novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.20.219-229novtexmech-612Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSСтруктурные схемы и структурно-параметрические модели электроупругих актюаторов для наномехатронных системStructural Schemes and Structural-Parametric Models of Electroelastic Actuators for Nanomechatronics SystemsАфонинС. М.AfoninS. M.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент

Ph. D. Senior Researcher, Associate Professor

Corresponding author: Afonin Sergei M., Ph. D. Senior Researcher, Associate Professor, National Research University of Electronic Technology MIET, Moscow, Zelenograd, 124498

eduems@mail.ruНациональный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"РоссияNational Research University of Electronic Technology MIETRussian Federation201909042019204219229Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20192019Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/612

Получены параметрические структурные схемы, структурно-параметрические модели и передаточные функции электроупругих актюаторов для наномехатронных систем. Передаточные функции пьезоактюатора определены при обобщенном пьезоэлектрическом эффекте. Изменения упругой податливости и жесткости пьезоактюатора найдены с учетом типа управления. Получены решение волнового уравнения и структурно-параметрические модели электроупругих актюаторов. Определено влияние геометрических и физических параметров электроупругого актюатора и внешней нагрузки на его статические и динамические характеристики. Получены в общем виде параметрические структурные схемы электроупругих актюаторов для наномехатронных систем. Выведены передаточные функции пьезоактюатора при обобщенном пьезоэффекте. Для расчета систем автоматического управления нанометрическим движением с электроупругим актюатором получены параметрические структурные схемы и передаточные функции электроупругих актюаторов. Определены статические и динамические характеристики электроупругих актюаторов. Применение электроупругих актюаторов решает задачи точного совмещения в микроэлектронике и нанотехнологии, компенсации температурных и гравитационных деформаций, атмосферной турбулентности путем коррекции волнового фронта. На основе решения волнового уравнения с учетом соответствующих уравнений пьезоэффекта, граничных условий на нагруженных рабочих поверхностях электроупругого актюатора, деформаций вдоль координатных осей построена структурно-параметрическую модель электроупругого актюатора. Передаточные функции и параметрические структурные схемы электроупругого актюатора выведены из уравнений, описывающих соответствующие структурно-параметрические модели и учитывающих противоэлектродвижущую силу электроупругого актюатора для наномехатронных систем.

The parametric structural schemes, structural-the parametric models and the transfer functions of the electroelastic actuators for the nanomechatronics systems are obtained. The transfer functions of the piezoactuator are determined under the generalized piezoelectric effect. The changes in the elastic compliance and the stiffness of the piezoactuator are found, taking into account the type of control. The decision wave equation and the structural-parametric models of the electroelastic actuators are obtained. Effects of the geometric and physical parameters of the electroelastic actuators and the external load on its static and dynamic characteristics are determined. The parameteric structural schemes for the electroelastic actuators for the nanomechatronics systems are obtained. The transfer functions are determined. For calculation of the automatic control systems for the nanometric movements with the electroelastic actuators are obtained the parametric structural schemes and the transfer functions of actuators. Static and dynamic characteristics of the electroelastic actuators are determined. The application of electroelastic actuators solves problems of the precise matching in microelectronics and nanotechnology, compensation of temperature and gravitational deformations, atmospheric turbulence by wave front correction. By solving the wave equation with allowance for the corresponding equations of the piezoelectric effect, the boundary conditions on loaded working surfaces of the electroelastic actuator, the strains along the coordinate axes, it is possible to construct the structural parametric model of the actuator. The transfer functions and the parametric structural schemes of the electroelastic actuator are obtained from the equations describing the corresponding structural parametric models and taking into account the opposed electromotive force of the electroelastic actuator for the nanomechatronics systems.

параметрическая структурная схемаэлектроупругий актюаторпьезоактюаторструктурно-параметрическая модельпередаточная функцияparametric structural schemeelectroelastic actuatorpiezoactuatorstructural-parametric modeltransfer functionReferencesSchultz J., Ueda J., Asada H. Cellular Actuators. Oxford: Butterworth-Heinemann Publisher, 2017. 382 p.Schultz J., Ueda J., Asada H. Cellular Actuators, Oxford, Butterworth-Heinemann Publisher, 2017, 382 p.Cady W. G. Piezoelectricity: An introduction to the theory and applications of electromechancial phenomena in crystals. New York, London: McGraw-Hill Book Company, 1946. 806 p.Cady W. G. Piezoelectricity: An introduction to the theory and applications of electromechancial phenomena in crystals, New York, London, McGraw-Hill Book Company, 1946, 806 p.Afonin S. M. Structural-parametric model and transfer functions of electroelastic actuator for nanoand microdisplacement. Chapter 9. Editor: Parinov I. A. Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications. New York: Nova Science Publisher, 2015. P. 225—242.Afonin S. M. Structural-parametric model and transfer functions of electroelastic actuator for nanoand microdisplacement, Chapter 9, Parinov I. A. ed., Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications, New York, Nova Science Publisher, 2015, pp. 225—242.Никольский А. А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с.Nikolsky A. A. Tochnye dvuhkanal’nye sledjashhie jelektroprivody s p’ezokompensatorami (Precise two-channel servo drives with piezocompensators), Moscow, Energoatomizdat, 1988, 160 p. (in Russian).Панич А. Е. Пьезокерамические актюаторы. Ростовна-Дону: Южный федеральный университет, 2008. 159 с.Panich A. E. P’ezokeramicheskie aktjuatory (Piezoceramic actuators.), Rostov-on-Don, Southern Federal University, 2008, 159 p. (in Russian).Афонин С. М. Структурно-параметрическая модель пьезопреобразователя наноперемещений // Доклады академии наук. 2008. Т. 419. № 1. С. 47—53.Afonin S. M. Structural parametric model of a piezoelectric nanodisplacement transduser, Doklady physics, New York, Pleiades publishing, Inc., Springer, 2008. vol. 53, no. 3, pp. 137—143.Афонин С. М. Решение матричных уравнений в задачах электроуругости для многослойных актюаторов наноперемещений // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 8. С. 39—45.Afonin S. M. Reshenie matrichnyh uravnenij v zadachah jelektrourugosti dlja mnogoslojnyh aktjuatorov nanoperemeshhenij (The solution of matrix equations in problems of electroelasticity for a multilayer actuators nanodisplacement), Mehatronika, Avtomatizacija, Upravlenie, 2010, no. 8, pp. 39—45 (in Russian).Mason W. ed. Physical acoustics: Principles and methods. Vol. 1. Part A. Methods and devices. New York: Academic Press, 1964. 515 p.Mason W. ed. Physical acoustics: Principles and methods, vol. 1, part A. Methods and devices, New York, Academic Press, 1964, 515 p.Полянин А. Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. М.: Физматлит, 2001. 576 с.Polyanin A. D. Spravochnik po lineynym uravneniyam matematicheskoy fiziki (Handbook of linear partial differential equations), Moscow, Fizmatlit, 2001, 576 p. (in Russian).Afonin S. M. A structural-parametric model of electroelastic actuator for nanoand microdisplacement of mechatronic system. Chapter 8. Editors: Bartul Z., Trenor J. Advances in Nanotechnology. Vol. 19. New York: Nova Science Publisher, 2017. P. 259—284.Afonin S. M. A structural-parametric model of electroelastic actuator for nanoand microdisplacement of mechatronic system, Chapter 8, Bartul Z., Trenor J. ed., Advances in Nanotechnology, vol. 19, New York, Nova Science Publisher, 2017, pp. 259—284.Афонин С. М. Параметрические структурные схемы пьезоактюаторов нанои микроперемещений при продольном пьезоэффекте // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. № 2. С. 112—121.Afonin S. M. Parametricheskie strukturnye shemy p’ezoaktjuatorov nanoi mikroperemeshhenij pri prodol’nom p’ezojeffekte (Parametric structural schemes of piezoactuators of nanoand micrometric movements at a longitudinal piezoeffect), Mehatronika, Avtomatizacija, Upravlenie, 2017, vol. 18, no. 2. pp. 112—121 (in Russian).Афонин С. М. Многомерные структурно-параметрическая модель и схема многослойного электромагнитоупругого актюатора нанои микроперемещений // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2014. № 2. С. 95—110.Afonin S. M. Multidimensional structural parametric model and block diagram of multilayer electromagnetoelastic actuator of nano and micro displacements, Journal of computer and systems sciences international, 2014, vol. 53, no. 2, pp. 239—255.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.