Автореферат (Разработка моделей и исследование динамики микромеханических устройств с электростатическим накатом упругих лент)

На правах рукописиСТЕПАНОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧРАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИМИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМНАКАТОМ УПРУГИХ ЛЕНТСпециальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013 г.2Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»Научный руководитель:Официальные оппоненты:Ведущая организация:Меркурьев Игорь Владимирович,доктор технических наук, профессорАнтуфьев Борис Андреевич,доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», профессорТкачев Степан Сергеевич,кандидат физико-математических наук,научный сотрудник Института прикладной математикиим.

М.В. КелдышаЗАО «Инерциальные технологии «Технокомплекса»(г. Раменское)Защита состоится «19» июня 2013 г., в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.05 в ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамскоешоссе, дом 4.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)».Автореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного совета» мая 2013 г.Федотенков Г.В.3Актуальность проблемы.

Основными задачами, которые ставятся перед разработчиками микроэлектромеханических систем (МЭМС), являются повышение точности, надежности и энергоэффективности проектируемых систем за счет применения новых конструкционных материалов, создания и совершенствования технологий изготовления, использованияметодов математического моделирования, позволяющего получить требуемые характеристики системы.Отечественными учеными В.Л. Дятловым из института математики сибирского отделения Российской академии наук (ИМ СО РАН), Э.Г.

Косцовым из института автоматики иэлектрометрии (ИАиЭ СО РАН) был разработан новый принцип преобразования энергии,основанный на эффекте обратимого электростатического наката тонких металлических лентна поверхность сегнетоэлектрической пленки. Данный эффект обладает высоким быстродействием и обратимостью. Ими было рассмотрено применение указанного эффекта в рядеустройств, таких как планарный микродвигатель 1, микроинжекторы микроструй жидкости2.В настоящей работе объектами исследования являются новые научные задачи, связанные с разработкой новых перспективных устройств: реверсивный микродвигатель вращенияи сенсорное устройство с электростатическим накатом проводящей гибкой ленты.Микродвигатель может использоваться для построения микропозиционеров, микрооптических устройств, микросканеров, систем управления и диагностики, а также микророботехнических систем медицинского назначения.

Сенсорное устройство может найти применение в создании блоков измерения ускорений, датчиков давления, в системах навигации мобильных роботов и в системах авионики.Целью работы является разработка динамических моделей новых микроэлектромеханических систем и их элементов в составе реверсивного микродвигателя вращения и сенсорного устройства, основанных на электростатическом накате подвижных гибких лент.Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:– разработка электромеханических моделей реверсивного микродвигателя вращения и сенсорного устройства, основанных на новом электромеханическом преобразовании энергии –накате металлической ленты на поверхность сегнетоэлектрической пленки;– анализ различных режимов движения микродвигателя и сенсорного устройства;– разработка программного обеспечения для аналитического и численного анализа различных режимов движения устройств;– определение параметров системы для требуемых режимов работы устройств.Цели диссертации соответствуют Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации по направлению «Транспортные и космические системы», приоритетному направлению модернизации и технологического развития экономикиРоссии: «Космические технологии, связанные с телекоммуникациями, включая и ГЛОНАСС,и программу развития наземной инфраструктуры», работа направлена на развитие технологий, входящих в перечень критических технологий Российской Федерации по направлению«Технологии мехатроники и создания микросистемной техники».

Работа выполнена приподдержке гранта РФФИ (проект № 12-08-01072-a), Совета по грантам Президента Российской Федерации (победитель конкурса 2013 года на право получения стипендии ПрезидентаДятлов В.Л., Косцов Э.Г. Высокоэнергоемкие микродвигатели на основе тонких сегнетоэлектрических плёнок – Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 22 – 31.2Ахметов Д.Г., Косцов Э.Г., Соколов А.А. Микроэлектромеханические электростатические высокопроизводительные инжекторы микроструй жидкости // Нано- и микросистемная техника. 2008. № 1. С.

53-60.14РФ молодым ученым и аспирантам № СП-4911.2013.3) и программы У.М.Н.И.К. («Участникмолодежного научно-инновационного конкурса») 2012 года.Методы исследования определялись спецификой изучаемых объектов и их математических моделей. В работе были использованы методы классической механики, асимптотические методы нелинейной механики, теория дифференциальных уравнений, методы математического моделирования и аналитических вычислений.Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применениемметодов теоретической механики, механики деформируемых тел и асимптотическими методами теории дифференциальных уравнений, содержащих малый параметр, а также сопоставлением полученных результатов с экспериментальными данными и результатами, полученными другими исследователями.Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается вследующем:• получены новые механико-математические модели реверсивного электростатического микродвигателя вращения и сенсорного устройства с электростатическим накатом упругих лент на поверхность сегнетоэлектрической пленки;• разработана методика расчета электростатического давления, действующего на гибкую ленту, для неоднородного электростатического поля;• установлено влияние закрепления ленты с подвижным элементом на характер изменения исследуемых параметров систем;• установлено влияние упруго-массовых параметров ленты на период восстановленияее первоначальной формы и динамику микроактюатора в процессе разгона и квазиустановившегося режима;• определены допустимые области основных параметров сенсорного устройства;• установлен характер влияния требуемых параметров сенсорного устройства на егочувствительность.Практическая значимость результатов работы заключается в разработке механикоматематических моделей реверсивного микродвигателя вращения и сенсорного устройства сэлектростатическим накатом упругих лент на поверхность сегнетоэлектрической пленки, создании методики определения основных динамических параметров микромеханическихустройств с электростатическим накатом.

Полученные результаты могут быть использованыв разработке новых моделей, методов, алгоритмов и программных средств, позволяющихрешать задачи проектирования новых типов микроэлектромеханических систем и их элементов.Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждалисьна– международной молодежной научно-практической конференции «Мобильные роботыи мехатронные системы», посвященной 300-летию со дня рождения М.

В. Ломоносова и 90летию со дня рождения академика РАН Д.Е. Охоцимского (Москва, НИИ Механики МГУ,2011);– конференции – конкурсе молодых ученых МГУ, (Москва, НИИ Механики МГУ,2011);– I всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные подходы к развитию вооружения, военной специальной техники» ( Москва, АкадемияГенерального Штаба Вооруженных Сил России, 2010 г.);5– академических чтениях по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, МГТУ им. Баумана, 2010 – 2012 гг.);– международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2008 – 2012 гг.).– международном МЭМС – форуме 2012 «Моделирование. Производство. Тестирование» (Москва, МЭИ, 2012 г.).–конкурсе«Участникмолодежногонаучно-инновационногоконкурса»(«У.М.Н.И.К.»), проводимом при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Москва, МЭИ, 2012 г.);– XX международной научно-технической конференции «Информационные средства итехнологии» (Москва, МЭИ, 2012 г.).Публикации.

По результатам исследований, проведенных в рамках диссертации,опубликовано 17 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ, 1 патент наполезную модель, 3 доклада, 10 тезисов докладов.Личный вклад автора заключается в разработке моделей реверсивного микродвигателя вращения и сенсорного устройства, а также в проведении численного моделирования.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы 138 стр., 12 стр.

списка литературы, насчитывающего 111 наименований.Содержание работыВо введении дана общая характеристика рассматриваемой проблемы и обоснована ееактуальность. Сформулирована цель диссертации и дан обзор предшествующих исследований. Приведен краткий обзор работ, посвященных разработке и исследованию МЭМСустройств (позиционирующих, сенсорных, микродвигателей).В первой главе разработана динамическая модель (рис. 1) реверсивного электростатического микродвигателя вращения с электростатическим накатом металлических упругихлент на поверхность сегнетоэлектрической пленки.Реверсивный электростатический микродвигатель вращения (рис. 1.1) содержит ротор1 с упругими лентами 2а, 2б, статор 3, с последовательно нанесенными проводящим слоем 4,сегнетоэлектрической пленкой 5, систему управления и питания (СУиП) 6, датчик угловойскорости 7, и приводится в движение системой микроактюаторов (рис.

1.2). На верхнююплоскость кольца ротора нанесены проводящие слои 8а, 8б, которые соединены ссоответствующими подвижными лентами 2а, 2б контактами 9а (показан на рис. 1.2, а), 9б(показан на рис. 1.2, б). Статор 3 закреплен на основании 10. Ротор 1 опирается на опору 11.Ленты 2а, 2б и проводящий слой 4 образуют конденсаторы переменной емкости.6а)б)Рис. 1. Конструктивная схема: а – микродвигатель; б - микроактюаторСоставной частью микродвигателя (рис. 1,а) является микроактюатор (рис. 1, б). Дляпостроения характеристик реверсивного микродвигателя вращения исследована динамикамикроактюатора, модель которого приведена на рис.