BỘ TRUYỀN ĐỘNG TUYẾN TÍNH PIEZO TRONG CÔNG NGHỆ LASER

Laser là những công cụ đa năng với phạm vi ứng dụng rộng lớn. Ví dụ, trong xử lý vật liệu, chúng ngày nay trở nên không thể thiếu, tương tự như trong công nghệ y tế hoặc trong nghiên cứu vật liệu và môi trường. Ở mọi nơi, nguyên lý đều giống nhau: Các gương lật/nghiêng (tip/tilt mirrors) đảm bảo việc điều hướng chính xác chùm tia laser

Định vị gương tự động trong môi trường chân không và tại những vị trí khó tiếp cận

Hiện nay, các giá đỡ gương cũng được cung cấp với bộ truyền động áp điện thay vì vít micromet (Ảnh: Liop-Tec)

Điều này biến chúng thành những thành phần quan trọng, tuy nhiên, chúng cần được định vị cực kỳ chính xác để đạt được kết quả mong muốn. Hiện nay, việc điều chỉnh thủ công vẫn là tiêu chuẩn kỹ thuật phổ biến. Tuy nhiên, việc điều chỉnh bằng tay không phải lúc nào cũng khả thi, chẳng hạn như khi gương được sử dụng trong môi trường chân không hoặc lắp đặt tại những vị trí khó tiếp cận, nơi chúng cần được thiết lập sẵn hoặc điều chỉnh lại trong quá trình vận hành.

Đây chính là nơi các hệ truyền động tuyến tính dựa trên piezo cung cấp giải pháp tối ưu: Các bộ truyền động siêu nhỏ (microdrives) tiết kiệm không gian và chi phí này hoạt động với độ chính xác định vị xuống đến hàng nanomet và – khi được lắp đặt vào giá đỡ gương – sẽ thay thế hoàn toàn các vít đo micromet vận hành bằng tay.

Giá đỡ gương tùy chỉnh cho các thấu kính lớn. Các hệ thống cơ khí này cũng có thể được tự động hóa bằng bộ truyền động PiezoMike (Hình ảnh: Liop-Tec)

Ví dụ điển hình từ Liop-Tec GmbH

Công ty Liop-Tec GmbH đã chứng minh qua một ví dụ điển hình về việc tự động hóa định vị gương lật/nghiêng – một yếu tố sống còn của công nghệ laser – có thể được tối ưu hóa để thích nghi hoàn hảo với ứng dụng thực tế. Công ty cung cấp các giá đỡ gương tiêu chuẩn và tùy chỉnh, hiện nay có thêm tùy chọn trang bị bộ truyền động piezo thay vì vít micromet thủ công.

"Thông qua sự hợp tác với Physik Instrumente (PI), chúng tôi đã phát triển các bộ truyền động tuyến tính dựa trên piezo đạt đến cấp độ sản xuất hàng loạt, đồng thời điều chỉnh cơ cấu vít và đai ốc để phù hợp hoàn hảo với nguyên lý truyền động này," Patrick Incorvaia, Quản lý Bán hàng tại Liop-Tec giải thích.

Bộ truyền động tuyến tính PiezoMike: Kích thước nhỏ gọn, khả năng tạo lực mạnh và định vị ổn định trong điều kiện chân không (Hình ảnh: PI)

Các bộ truyền động PiezoMike từ PI đã được tích hợp thành công vào dòng giá đỡ gương "Star" của Liop-Tec. Các động cơ piezo này dựa trên nguyên lý quán tính và vận hành ở tần số lên đến 2 kHz. Bộ truyền động tuyến tính PiezoMike đạt được lực đẩy lên tới vài chục Newton (vài 10 N), dễ dàng tích hợp vào nhiều ứng dụng và đặc biệt phù hợp cho môi trường chân không.

Hệ thống truyền động quán tính dựa trên áp điện sử dụng hiệu ứng trượt-dính để tạo ra các bước nhỏ với kích thước bước chỉ vài micromet (Hình ảnh: PI)

Patrick Incorvaia cho biết thêm: "Chúng tôi đặc biệt tự hào khi có thể cung cấp các giá đỡ gương cho môi trường chân không cao và siêu cao, có thể điều chỉnh từ bên ngoài với độ chính xác cực kỳ cao. Sự hợp tác xuất sắc với PI đã đưa chúng tôi tiến một bước dài". Vít định vị thủ công giờ đây đơn giản được thay thế bằng một bộ PiezoMike.

--------------------------------------------------------------------------------

Nguyên lý hoạt động và Điều chỉnh

Các bộ truyền động quán tính dựa trên piezo tận dụng hiệu ứng dính-trượt (stick-slip effect) để thực hiện các bước di chuyển tinh vi với kích thước bước chỉ vài micromet.

1. Pha Dính (Stick): Trong phần đầu của chu kỳ chuyển động, bộ truyền động giãn nở chậm, kéo theo thanh chuyển động (hoặc vít) nhờ lực ma sát.
2. Pha Trượt (Slip): Ở phần thứ hai, bộ truyền động co lại cực nhanh khiến nó trượt dọc theo thanh chuyển động. Do quán tính lớn, thanh chuyển động không thể theo kịp tốc độ này và giữ nguyên vị trí mới.

Việc điều khiển điện tử rất đơn giản với tín hiệu đầu ra tương tự điện áp dạng răng cưa. Kích thước nhỏ gọn giúp chúng phù hợp với nhiều lĩnh vực, từ công nghệ laser, định vị mũi hàn đến điều chỉnh cửa sập và màng ngăn trong thao tác vi mô.

Trong ứng dụng của PI và Liop-Tec, hiệu ứng dính-trượt không kéo theo thanh trượt mà làm cho vít định vị xoay. Một cơ cấu kẹp (claw) ôm xung quanh vít sẽ mở ra khi piezo giãn nở và làm vít xoay nhẹ. Khi piezo co lại nhanh, kẹp trở về vị trí cũ mà không làm vít quay ngược lại nhờ quán tính của vít. Quá trình này lặp lại cho đến khi đạt vị trí mong muốn và có thể hoạt động theo cả hai chiều.

Theo Patrick Incorvaia, việc tìm ra các thông số vật liệu tối ưu cho hiệu ứng trượt đòi hỏi bí quyết kỹ thuật rất lớn trong chế tạo vít và đai ốc, với những yêu cầu khắt khe về sai số và chất lượng bề mặt cơ khí.

--------------------------------------------------------------------------------

Ưu điểm vượt trội của Giải pháp Piezo

• Độ phân giải siêu cao: Bộ truyền động PiezoMike có thể đạt được các bước di chuyển chỉ 20 nm, điều mà các động cơ bước truyền thống khó lòng đạt tới.
• Kích thước nhỏ gọn: Nhỏ hơn nhiều so với bất kỳ loại vít micromet chạy bằng động cơ điện nào trên thị trường.
• Hiệu suất mạnh mẽ: Tạo ra lực đẩy 22 N, tốc độ tối đa 3 mm/phút và dải hành trình từ 7.5 mm đến 26 mm.
• Tuổi thọ cực dài: Khả năng vận hành hơn một tỷ bước (tương đương quãng đường di chuyển 20m hoặc 100 giờ chạy liên tục), vượt xa nhu cầu của các ứng dụng định vị tinh vi vốn chỉ yêu cầu các chuyển động ngắn và hiếm khi xảy ra.

--------------------------------------------------------------------------------

Điều khiển và Chế độ Analog

Bộ điều khiển E-870, được tinh chỉnh đặc biệt cho các yêu cầu của bộ truyền động tuyến tính, điều khiển bộ truyền động (Hình ảnh: PI)

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển E-870, được thiết kế chuyên biệt cho các bộ truyền động tuyến tính. Một bộ điều khiển có thể quản lý nối tiếp lên đến 4 kênh, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư.

Để điều chỉnh ở mức độ tinh vi nhất, các động cơ tuyến tính piezo trong giá đỡ gương có thể vận hành ở chế độ analog. Trong pha định vị cuối cùng, thay vì chạy theo bước, piezo sẽ được điều khiển trực tiếp bằng cạnh lên của điện áp, giúp đạt được độ phân giải định vị lên tới 5 nm. Khi đó, bộ điều khiển đóng vai trò như một bộ khuếch đại điện áp piezo.

--------------------------------------------------------------------------------

Triển vọng tương lai

Việc phát triển các dòng PiezoMike độ chính xác cao vẫn đang được tiếp tục. Patrick Incorvaia kỳ vọng vào các dòng truyền động trực tiếp không tiếng ồn và các biến thể điều khiển vòng kín (position-regulated) trong tương lai để giúp các giá đỡ gương trở nên linh hoạt hơn nữa.

Cập nhật thêm các giải pháp về quản lý chất lượng, tối ưu sản xuất của Physik Instrumente tại: https://v-proud.vn/vi/danh-muc/giai-phap-physik-instrumente

Đọc thêm:

• Tối Ưu Hóa Quy Trình Sản Xuất Wafer & Bài Toán Chi Phí
• Phương án biến máy CNC sở hữu tính năng của CMM
• Máy CMM hoạt động ngay tại xưởng sản xuất

V-Proud là nhà phân phối chính thức hãng của Physik Instrumente tại VIệt Nam, quý khách có nhu cầu mua hàng vui lòng liên hệ hotline hoặc Zalo 0896 555 247

• SHARE:
;