Aportul Microtehnologiilor In Dezvoltarea Si Modernizarea Robotilor

Aportul microtehnologiilor in dezvoltarea si modernizarea robotilor

INTRODUCERE

De-a lungul evoluției omenirii, intodeauna omul a căutat să își ușureze mediul de viață și să obțină rezultate maxime în orice domeniu cu un consum de energie minim. Acest lucru s-a realizat treptat de-a lungul timpului, nivelul maxim al productivității muncii obținându-se în momentul în care cea mai mare parte a muncii de execuție și control efectuată de operatorul uman a fost preluată de sisteme robotizate. Astfel, cel care a început să muncească în locul operatorului uman și anume cel ce poartă numele de “robot” a apărut în cea de a doua jumătate a secolului XX, iar de atunci și până în prezent acesta evoluează în mod continuu, oamenii de știință căutând să dezvolte roboți care au capacitatea de a imita cât mai bine capacitățile omului de a interacționa cu mediul înconjurător.

Astfel cuvântul “robot” are o origine literară: piesa de teatru “Roboți universali ai lui Rossum” (RUR) al scriitorului ceh Karel Čapek. În această piesă, niște automate asemănătoare cu omul, puse în funcțiune de acesta, până la urmă se revoltă împotriva lui. Cuvântul "robot" provine din limba slavă: “robota” înseamnă muncă grea efectuată forțat. Marele scriitor de “science fiction” canadian, Issac Asimov a scris numeroase cărți despre roboți încă pe la mijlocul secolului XX, înaintea apariției primului robot real. El a formulat de altfel conceptul de “Robotică”, definit ca știința care se ocupă de roboți și cele "trei legi ale Roboticii”:

Robotul nu poate să pricinuiască vreun rău omului, sau să îngăduie vătămarea acestuia prin neintervenția lui.

Robotul trebuie să execute comenzile omului, cu excepția când acțiunile rezultate ar contraveni legii 1.

Robotul trebuie să-și protejeze propria existență, cu excepția cazurilor când acțiunile rezultate contravin legilor 1 și 2.

Istoria tehnicii arată că oamenii realizează sisteme tehnice atunci când practic, evoluția societății cere rezolvarea unor anumite probleme [10].

Istoria tehnică mai arată că miniaturizarea diferitelor elemente, a sistemelor în ansamblu, a instrumentelor de măsură și de lucru, a devenit una din direcțiile majore de dezvoltare ale secolului XXI. Cu greu se poate imagina astăzi o tehnologie sau un produs care să poată funcționa fără să fie aplicate principii tehnologice specifice mecanicii de precizie sau a nanotehnologiilor. Pe baza acestui deziderat în care ființa umană este într-o continuă căutare, de a dezvolta ansamble și mecanisme de dimensiuni cât mai mici, cu un consum de energie și cost final cât mai scăzut au apărut Sistemele microelectromecanice sau MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

Sistemele microelectromecanice (MEMS) reprezintă dispozitive, ansamble și sisteme integrate miniaturizate obținute prin combinarea elementelor electronice cu cele mecanice și ale căror dimensiuni variază de la câțiva microni până la câțiva milimetrii. MEMS-urile sunt definite de unii autori ca fiind cele mai mici mașini în funcțiune create de mintea inginerească, având un impact enorm asupra tuturor ramurilor de vârf din producție și economie.

Un sistem compus din elemente mecanice, elemente electronice la care se mai adaugă și elemente informatice poartă numele de sistem mecatronic. Mecatronica poate fi definită ca o concepție inovatoare a tehnicii de automatizare pentru nevoile ingineriei și educației.

Mecatronica s-a născut ca tehnologie și a devenit filosofie. În ultimii ani, mecatronica este definită simplu: “Știința mașinilor inteligente”. Ca o concluzie, se poate spune că mecatronica este o sferă interdisciplinară a științei și tehnicii care se ocupă în general de problemele mecanicii, electronicii și informaticii [20].

Lucrarea de față are ca scop prezentarea microtehnologiilor care se folosesc în momentul de față în tehnică și aportul acestora în dezvoltarea și modernizarea roboților și a sistemelor mecatronice. Pe baza acestor microtehnologii se va proiecta un microreductor cu roți dințate cilindrice cu dinți drepți utilizabil în constructia roboților mobili. Ulterior se propune dezvoltarea tehnologiei de execuție a roților dințate pe baza microtehnologiei de microturnare prin injecție a materialelor plastic, aceasta fiind și una dintre cele mai utilizate procedee tehnice in acest domeniu.

Capitolul 1

MEMS. GENERALITĂȚI ȘI TIPURI DE TEHNOLOGII

1.1. Noțiuni introductive

Tehnologia microsistemelor reprezintă un process tehnologic utilizat la fabricarea microdispozitivelor, asigurând o mulțime de facilitați și aplicații pentru miniaturizarea diverselor elemente într-o gamă complexă de forme și destinații. La baza tehnologiei microsistemelor stă tehnologia circuitelor integrate, iar tehnologia care utilizează tehnici de procesare a circuitelor integrate se numește în Europa “Tehnologia Microsistemelor” -MST (Microsystem Tehnology), în Statele Unite ale Americii “Sisteme Microelectromecanice” -MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), iar în Japonia sunt cunoscute ca “Micro-Masini” (Micro-Machines), însă indiferent de terminologie toate au un factor comun și anume modul de fabricare a acestor dispositive [8].

“MEMS este un mod de a face lucruri”, este o definiție prezentată de Biroul Tehnologiilor Sistemelor Microelectromecanice din Statele Unite ale Americi (DARPA). Aceste “lucruri” combină funcțiile de sensibilitate și de acționare prin intermediul unor parametrii fizici de control la o scară micro.

Procesul de fabricație a microsistemelor este unul în continuă dezvoltare. Cel mai bun exemplu este evoluția senzorilor de coliziune integrați în airbag-urile autovehiculelor. În trecut, vechile modele de senzori erau asemănătoare contactelor mecanice. Mai târziu aceștia au evoluat în senzori micromecanici care măsurau accelerația. Noua generație de astfel de dispozitive integrează circuite electronice de-a lungul unui senzor micromecanic pentru a obține un semnal de ieșire digital [7].

În raport cu dispozitivele fabricate la o scară macro, care pot oferi aceleași funcții, microdispozitivele asigură o serie de avantaje și facilități precum:

Dimensiune mult mai redusă față de dispozitivele macro cu aceleași funcții;

Integrarea componentelor și microsenzorilor în același dispozitiv majorează semnificativ eficiența acestuia prin mărirea preciziei și a senzitivității senzorilor;

Oferă costuri de producție mai scăzute prin fabricarea acestora în volum mare, cu ajutorul proceselor de microprelucrare.

Ce este procesul de microprelucrare?

Procesul de microprelucrare este un set de unelte pentru proiectare și fabricare, cu ajutorul căruia se pot prelucra și forma structuri și elemente foarte precise la o scară nesesizabilă de ochiul uman (microscara). Procesul de microprelucrare stă la baza realizării de produse MEMS și se poate spune că acesta este instrumentul de bază al Sistemelor MEMS [7].

Dispozitivele microstructurale sunt realizate din mai multe straturi suprapuse, aspectul tridimensional al fiecărui strat fiind dat de funcționalitatea sa în cadrul microdispozitivului.

Tehnicile principale utilizate la adăugarea materialelor pe un substrat, pentru ca apoi acesta să fie modelat în forma dorită sunt:

Depunerea, prin care se generează materialul de depunere.

Litografia, prin care se obține o formă.

Gravarea, care asigură eliminarea de material,

Implantarea ionică, care implică modificarea proprietatiilor materialului, în special a conductivității acestuia.

La proiectarea și fabricarea dispozitivelor microelectromecanice se va ține cont de următoarele aspecte:

Frecările sunt mai mari decât forțele inerțiale; forțele electrostatice sunt semnificative la nivel micro;

Căldura dezvoltată în MEMS-uri are valori relativ ridicată, cauzând probleme de disipare a căldurii și de transport;

Proprietățile materialelor (coeficientul Poisson și modulul Young).

1.2. Aplicații MEMS

Principalele aplicații ale dispozitivelor MEMS sunt:

Industria transportului:

Senzori de presiune pentru vaporii de combustibili

Senzori de navigație

Senzori pentru airbag-uri

Accelerometre pentru controlul forței de frânare și controlul suspensiei

Electronică:

Senzori de cutremur

Cap imprimantă cu jet de cerneală

Sisteme de stocare date

Proiectoare de televiziune

Comunicații:

Display-uri pentru aparatele portabile

Componente ale rețelelor de fibră optică

Relee, filtre și comutatoare

Apărare:

Control de trafic aerian

Sisteme de ghidare a muniției

Senzori

Dispozitive de supraveghere

Prelucrări automatizate:

Senzori pentru sisteme de măsură 3-D

Senzori de vibrații, temperatură și presiune

Microroboți de prelucrare

Actuatori de control și reglare a procesului de așchiere

Medicină:

Proteze

Microinstrumente

Simulatoare cardiace

Sisteme de măsurare a tensiunii arteriale

Senzori de tensiune arterială implantați

Sisteme de stimulare a mușchilor

1.3. Procedee tehnologice MEMS

Tehnologia MEMS are ca scop realizarea microstructurilor la scară micrometrică, fiind similară tehnologiei de fabricare a circuitelor integrate, la care se adăuga o serie de tehnologii specifice care favorizează utilizarea acesteia în toate domeniile de vârf ale industriei.

Tehnologia de fabricație MEMS este susținută de o serie de procedee și soluții tehnologice capabile să obțină dispozitive cu dimensiuni de la câțiva microni la câțiva milimetrii și care în general sunt realizate sub forma unor straturi subțiri de material, asemănătoare circuitelor integrate construite pe placate de siliciu. Modelarea acestor structuri se face utilizând diferite procese, ca foto-litografia, gravarea sau depunerea.

Principalele procedee tehnologice de fabricație a MEMS-urilor sunt:

Prelucrarea în volum (Bulk Micromachining)- reprezintă prelucrarea în interiorul materialului, prelucrarea se realizează prin corodarea stratului de bază, în final obținându-se structuri suspendate peste straturile de bază;

Prelucrarea pe suprafață (Surface Micromachining) –reprezinta prelucrarea la nivelul straturilor depuse, care se bazează pe procedee de corodare a acestor straturi, denumite straturi de sacrificiu;

Prelucrarea HARMST (High Aspect Rațio Micromachining Technology)–este o tehnologie care permite crearea unor structuri cu un aspect de nivel ridicat, cu înălțimi între zeci de microni până la 10 milimetrii și raport de aspect mai mare de 10:1; acest tip de prelucrare include o serie de procedee tehnologice și anume:

LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)

Gravarea avansată a siliciului (Advanced Silicon Etch)

Gravarea adâncă cu ioni reactivi- DRIE (Deep Reactive Ion Etching)

Indiferent de tehnologia utilizată, la baza desfășurării unui procedeu de fabricație stau trei faze succesive de operațiuni:

Depunerea filmelor subțiri de material pe suprafața unui support;

Aplicarea unui model, sub forma unei măști pe suprafața frontală a filmelor, prin imagistică foto-litografică;

Gravarea selectivă a filmelor pentru o mască.

Înainte că procedeul de fabricație să fie implementat se realizează că în orice alt procedeu tehnologic un proiect CAD, în care este simulată funcționarea dispozitivului, după fabricație fiind implementat un procedeu laborios de evaluare și testare.

1.4. Microroboți MEMS

1.4.1. Noțiuni introductive

Cel mai mare interes la nivel mondial la ora actuală este dezvoltarea dispozitivelor microrobotice (instrumente de micromanipulare, instrumente de microtransfer și microroboți ca mecanisme de locomoție) și potențialul lor [5].

Singura diferența dintre roboți și microroboți este cea legată de dimensiune, un microrobot se poate defini ca un dispozitiv de mici dimensiuni (între câțiva nanometrii și câțiva milimetrii) capabil să manipuleze obiecte și să dezvolte forțe în spațiul sau de lucru micrometric.

Termenul de microroboți include deasemenea și sisteme transportoare, roboți de locomoție, microgrippere, precum și tehnologiile utilizate la fabricarea acestora.

Dario P. a făcut în 1992 o primă clasificare a microroboților în raport cu dimensiunea și tehnologia de fabricație utilizată, clasificarea fiind continuată de Fatikov S. și Remhold U. în 1997, astfel [5]:

Microroboți: roboți a căror gabarit nu depășește câțiva și au fost realizați prin asamblarea unor componente miniaturizate, precum și utilizarea microprelucrarilor MEMS;

MEMS pe bază de microroboți: au configurația unor cipuri obținute prin tehnologia MEMS a siliciului (microprelucrari în volum, pe suprafață sau prin matrițare);

Nanoroboti: roboți care operează la o scară similară celulelor biologice (de ordinul sutelor de nm), fabricați prin metode neconvenționale cum ar fi ingineria proteinelor.

În vederea proiectării unui microrobot MEMS trebuie să se aibă în vedere următoarele aspecte: domeniul de mișcare, de viteză, de rezistență, forța de generare și capacitatea de încărcare, fiabilitatea sistemului și precizia controlului.

1.4.2. Microgrippere și alte microscule.

Primele dispozitive microrobotice au la bază acționarea electrostatică în plan, microgripperele au fost dezvoltate având două brațe subțiri de prindere (film de poli-Si realizat prin depunere). În figura 1.1 este prezentat un astfel de microgripper.

Fig. 1.1: Microgripper cu două brațe subțiri de prindere [18]

Un microgripper bazat pe structuri cvasi-3-D ce utilizează tehnici de fabricație cu raport ridicat de aspect este prezentat în figura 1.2. Aceste tipuri de grippere denumite și supra-unelte suspendate, au fost prima dată realizate la Universitatea Berkeley din California, prin procedee de gravare departe de substrat. Aceste microdispozitive s-au obținut prin tehnica de matrițare prin repliere de tip HEXSIL (tehnologie de fabricație MEMS de tip fagure de miere hexagonal din poli-Si). Matrița se formează prin gravare adâncă în substratul de siliciu după care se depune un strat superficial de oxid pe matrița din Si, care apoi este umplut cu poli-Si depozitat. Procedeul se finalizează cu îndepărtarea structurii de poli-Si de pe matriță prin gravarea oxidului de sacrificiu.

Acționarea degetelor se face prin aplicarea unui curent asupra grinzilor laterale; acesta va produce o încălzire rezistivă care se va transmite prin elementele de legătură pentru a deschide vârfurile degetelor; la răcire va apărea o contracție a elementului termic, având ca rezultat închiderea degetelor.

Fig. 1.2: Microgripper bazat pe structuri cvasi-3-D [11]

1.4.3. Microtransportoare

Microtransportoarele se pot clasifica în două grupe mari și anume în sisteme de contact (dacă acestea sunt în contact cu obiectul în mișcare) și în sisteme de contact liber (fără contact), precum și sincrone sau asincrone, în funcție de tipul de conducere al actuatorilor.

Sistemele de contact liber sunt realizate prin folosirea forțelor de tip pneumatic, electrostatic sau electromagnetic pentru a crea o pernă pe care acestea se pot ridica prin levitație magnetică. Această levitație se obține prin folosirea unor magneți permanenți, electromagneți sau corpuri dimagnetice (superconductoare). Cel mai mare avantaj al acestor sisteme este frecarea scăzută, iar cel mai mare dezavantaj este sensibilitatea sistemului la grosimea pernei (aceasta este foarte greu de controlat).

Sistemele care prezintă actuatori în contact cu obiectele în mișcare se obțin pe bază de rețele de picioare mișcătoare înălțate de pe suprafața microplacuțelor de siliciu [8].

1.4.4. Microroboți pășitori

Microroboții pășitori se bazează pe diverse principii pentru a putea efectua mișcarea pe o traiectorie, cum ar fi: principiul de mișcare ciliar, mimica mersului de insectă cu șase picioare (similar mersului de crab), mimica unui vierme sau a unei omide.

Frecarea fiind o restricție pentru microroboți în majoritatea cazurilor datorită valorilor mici, se impune găsirea unor soluții care să avantajeze acest efect (roboții cu mișcare de mimică a viermelui) decât să se încerce evitarea acesteia. Un proiect mare European numit MINIMAN a dezvoltat diferite tipuri de microroboți, după anul 2000 dezvoltându-se microroboți cu 5 grade de mobilitate. Un astfel de prototip este prezentat în figura 1.3. Robotul este realizat din două unități de stator piezoelectric care sunt puse împreună una în spatele celeilalte. O unitate stator este alcătuită din șase picioare individual controlate. Mecanismul mecanic de mers pe jos cu piezoactuatori din multistrat solid este conceput pentru a asigura microrobotului o manipulare cu viteză, forță și precizie relativ mari. Viitoarele prototipuri de microroboți vor include cel mai probabil integrarea driverelor de putere cu circuite de control și lipirea unității pe un circuit imprimat flexibil de conectare a actuatorului în unitatea statorului.

Fig 1.3. Robot pășitor dezvoltat în cadrul proiectului MINIMAN [19].

Capitolul 2

PROIECTAREA SI MODELAREA UNUI MICROREDUCTOR ADAPTABIL MICROMOTORULUI 120-002 PRODUS DE FIRMA PRECISION MICRODRIVES

2.1. Generalități

Un factor deosebit de important pentru valorificarea pe scară largă a angrenajelor a fost elaborarea geometriei bazată pe utilizarea unor curbe diferite la descrierea profilului dinților. Un rol essential în geometria angrenajelor l-a avut cicloida, utilizată pentru prima dată de Galileo Galilei. Fizicianul olandez Huygens a formulat procedeul de generare a cicloidei și a introdus noțiunea de evolventă (1673). Fondatorii geometriei evolventice a danturii angrenajelor au fost Phillipe de la Hire (1640-1768), Camus (1690-1768) și Leonhard Euler (1707-1788) [3].

Cercetările inventatorilor din sec. XX au condus la inventarea unor noi tipuri de transmisii mecanice cinematice. Un tip de transmisie mecanică cinematică originală este transmisia armonică. Pentru prima oară, principiul de funcționare al transmisiei armonice a fost brevetat în anul 1959 de către inginerul american W. Musser. Astfel, în 1961 a fost produsă pentru prima oară la scară industrială, transmisia armonică [3].

Transmisiile armonice sunt compacte, au capacitate portantă ridicată, asigură precizie cinematică înaltă și posibilitatea transmiterii mișcării în medii etanșate acesta fiind și unul dintre avantajele de bază ale transmisiilor armonice. Drept dezavantaje ale acestora pot fi evidențiate: fiabilitatea redusă a elementului flexibil (și, deci, a transmisiei în general), capacitatea redusă de funcționare la viteze mari, iar ca dezavantaj sunt unele dificultăți tehnologice.

Potențialul gândirii umane este totuși, nelimitat. Sunt așteptate noi tipuri de transmisii mecanice. În ultimul timp se observă tendința minimizării dimensiunilor transmisiilor mecanice. Apariția noilor domenii interdisciplinare, cum ar fi medicina, microrobotica, aeronautică, tehnologiile spațiale, favorizează dezvoltarea acestor transmisii cu dimensiuni mini- micro- și nano.

Miniaturizarea sistemelor mecanice este o provocare în plan ingineresc. Miniaturizarea continuă a sistemelor mecanice necesită transmisii mecanice de dimensiuni tot mai mici. Microtransmisiile au dimensiuni diametrale și liniare de primul ordin, adică sub 10 mm. Gama de dimensiuni este foarte largă: de la câțiva milimetri până la câțiva micrometri. În cazul rapoartelor de transmitere mari, au căpătat o utilizare largă transmisiile planetare și armonice, precum și transmisiile hibride.

În acest sens se evidențiază următoarele particularități ale microtransmisiilor mecanice cinematice:

– Dispozitivele miniaturizate sunt, în particular, potrivite pentru aplicații în special în robotică și industria aerospațiala datorită masei și dimensiunilor mici;

– Sistemele mici au stabilitate dimensională înaltă la acțiunea din exterior a temperaturilor înalte datorită expansiunii termice joase;

– Dimensiunile mici ale sistemelor înseamnă cerințe reduse de spațiu, fapt ce permite asamblarea mai multor componente funcționale într-un spațiu limitat;

– Consumul redus de material asigură costuri mici de producție și transportare;

– Asigură producerea prin metode înalt productive (turnare din mase plastice și presare cu sinterizare din pulberi metalice);

– Gamă largă de rapoarte de transmitere cu asigurarea reducerii mișcării de rotație;

– Simplitate constructivă, avantaj ce asigură reducerea esențială a prețului de cost, în special, în cazul realizării unor rapoarte de transmitere mari;

– Fiabilitate înaltă datorită numărului redus de elemente component și lipsa elementelor flexibile;

– Masă redusă fapt ce asigură stabilitate inerțională înaltă la viteze și accelerații înalte ale componentelor mobile;

– Amplasarea coaxială a arborilor conducător și condus asigură posibilitatea executării lor cu cavități – avantaj care poate fi utilizat în construcții special cum ar fi „alimentarea” cu aer sau vidare, pentru a permite trecerea razelor RX, laser, fluxului de electroni sau ca un culoar pentru conductoare de fibră optică [3].

2.1.1. Microtransmisii ordinare

În multe cazuri, în mecanica fină se utilizează trenuri formate din roți dințate cilindrice (figura 2.1.). Avantajele acestor transmisii sunt: simplitatea tehnologică de fabricare a roților dințate, randament relativ mare (η = 0,96…0,99) și o capacitate portantă relativ mare. Dezavantajele transmisiilor ordinare utilizate ca și microtransmisii cinematice, unde este necesar un raport de transmitere mare, sunt numărul mare de trepte și de elemente de angrenare, ceea ce duce la mărirea gabaritelor transmisiei și la creșterea prețului de cost.În figura 2.1 este prezentată o microtransmisie cu roți dințate în mai multe trepte.

Fig. 2.1: Microtransmisie cu trenuri de roți dințate [4]

În ultimul timp transmisiile ordinare se înlocuiesc cu transmisii cinematice planetare cu roți dințate cilindrice, care posedă parametrii funcționali mai ridicați.

2.1.2. Microtransmisii planetare cu roți dințate cilindrice

În marea diversitate a transmisiilor mecanice, transmisiile planetare ocupă un loc fruntaș, datorită faptului că posedă o serie de avantaje majore față de celelalte tipuri de transmisii: coaxialitate, compactitate, masă redusă, precizie cinematică ridicată, posibilitatea obținerii unor rapoarte de transmitere mari, funcționare silențioasă etc. Transmisiile planetare în ultimele decenii s-au răspândit pe larg în diferite domenii ale construcției de mașini. Transmisiile planetare cinematice (figura 2.2.) sunt mai ușoare în comparație cu transmisiile ordinare ocupând și un spațiu mai mic, de aceea se utilizează în cazurile în care problema maselor și a gabaritelor este esențială.

Microtransmisiile planetare se întâlnesc foarte des în construcția de avioane, în tehnica de transport, roboți și în construcția de mașini-unelte.

Fig. 2.2: Micro-reductor planetar adaptat unui micro-motor de curent continuu [13]

Asigurând rapoarte de transmitere relativ mari, transmisiile planetare au o utilizare deosebit de largă în diferite microsisteme. Piața este inundată de microreductoare produse de diverse firme (cele mai cunoscute sunt: Micromotion GmbH, Faulhaber, Germania; Universal Motor Mount etc.), care acoperă gama de dimensiuni de la câțiva milimetri până la câteva sute de micrometri.

În figura 2.3. este prezentat un exemplu de design al unui micromotoreductor planetar cu diametrul de 6 mm, produs de Firma Universal Motor Mount. Motoreductorul este completat cu un motor cu 10000 rot/min (la 3V). Arborele de ieșire este executat din plastic armat cu fibră de sticlă. Sunt asigurate patru rapoarte de transmitere în aceeași dimensiune diametrală: i= (1:5.14; 1:26.45; 1:136.02; 1:699.55).

Fig. 2.3: Micromotoreductor planetar [15]

2.1.3. Microtransmisii armonice.

Creativitatea inventatorilor a fost încununata de elaborarea unui nou tip de transmisie, transmisia armonică. Pentru prima dată principiul de funcționare al transmisiei armonice cu angrenare a fost brevetat în anul 1959 de către inginerul american W. Musser. Începând cu acest an, el a brevetat un număr mare de scheme constructive pentru transmisii armonice și principiile de urmat în contructia acesteia [3]. Transmisia armonică include doar 3 componente de bază într-o treaptă: o roată rigidă, dinții căreia angrenează cu dinții unei roți flexibile, deformate de un generator de unde (figura 2.4.).

Fig. 2.4: Transmisie armonică [14]

Datorită cinematicii complexe, interacțiunea dintre ele asigură un raport de transmitere considerabil: de la 50-350 (într-o singură treaptă) până la 100.000 (în două trepte). În funcție de construcția generatorului de unde, se disting trei tipuri de bază:

generator-camă;

generator cu 2, 3 și mai rar 4 role de deformare.

Principiul de funcționare a transmisiei armonice diferă de cele clasice prin deformarea continuua a roții flexibile. Generatorul de unde deformează roata flexibilă, asigurând intrarea dinților ei în angrenare cu dinții roții rigide, formând 1, 2, 3 sau 4 zone de angrenare (în funcție de tipul generatorului de unde). Datorită faptului că numărul de dinți ai roții flexibile este mai mic decât al celei rigide (cu 1 dinte în cazul generatorului cu o undă; cu 2 în cazul generatorului cu 2 unde, cu 3 în cazul generatorului cu trei unde), la o rotație completă a generatorului de unde roata flexibilă se rotește în sens invers cu un unghi egal cu 1, 2, 3 pași unghiulari, în funcție de tipul generatorului.

Un exemplu de transmisiie armonică cu generator de unde sub forma unei transmisii planetare este prezentat în figura 2.5.

Fig. 2.5: Transmisie armonică cu generator de unde planetar [15]

Roata flexibilă angrenează din ambele părți: din interior cu dinții sateliților, iar din exterior – cu dinții roții rigide. Această mișcare a generatorului de unde comferă moment de inerție redus și prin urmare, asigură o poziționare foarte dinamică. Prin utilizarea unei transmisii planetare în calitate de generator de unde este posibilă majorarea raportului de transmitere total al transmisiei armonice într-o gamă largă. Pot fi realizate rapoarte de transmitere de la 160 până la 1000 într-o singură treaptă.

Transmisiile armonice posedă următoarele avantaje:

particularitățile constructive exclud jocul din angrenaj;

numărul mare de dinți aflați continuu în angrenare asigură capacitate portantă ridicată.

Dezavantajele de bază sunt:

durată mică de funcționare (până la 5000 ore) și

limitarea turației motorului (până la 6000 rot/min).

Microtransmisiile armonice realizează o combinație unică de precizie, capacitate portantă, densitate de putere și compactitate. Firma Micro Harmonic Drive, SUA, în colaborare cu Harmonic Drive AG din Limburg, Germania, au dezvoltat microreductoare armonice foarte compacte. Firma Micromotion a dezvoltat o serie de microreductoare hibride „armonicplanetare” cu:

generator de unde cu 3 sateliți (figura 2.6.), care asigură un raport de transmitere i=120 cu diametrele carcasei de 6, 8 și 10 mm [15].

Fig. 2.6: Microreductor armonic planetar cu generator de unde cu 3 sateliți produs de firma Micromotion [15]

generator cu 2 sateliți, care asigură rapoarte de transmitere i=(160; 500 și 1000) cu diametrele carcasei de 6, 8 și 10 mm (figura 2.7.).

Fig.2.7: Cele 3 modele de microreductoare cu generator cu 2 sateliți produse de firma Micromotion [15]

Microtransmisiile armonice pot fi combinate cu micromotoare disponibile AC sau DC (Arsape, ESCAP, Faulhaber, Maxon, Mymotors, Myonics, Phytron), sau cu motoare disc. Îmbinarea transmisiei armonice cu motorul-disc asigură obținerea unor dimensiuni axiale foarte mici (la diametrul de 10 mm grosimea este de 1 mm) [3].

2.2. Domenii de utilizare a microtransmisiilor mecanice

În marea majoritate a cazurilor acționările mini- și microsistemelor se fac prin motoare electrice și transmisii mecanice. Datorită dezvoltării micromotoarelor electrice folosite ca elemente de acționare a microsistemelor cu dimensiuni din ce în ce mai mici, dezvoltarea unor reductoare adaptabile acestora a devenit o necesitate. Posedând posibilități cinematice largi realizate în construcții simple și gabarite reduse, precizie cinematică înaltă, microtransmisiile se pot găsi în aplicații vaste în diverse domenii ale tehnicii: automobile, aparate cosmice, aeronautică, roboți, mecanică fină, mașini de măsurat, echipament medical, optică, biotehnologii comunicații cu fibre optice, fabricarea semiconductorilor, tehnologii laser ș.a. Extinderea ariei de utilizare a reductoarelor de dimensiuni mici în micro sau nanosisteme este limitată de posibilitățile tehnologiilor existente de fabricare a danturilor angrenajelor cu particularități constructive.

Roboții sunt din ce în ce mai mult considerați „oamenii” harnici, neobosiți și ascultători ai viitorului. Roboții înlocuiesc deja diverse operații cu impact nociv asupra stării sănătății și psihologice a omului în industria construcției de mașini și de mecanică fină, industria chimică etc.: operații de asamblare, de sudare, de vopsire, de transport a pieselor etc.

Roboții viitorului necesită dezvoltarea unor mecanisme de acționare noi, cu dimensiuni mici, ușor de construit și cu fiabilitate ridicată. Aceste mecanisme sunt produși micromecanici și anume: motoare, pompe, valve, relee, clești, întrerupătoare ș.a.

Mini- și microroboții sunt sisteme foarte complexe, care folosesc diferite tipuri de mini- și micro mecanisme de acționare. Deși mâna omului este un instrument flexibil și posedă o dexteritate aproape neîntrecută, ea posedă arii limitate atunci când lucrează în lumea micro. De exemplu, manipularea celulelor biologice și asamblarea microsistemelor, în lipsa ajutoarelor potrivite, creează probleme mari.

Microroboții au un rol important pentru diversele aplicații din microsisteme. Există diverse aplicații ale microroboticii si anume:

tehnologiile medicale

tehnologiile mediului înconjurător

ingineria automatizării

microasamblarea

ingineria de fabricație

metrologia

bioingineria.

Micropompele și microvalvele folosite pentru tratarea la nivel microscopic pot fi folosite în medicină, unde sunt necesare sisteme implantate, de mare acuratețe, pentru dozarea medicamentelor, sau pentru analiza chimică și biotehnologică, unde este necesar ca volume exacte de lichid trebuiesc transportate și analizate. Astfel de aplicații vor revoluționa tehnologiile clasice și sunt foarte importante pentru industrializarea tehnologiilor microsistemelor [3].

Microtransmisiile mecanice pot găsi utilizări largi în cadrul mecanismelor de acționare ale roboților. Astfel, soluțiile constructive pot fi: mecanisme de acționare pentru diverse articulații ale robotului, mecanisme de acționare ale dispozitivelor de prehensiune.

Cerințele caracteristice impuse de domeniul robotehnicii și realizate de microtransmisiile mecanice sunt:

precizie cinematică înaltă (10…50 sec. ungh.)

fiabilitate și ciclu de viață sporite

rigiditate torsională înaltă și lipsa luftului

momente de inerție reduse

autofrânare (transmiterea mișcării și sarcinii într-o singură direcție)

compatibilitate cu mecanismele de acționare și cu locașul de instalare în robot.

2.3. Calculul de proiectare al microreductorului

Ca și aplicație a celor prezentate până acum se va proiecta un microreductor care va funcționa în următoarele condiții:

adaptabil motorului de curent continuu 120-002 produs de firma Precision Microdrives (figura 2.8.)

subansamblu component al unui robot mobil cu 4 roți, asigurând tracțiunea integrală pe fiecare roată

puterea: 310 mW

turația: 3600 rot/min

raportul total de transmitere: 12

treapta 1: angrenaj cilindric cu dantură dreaptă, raportul de transmitere 1:2

treapta 2: angrenaj cilindric cu dantură dreaptă, raportul de transmitere 1:2

treapta 3: angrenaj cilindric cu dantură dreaptă, raportul de transmitere 1:3

Fig. 2.8: Motorul de curent continuu 120-002 [13]

2.3.1. Caracteristicile motorului electric

Caracteristici principale:

diametrul corpului: 20.4 (+/- 0.2) mm

lungimea corpului: 25.1 (+/- 0.2) mm

orientarea axului: în linie

tensiunea nominală: 1.5 V

cuplul nominal: 0.5 mNm

turația nominală: 3600 rot/min

puterea maximă la ieșire: 310 mW

greutate: 22.4 g

lungimea axului: 7 mm

Caracteristicile funcționale ale motorului sunt prezentate în figura 2.9.

Fig.2.9: Caracteristicile funcționale ale motorului 120-002 [13]

Desenul de ansamblu al motorului este reprezentat in figura 2.10.

Fig.2.10: Desenul de ansamblu al motorului 120-002 [13].

2.3.2. Calculul turațiilor arborilor

– Turația arborelui de intrare este 3600 rot/min;

– Turația arborelui de intrare în treapta a doua:

(2.1)

In care:

este raportul de transmitere al primei trepte a reductorului;

este turația axului motorului în rot/min.

-turația arborelui de intrare in treapta a treia:

(2.2)

În care:

este raportul de transmitere al treptei a doua a reductorului;

este turația arborelui de intrare în treapta a doua în rot/min.

-turația arborelui de iesire:

(2.3)

În care:

este raportul de transmitere a treptei a treia a reductorului;

este turația arborelui de intrare în treapta a treia.

2.3.3. Calculul puterilor in arbori.

Puterea în arborele de intrare ,:

(2.4)

În care:

este randamentul angrenajului cilindric cu dantură dreaptă;

este randamentul în lagăre;

P este puterea micromotorului electric în mW.

Puterea în arborele de intrare în treapta a doua,:

(2.5)

În care:

este randamentul angrenajului cilindric cu dantură dreaptă;

este randamentul în lagăre;

este puterea arborelui de intrare în prima treapta în mW.

Puterea în arborele de intrare în treapta a treia,:

(2.6)

În care:

este randamentul angrenajului cilindric cu dantură dreaptă;

este randamentul în lagăre;

este puterea arborelui de intrare în treapta a doua în mW.

Puterea in arborele de iesire,:

(2.7)

În care:

este randamentul angrenajului cilindric cu dantură dreaptă;

este randamentul în lagăre;

este puterea arborelui de intrare în treapta a treia în mW.

2.3.4. Calculul momentelor de torsiune din arbori

Momentul de torsiune în arborele de intrare,:

(2.8)

În care:

este puterea arborelui de intrare în mW;

este turația arborelui de intrare în rot/min.

Momentul de torsiune în arborele de intrare în treapta a doua,:

(2.9)

În care:

este puterea arborelui de intrare în treapta a doua în mW;

este turația arborelui de intrare în treapta a doua în rot/min.

Momentul de torsiune în arborele de intrare în treapta a treia,:

(2.10)

În care:

este puterea arborelui de intrare în treapta a treia în mW;

este turația arborelui de intrare în treapta a treia în rot/min.

Momentul de torsiune in arborele de iesire,:

(2.11)

În care:

este puterea arborelui de iesire în mW;

este turația arborelui de iesire în rot/min.

2.3.5. Calculul treptei I

Date de bază:

raportul de transmitere în treapta a doua;

unghiul de angrenare de rostogolire:

coeficientul de lățime al danturii: se adoptă 0,6 pt reductoare obișnuite;

modulul roților dințate: m=0,2 [9].

Pe baza formulei raportului de transmitere se alege numărul de dinți al celor două roți dințate astfel:

(2.12)

În care:

este raportul de transmitere al primei trepte;

este numărul de dinți al roții conduse;

este numărul de dinți al pinionului.

Distanța dintre axele de divizare ,:

(2.13)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este numărul de dinți al pinionului;

este numărul de dinți al roții conduse;

Lățimea roților dințate,:

(2.14)

În care:

este coeficientul de lațime al danturii;

este distanța dintre axele de divizare în mm.

2.3.6. Geometria angrenajului din treapta I

Profilul de referintă:

[9]

În care:

este unghiul de presiune de referintă;

este coeficientul normal al capului dintelui;

este coeficientul normal al jocului de referintă la capul dintelui;

este coeficientul de deplasare al profilului.

Modulul danturii: m=0.2 mm;

Numărul de dinți:

Distanța dintre axele de referintă:

Unghiul de angrenare de rostogolire:

Distanța dintre axele de rostogolire:

Elementele danturii:

Înălțimea capului dintelui,:

(2.15)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este coeficientul normal al capului dintelui;

este coeficientul de deplasare al profilului;

Înălțimea piciorului dintelui,:

(2.16)

În care :

m este modulul roților dințate în mm;

este coeficientul normal al capului dintelui;

este coeficientul normal al jocului de referintă la capul dintelui;

este coeficientul de deplasare al profilului.

Înălțimea dintelui,:

(2.17)

În care:

este înălțimea capului dintelui în mm;

este înălțimea piciorului dintelui în mm.

Grosimea dintelui pe cercul de divizare,:

(2.18)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este coeficientul de deplasare al profilului;

este unghiul de presiune de referintă în grade.

Elementele geometrice ale roților dințate:

Diametrele cercurilor de divizare,:

(2.19)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este numărul de dinți al pinionului.

(2.20)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este numărul de dinți al roții conduse.

Diametrele cercurilor de cap,:

(2.21)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

este inălțimea capului dintelui în mm.

(2.22)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

este inălțimea capului dintelui în mm.

Diametrele cercurilor de picior,:

(2.23)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

este inălțimea piciorului dintelui în mm.

(2.24)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

este inălțimea piciorului dintelui în mm.

Diametrele cercurilor de bază,:

(2.25)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

este unghiul de presiune în grade.

(2.26)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

este unghiul de presiune în grade.

Diametrele cercurilor de rostogolire,:

(2.27)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

(2.28)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

2.3.7. Calculul treptei a II-a și geometria acesteia

Datorită faptului că în această treaptă, raportul de transmitere este similar cu cel din prima treaptă se va folosi același angrenaj, astfel nefiind necesare calcule suplimentare.

Astfel geometria angrenajului este următoarea:

Modulul danturii: m= 0.2 mm

Numărul de dinți:

Distanța dintre axele de referintă:

Unghiul de angrenare de rostogolire:

Distanța dintre axele de rostogolire:

Lătimea roților dințate:

2.3.8. Calculul treptei a III-a

Date de bază:

raportul de transmitere în treapta a treia;

unghiul de angrenare de rostogolire:;

coeficientul de lățime al danturii: se adoptă 0,6 pt reductoare obisnuite;

modulul roților dințate: m=0,2 [9].

Pe baza formulei raportului de transmitere se alege numărul de dinți al celor două roți dințate astfel:

(2.29)

În care:

este raportul de transmitere al treptei a treia;

este numărul de dinți al roții conduse;

este numărul de dinți al pinionului.

Distanța dintre axele de divizare ,:

(2.30)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este numărul de dinți al pinionului;

este numărul de dinți al roții conduse;

Lățimea roților dințate,:

(2.31)

În care:

este coeficientul de lățime al danturii;

este distanța dintre axele de divizare în mm.

2.3.9. Geometria angrenajului din treapta a III-a

Profilul de referintă:

[3].

In care:

este unghiul de presiune de referintă;

este coeficientul normal al capului dintelui;

este coeficientul normal al jocului de referintă la capul dintelui;

este coeficientul de deplasare al profilului.

Modulul danturii: m= 0,2 mm;

Numărul de dinți:

Distanța dintre axele de referintă:

Unghiul de angrenare de rostogolire:

Distanța dintre axele de rostogolire:

Elementele danturii:

Înălțimea capului dintelui,:

(2.32)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este coeficientul normal al capului dintelui;

este coeficientul de deplasare al profilului;

Înălțimea piciorului dintelui,:

(2.33)

În care :

m este modulul roților dințate în mm;

este coeficientul normal al capului dintelui;

este coeficientul normal al jocului de referintă la capul dintelui;

este coeficientul de deplasare al profilului;

Înălțimea dintelui,:

(2.34)

În care:

este inălțimea capului dintelui în mm;

este inălțimea piciorului dintelui în mm.

Grosimea dintelui pe cercul de divizare,:

(2.35)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este coeficientul de deplasare al profilului;

este unghiul de presiune de referintă în grade.

Elementele geometrice ale roților dințate:

Diametrele cercurilor de divizare,:

(2.36)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este numarul de dinți ai pinionului.

(2.37)

În care:

m este modulul roților dințate în mm;

este numărul de dinți al roții conduse.

Diametrele cercurilor de cap,:

(2.38)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

este inălțimea capului dintelui în mm.

(2.39)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

este inălțimea capului dintelui în mm.

Diametrele cercurilor de picior,:

(2.40)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

este inălțimea piciorului dintelui în mm.

(2.41)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

este inălțimea piciorului dintelui în mm.

Diametrele cercurilor de bază,:

(2.42)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

este unghiul de presiune în grade.

(2.43)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

este unghiul de presiune în grade.

Diametrele cercurilor de rostogolire,:

(2.44)

În care:

este diametrul de divizare al pinionului în mm;

(2.45)

În care:

este diametrul de divizare al roții conduse în mm;

2.4. Modelarea tridimensională a microreductorului proiectat

Pentru modelarea microreductorului proiectat se va folosi soft-ul CAD SolidWorks versiunea 2013-64 biți dezvoltat de firma franceză Dassault Systemes. O vedere de ansamblu a microreductorului la finalul procesului de modelare este prezentată în figura 2.11. Desenul de ansamblu al micromotoreductorului este prezentat în Anexa 1.

Fig. 2.11: Vedere de ansamblu a microreductorului.

În figura 2.12. este prezentat arborele de iesire al micromotoreductorului; în figura 2.13. este prezentat pinionul angrenajului din prima și a doua treaptă a micromotoreductorului. Desenul de execuție al acestuia este prezentat în Anexa 3.

Fig. 2.12: Arbore de iesire.

Fig. 2.13: Pinionul primei trepte, respective treptei a doua.

În figura 2.14. este prezentată reprezentarea tridimensională al pinionului din treapta a treia. Desenul de execuție al acestuia este prezentat în Anexa 4. În figura 2.15. este prezentată reprezentarea roții conduse din primele două trepte ale micromotoreductorului, în Anexa 5 fiindu-i prezentat și desenul de execuție.

Fig. 2.14: Pinionul treptei a treia.

Fig.2.15: Roata condusa din prima treapta, respective treapta a doua.

În figura 2.16. este prezentată reprezentarea tridimensională a roții conduse din treaptă a treia, iar în figura 2.17 schița care stă la baza generării profilului evolventic în mediul de lucru CAD Solidworks.În Anexa 6 este prezentat desenul de execuție al roții conduse din treaptă a treia.

Fig. 2.16: Roata condusa din treapta a treia.

Fig.2.17: Schița profilului evolventic al dintilor.

2.5. Aplicații ale micromotoreductoarelor în Robotică

Microreductorul proiectat și descris anterior poate fi întrebuințat în diverse aplicații în domeniul roboticii, printre care:

Utilizarea micromotoreductorului ca element de acționare al roboților mobili.

Probabil domeniul în care micromotoreductoarele de curent continuu sunt cel mai des întâlnite este în construcția roboților mobili, care se deplasează fie cu ajutorul roților, fie cu ajutorul șenilelor. În figura 2.18. este prezentat un robot mobil ghidat pe roți, iar în figura 2.19. un robot mobil ghidat pe șenile. Ambele tipuri de roboți au la bază transmiterea mișcării prin intermediul micromotoreductoarelor de curent continuu.

Fig. 2.18: Robot mobil ghidat pe roti [17].

Fig. 2.19: Robot mobil ghidat pe senile [16].

Utilizarea micromotoreductorului în construcția cuplelor roboților manipulatori de mici dimensiuni.

În figura 2.20. este prezentat un robot mobil manipulator la care acționarea cuplelor cinematice se face printr-un micromotoreductor și o transmisie prin curele dințate.

Fig .2.20: Robot mobil cu aplicatii in manipulare [19].

Capitolul 3

TEHNOLOGIA DE FABRICAȚIE A ROȚILOR DINȚATE ALE MICROREDUCTORULUI PRIN INTERMEDIUL TEHNOLOGIILOR MEMS

3.1. Metode de fabricație MEMS. Descriere generală

Metodele de fabricație MEMS se încadrează în 3 clasificări generale: microprelucrarea in volum, microprelucrarea suprafeței și microprelucrarea de raport cu aspect înalt (HARM), ce include tehnologii precum LIGA (un acronim german de la Lithographie, Galvanoformung, Abformung tradus că litografie, electroformare și turnare).

Tehniciile convenționale de fabricare la macroscară de exemplu turnarea prin injecție, curbarea, forajul etc. sunt bune la producerea obiectelor și formelor tridimensionale, dar pot fi limitate în termeni de complexitate redusă pentru aplicații de dimensiuni mici. Prin comparație, fabricarea MEMS utilizează volum mare în stilul circuitelor integrate, care implică adunarea sau scăderea a două straturi dimensionale pe un substrat (de obicei siliciu) bazat pe fotolitografie și gravură chimică. Ca rezultat, aspectul 3D al dispozitivelor MEMS este datorat structurării și interacțiunii straturilor 2D. Straturile adiționale pot fi adăugate folosind o varietate de straturi subțiri și tehnici de lipire, precum și prin gravare prin „straturi de distanțare” (de sacrificiu).

Figura 3.1. prezintă nivelul de complexitate a sistemului MEMS prin adăugarea unor straturi independente [11].

Fig. 3.1: Complexitatea sistemelor MEMS [11].

În continuare se vor prezentat principalele tipuri de tehnologii MEMS.

Fotolitografia

Fotolitografia este tehnica fotografică pentru transferarea copiilor unui model de master, de obicei un aspect de circuit în aplicații de circuite integrate, pe suprafața unui substrat dintr-un material (de obicei o anafură de siliciu). Substratul este acoperit cu un strat subțire dintr-un material, de obicei dioxid de siliciu (SiO2), în cazul anafurilor de siliciu, pe care un model de găuri va fi format (Figura 3.2.).

Fig. 3.2: Procesul de fotolitografie [1].

Un strat subțire dintr-un polimer organic, care este sensibil la radiație ultravioletă, este apoi depozitat pe stratul de oxid; acesta este numit fotorezist. O fotomască, constând dintr-o placă de sticlă (tranparentă) acoperită cu un model de crom (opac) este apoi pusă în contact cu o suprafață acoperită cu fotorezist. Anafura este expusă radiației ultravioletelor transferând modelul de pe mască fotorezistului care este apoi developat într-un mod foarte similar procesului utilizat pentru developarea filmelor fotografice. Radiația cauzează o reacție chimică pe suprafețele expuse ale fotorezistului, rezultând două tipuri de fotorezist, unul pozitiv și unul negativ. Fotorezistul pozitiv este întărit de radiația UV în timp ce fotorezisturile negative sunt slăbite. La developare, soluția de clătire înlătură fie zonele expuse sau cele neexpuse ale fotorezistului lăsând un model gol și un fotorezist acoperit cu oxid pe suprafața anafurii. Modelul fotorezistului rezultat este fie imaginea pozitivă sau negativă a modelului original al fotomăștii. O chimicală (de obicei acid hidrocloric) este folosit pentru atacarea și înlăturarea oxidului neacoperit de pe zonele expuse ale fotorezistului. Fotorezistul rămas este ulterior îndepărtat de obicei cu acid sulfuric cald ce atacă fotorezistul dar nu și stratul de oxid de pe siliciu lăsând un model de oxid pe suprafața de siliciu. Modelul final de oxid este fie o copie pozitivă sau negativă a modelului fotomăștii și servește ca o mască în etapele ulterioare de prelucrare.

În acest moment, MEMS diferă de fabricațiile tradiționale ale circuitelor integrate. În dispozitivele de procesare ale acestora, modelul de oxid servește ca o mască în timpul “dopării” anafurii cu impurități (cum ar fi bor sau fosfor) care modifică conducerea locală necesară pentru dispozitive microelectronice. În MEMS, oxidul servește ca o mască ulterioară fie pentru viitoarea gravură chimică adițională ce crează gropi 3D mai profunde sau noi straturi pe care să se construiască straturi suplimentare, rezultând un dispozitiv sau o structură 3D globală.

Microprelucrarea în volum

Microprelucrarea în volum implică îndepărtarea unei părți a substratului de volum. Este un procedeu substractiv care utilizează gravarea anizotropică umedă sau un procedeu de gravare uscată, cum ar fi gravarea ion-reactivă (RIE) pentru a crea gropi mari, șanțuri și canale. Materialele utilizate de obicei pentru gravura umedă includ siliciu și cuarț, în timp ce gravura uscată este de obicei utilizată cu siliciu, metale, materiale plastice și ceramică.

Principalele tehnici de microprelucrare în volum sunt:

Gravarea umedă.

Gravarea umedă descrie îndepărtarea materialului prin imersia unui material (de obicei unei anafuri de siliciu) într-o baie de lichid a unui produs chimic caustic. Acești agenți de decapare pot fi izotropici sau neizotropici.

Agenții izotropici gravează materialul la aceeași rată în toate direcțiile și prin urmare, elimină materialul sub măștile de gravare, la aceeași rată cu care gravează prin material; Acest proces este cunoscut ca subcotare. Cea mai comună formă a gravării siliciului izotropic este HNA, care cuprinde un amestec de acid fluorhidric (FH), acid azotic (HNO3) și acid acetic (CH3COOH). Agenții izotropici sunt limitați de geometria structurii ce urmează a fi gravată. Ratele de gravare pot încetini și în unele cazuri (de exemplu, în canalele adânci și înguste) pot opri din cauza difuziei factorilor de limitare. Totuși, acest efect poate fi minimizat prin agitarea agentului de decapare, rezultând structuri cu suprafețe aproape perfecte și rotunjite (Figura 3.3.) [22].

Fig. 3.3: Gravarea umedă, stânga prin agitare, dreapta fără agitare [11].

Agenții neizotropici gravează mai rapid într-o zonă preferată. Hidroxidul de potasiu (KOH) este cel mai comun agent de decapare neizotropic deoarece este sigur de utilizat. Structurile formate în substrat sunt dependente de orientarea cristalului de substrat sau de anafură.. Anafurile de siliciu, tăiate dintr-o mare bară de siliciu crescută dintr-o sămânță de siliciu, sunt tăiate conform planului cristalografic. Ele pot fi furnizate în ceea ce privește orientarea planului de suprafață. Nivelurile dopante în cadrul substratului pot afecta rata de gravare prin KOH, și dacă nivelurile sunt destul de înalte, o pot opri în mod direct. Borul este un asemenea dopant și este implantat în siliciu printr-un orificiu de difuzie. Acesta poate fi utilizat pentru a grava regiuni în siliciu lăsând zonele dopante neafectate.

Gravarea uscată.

Gravarea uscată se bazează pe vapori sau pe metode de gravare bazate pe plasmă folosind adecvat gaze reactive sau vapori de obicei la temperaturi ridicate. Cea mai comună formă a MEMS-urilor este gravarea ion-reactivă (RIE) ce utilizează energie suplimentară sub formă de radiofrecvență (FR) de energie pentru a conduce reacția chimică. Ionii energetici sunt accelerați spre materialul care urmează a fi gravat într-o fază de plasmă furnizând energia suplimentară necesară reacției; ca rezultat gravarea poate avea loc la temperaturi mult mai mici (tipic 150º C – 250ºC, uneori temperatura camerei) decât cele necesare de obicei (peste 1000 ºC). Gravarea ion-reactiva nu este limitată de planurile de cristal în siliciu, și ca rezultat, șanțuri adânci și gropi, sau forme arbitrare cu pereți verticali pot fi gravate [11].

Gravarea Ion-Reactivă Adâncă (DRIE) este o metodă de gravare de raport cu aspect înalt ce implică un proces alternativ de gravare cu plasmă de înaltă densitate (ca RIE) și depunere a unui polimer de protecție pentru a obține rapoarte de aspect mai mare (Figura 3.4.).

Fig. 3.4: Gravarea RIE [11].

Ratele gravurii depind de timp, concentrare, temperatură și de materialul ce urmează a fi gravat. Până în prezent nu există ecuații de master universal acceptate pentru prezicerea performanței și comportamentul gravurii.

Microprelucrarea suprafeței

Microprelucrarea suprafeței implică procesarea deasupra substratului, în principal utilizându-l ca un strat de fundație pe care să se construiască. A fost inițiată în anii 1980 și este cea mai nouă tehnologie de producție a MEMS-urilor. Materialul este adăugat substratului sub forma unor straturi de pelicule subțiri pe suprafața substratului (tipic o anafură de siliciu). Aceste straturi pot, fie prin straturi structurale sau să acționeze ca distanțiere, mai târziu pentru a fi eliminate, atunci când sunt cunoscute sub numele de straturi de sacrificiu. Deci procesul implică de obicei straturi din două materiale diferite: un material structural din care structura de sine-stătătoare este făcută (în general siliciu policristalin sau polisiliciu, nitrură de siliciu și aluminiu) și un material de sacrificiu, depozitat oriunde fie într-o zonă deschisă sau o structură mecanică de sine-stătătoare este necesară (de obicei un oxid).

Aceste straturi (sau pelicule subțiri) sunt depozitate și ulterior gravate prin uscare în ordine, cu materialul de sacrificiu fiind în cele din urmă îndepărtat prin gravare umedă pentru a elibera structura finală. Fiecare strat suplimentar este însoțit de un nivel tot mai mare de complexitate și o dificultate rezultată în fabricare. În figura 3.5. este prezentată o grindă în consolă cu o microprelucrare a suprafeței tipică.

Fig. 3.5: Procesul de microprelucrare a unei grinzi în consolă [11].

Aici, un strat de sacrificiu de oxid este depozitat pe suprafața substratului de siliciu utilizând un model și fotolitografia. Un strat de polisiliciu este apoi depozitat și modelat utilizând procesele RIE pentru a forma o grindă în consolă cu un suport ancoră. Anafura este apoi gravată umed pentru a înlătura stratul (de sacrificiu) de oxid eliberând și lăsând fasciculul pe substrat.

Succesul procesului de microprelucrare a suprafeței depinde de capacitatea de a elimina cu succes toate straturile de sacrificiu pentru a elibera elementele structurale astfel încât să poată fi acționate. Acest pas este responsabil de limitarea randamentului (procentajul dispozitivelor pe anafuri care funcționează cum trebuie) și fiabilitatea fabricatelor MEMS datorită fenomenului cunoscut ca frecarea statică. Frecarea statică se referă la lipirea elementelor structurale fie pe substrat sau pe elementele adiacente. Forțele capilare din lichidele de clătire, precum și forțele electrostatice și forțele van der Waals, de asemenea, pot crea aderențe permanente după uscarea sistemului. Cea mai cunoscută tehnică de microprelucrare a suprafeței este fuziunea de lipire.

Pentru a forma structuri MEMS mult mai complexe și mai mari anafurile de siliciu microprelucrate pot fi lipite de alte materiale printr-un proces numit fuziunea de lipire. Este o tehnică ce permite integrarea practică fără sudură a straturilor multiple și se bazează pe crearea legăturilor atomice dintre fiecare strat fie direct (prin încălzire și presiune în cazul sticlei la anafura de lipire) sau printr-o peliculă subțire de bioxid de siliciu (figura 3.6.). Compusul rezultat are un stres rezidual foarte mic din cauza coeficiențiilor de potrivire de dilatare termică de la fiecare strat. În plus, puterea mecanică a legăturii este comparabilă cu cea a straturilor adiacente rezultând o puternică tehnică de fabricație a compozitului pentru cavități închise și canale. Straturile structurale cu un raport de mare aspect pot, de asemenea, a fi lipite pe substraturile de siliciu într-un mod asemănător. Fotorezistul și polimetilmetacrilat-ul (PMMA) sunt folosite ca fuziune de lipire medie a MEMS-urilor și s-au dovedit a fi de foarte mare succes pentru lipirea poliamidei [11].

Fig. 3.6: Obținerea unei cavități prin procesul de fuziune de lipire [11].

Microprelucrarea de raport cu aspect înalt

Microprelucrarea de raport cu aspect înalt (HARM) este un proces ce implică microprelucrarea ca o treaptă de prelucrare urmată de turnarea prin injecție sau de gravare și, dacă este necesar, de electroformare pentru replicarea microstructurilor în metal din piesele turnate. Este una dintre cele mai atractive tehnologii de replicare a microstructurilor la un raport de performanță la cost ridicat și include tehnici cunoscute ca LIGA si microprelucrarea laser. Produsele microprelucrate cu această tehnică includ structuri fluidice de raport de aspect înalt precum plăci de duze turnate pentru imprimarea cu cerneală și plăci cu microcanale pentru microplăci de unică folosință în aplicații medicale de diagnosticare. Materialele ce pot fi folosite sunt metale și materiale plastice electromaleabile, inclusiv acrilat, policarbonat, poliamidă și stiren.

Tehnologia de fabricație LIGA:

LIGA este o importantă metodă de prelucrare și de replicare pentru microstructurile de raport cu aspect înalt. Tehnica folosește radiații de raze X pentru a expune grosimea acrilică a rezistenței a PMMA (Polimetilmetracrilat) sub o mască de litografiere (Vezi figura 3.7. de mai jos). Zonele expuse sunt dizolvate chimic și, în zonele în care materialul este îndepărtat, metalul este electromaleabil, definind astfel introducerea instrumentului pentru etapa următoare de turnare. LIGA este capabilă de a crea microstructuri foarte fine definite până la 1000 µm.

Fig. 3.7: Tehnica de prelucrare LIGA [11].

LIGA este limitată de nevoia de a avea acces la o facilitate sincronă cu raze X. Un compromis ce combină unele trăsături ale tehnicii LIGA cu microprelucrarea suprafeței eliminând nevoia de expunere la raze X a fost dezvoltat și este cunoscut ca SLIGA (LIGA de sacrificiu) Ea înlocuiește fotorezistul gros PMMA cu poliamidă ca matriță de galvanizare, astfel permițând un lot de prelucrare de tipul circuit integrat compatibil și convențional. Metodele de producție HARM au asigurat noi metode radicale de a produce părți microprelucrate pentru dispozitivele MEMS la un preț relativ scăzut. În particular, tehnici precum SLIGA permit producerea unor componente MEMS cu infrastructuri de fabricație mult mai scăzute în ceea ce privește investiția, facilitățile și accesul la materiale avansate și tehnologie.

Alte tehnici de microreplicare pot fi îmbinate pentru a genera un semifabricat pentru accesoriu. Acestea includ ablațiunea cu laser, litografia UV și microprelucrarea mecanică, ce include prelucrarea cu descărcare electrică (EDM) și șlefuirea cu diamant. EDM este o abordare relativ nouă ce utilizează tehnici de producție de atelier mecanic și oferă capacitatea de a face părți din cele mai conductoare materiale. Din păcate, ca tehnică, scânteia de eroziune este lentă și neideală pentru procesarea lotului, dar a găsit multe aplicații pentru producerea prototipurilor MEMS.

Microprelucrarea cu laser:

Cele mai multe metode de microprelucrare cu laser nu sunt paralele și deci, nu sunt îndeajuns de rapide pentru fabricarea eficientă a MEMS. Cu toate acestea, au utilități la microprelucrarea de specialitate și la producerea matrițelor.

Microprelucrarea cu laser este folosită, în special, la microprelucrarea materialelor organice (materiale plastice, polimeri etc.), deoarece materialul nu este îndepărtat prin ardere sau vaporizare. Astfel, materialul adiacent zonei prelucrate nu este topit sau distorsionat de efectele de încălzire. Laserele au găsit alte aplicații la MEMS, dar într-o capacitate limitată; forajul cu laser, gravura și recoacerea cu laser sunt cele mai comune forme.În figură 3.9. este prezentată tehnologia de microprelucrare cu laser.

Fig. 3.8: Tehnologia microprelucrării cu laser [11].

3.2. Materiale optime pentru fabricația MEMS

Cel mai comun material de substrat pentru microprelucrare este siliciul. Acesta a avut succes în industria microelectronicii și va continua să fie în zonele de miniaturizare din mai multe motive:

Siliciul este abundent, ieftin și poate fi prelucrat pentru o puritate neasemuită

Capacitatea siliciului de a se depune în straturi subțiri este foarte justificabil la MEMS

Înalta definiție și reproducerea formelor de dispozitive de siliciu utilizând fotolitografia sunt perfecte pentru nivelele ridicate de precizie MEMS

Circuitele microelectronice de siliciu sunt loturi fabricate (o anafură de silicon conține sute de chips-uri identice, nu doar unul).

Alte semiconductoare cristaline inclusiv germaniul (Ge) și arseniura de galiu (GaAs) sunt utilizate ca materiale de substrat datorită caracteristicilor inerente similare, dar siliciul este deosebit de alte semiconductoare în sensul că poate fi ușor oxidat pentru a forma un inert chimic și un strat de suprafață ca izolator electric de SiO2 privind expunerea la abur.

Structura cristalină omogenă de siliciu dă proprietățile electrice necesare circuitelor microelectronice, dar în această formă siliciul are și proprietăți mecanice dezirabile. Siliciul formează același tip de structură cristalină ca diamantul, dar deși legăturile interatomice sunt mai slabe, este mai dur decât majoritatea metalelor. În plus, este surprinzător de rezistent la stresul mecanic, având o limită elastică mai ridicată decât oțelul atât în tensiune cât și în compresie. Cristalul de siliciu rămâne compact în cicluri repetate de tensiune și de compresie. Orientarea cristalină a siliciului este importantă în fabricarea dispozitivelor MEMS deoarece unii dintre agenții de decapare utilizați atacă cristalul la rate diferite în direcții diferite.

Siliciul este dominant ca substrat pentru MEMS, dar cercetarea și dezvoltarea este în curs de desfășurare cu alte materiale de substrat non-semiconductoare inclusiv metale, cuarț, izolatori cristalini, ceramică și polimeri. Capacitatea de a integra circuitele direct pe substrat este în prezent problema de bază a materialelor de substrat MEMS de astăzi, prin urmare succesul siliciului.

3.2.1. Substraturi și materiale aditive.

Gama substraturilor și a materialelor aditive a dispozitivelor MEMS este mai vastă decât tipurile posibilelor substraturi și include conductori, semiconductori și izolatori precum:

Siliciul – cristal singur,policristalin și amorf

Compuși de siliciu (SixNy, SiO2, SiC etc.)

Metale și compuși metalici (Au, Cu, Al, ZnO, GaAs, IrOx, CdS)

Ceramică (Al2O3 și compuși ceramici mai complecși)

Organice (diamant,polimeri,enzime,anticorpi, ADN etc.)

3.3. Tehnologia de execuție a roților dințate cu dantură dreaptă din componența microreductorului proiectat

3.3.1. Tehnologii de execuție a microrotilor dințate

Roțile dințate de mici dimensiuni ce intrau în componenta ceasurilor au fost fabricate încă din anii 1700. Astăzi găsim o varietate de dispozitive care conțin microroți dințate și anume: dispozitive de închidere, jucării, comutatoare și pompe în miniatură. Tehnologia este atât de avansată, încât cercetătorii au reușit să realizeze roți dințate cu un diametru de 380µm.

În prezent nu există definitivat un standard în care să se încadreze roțile dințate de dimensiuni micro, dar majoritatea producătorilor din domeniu oferă microroti dințate cu modul de până la 0,2 mm. Există un număr relativ mic de metode utilizate în manufacturarea microrotilor dințate datorită diametrelor mici, geometriei complexe, dimensiunea dinților și datorită constrângerilor legate de material [6].

În continuare se prezintă câteva din cele mai des folosite procedee de manufacturare a roților dințate microscalate:

Generarea danturii prin copiere:

În acest procedeu, semifabricatul (un profil cilindric din metal) este prins între vârfurile unei mandrine, rotindu-se împreună cu aceasta. Semifabricatul vine în contact cu o sculă, numită freză melc modul, care se rotește cu o viteză puțin mai mare decât viteza de rotație a semnifabricatului, pe o direcție perpendiculară. Mărimea frezei melc modul poate fi de până la 12,5 mm și poate prelucra roți dințate cu diametrul de divizare între 9,6 și 200 mm. Generarea prin copiere a fost metoda cea mai răspândită metodă de manufacturare a roților dințate în Statele Unite ale Americii până în anii 1960. Astăzi doar câteva companii mai folosesc această metodă, cei care o folosesc prelucrând roțile dințate pe echipamente vechi de câteva decenii.

În figura 3.9. este prezentat procedeul de generare prin copiere a roților dințate la firma Affolter Technologies SA, Malleray, Elveția.

Fig. 3.9: Procedeu de frezare prin copiere [6].

Managerul de vânzări al acestei firme spune că firma la care lucrează este printre puținele în lume care produc mașini de frezat roți dințate de dimensiuni mici. Cel mai mic diametru pe care echipamentele produse în Elveția îl pot produce este de 0,8 mm, iar cel mai mic modul este 0,02 mm. Clienții principali al acestor produse sunt firme ce își desfășoară activitatea în sectorul medical, industria aerospațială, producătorii de ceasuri și micromotoare [6].

Turnarea prin injecție:

Kleiss Gears Inc. execută microroți dințate prin turnare cu diametre mici de până la 2,5mm, iar inginerul proiectant al companiei, Michael Weiss afirmă că, cu ajutorul sistemului de turnare prin injecție Battenfeld Microsystem 50 se pot realiza roți dințate cu diametrul până la 1,25 mm. În funcție de complexitatea profilului roților dințate, firma Kleiss poate realiza specificații de tolenanță de până la ±0,01 mm. Inginerul Weiss mai afirmă că toleranțele strânse ale pieselor din plastic trebuie să fie specificate în funcție de mediu și de procedura pe baza căreia acestea vor fi măsurate, deoarece absorbția de umiditate și temperatura pot cauza dilatări ale plasticului de ordinul sutimilor de milimetru .În figura 3.10. sunt prezentate câteva roți dințate fabricate de firma Kleiss Gears [6].

Fig. 3.10: Roți dințate fabricate de firma Kleiss Gears [6].

In figura 3.11. este prezentată structura unei mașini de turnat prin injectie.

Fig. 3.11: Schema de principiu a unei mașini de turnat prin injectie [21].

Prelucrarea prin electroeroziune cu fir:

Procedeul de prelucrare prin electroeroziune cu fir este capabil să prelucreze roți dințate cu un modul până 0,024 mm. Avantajul major al acestui procedeu comparativ cu celelalte procedee prezentate este că se pot fabrica roți dințate din materiale foarte dure, acestea fiind tăiate cu ușurință. Un alt avantaj este acela că procedeul nu necesită nici o sculă, iar operatorul poate modifica geometria roții în câteva minute. Firul prin care este descărcat curent electric este capabil să taie roți dințate cilindrice și pinioane prelucrate pe suprafața arborelui. Procedeul este unul extrem de utilizat datorită costului final al roții prelucrate. Firul în general are dimensiunea diametrală între 20µm și 30µm [6].

Turnarea sub presiune:

Piesele sunt obținute prin împingerea sub presiune a metalului topit în cavitățile unei matrițe care are miezul identic cu forma negativa a piesei de realizat. Este un proces foarte rapid, putând a fi realizate sute de piese într-o oră. Cele mai multe piese turnate sub presiune la scară micro sunt fabricate din aliaje pe bază de zinc sau aluminiu. Aceste materiale nu sunt dure și nu au rezistență la uzură, dar procesul bazat pe astfel de materiale este rapid, ieftin și capabil să producă loturi mari de piese [6].

3.3.2. Proiectarea tehnologiei de execuție a micro-roților dințate

Micro-roțile dințate ce intră în componența microreductorlui proiectat și analizat vor fi realizate prin procedeul de turnare prin injecție.

Material: Poliamidă (PA)

Caracteristici principale ale materialului:

Rezistență mecanică, rigiditate, duritate

Bună rezistență la oboseală

Bune proprietăți de amortizare mecanică

Bune proprietăți de alunecare

Bună rezistență la uzură

Prelucrabilitate foarte bună

Rezistență bună la radiații Gama și radiații cu raze X.

Parametrii procesului de turnare prin injecție:

Presiunea de injecție: 70MPa;

Temperatura de topire a materialului: 200 ̊C;

Timpul de răcire: 3 secunde;

Temperatura matriței: 80 ̊C;

Viteză de injecție: 250 mm/s;

Piesele vor fi supuse unui tratament de îmbătrânire la o temepratura între 80 și 100 de grade Celsius timp 5 ore.

Obținerea formei miezului matriței cu ajutorul tehnologiei LIGA:

În figura 3.12. sunt prezentați pașii ce trebuiesc urmați în vederea obținerii profilului miezului matriței de injecție prin intermediul tehnologiei LIGA:

Fig. 3.12: Etapele obținerii profilului miezului unei matrițe [23].

Unde:

Un strat de rășină epoxidică este tratat de razele UV ce radieaza printr-o mască;

Stratul netratat de rășină este gravat rămânând negativul roții dințate;

Ulterior cu ajutorul măștii se adaugă component noi;

Metalul este apoi format peste profilul de rășină expodică rezultat rezultând miezul matriței;

Metalul este apoi prelucrat până ajunge la grosimea corectă, iar rășina este îndepărtată;

Matrița a ajuns în formă finală și poate fi utilizată în procesul de microturnare.

Prin urmarea acestor pași în cadrul procesului tehnologic au rezultat profilele cavităților matrițelor de turnare ce se vor folosi pentru execuția roților dințate ale microreductorului. Astfel în figura 3.13. este prezentată o vedere de ansamblu al profilului miezului matriței de injecție pentru pinionul din primele două trepte, respectiv în figura 3.14. cea al profilului miezului matriței de injecție pentru pinionul din treapta a treia.

Fig. 3.13: Profilul miezului matriței de injecție al pinionului din primele două trepte ale micromotoreductorului.

Fig. 3.14: Profilul miezului matriței de injecție al pinionului din treaptă a treia a micromotoreductorului.

În figura 3.15. și în figura 3.16. sunt prezentate vederile de ansamblu ale profilelor miezurilor matrițelor de injecție pentru roata condusă din primele două trepte, respectiv roata condusă din treaptă a treia, componente din ansamblul micromotoreductorului.

Fig. 3.15: Profilul miezului matriței de injecție al roții conduse din primele două trepte ale micromotoreductorului.

Fig. 3.16: Profilul miezului matriței de injecție al roții conduse din treaptă a treia a micromotoreductorului.

Echipament folosit în cadrul procesului de microturnare prin injecție este:

Wittmann Battenfeld Micropower 15 + modul de alimentare cu microgranule prezentat în figura 3.17.

Fig. 3.17: Mașina de turnat prin injecție Wittman Battenfeld [22].

Caracteristici tehnice:

Controller de temperatură auto-reglabil

Ejector servo electric

Zonă de alimentare controlată termic

Temperatură de injecție de până la 450 ̊C

Sistem de răcire pe bază de lichid

În figura 3.18. și în figura 3.19 este prezentat profilul pinionului din primele două trepte ale micromotoreductorului la sfârșitul procesului tehnologic de turnare prin injecție, respectiv profilul pinionului din treapta a treia la sfârșitul acestuia.

Fig. 3.18: Profilul rezultat al pinionului din primele două trepte ale micromotoreductorului la sfârșitul procesului de turnare.

Fig. 3.19: Profilul rezultat al pinionului din treapta a treia al micromotoreductorului la sfârșitul procesului de turnare.

În figura 3.20. și în figura 3.21. este prezentat profilul roții dințate conduse din primele două trepte ale micromotoreductorului la sfârșitul procesului tehnologic de turnare prin injecție, respectiv profilul roții dințate conduse din treaptă a treia la sfârșitul acestuia.

Fig. 3.20: Profilul rezultat al roții dințate conduse din primele două trepte ale micromotoreductorului la sfârșitul procesului de turnare.

Fig. 3.21: Profilul rezultat al roții dințate conduse din treapta a treia a micromotoreductorului la sfârșitul procesului de turnare.

Capitolul 4

CAIET DE SARCINI PENTRU MICROREDUCTORUL

PROIECTAT

Clasificare.

Există mai multe criterii de clasificare a reductoarelor. Cele mai importante criterii sunt:

După numãrul treptelor de reducere, avem:

– reductoare cu o treaptă de reducere;

– reductoare cu mai multe trepte de reducere.

În funcție de poziția relativă a arborelui motor și condus, se deosebesc:

– reductoare cu axe fixe;

– reductoare cu axe mobile.

După felul angrenajelor, se deosebesc:

– reductoare cilindrice;

– reductoare conice;

– reductoare melcate;

– reductoare pseudoconice;

– reductoare combinate.

Destinație

Reductoarele de turație sunt mecanisme organizate ca ansambluri independente, cu raport de transmitere constant, destinate reducerii turației, concomitent cu amplificarea momentului de torsiune transmis[2]. Reperul proiectat la scară micro nu necesită să fie închis într-o carcasă de protecție deoarece nu prezintă riscuri pentru beneficiar în timpul funcționării.

Caracteristici tehnice

Parametrii principali ai unui reductor sunt:

– Puterea transmisã: Pe=233 mW;

– Turația la arborele motor: ns= 300 rot/min;

– Raportul de transmitere: i =12.

Descriere

Reductoarele sunt mecanisme relativ simple, ce au în componență roți dințate sub forma unor angrenaje cilindrice, conice, melcate, montate în serie sau serie-paralel formând treptele reductorului [2].

Cerințe tehnice de bază

Execuție.

La execuția pieselor producătorul trebuie să asigure respectarea documentației de execuție.

Montaj.

La montare se vor respecta, în limitele toleranțelor prescrise, toate cotele indicate în documentația de execuție.

Exploatare.

Reductorul trebuie sã funcționeze normal atât la mersul în gol, cât și în sarcină, la turația nominalã roata rotindu-se lin, fără blocãri.

Ungerea.

Ungerea lagarelor de alunecare și a bucșelor reductorului cu roți dințate se va realiza cu vaselină siliconică transparentă.

Vopsirea, protejarea și marcarea.

Suprafețele care nu prezintă rol funcțional (distanțiere, plăcile de sprijin) vor fi placate anticoroziune.

Fiecare reductor va fi însoțit de o etichetă marcatoare ce va cuprinde:

denumirea sau emblema producãtorului;

numãrul seriei și anul fabricației;

puterea la arborele de intrare mW sau momentul mNm la arborele de ieșire;

turația nominalã la arborele de intrare rot/min;

masa totalã în g.

Ambalare, transport, depozitare.

Piesele metalice de mici dimensiuni vor fi învelite în hârtie anticorozivă, după care toate componentele vor fi învelite în folie cu bule de aer din polietilenă împotriva șocurilor și vor fi așezate în cutii de carton.

Reductoarele se livreazã cu lagărele și bucșele nelubrifiate.

La depozitare se vor lua mãsurile necesare împotriva oxidării și pătrunderii prafului în interior.

Garanții tehnice și termenele de garanție.

Producãtorul garantează bună funcționare a reductoarelor în termenul stabilit de normă tehnicã internã a produsului, termenul minim de garanție fiind de un an de la punerea în funcțiune, în conformitate cu instrucțiunile elaborate de producător.

Descrierea generală a produsului.

Constructiv:

Reductorul este proiectat in trei trepte cu angrenaje cilindrice cu dantură dreaptă. Pe baza desenului de ansamblu din figura 4.1. se poate descrie asamblarea reperului. Asamblarea plăcilor suport poz. 2, 6, 16 se face prin intermediul distanțierelor cilindrice poz. 3, 20 ce prezintă găuri de trecere pentru șuruburi cu cap înecat M2 poz. 13, 14. Arborii reductorului sunt rezemați cu ajutorul lagărelor de alunecare poz. 8, 17 și cu ajutorul unor bucșe de ghidare poz. 15, 21. În anexa 2 este prezentat desenul de ansamblu al micromotoreductorului, aici fiind făcută și cotarea pentru montaj.

Funcțional:

Prin intermediul angrenajelor cilindrice, reductorul asigurã reducerea turației, concomitent cu amplificarea momentului de torsiune transmis.

Pe baza desenului de ansamblu al reductorului din figura 4.1. principiul de funcționare al reductorului este următorul: Motorul de curent continuu 1 transmite prin intermediu axului motor 10 mișcarea de rotație, axul motor fiind arborele de intrare în treapta 1. Pinionul 7 montat pe axul motor transmite mișcarea mai departe roții conduse 4, intrând cu aceasta în angrenare și asigurând un raport de transmitere de 1:2. Arborele 5 transmite mișcarea de rotație din treapta 1 fiind arbore de intrare în treapta 2, pe acesta fiind montat pinionul 7 care de data aceasta transmite și în treapta a doua mișcarea de rotație angrenând cu roata condusă 4 la un raport de 1:2. Roata condusă 4 este fixată pe arborele 9 care transmite mișcarea de rotație în treapta a treia.Pe acesta este fixat pinionul 7 care angrenează cu roata condusă 11 asigurând un raport de transmitere de 1:3. Roata condusă 11 este fixată pe arborele de ieșire 18 care transmite mișcarea în exterior cu un raport total de transmitere de 1:12.

Fig .4.1: Desenul de ansamblu al reductorului

Deservire.

Reductorul proiectat poate fi folosit pentru antrenarea rotilor sau rolelor de antrenare a senilelor a robotilor mobili, care necesitã o turație de antrenare egală cu turația arborelui de ieșire al reductorului. Puterea necesarã pentru acestea trebuie sã fie mai micã decât cea debitată la arborele de ieșire.

Concluzii

Scopul acestei lucrari a fost de a prezenta cele mai importante tipuri de microtehnologii in domeniul mecatronicii care s-au dezvoltat in ultimele decenii și care contribuie in mod continuu la miniaturizarea sistemelor mecatronice.

Astfel, în cadrul acestei lucrări s-au prezentat cele mai importante tehnologii MEMS utilizate la obținerea componetelor mecatronice. În acest sens s-a proiectat un microreductor cu trei trepte de transmisie adaptabil la micromotorul 120-002 produs de firma Precision Microdevice si care poate fi utilizat în diverse aplicații din domeniul roboticii, ca elemenete de acționare a roboților mobili, în construcția cuplelor roboților manipulatori de dimensiuni mici etc.

La proiectarea și execuția microreductorului s-au folosit notiuni de calcul si de proiectare a microreductoarelor cu roti dintate cilindrice, notiuni de microtehnologii de fabricatie MEMS, precum si domenii de aplicabilitate ale acestora în mecatronică.

Ca si concluzie finală se poate afirma faptul că exapansiunea micro-componentelor avansează in fiecare moment, ceea ce preconizează aparitia și dezvoltarea in viitor a unor micro-sisteme capabile să actioneze la nivel de celulă biologică, de tip nanometric.

BIBLIOGRAFIE

[1] Colton, J.S.: “Micromachining, Manufacturing Processes & Engineering”, Georgia Institute of Technology, 2009.

[2] Crudu, I., s.a.: “Atlas. Reductoare cu roti dintate”, Bucuresti, Editura didactica si pedagogica, 1981

[3] Dicusara, I.:” Contribuții privind generarea profilului dinților angrenajului precesional prin metode neconvenționale”, Chisinau 2013.

[4] Guckel, I.:” IEEE Proceedings”, Aug. 1998.

[5] Hak, G.: “MEMS Application”,”The MEMS Handbook”, Second edition, USA, 2006

[6] La Roux, Gillespie, K..: “Micromanufacturing Paper”, Volume 5, Issue 6, November/December 2012.

[7] Maluf, N., Williams, K.: “An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering”, Second Edition, 2006.

[8] Pop, A. P.: “MEMS-Notiuni Introductive”, Editura Universitatii din Oradea, 2010

[9] SR ISO 53: 2011, Angrenaje cilindrice în evolventă de uz geneal. Profilul de referință.

[10] Tarca, R., C.: “Bazele Roboticii”, Suport de curs.

[11] Tehnology Watch, Prime Faraday Partnership, “An Introduction to MEMS”, Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Loughborough University, 2002

[12] ***http://xahlee.org/SpecialPlaneCurves_dir/Involute_dir/involute.html

[13] ***https://catalog.precisionmicrodrives.com

[14] ***http://kids.britannica.com/elementary/art-61260

[15] ***http://www.micromotion-gmbh.de/englisch/news/new_products1.htm

[16] ***http://egyrobots.com/image/cache/data/products/dagu-rover5-main-600×600-600×450.jpg

[17] ***http://www.funnyrobotics.com/2014/01/autonomous-mobile-robots-course-by-edx.html

[18] ***http://www.femtotools.com/index.php?id=applications-smallchess

[19] ***http://www.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=875316

[20]***http://www.robotics.ucv.ro/flexform/craiova_cursuri/C4/1.%20Notiuni%20fundamentale%20privind%20mecatronica.pdf

[21] ***http://en.wikipedia.org/wiki/Injection_molding

[22] ***http://www.wittmann-group.com/injection-molding/toggle-machines/micropower-5-15.html.

[23] ***http://www.ptonline.com/articles/micro-molds-make-micro-parts

OPIS

Lucrarea conține un număr total de 78 de pagini, 45 de figuri grafice și 6 desene pe format A3 incluse în anexe.

BIBLIOGRAFIE

[1] Colton, J.S.: “Micromachining, Manufacturing Processes & Engineering”, Georgia Institute of Technology, 2009.

[2] Crudu, I., s.a.: “Atlas. Reductoare cu roti dintate”, Bucuresti, Editura didactica si pedagogica, 1981

[3] Dicusara, I.:” Contribuții privind generarea profilului dinților angrenajului precesional prin metode neconvenționale”, Chisinau 2013.

[4] Guckel, I.:” IEEE Proceedings”, Aug. 1998.

[5] Hak, G.: “MEMS Application”,”The MEMS Handbook”, Second edition, USA, 2006

[6] La Roux, Gillespie, K..: “Micromanufacturing Paper”, Volume 5, Issue 6, November/December 2012.

[7] Maluf, N., Williams, K.: “An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering”, Second Edition, 2006.

[8] Pop, A. P.: “MEMS-Notiuni Introductive”, Editura Universitatii din Oradea, 2010

[9] SR ISO 53: 2011, Angrenaje cilindrice în evolventă de uz geneal. Profilul de referință.

[10] Tarca, R., C.: “Bazele Roboticii”, Suport de curs.

[11] Tehnology Watch, Prime Faraday Partnership, “An Introduction to MEMS”, Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Loughborough University, 2002

[12] ***http://xahlee.org/SpecialPlaneCurves_dir/Involute_dir/involute.html

[13] ***https://catalog.precisionmicrodrives.com

[14] ***http://kids.britannica.com/elementary/art-61260

[15] ***http://www.micromotion-gmbh.de/englisch/news/new_products1.htm

[16] ***http://egyrobots.com/image/cache/data/products/dagu-rover5-main-600×600-600×450.jpg

[17] ***http://www.funnyrobotics.com/2014/01/autonomous-mobile-robots-course-by-edx.html

[18] ***http://www.femtotools.com/index.php?id=applications-smallchess

[19] ***http://www.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=875316

[20]***http://www.robotics.ucv.ro/flexform/craiova_cursuri/C4/1.%20Notiuni%20fundamentale%20privind%20mecatronica.pdf

[21] ***http://en.wikipedia.org/wiki/Injection_molding

[22] ***http://www.wittmann-group.com/injection-molding/toggle-machines/micropower-5-15.html.

[23] ***http://www.ptonline.com/articles/micro-molds-make-micro-parts