Schopnost velmi přesného polohování je často klíčová pro mnohá moderní zařízení. Na divizi mechatroniky NETME Centre FSI VUT v Brně je věnována pozornost problematice přesného polohování s elektromagnetickými motory. Jejich schopnosti jsou ale pro některé aplikace hraniční. Piezomotory, jejichž hlavní předností je vysoká dynamika pohybu, přesnost, žádná vůle a možnost snadné integrace do polohovacích zařízení s kompaktními rozměry, jsou schopny v těchto aplikacích nahradit elektromagnetické motory, a proto byla zaměřena pozornost na jejich polohovací charakteristiky, které byly dále ověřeny v prostředí atmosférického tlaku i vakua. Piezomotory jsou využívány nejčastěji pro velmi přesné polohovaní v robotice, medicíně, v elektronových mikroskopech, vědeckých přístrojích a mnoha jiných aplikacích, kde je vyžadováno polohování v řádu nanometrů. Za největší přednost lze považovat dosahovanou rychlost a zrychlení při opakovaných mikroposuvech, což jsou opakované posuvy o malou vzdálenost v řádech jednotek až desítek mikrometrů, které jsou typicky využívány při detailním zkoumání plošné homogenity různých vzorků, ale i v jiných aplikacích. V těchto případech je s využitím piezomotorů možné zkrátit dobu cyklů. Dalšími výhodami jsou okamžitá reakce motoru a nulová vůle pohonu, která je jinak u elektromagnetických motorů s převodovkou téměř nedosažitelná. Piezo LEGS Linear Twin 20N typ LT20 LT20 (obr. 1) využívá principu „Piezo LEGS“. Základem tohoto piezoelektrického motoru jsou tzv. „chodicí nohy“, jež jsou vlivem elektrického napětí deformovány, a správná posloupnost deformací zapříčiní pohyb. V motoru jsou slinuté bimorfní aktuátory, v tomto případě čtyři páry na dvou protilehlých základnách. Ty ze dvou stran obepínají keramickou tyč, kterou tyto „keramické svaly“ posunují (obr. 2), čímž vzniká lineární pohyb. Díky absenci pohyblivých mechanických dílů, vyjma samotných nohou a tyče, je redukován moment setrvačnosti pohyblivých částí, což umožňuje téměř nulovou reakční dobu, eliminuje proudové špičky v režimu stop a start a zajišťuje přesný chod. Maximální rychlost 10 mm/s je dána délkou kroku a maximální krokovou frekvencí. Délka plného kroku piezomotoru je ~5 μm a rozlišení (nejmenší změna polohy) závisí na řídicí jednotce, přičemž pro PDM101 je ~2,4 nm. V klidové poloze navíc nespotřebovává energii a vykazuje statickou sílu. Z toho plyne i lepší energetická účinnost a minimální oteplení motoru [1, 2]. Řídicí jednotka PMD101 je určena pro řízení jednoho piezomotoru, podporuje mikrokrokování do 2 048 mikrokroků na krok a komunikuje přes virtuální COM port prostřednictvím USB sběrnice, což umožňuje řídit motor přímo z PC. Neméně podstatnou výhodou je i velikost budicího napětí motoru, které je na rozdíl od konkurence jen 48 V, čímž odstraňuje jednu z velkých nevýhod piezomotorů – vysoké budicí napětí. Hardware testu Testovaný piezomotor LT20 a řídicí jednotka PDM101 byly pro tyto účely zapůjčeny firmou Routech, s. r. o., která je výhradním distributorem produktů firmy PiezoMotor Uppsala AB pro Českou a Slovenskou republiku. Motor byl uchycen v přípravku přizpůsobeném pro testování v prostředí vakua (obr. 3), který zajistil lineární vedení motoru a umožnil montáž snímačů polohy. Dva polohové enkodéry Mercury 2000 s maximálním rozlišením 80 nm byly použity pro zpětnou vazbu polohy pro řídicí jednotku PDM101 a DAQ kartu NI 9411, jejíž naměřené hodnoty sloužily především pro statické ověření dosažené polohy. Přesnost polohování Měření bylo provedeno ve vakuové komoře elektronového mikroskopu v prostorách vývojového pracoviště FEI Czech Republic, s. r. o. Většina měření proběhla na úrovni tlaku 10-4 Pa. Během zvyšování vakua nebyly pozorovány žádné změny chování piezomotoru. Testovací sekvencí byly opakované mikroposuvy s různou rychlostí přejezdu a velikostí mikroposuvu. Průběh naměřených hodnot lze vidět na obr. 4, který zobrazuje odchylku od žádané polohy (osa y) v dané poloze (osa x). Z grafu je patrné, že přesnost je +-2 inkrementy snímače. Graf (obr. 5) zobrazuje také naměřené hodnoty odchylek, ale při opakovaných mikroposuvech pouhých 160 nm, tedy dvou inkrementů. Při tomto pohybu bylo dosahováno jen malé rychlosti. Z výsledků je patrné, že dosahovaná poloha byla „přesnější“. Naopak při použití velkých rychlostí a mikroposuvů v řádu desetin milimetru byla chyba nepatrně vyšší než v předchozím případě. Z měření vyplývá, že přesnost je závislá na dosažené maximální rychlosti. Proti tomuto zjištění ale stojí poznatek, že po dokončení pohybu bylo vizuální kontrolou indikátoru polohy dosaženo cílové polohy přesně. Velikost mikroposuvu přesnost žádným způsobem neovlivňuje. Test tedy dokazuje schopnost řídicí jednotky polohovat na samé hranici rozlišitelnosti použitého snímače. Zjištěná odchylka může být způsobena zčásti okamžikem dotazu na dosaženou polohu, tedy chybou měření, a dobou ustálení. Pravděpodobným limitem tohoto testu byl použitý zpětnovazební snímač s relativně nízkým rozlišením 80 nm, který nebyl schopen plně využít potenciálu testovaného pohonu. Během testování v prostředí vakua a atmosférického tlaku nebyly pozorovány žádné změny chování ani nalezeny rozdíly v dosažitelné přesnosti. Závěr Piezomotor Piezo LEGS Linear Twin 20N LT20 je vhodný pro přesné polohování v režimu uzavřené regulační smyčky nebo jako velmi jemný posuv bez zpětnovazebního snímače. Motor pracuje v atmosférickém tlaku i ve vakuu bez změny chování a dosažitelné přesnosti. Průměrná dosažitelná přesnost závisí na rychlosti přejezdu, což ale může být částečně ovlivněno okamžikem dotázání se na polohu nebo chvěním. Vizuální kontrolou indikátoru polohy bylo totiž cílové polohy po dokončení pohybu dosaženo přesně. Přesnost během testu se pohybovala na úrovni rozlišení zpětnovazebního snímače polohy, tedy desítky nanometrů, což prokazuje schopnosti řídicí jednotky polohovat na hranici rozlišitelnosti. Oproti polohovacím zařízením s DC motorem dosahuje piezomotor výrazně lepší dynamiky s téměř nulovou prodlevou. Při opakovaných mikroposuvech je proto dosaženo výrazných časových úspor. Také zajištění nulové vůle v případě DC motorů s převodovkou je obvykle téměř neřešitelný úkol. K plnému využití potenciálu motoru LT20 je vhodné využít řídicí jednotky vyšší řady, která umožňuje jemnější mikrokrokování, možnost komunikační sběrnice s nižší latencí a možnost připojení více motorů. Díky budicímu napětí piezomotoru do 48 V je spektrum potenciálního využití omezeno jen minimálně a je tedy vhodným řešením pro aktuaci moderních a velmi precizních polohovacích zařízení s vysokými nároky na přesnost a dynamiku. Další informace o piezomotorech a řídicích jednotkách značky PiezoMotor Uppsala AB a jejich vlastnostech lze nalézt na stránkách www. routech.cz. Širší pohled na problematiku řízení piezoelektrických pohonů lze nalézt v článku [2]. Poděkování Tento článek vznikl za podpory projektu LO1202, finančně podpořeném MŠMT v rámci programu NPU I.
Ing. Pavel Houška Ph.D. (houska.p@fme.vutbr.cz ), Ing. Kamil Šubrt (subrt@fme.vutbr.cz ), Ing. Zdeněk Hadaš Ph.D. (hadas@fme.vutbr.cz ), Vysoké učení technické v Brně