В.П. Михайлов, А.М. Базиненков - Исследование параметров механизмов микро- и наноперемещений (1053467)
Текст из файла
Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаФакультет «Машиностроительные технологии»Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»В.П. Михайлов, А.М. БазиненковИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМОВ МИКРОИ НАНОПЕРЕМЕЩЕНИЙ.Электронное учебное изданиеМетодические указания к выполнению лабораторных работпо дисциплине «Прецизионные механизмы микро- и наноперемещений»Москва(С) 2014 МГТУ им. Н.Э. БАУМАНАУДК 543.271Рецензент: доц., к.т.н., Вячеслав Сергеевич ИвановМихайлов В.П., Базиненков А.М.Исследование параметров механизмов микро- и наноперемещений. - М.:МГТУ имени Н.Э.
Баумана, 2014. 69 с.Издание содержит материалы для освоения методов оценкипрецизионныхмеханизмовмикро-инаноперемещенийвточностирежимепозиционирования, методов тестирования активных демпферов для компенсациивозмущающихвибрационныхвоздействийнаисследовательскоеитехнологическое оборудование.Особое внимание уделеноисследованию перспективных приводов наоснове магнито- и электрореологических жидкостей и демпферов на основемагнитореологических эластомеров. При выполнении лабораторных работстуденты проводят самостоятельные исследования, позволяющие более глубокоизучить процессы позиционирования в микро- и нанодиапазоне, получить навыкиэкспериментальной работы и методы статистической обработки результатов,предлагаются вопросы для самопроверки.Для студентов МГТУ имени Н.Э.
Баумана специальностей: «Электроника инаноэлектроника» и «Наноинженерия».Рекомендованоучебно-методическойкомиссиейфакультета«Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н.Э. БауманаЭлектронное учебное изданиеМихайлов Валерий ПавловичБазиненков Алексей МихайловичИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМОВМИКРО- И НАНОПЕРЕМЕЩЕНИЙ.© 2014 МГТУ имени Н.Э. БауманаВВЕДЕНИЕВ ряде областей современной техники к точности перемещения целевыхмеханизмов предъявляются экстремально высокие требования.Так, в установках микролитографии (проекционных степперах, установках длянаноимпринта) необходимо обеспечить погрешность позиционирования обрабатываемойпластины относительно шаблона не более 20 нм.
Требования по точности перемещенияобъектов в нанодиапазоне предъявляются также к оборудованию для прецизионноймеханообработки и сборки оптоволоконных систем.В исследовательском оборудовании, в частности, в сверхбольших астрономическихсегментных телескопах с адаптивной оптикой, также предъявляют высокие требования поточности юстировки элементарных зеркал-сегментов для получения качественногоизображения (погрешность позиционирования не более 50 нм).В сверхвысоковакуумном оборудовании для нанолокальной обработки и, вчастности, сканирующих туннельных микроскопах, погрешность перемещения объектовне должна превышать 0,1…1 нм.Дляосуществленияперемещенийспогрешностьювсубмикронноминанометровом диапазоне наиболее часто применяется комбинированный привод наоснове электромеханических устройств и механизмов, использующих так называемые«смарт» материалы (пьезоэлектрические и магнитострикционные).Перспективным типом механизмов на основе «смарт» материалов являютсямеханизмы,вкоторыхрабочейсредойявляютсямагнитореологическиеиэлектрореологические жидкости, феррожидкости, магнитореологические эластомеры и др.Указанные механизмы способны обеспечить низкую погрешность перемещений (до 50нм) за счет управляющего воздействия электрическимилимагнитным полемнепосредственно на рабочую среду.При работе прецизионного оборудования необходимо обеспечить защиту его отвозмущающих вибрационных воздействий, которые приводят к ухудшению егохарактеристик.
Наиболее эффективны при этом системы активной виброизоляцииобъекта, работа которых основана на компенсации перемещений, вызванных вибрацией(виброперемещений), перемещением объекта. Таким образом, чем точнее происходитперемещение объекта для компенсации виброперемещений, тем эффективнее защитаоборудования от вибраций. Основным элементом систем активной виброизоляции, откоторого зависит ее качество, является механизм точных перемещений.Для обеспечения указанных требований по точности перемещения и качествувиброизоляции необходимо решить комплекс задач, связанных с выбором типа привода,активного демпфирующего устройства, направляющих, герметизирующих элементов исистемы управления.Одной из ключевых задач в этой области является оценка точности механизмов,выявление ограничивающих ее факторов.Цель лабораторных работ:Освоение методов оценки точностипрецизионных приводов для микро- инаноперемещений в режимах позиционирования с замкнутой системой управления,получение навыков экспериментальной работы и методов статистической обработкиполученных результатов.После выполнения лабораторной работы студенты смогут:- обосновать методику экспериментальной оценки точности привода длярежимов позиционирования и непрерывного перемещения с разомкнутой и замкнутойсистемы управления;- самостоятельно налаживать и эксплуатировать систему сбора данных на базепрограммного обеспечения LabView;- юстировать оптический микроскоп и проводить на нем измерение размеровмикрочастиц;- проводить тарировку датчиков давления и температуры и каналов устройствасбора данных;- проводить измерение точностных параметров приводов для микро- инаноперемещений;- оценивать эффективность работы системы вибрационной защиты на основанииданных о коэффициенте передачи амплитуды колебаний и выбирать режимы наиболееэффективной работы системы;- проводить статистическую обработку результатов измерений с оценкой ихточности.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТО ИЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГОПНЕВМОГИДРОПРИВОДАКраткая характеристика материалов с управляемыми реологическими свойствамиРеология – наука о течении и свойствах вязких сред, проявляющих одновременнонесколько фундаментальных свойств (вязкость, упругость, пластичность, прочность и т.д.)в условиях воздействия сдвиговых, магнитных, электрических, тепловых, гравитационныхи других полей.
Реологические процессы изучаются новой областью науки – физикохимической механикой дисперсных структур и материалов, объединяющей реологию,коллоидную химию, физику твёрдого тела, механику и др.Магнитореологические (МР) жидкости (МРЖ) и электрореологические (ЭР)жидкости (ЭРЖ) относятся к классу неньютоновских жидкостей. Неньютоновскиминазываются жидкости, течение которых носит нелинейный характер, т.е. вязкость этихжидкостей при течении не остается постоянной при заданных температуре и разностидавлений [1].
Она зависит от ряда других факторов: скорости деформации сдвига,внешних магнитных или электрических полей, предыстории жидкости, конструктивныхособенностей устройства, где неньютоновская жидкость применяется и т.д.Способность вязкой среды (МРЖ или ЭРЖ) практически мгновенно менятьдинамическую вязкость и другие реологические свойства под действием внешнегомагнитногоилиэлектрическогополяназывается,соответственно,МР-илиЭР-эффектом [2].
Эти свойства реологических жидкостей позволяют эффективноприменять их в качестве рабочей среды в прецизионных гидравлических механизмах.МРЖ и ЭРЖ состоят из дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы.Дисперсионными средами могут служить неполярные или слабополярные органическиежидкости с высоким удельным электрическим сопротивлением (~1010 Ом·см). Обычноиспользуются светлые минеральные масла – вазелиновое и трансформаторное, а такжесинтетическую полиэтилсилоксановую или полиметилсилоксановую жидкость. МРЖ –устойчивые дисперсные системы, состоящие из частиц магнитомягкого материала,например, карбонильного железа с размерами от 1 до 10 мкм, несущей жидкой фазы истабилизирующей добавки (поверхностно-активного вещества), предотвращающегокоагуляцию.Под действием магнитного поля частицы, разделенные в объеме дисперсной среды,образуют структуру, ориентированную вдоль силовых линий поля (рис.
2). Реологическиехарактеристики МРЖ эффективно регулируются приложенным магнитным полем, чтообуславливает их широкое применение в технике.Рис. 1.Структура частиц МРЖВ качестве дисперсной фазы для ЭРЖ применяется силикагель (двуокись кремния),диатомит (двуокись кремния с размерами частиц в несколько микрон), тальк, крахмал.Для создания суспензии, проявляющей заметный ЭР-эффект, необходимо третьевещество – активатор, адсорбирующийся на поверхности твердых частиц.
Самымраспространенным активатором является вода, обладающая хорошими сорбционнымисвойствами. Активатор (диполи молекул воды) определяет электрические свойстваповерхности частиц, зависящие от внешнего электрического поля.К ЭРЖ, как и к МРЖ, предъявляется требование стабильности свойств –отсутствия расслоения фаз (оседания частиц дисперсной фазы под действием гравитации)и изменения свойств дисперсной системы во времени. Это требование обеспечиваетсявведениемчетвертогокомпонента–поверхностно-активноговещества(обычноиспользуется олеиновая кислота).Структура частиц МРЖ показана на Рис. 1. Схема образования цепочек частиц привоздействии магнитного поля представлена на Рис. 2.Рис.
2.Схема образования цепочек частиц при воздействии магнитного поля на МРЖМРЖ и ЭРЖ относятся к классу так называемых «умных материалов» – “smartmaterials”, свойства которых изменяются под воздействием магнитного (рис. 2) илиэлектрического поля. Фотографии МРЖ на основе микрочастиц карбонильного железапоказаны на рис. 3а, а на основе двуокиси хрома – на Рис. 3б.В технике также используется МР-эластомер, который является твердотельныманалогом МРЖ и получен диспергированием магнитного порошка в жидком силиконовомкаучуке с последующей полимеризацией композиции в форме. В качестве магнитныхнаполнителей используются порошки магнетита с размером от 0,2 до 0,3 мкм икарбонильного железа 1-10 мкм (Рис. 3в).При помощи магнитного поля можно управлять вязко-пластично-упругимисвойствами и удлинением образцов из МР-эластомера и использовать этот эффект длясоздания прецизионных механизмов перемещения и активных демпферов.б)а)в)Рис.
3.Магнитоуправляемые материалы (увеличение 1600): а) МРЖ на основе карбонильногожелеза; б) МРЖ на основе двуокиси хрома; в) МР-эластомер на основе частицкарбонильного железаОсновной характеристикой реологических свойств реологических жидкостейявляется эквивалентная динамическая вязкость. Эквивалентная динамическая вязкостьненьтоновской жидкости – это вязкость некоторой ньютоновской жидкости, которая поддействием того же давления в гидравлическом канале одинаковых размеров имеет тот жерасход, что и заданная текучая аномально вязкая жидкость (неньютоновская). При этомтечение МРЖ будет подчиняться [1] уравнению:t = m эквg& ,гдеt– касательные напряжения сдвига слоев МРЖ или ЭРЖ;скорости деформации сдвига;ЭРЖ.m экв(1)g&– градиент– эквивалентная динамическая вязкость МРЖ илиБлагодаря быстрому и обратимому изменению своих свойств МРЖ и ЭРЖуспешно применяются в качестве рабочих сред в гидравлических механизмах точныхперемещений.Такие механизмы обладают повышенной точностью за счет того, что потокомрабочей жидкости можно управлять прямым воздействием на нее магнитным илиэлектрическим полем.
В их конструкции удается избежать применения инерционныхэлементов (золотников, заслонок и т.д.), снижающих точность, которые характерны дляклассических гидравлических механизмов.Основнымже управляющимэлементом МР-иЭР-механизмовявляетсяМР-дроссель (рис. 4а) и ЭР-дроссель (рис. 4б) соответственно.б)а)Рис. 4.Схема дросселей:а) магнитореологического: 1 – электромагнитные катушки, 2 – магнитопровод, 3 – корпус;б) электрореологического: 1 – электроды, 2 – электрическая изоляция, 3 – корпус дросселяДроссели предназначены для регулировки потока реологической жидкостипротекающей через их рабочий зазор.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
