Etude, commande et applications du translateur piézo-électrique en basses tensions

par Karima Rochdi

Thèse de doctorat en Automatique et informatique

Sous la direction de Nadine Lefort-Piat.

Soutenue en 2003

à Besançon , en partenariat avec Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Piézoélectricité

Résumé

Le besoin d'actionneurs et de moteurs miniaturisés est ressenti depuis longtemps du fait de la miniaturisation croissante des produits (montres, appareils photographiques, ordinateurs, ) ; il a conduit plusieurs laboratoires à s'investir dans la recherche de dispositifs répondant à ce besoin. Divers micromoteurs ont ainsi été développés que l'on classe habituellement en micromoteurs rotatifs et micromoteurs linéaires. Cette thèse porte sur l'analyse et la commande d'un translateur piézo-électrique, un micromoteur ultrasonore linéaire à trois degrés de liberté X, Y et Q, de dimensions 64 x 38 x 3 mm3. Les déplacements de ce dernier résultent du contact intermittent (sauts suivis de contacts et de glissements) entre quatre pieds mus par des ondes stationnaires de volume et le plan de travail. L'étude porte sur le comportement en basse tension et en environnement non contraint. Une analyse statique et dynamique en fonction des paramètres habituels des moteurs piézo-électriques à interaction de contact (fréquence et amplitude de la tension d'alimentation, charge supportée) pour tous les déplacements élémentaires a mis en évidence le comportement non linéaire du système et montré le couplage entre ses différents déplacements. Elle a également permis de confirmer les grandes potentialités du système en matière de transport et positionnement : charges de plus de 500 g, pas de l'ordre du micromètre, vitesse de 20 mm/s, course illimitée. Ensuite, une commande en pas à pas, en boucle fermée de position de type static-look-and-move a été développée. Elle permet un positionnement à deux niveaux de résolution : positionnement grossier loin de la cible (pas inférieur à 20 æm) et fin proche de celle-ci (pas inférieur à 5 æm). L'implantation de cette commande a permis l'obtention de déplacements rectilignes longitudinal et transversal avec une erreur de positionnement d'environ 2. 5 æm, limitée par la résolution de localisation par vision. Enfin, sont présentées les réalisations de microrobots mobiles holonomes planaires motorisés par un translateur, et en partie utilisés pour le transport et le positionnement de composants miniaturisés dans une microcellule de production manufacturière.

Titre traduit

Study, ordering and applications of the piezoelectric micropositing robot in low tensions

Résumé

There was a need of miniaturized actuators and motors for a long time according to the increasing miniaturization of products (watches, cameras, computers). This led a lot of laboratories to put effort in the research of devices answering to this need. Various micromotors were developed and they were classified in rotary micromotors and linear micromotors. This thesis deals with the analysis and the control of a piezoelectric sliding system, an ultrasonic linear micromotor measuring 64 x 38 x 3 mm3. It has three degrees of freedom X, Y and q. The Displacements result from intermittent contacts (jumps followed by contacts and slips) between four feet (propelled by standing waves) and the frame. The study deals with the behavior under low voltage and in environment that is not constrained. A static and dynamic analysis according to usual parameters of standing waves ultrasonic motors (frequency and amplitude of the voltage, carried load) for all elementary displacements showed the nonlinear behavior of the system and the coupling between its different displacements. It also allowed to confirm the great potentialities of the system concerning the transport and the positioning : loads of about 500 g, micrometer resolution step, speed of 20 mm/s, unlimited stroke. Then, a static look-and-move closed loop control was developed, where the motor was controled step-by-step. It allowed a positioning of two levels of resolution : coarse positioning far from the target (step lower than 20 æm) and fine positioning near the target (step lower than 5 æm). The programming of this control low allowed to obtain straight longitudinal and transverse displacements with a positioning error about 2. 5 æm (limited by the resolution of localization method). Finally, some realizations of holonomic mobile and planar microrobots motorized by the sytem were presented. They were used for the transport and the positioning of miniaturized components in a microassembly workcell.