (4), а также силы (9) на ВД корректируют сигналы управления.
Вибродвигатели с косыми соударениями используют суммирование тангенциальных составляющих ударного импульса. В соответствии с теорией вязкости тангенциальные составляющие не зависят от нормальных составляющих ударного импульса и определяются коэффициентом мгновенного трения при ударе, зависящим от свойств и состояния соударяющихся поверхностей. (Удар толкает, а трение мешает обратному движению.) Двумерное движение колеблющегося звена может быть представлено любой комбинацией продольных, поперечных, радиальных, изгибных, крутильных и сдвиговых колебаний.
Деформация сдвига может сопровождаться в том числе изгибом, кручением смежных сечений пьезоэлемента. Форма колебаний достигается определенным ориентированием кристаллофизических осей относительно точек присоединения электродов (как правило, больше 1-ой пары), а также расположением узлов колебаний (в них отсутствует деформация). Эти принципы применяются в приводах прецизионных манипуляторов, способных выполнять сложные движения.
(для продольных) А В (для крутильных)
Подвижное звено
ВД
Рис. Схема ВД продольно-крутильных колебаний.
Тип колебания достигается определенным расположением электродов, точек крепления и упругих элементов. Важным требованием является совпадение хотя бы одного узла колебаний разных видов для точки крепления преобразователя.
( для продольных) В
( для крутильных) С
Рис. Схема ВД радиально-крутильных колебаний.
Волновые ВД с асимметричными колебаниями основаны на фрикционном взаимодействии колебаний упругого тела и приводимого в движение звена (ротора). К ротору с натягом прижат волновод с преобразователем, возбуждение резонансных продольных колебаний которого приводит к генерации n-кратных ударных режимов движения (импульсных).Они используются для сверхлегких роботов.