ОБЗОР РАЗРАБОТОК МИКРОАКТЮАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ПРЕЛОЖЕНИЯ ПО ПЕРСПЕКТИВАМ ИХ РАЗВИТИЯ

УДК 681.587:621.373

Е. В. Шалобаев, Ю. С. Монахов

Санкт-Петербургский государственный университет 

информационных технологий, механики и оптики

В работе показана возможность получения малых и микроугловых перемещений с помощью термонапряжений, управляемых лазерным излучением. Предложены новые схемы микроприводов на основе рассматриваемых термомеханических принципов деформации материала.

Развитие микросистемной техники или микромехатроники [1] встало перед проблемой неадекватного увеличения возможностей составляющих робототехнической триады сенсор — контроллер — актюатор. В работе [2] делается вывод, что слабым звеном указанной системы являются актюаторные подсистемы. И, если сенсорные подсистемы активно разрабатывались [3,4], то разработки в области актюаторов отстают от развития как вычислительных, так и сенсорных компонентов. Поэтому следующий качественный прогресс техники неизбежно связан с прогрессом в области разработки актюаторов. Отсюда актуальность тематики данной публикации. Идет поиск новых способов реализации исполнительных, т. е. актюаторных подсистем [5-8].

Кстати, необходимо дать наиболее четкое определение термину актюатор [1,5]. В работах [2,9] фигурирует термин aкmuвOfftOR. В aнrлoязычныx работах — актуатор (actuator) [10], а в публикациях на немецком языке — актор (aktor). В предложениях технической комиссии IFToMM (Международной федерации по TMM) по стандартизации терминов наряду с термином актуатор предложен термин end effektor [12], который можно перевести как «конечное действие» и который используется в работах [13,14]. В русской транскрипции указанные выше термины используются в робототехнике, мехатронике наряду со словосочетанием исполнительный механизм, который является их синонимом. Очень важен еще и контекст, в котором применяется рассматриваемый термин. Поэтому в ряде словарей актюатор переводится как привод, который может рассматриваться как исполнительный механизм [12]. Для создания высокоточных приводов малых перемещений требуются специальные двигатели, преимущественно для отработки линейных перемещений, работающие на иных принципах, чем обычные двигатели [15]. Появились двигатели электромагнитные, представляющие по своей сущности электромагнит, магнитострикционные, действие которых основано на изменении длины стержня из пьезомагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля, и пьезоэлектрические, работающие на основе использования обратного пьезоэффекта.

Разработки в области лазерных технологий [7, 8, 16-21], ведущиеся в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, позволили разработать основы построения актюаторов нового типа [7, 8]. Лазерный луч попадает на элемент, который осуществляет силовое воздействие на объект. При этом исполнительный элемент робототехнической триады может совершать как линейное перемещение, так и угловое.

К сожалению, до настоящего времени не сложилось четкого определения разницы между малыми перемещениями и микроперемещениями, которые могут достигаться с помощью актюаторов [1]. Например, в работах [15] и [7, 8] говорится о малых перемещениях; в первой работе этот термин относится к линейным перемещениям со значением 2…10 мкм и к угловым перемещениям величиной 0,06 рад, а во второй работе — к угловым перемещениям в пределах 0,5…1,8 мрад.

При нагреве образца лучом лазера в зависимости от параметров излучения, свойств и геометрии материала в нем возникают температурные поля, имеющие различную пространственную конфигурацию. Это приводит к появлению термоупругих напряжений в материале, которые, в свою очередь, могут приводить к появлению остаточных деформаций. Выделяют несколько основных механизмов деформирования под действием температурные напряжений, основные из них: механизм коробления и механизм равномерной и поверхностной усадки. Основные особенности этих процессов определяются различием конфигурации и глубины нагретого слоя [10].

В экспериментах, описанных в работе [7,8], принято, что деформации вызваны механизмом поверхностной усадки. На это указывает тот факт, что глубина прогретого слоя, приблизительно равная 2,36a (где п — температуропроводность вещества, х — длительность импульса) при действии импульса свободной генерации, составляет около 0,26 мм, что значительно меньше толщины пла- стины (1 мм). При этом имеет место наличие прямой зоной воздействия.

МО   ГОЛЬ НОЙ  ЗОНЫ  ВO3Дe ЙСТВИЯ.

Механизм возникновения деформаций под действием температурных напряжений следующий. При локальном нагревании некоторой области (рис.1) снимается предел текучести (в результате чего пластические деформации возникают при существенно меньших напряжениях). 

Рис. 1. Принцип действия актюатора

Под действием возникших в результате неравномерного нагрева напряжений сжатия среда деформируется, напряжения частично релаксируют. После окончания импульса, в процессе остывания, деформированная область не принимает исходных размеров и остается в напряженном состоянии. Окружающие участки во время теплового сокращения растягивают эту область, и в ней возникают остаточные напряжения растяжения. Если остаточные напряжения превышают предел текучести, возникают остаточные деформации [7, 8, 19].

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки приведена на рис.2. В качестве источника импульсного нагрева образцов использовалось излучение YAG:Nd-лaзepa с длиной волны 1,06 мкм. Луч падает нормально к поверхности образца, длительность импульса составляет 2 мс при энергии в импульсе до 7 Дж. Луч фокусируется с помощью оптической системы (блока фокусировки излучения), состоящей из линзы 7 (/= 12 см) и линзы 2 (цилиндрической f — 6 см) в пятно эллиптической формы (5 > 1 мм). Образец установлен вертикально и закреплен со стороны основания.

На свободный конец образца приклеивается легкое зеркало (полированный кремний) для регистрации наклона под действием излучения рабочего YAG:Nd-лaзepa. Расстояние от центра зоны облучения до зеркала составляет 10 мм. Луч второго, измерительного, Не-Ne-лазера, отражаясь от зеркала, попадает на экран, по измеренному отклонению луча на экране вычисляется угол наклона пластины от действия рабочего лазера.

Наиболее подробно исследовались зависимости угла, полученного при гибки, от плотности мощности лазерного излучения на поверхности и от числа импульсов этого излучения для образца, представляющего собой пластину из нержавеющей стали марки 14X17H2 с габаритными размерами 35 х 5 х 1 мм [7, 8]. Максимальный угол, достигнутый в эксперименте, равен 3 мрад. В экспериментах с медной (35    5 > 1 мм) и алюминиевой (35   5   1 мм) пластинами остаточной деформаций не наблюдается.

Момент, развиваемый рассматриваемой пластиной при изгибе, равен 0,5…16 Н — мм и может изменяться в зависимости от ее свойств и геометрических параметров.

Рис. 3. Конструкция привода: 1 и 2 — зоны облучения

В работе [8] предложена конструкция привода для точного углового позиционирования, которая представлена на рис.3. Привод представляет собой стальную пластину с размерами 30 х 9 х 1 мм. В пластине сделаны три параллельных выреза, в результате чего сформированы две перемычки шириной 5 мм. На перемычках расположены зоны 1 и 2, подвергающиеся лазерному облучения›. В зависимости от зоны облучения 1 или 2 соответствующие перемычки изгибаются, что приводит к повороту верхней части привода в противоположных направлениях. Однако следует отметить, что при повторном облучении зон (верхней либо нижней) с одинаковой плотностью мощности угол поворота верхней части актюатора уменьшается (рис.4). Аналогичная ситуация наблюдается и с моментом, развиваемым актюатором.

На основе приведенных выше механизмов деформирования, кроме конструкции, указанной на рис. 3, разработаны другие механизмы, реализующие линейные и угловые перемещения, а также их комбинации.

В качестве примера можно привести так называемый решетчатый привод в виде плоской заготовки из листового материала с двумя треугольными вырезами (рис. 5) [8].

Рис.4. Экспериментальная зависимость утла поворота от количества импульсов

Аналогичные способы применяют для юстировки головок считывания аудио- и видеомагнитофонов по углу в вертикальном направлении и положению по высоте ленты. Лазер также используют для регулировки зазора между контактами миниатюрных реле (рис. 6) [8].

Рис. 5. Решетчатый привод.           Рис. 6. Микрореле. Расстояние между контактами не менее 1 нм

Рис. 7. Привод из пластины с заглублением.      Рис. 8. Цилиндрический актюатор

Рис. 9. Оптико-механический дефлектор (сканер) с бесконтактным приводом (цифрами обозначены области облучения)

Конструкция аналогичного привода приведена на рис.7. Он представляет собой металлическую пластину с заглубленной центральной частью (Н h). С помощью лазерного излучения происходит укорачивание центральной или боковых частей пластины (зоны ї или ), вследствие чего свободная часть привода изгибается в противоположных направлениях.

Еще одна конструкция актюатора представлена на рис. 8, он состоит из двух полых металлических цилиндров, соединенных тремя узкими перемычками (?, 2 и Ј. Нагревая лазером эти перемычки, мы получаем поворот верхней, незакрепленной части, на некоторый угол п. Комбинируя прогреваемые участки и изменяя степень их нагрева, мы можем получить сложное движение.

Аналогичные методики могут быть использованы в области микрооптики [], в частности, для юстировки фотодиодов в устройствах считывания компакт-дисков. Кроме этого, Центром промышленных технологий фирмы Phillips ведется разработка оправ для микролинз, юстируемых с помощью лазерного излучения. 

Методы с использованием лазерного излучения также позволяют регулировать механические элементы, которые трудно или невозможно регулировать известными методами, например, элементы, помещенные в вакуумированную стеклянную колбу или расположенные на движущихся узлах. 

Цель этих методов — повышение экономической эффективности, скорости, точности и производительности высокоточной сборки.

Следует указать также другую область возможного применения указанного механизма: использование лазерного излучения для осуществления пространственной развертки луча оптико-механическим дефлектором (сканером) [20]. Примеры такой конструкции изображены на рис. 9. В первом случае за аналог взята конструкция зеркала, помещенного в плоский кардановый подвес [22]. Во втором случае эта конструкция дополнена перемычками, предложенными в работе [8] и сделавшими ее оригинальной.

При облучении лазерным лучом перемычек возникают температурные напряжения и деформации, вызывающие поворот зеркала по двум угловым координатам. Видоизменяя конструкции перемычек, можно изменить технические характеристики актюатора.

Рис. 10. Оптико-механический дефлектор на сферических опорах

Другая конструкция оптико-механического дефлектора приведена на рис. 10. Дефлектор представляет собой зеркало, установленное на трех сферических опорах, изготовленных из специального материала — ситалла, который имеет свойство изменять свои геометрические параметры при облучении лазером. При облучении лазером и нагревании шариков из ситалла наблюдается увеличение их объема примерно в 1,5 раза, при прекращении облучения объект уменьшается до первоначальных размеров. То есть, подвергая облучению шарообразную опору, мы изменяем ее радиус, и зеркало поднимается или опускается в определенную сторону. Варьируя облучаемые опоры и дозу облучения, можно добиться сканирования дефлектором по двум координатам.

Рассматриваемое направление появилось недавно и описано лишь в ограниченном числе работ [7, 8, 10, 11, 19, 23].

Указанные принципы построения актюаторов имеют большие перспективы. К преимуществам рассмотренных актюаторов можно отнести возможность автоматизации и отсутствие механического контакта между источником энергии и исполнительным механизмом в разных средах.

Рассматриваемый метод можно использовать для регулировки пространственного положения деталей различного размера, но наиболее актуальным является применение лазера для позиционирования микродеталей [8], так как традиционные способы в этом случае малопригодны. Для решения вопроса о возможном обеспечении точности лазерного позиционирования необходимо провести ряд дополнительных исследований.

Таким образом, приведенные в настоящей работе результаты показывают, что лазер в режиме свободной генерации может быть использован для подстройки механических элементов, требующих точного углового позиционирования в указанных выше пределах.

Литература

1. Шалобаев Е. В. Микросистемная техника и мехатроника: особенности соотношения макро- и микроуровней // Микросистемная техника. 2000. № 4. С.5-10.
2. Пятышев Е. Н. Специфика технологии микроэлектромеханических устройств / Е. Н. Пятышев, М. С. Лурье, И. В. Попова, А. Н. Казакин // Прикладная физика. 2000. № 2. С. 133-136.
3. Шалобаев Е. В. Сенсорика и 21-й век // Датчики и системы. 2001. №1. С. 72-74.
4. Тринклер X.-P., Каноун О. Современное состояние сенсорной техники // Датчики и системы. 2001. №. 11. С.53-62.
5. Корляков А.В. Термомеханический микроактюатор / А.В. Корляков, В.В. Лучинин, И.В. Никотин, М. Н. Серкова // Петербургский журнал электроники. 2001. № 4. С. 65-70.
6. Афоннн С. М. Пьезопривод наноперемещений с корректирующим пьезодатчиком // Датчики и системы. 2000.  № 9. С. 31-34.
7. Вейко В.П., Петров А.А. Лазерная юстировка положения микродеталей в пространстве // Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Вып. 4. 2001. С. 113-118.
8. Вейко В.П., Петров А.А. Пространственное позиционирование микродеталей с помощью лазерного излучения // Микросистемная техника. 2002. № 5. С. 23-27.
9. Пятышев Е.Н. и др. Микротехнологии: от микроэлектроники к микросистемной технике / Е. Н. Пятышев, М. С. Лурье, Ю. Д. Акульшев, А. И. Скалон / Датчики и системы. 2001. № 6. С. 58-66.
10. Muller В. Virtual Engineering helps to get laser adjustment industrially accepted. First international Symposium оп Laser Precision Microfabrication // Proc. SPIE Vol. 4088. 2000. Рp. 164-167. 
11. Vollertsen F., Geiger М. Laserst rahljustieren mechatronischer Komponenten. Laser — von der Wissenschaft zur Anwend- ung. Strahltechnik Bd. 10. Bremen: BIAS Verlag, 1997. Рp. 309-320.
12. Шалобаев Е.В. К вопросу о международном трансляторе по мехатронике // Мехатроника. 2002. № 2. С.13-14.
13. Сазыкнн Ю. М. О некоторых проблемах и перспективах развития теории управления в технических системах. Ковров: КГТА, 2001. С. 25-31.
14. Юревич Е.И. Робототехника в развитии идей кибернетики // Экстремальная робототехника: материалы 10-й научно-технической конференции. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. – С.10-17.
15. Сабинин Ю. А. Позиционные и следящие электромеханические системы. CП6.: Энергоатомиздат, 2001. 208 с.
16. Вейко В. П., Либенсон М. Н. Лазерная обработка / Под общ. ред. С. П. Митрофанова. Л.: Лениздат, 1973. 191 с.
17. Вейко В. П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение, 1986. 210 с.
18. Вейко В. П., Мемов В. Лазерные технологи в микроэлектронике. София: Изд-во БолгАН, 1991. 364 с.
19. Вейко В. П. Лазерная микрообработка // Известия вузов. Приборостроение. 2002. № 6. С. 5-16.
20. Ефимеико В.Т. Сканирующие лазерные датчики в системе лечения и диагностики заболеваний / В. Т. Ефименко, Е. В. Шалобаев, А. В. Ефименко, Г. Н. Юркова // Датчики и системы. 2001. № 11. С. 47-49.
21. Вейко В.П. Локальное лазерное нанесение тонких пленок / В.П. Вейко, Ю.Д. Березин, В.А. Чуйко, А.К. Кромин, С.В. Кухтин, С.А. Родионов, М.П. Токарев // Известия РАН. Серия физики. 1997. Т. 61. № 8. С. 1627-1631.
22. Еременко А.Н. Анализ влияния на устойчивость и операционные характеристики микромеханического зеркала параметров его проектирования / А.Н. Еременко, Е.С. Горнев, Н.А. Зайцев, И.В. Матюшкин, М.Ф. Равилов // Микросистемная техника. 2003. № 1. С. 7-12.
23. Hoving W. Laser adjustment, а novel techлique to obtain fast, sub-micron accuracy in mass profuction // Second Intemational Symposium оп Laser Precision Mierofabrication. Proc. SPIE. 2002. Vol. 4426.

Оригинал статьи опубликован в журнале «Микросистемная техника», 2004, №1, С.12-16.

Статья рекомендована проф. Е.В. Шалобаевым, заведующим кафедрой «Системная инженерия и цифровые технологии», одним из основоположников теоретических основ мехатроники, автором курса «Мехатроника, микросистемная техника и нанотехнологии», который был создан в 2007-2017 гг. и прочитан в Университете ИТМО (как составная часть курса «Методология научных исследований»), в Орловском гостехуниверситете, в Белорусском национальном техническом университете (в 2017/2018 уч.году), 

Профильная литература проф. Е.В. Шалобаева

1. 30 лет плодотворного сотрудничества СПб ИТМО – ИММС НАН Беларуси / Е.Н. Волнянко, В.Е. Старжинский, Е.В. Шалобаев, В.В. Дубровский, С.В. Шилько // Полимерные материалы и технологии. 2023. № 2. С.89-90.
2. Зубчатые передачи в приводах микромеханических систем / С.В. Шилько, Е.В. Шалобаев // В кн.: Элементы приводов приборов. Под ред. Ю.М. Плескачевского. – Мн.: Беларуская навука. 2012. С.625-658.
3. Шалобаев Е.В., Вавилов В.Д., Монахов Ю.С. Вопросы создания микро- и макродефлекторов // Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов: Восьмая сессия Международной научной школы. 2007. С. 185-186.
4. Актюаторы для микросистемной техники / А.А. Петров, Ю.С. Монахов, И.А. Абдурахманов, Е.В. Шалобаев // XXXIII Неделя науки СПб ГПУ. Материалы межвузовской научно-технической конференции. Ч.III: СПб: изд-во Политехника, 2005. С.129-131.
5. Шалобаев Е.В. Тенденции развития современной трибологии на микро- и наноуровнях // Труды Международного симпозиума: Гидродинамическая теория смазки. 2005. Т. 2. С. 289-295.
6. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Обзор разработок микроактюаторов на основе лазерных технологий и предложения по перспективам их развития // Нано- и микросистемная техника. 2004. № 1. С.12-17.
7. Анализ компьютерных средств проектирования микромеханических гироскопов с позиции мехатроники / М.И. Евстифеев, С.Г. Кучерков, А.А. Унтилов, Ю.В. Шадрин, Е.В. Шалобаев // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 2. С.31-37.
8. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Применение лазерных технологий в микроактюаторах // Датчики и системы, 2004. № 10. С.41-42.
9. Технология изготовления зубчатых колес и передач для микроэлектромеханических систем. Технологии поверхностной и объемной микромеханики / Е.В. Шалобаев, Ю.С. Монахов, В.Е. Старжинский, С.В. Шилько // Нано- и микросистемная техника. 2004. № 7. С.30-35.
10. Технология изготовления зубчатых колес и передач для микроэлектромеханических систем. Технологии индивидуального формообразования микромеханики / Е.В. Шалобаев, Ю.С. Монахов, В.Е. Старжинский, С.В. Шилько // Нано- и микросистемная техника. 2004. № 8. С. 24-27.
11. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Применение лазерных технологий в микроактюаторах // Нано- и микросистемная техника. 2004. № 8. С.41-43.
12. Шалобаев Е.В. Микросистемная техника и тенденции развития современной трибологии // Нано- и микросистемная техника. 2003. № 9. С. 26-27.
13. Особенности расчета сопряжений компонентов МЭМС / С.В. Шилько, В.Е. Старжинский, А.П. Бабин, М.В. Зернин, Е.В. Шалобаев // Нано- и микросистемная техника. 2003. № 6. С. 16-20.
14. Шалобаев Е.В., Старжинский В.Е., Шилько С.В. Технология изготовления зубчатых колес и передач для микроэлектромеханических систем. Зубчатые микромеханизмы МЭМС: опыт производства и постановка задачи на перспективу // Нано- и микросистемная техника. 2003. № 10. С. 2-5.
15. Шалобаев Е.В. К вопросу о международном трансляторе по мехатронике // Мехатроника. 2002. № 2. С.13-14.
16. Шалобаев Е.В. Конференция: мехатроника и микросистемная техника // Нано- и микросистемная техника. 2001. № 8. С.12.
17. Шалобаев Е.В. Проблемы микросистемной техники и 21-й век (Обзор) // Нано- и микросистемная техника. 2001. № 3. С. 37-40.
18. Шалобаев Е.В. Микросистемная техника и мехатроника: особенности соотношения микро- и макроуровней // Нано- и микросистемная техника. 2000. № 4. С.5-10.
19. Старжинский В.Е., Шалобаев Е.В. Проблемы применения микросистемной техники в прецизионных устройствах мехатроники // Материалы 4-й Международной школы по точности им. И.Г. Фридлендера (Фридлендеровские чтения). СПб: ИПМаш РАН, 2000.

Резюмируя сообщение необходимо отметить следующее:

• теоретические и экспериментальные работы авторов в области микросистемной техники (микромехатроники), начатые в первые годы 21-го века, во многом опередили свое время и ныне являются востребованными;
• авторы со своими организациями прошли путь   от «быстрого   прототипирования» до «аддитивных   технологий», базирующихся на 3D-принтинге;
• расширилась и предметная область работ от приборостроения до медицинской техники;

• появилась потребность как в расширении номенклатуры применяемых материалов, в частности изготовления нитей, в которых кроме полимеров используются металлический порошок, благодаря которому изменяются свойства элементов конструкций, например, увеличивается жесткость поверхностей и т.п.