Module of Precise Micromovement of a Two-Coordinate Microscope Stage Based on Bimorphic Piezoactuators and its Control Algorithm
DOI:
https://doi.org/10.36910/4293-52779-2025-17-02-01Keywords:
micropositioning, bimorph piezoactuator, two-coordinate stage, capacitive sensor, mechatronic module, high-precision microdisplacementsAbstract
The article presents the research and development of a two-coordinate micropositioning module of the object stage based on bimorph piezoelectric actuators using high-precision capacitive displacement sensors. The proposed design combines a coarse displacement module based on stepper motors and a precise displacement module, which provides a comprehensive range of displacements from tens of millimeters to submicrometer values while maintaining high rigidity and compactness of the system. The structural diagram of the stage, the principle of operation of bimorph piezoelectric actuators and the features of force locking using an elastic ring made of beryllium bronze are described. The kinematic model of displacements along the X and Y axes is presented, as well as the mechanism for compensating for angular deviations that arise when an asymmetric force acts on the actuators. Considerable attention is paid to the construction of a feedback system based on three AD7746 capacitive sensors, which provide measurement of the stage position with nanometer accuracy. The principle of operation of the three-electrode sensor system was analyzed and the operating range of the interelectrode gap change was determined. Algorithms for generating control signals were developed to achieve plane-parallel table movement, angular tilt correction, and elimination of nonlinearities of piezoelectric drives. A control system based on the dSPACE DS1104 controller and TREK high-voltage amplifiers provides high speed, control accuracy, and stability of operation in a closed loop. The results of modeling and experimental tests confirmed the possibility of implementing precise positioning in the range of up to ±0.5 mm with submicrometer resolution and minimal parasitic deviations. The proposed module can be effectively used in high-precision mechatronic complexes, optical systems, microbiological research, medical diagnostic installations, and micromechanical technologies.
References
[1] Зайцев Р. В., Кіріченко М. В., Зайцева Л. В. Методи дослідження структури тонких плівок: підручник. Харків: ФОП Бровін О. В., 2021. 320 с.
[2] Теслюк В., Зелінський А., Каркульовський В. Розширене проєктування мікросистемних пристроїв: навч. посіб. URL: https://surl.li/jxzlal (дата звернення 23.11.2025).
[3] Васильківський І. С., Фединець В. О., Юсик Я. П. Виконавчі пристрої систем автоматизації. URL: https://surl.li/tgqjor (дата звернення 24.11.2025).
[4] Хорольський В. П., Коренець Ю. М. Мехатроніка (мехатроніка та інтелектуальна автоматика): навч. посіб. Кривий Ріг: ДонНУЕТ, 2023. 342с.
[5] Тимчик Г. С., Скицюк В І., Клочко Т. Р. Конструювання механотронних модулів. Точність механотронних модулів: навч. посіб. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024. 79 с.
[6] Теряєв В. І., Король С. В. Системи програмного та слідкуючого керування рухом: підручник. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 150 с.
[7] Денисюк В. Ю., Кравчук О. О. Система керування точністю мікропереміщень предметного столика мікроскопа. Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології – 2025: матер. ХІ Міжнар. наук.-практ. конф. (м. Київ, 07 трав. 2025 р.). Київ: «Політехніка», 2025. С. 16-17.
[8] Омелян А. В. Методи та система підвищеної ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором: дис. … д-ра філософії: 172. Київ, 2022. 160 с.
[9] Денисюк В. Ю., Симонюк В. П., Лапченко Ю. С., Шибковський І. А. Метрологічне забезпечення вимірювання механічних та трибологічних властивостей матеріалів на субмікронному і нанометровому діапазонах лінійних розмірів. «Перспективні технології та прилади»: зб. статей. Луцьк: ЛНТУ, 2020. Вип. 17. С. 33-41.
[10] Mohammad H. Abedin-Nasab. Handbook of robotic and imageguided surgery. URL: https://surl.li/fzmxim (дата звернення 25.11.2025).
[11] Денисюк В. Ю., Симонюк В. П., Лапченко Ю. С. Дослідження точності мікропереміщень предметного столика мікроскопа з біморфними п’єзоактюаторами. Технічна творчість: зб. наук. праць. Хмельницький: ХНУ, 2021. № 4. С. 10-11.
[12] Однодворець Л. В., Пазуха І. М., Лукавенко І. М. Оптоелектронні і лазерні системи в електроніці та медицині: навч. посіб. Суми: Сумський державний університет, 2022. 127 с.
[13] Денисюк В. Ю., Симонюк В. П., Лапченко Ю. С., Тимощук А. А., Черняк С. О. Аналіз систем мікропереміщень для маніпулювання мініатюрними об’єктами. «Теоретичні і експериментальні дослідження в сучасних технологіях матеріалознавства та машинобудування»: зб. матер. VIІІ Міжнар. наук.-техн. конф. (м. Луцьк, 25-28 трав. 2021 р.) Луцьк: ЛНТУ, 2021. С. 25-27.
[14] Andrew J. Kurdila. Dynamics and сontrol of robotic systems. URL: https://surl.li/vkiiii (дата звернення 25.11.2025).
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2025 Денисюк В. Ю.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.