Proicetarea unui sistem de poziționare cu actuatori piezoelectrici pentru microscoape [308815]

[anonimizat].

Acest proiect are ca și scop punerea în evidența a multiplelor posibilități pe care le oferă cuplele elastice pentru configurarea unor minimecanisme compliante.

Beneficiile utilizării MEMS sunt: [anonimizat], [anonimizat] o producție mare.

[anonimizat] (Microsystems technology) – [anonimizat]-[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] o componentă este realizară prin una dintre microtehnologii.

Funcțiile care determină structura unui microsistem sunt

1. [anonimizat]

2. Luarea unor decizii pe bază informațiilor receptate

3. Transformarea deciziilor în comenzi corespunzătoarea actuatorilor

Componentele principale ale unui microsistem sunt prezentate în figură de mai jos. Una dintr caracteristicile importante a [anonimizat]. [anonimizat] (TMS) a depășit performanțele proceselor de prelucrare precisă.

[anonimizat] (microelectromechanical systems) a fost oficial adoptat de un grup de 80 de participanți la o [anonimizat]-[anonimizat] 1989, care s-a desfășurat la Salt Lake City. Dr. Albert P. Pisano a fost invitat să țină o prelegere în care a folosit termenul MEMS pentru a [anonimizat].

Discuțiile pe marginea acestei noi direcții de cercetare au ținut mai mult de o oră, [anonimizat]. Când praful ridicat de această dezbatere s-a așezat, [anonimizat], s-a ridicat în picioare și a anunțat:

“Deci, atunci, numele este MEMS”. MEMS a devenit astfel cuvântul care a desemnat că tehnologia microelectronică a depășit în anii ’80 [anonimizat] a elementelor de circuit pasive sau active și a combinat cunoștințele deja dobândite la construirea circuitelor integrate împreună cu cele de micromecanică. Datorită acestei compatibilități „înnăscute”, s-au obținut structuri care au putut fi încapsulate împreună cu circuitele de control al parametrilor electrici.

În același timp, cercetătorii europeni utilizau termenul MST (microsystem technology) pentru a descrie același lucru. Această denumire a fost motivată de faptul că termenii utilizați se referă, de fapt, la tehnologia utilizată pentru fabricarea unui microsistem. Primii interesați de această tehnologie, la începutul anilor ’90, au fost DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) și U.S. Air Force, care au început să finanțeze proiecte de acest fel. Ideea fabricării MEMS a prins atât de rapid în țările industrializate, încât la numai 3 ani de la nașterea MEMS ca atare, existau peste 300 de companii și institute de cercetare implicate în dezvoltarea acestora.

Pentru a ne face o idee de ansamblu a dimensiunii unui MEMS, trebuie să amintim că ansamblurile fabricate prin această tehnică au dimensiuni micrometrice, existând micromotoare din siciliu policristalin de dimensiunea firului de păr, de aproximativ 100 de micrometri. Din punct de vedere tehnologic, s-a mers și mai departe de ordinul micronului, în zilele noastre luând naștere chiar și o nouă ramură, sistemele nanoelectromecanice – NEMS.

Rare sunt cazurile în care un dispozitiv MEMS este construit dintr-un singur material, de cele mai multe ori fiind implicate două sau mai multe materiale, iar dacă privim tehnologia utilizată la fabricarea MEMS, în general, ca un set de instrumente cu aplicabilitate pe diverse medii, atunci nu avem niciun motiv de a limita utilizarea lor la un singur material. Pe de altă parte, ceea ce complică și mai mult lucrurile este faptul că la scara de fabricație utilizată pot apărea efecte și femomene fizice care să influențeze sistemul la întreaga sa dimensiune, simularea comportării tuturor componentelor în ansamblu, având un rol hotărâtor în scăderea costului în faza de proiectare.

Pe când progresele inițiale erau monopolizate de infrastructura și tehnologia bazate pe siliciu, noile tehnologii utilizează materiale și procese care nu mai sunt asociate în totalitate cu fabricarea circuitelor integrate. Fără tăgadă, aria de utilizare a acestora, precum și beneficiile economice rezultate din dezvoltarea lor, nu vor afecta câtuși de puțin industria circuitelor integrate sau dezvoltarea infrastructurii acesteia. Ba dimpotrivă, domeniile fiind conexe, se vor sprijini reciproc în dezvoltarea de noi tehnologii, materiale și metode.

Un alt domeniu în care microtehnologia și-a spus cuvântul este cel al industriei auto, unde dispozitivele MEMS supraveghează foarte mulți parametri, de unii dintre ei depinzând supraviețuirea pasagerilor în caz de accident. Unele modele de autoturisme au până la 40 de astfel de dispozitive, începând cu cel mai uzual, senzorul pentru declanșarea airbag-ului. Acesta este de fapt un accelerometru MEMS, care „simte” decelerarea puternică produsă în timpul impactului și transmite această informație pentru descărcarea aproape instantanee a unei butelii cu gaz în pernele protectoare.

Tehnologia construirii dispozitivelor MEMS a evoluat și prin combinarea posibilității de introducere a opticii în microsistemele electromecanice, vorbind aici de MEOMS (microelectrooptical-mechanical systems). Cele mai precoce dispozitive de acest gen au fost destinate analizei spectrale prin difracția pe microprisme. Apoi a urmat construirea micro – oglinzilor, cu aplicații în transmisii de date pe fibră optică și mai pe urmă miniaturizarea camerelor de luat vederi. Fără doar și poate, lucrurile au evoluat foarte mult de la primele dispozitive MEMS construite, acestea fiind în măsură să cucerească civilizația noastră, introducând astfel o nouă ramură economică în viitor. Se poate naște astfel o nouă industrie, cu un viitor categoric, permanent inovativă și în contact cu celelalte domenii din cercetare.

Minituarizarea sistemelor tehnice

Sistemele tehnice sunt creatii tehnice complexe care lucreaza cu o precizie ridicata, constituite din repere ce se conjuga intre ele in mod bine determinat, in vederea unui scop tehnologic final, cum ar fi masinile, agregatele si mecanismele.

Tendința de miniaturizare ulterioară a dispozitivelor la scara atomică finală nu numai că va continua să devină o tehnologie dominantă dezvoltare în prima jumătate a secolului nou, dacă nu mai mult. O astfel de dezvoltare va necesita schimbări semnificative în toate aspectele legate de proiectare și fabricare, precum și de producție management față de practicile tradiționale de inginerie.

Producția de componente miniaturizate ale aparatelor și a sistemelor inginerești de micro și nanometri este clar dincolo de capacitatea mașinilor-unelte actuale. Modelarea componentelor dispozitivului

geometria complexă în scară micrometrică cu o precizie dimensională mare necesită utilizarea specifice și controlate cu atenție procese fizico-chimice. Multe dintre aceste procese au ca rezultat efecte adverse sau intrinseci care trebuie luate în considerație în stadiile incipiente ale considerentelor de proiectare.

Natura dimensiunilor minute ale acestor produse creează, de asemenea, multe probleme în asamblare, ambalare și testare.

Miniaturizarea ulterioară a dispozitivelor la scară nanometrică prezintă provocări și mai mari ingineri în proiectare și fabricare. Cele mai multe dintre principiile de proiectare care sunt derivate pe bază de teorii continuum nevoie de modificări substanțiale pentru a se potrivi relevante principiile legate de fizica cuantică și mecanica cuantică pentru structurile dispozitivelor din nanometri. Fabricarea de dispozitive și componente nano-scalate implică izolarea, transportul și reasamblarea atomilor și a moleculelor. Această tehnologie "nanomachining" implică nu numai procesele fizico-chimice, ca în cazul microfabricării, ci și ea implică aplicarea și integrarea principiilor biologiei moleculare.

În timp ce predicțiile doctorului Feynman în miniaturizare ar fi putut fi motivate de propria sa persoană curiozitatea și convingerea științifică, realitatea este că miniaturizarea are și sens economic.

A existat o creștere a cererii de către consumatori pentru produse inteligente și multifuncționale.

De exemplu, debutul telefonului mobil ținut de un deceniu în urmă a revoluționat verbal telecomunicații între oameni din întreaga lume. Acum producem aceleași seturi numai pentru a transceva mesaje vocale, dar ele pot, de asemenea, transceive imagini color și imagini video,

e-mail-uri, precum și accesul la Internet. Astfel de dispozitive inteligente și multifuncționale au să devină un fapt al vieții moderne pentru miliarde de oameni din societatea noastră. Această tendință în cererea de pe piață pentru produsele de consum inteligente și multifuncționale poate fi îndeplinită numai prin ambalarea din ce în ce mai mult senzori, actuatori și procesoare în produse finite mai mici. Există o singură cale prin care industria poate realiza această nouă paradigmă a cererii de pe piață. Aceasta este "miniaturizarea".

Miniaturizarea are, de asemenea, o mulțime de sens inginerie, așa cum voi rezuma mai jos :

Sistemele mici se pot deplasa sau se opresc mai repede decât sistemele mai mari datorită mecanismelor scăzute inerție. Acestea sunt astfel ideale pentru mișcări de precizie și pentru acționare rapidă.

Sistemele miniaturizate se confruntă cu o distorsiune termică mai redusă și vibrații mecanice din cauza scăderii masa.

Dispozitivele miniaturizate sunt deosebit de potrivite pentru aplicațiile biomedicale și aerospațiale datorate dimensiunile lor minime.

Sistemele mici au stabilitate dimensională mai mare la temperaturi ridicate din cauza temperaturii scăzute expansiune.

Dimensiunile mai mici ale sistemelor înseamnă mai puține cerințe de spațiu. Această caracteristică permite ambalarea componentelor mai funcționale într-un singur dispozitiv.

Mai puține cerințe materiale în sistemele mai mici înseamnă costuri scăzute de producție și transport.

Fiind mici, pot fi produse în serie în loturi.

Termenul "micromachining" a fost inventat în 1982. Este tehnologia care produce dispozitivul componente care variază de la un micrometru la un milimetru. Pentru a vă oferi o idee despre micro scale, un micrometru reprezintă aproximativ o zecime din diametrul părului uman.

Microsisteme care includ "sistemele microelectromecanice" (MEMS) au fost fabricate folosind mult aceleași tehnici de microfabricare dezvoltate pentru IC. Un rezumat al microsistemelor disponibile este prezentată în figura de mai jos

Multe dintre produsele prezentate în figura de mai sus au fost comercializate cu succes veniturile estimate ale MEMS și microsistemelor se situează în intervalul de 12 până la 132 miliarde dolari pe an.

Nivelul ridicat al proiecției de venit include microsistemele produse în masă, cum ar fi capete de imprimantă cu jet de cerneală și dispozitive de citire / scriere pentru sistemele de stocare a datelor.

În ciuda faptului că aproape toate tehnicile de microfabricare dezvoltate pentru producerea IC-urilor sunt utilizate extensiv pentru MEMS pe bază de siliciu și microsisteme, există diferențe semnificative în proiectarea și fabricarea acestor produse.

Nanotehnologia, așa cum a fost inspirată de prezentarea lui Richard Feynman în 1959 [1], este un proces în curs de dezvoltare tehnologia de fabricație care va permite inginerilor să producă dispozitive și structuri în

nanometru. Un nanometru (nm) este egal cu 10-9 metri, ceea ce reprezintă încă 3 ordine magnitudine mai mică decât un micrometru. Zece atomi de hidrogen de la umăr la umăr se întind pe una nanometru. Se poate vedea nanotehnologia ca arta stiintei de a construi complexe practice dispozitive cu precizie atomică cu proprietăți și caracteristici dorite. Primul om făcut nano-structura este "Buckyball" produs de Richard Smalley, un laureat al Premiului Nobel de la Rice

Universitatea în 1985. Această structură a fost realizată din 60 de atomi de carbon, ambalate în formă de o minge de fotbal cu un diametru de 0,7 nm.

De atunci au existat nano-structuri de altă geometrie de particule, fire și tuburi din carbon, siliciu, nitrură de galiu și altele materiale semiconductoare produse de oameni de știință și ingineri din multe părți ale lumii.

În prezent, aplicațiile principale ale nanoparticulelor sunt în descoperirea și livrarea de droguri, în timp ce firele și tuburile nano sunt utilizate pentru porți și comutatoare în nanoelectronică și dispozitive. Baza geometria acestor nano-structuri va duce probabil la producția de unelte și lagăre la nano

în viitorul apropiat.

Fabricarea componentelor de dispozitive nano implică următoarele trei etape majore:

Etapa 1: Izolarea atomilor din materialele selectate:

Microscopul cu forță atomică (AFM) și microscoapele pentru scanarea tunelului (STM) ilustrate în figura alaturata sunt utilizate pentru a izola atomii, de obicei din materiale "moi" cum ar fi aurul.

AFM este folosit pentru a "împinge" atomii de pe suprafața materialului de bază în dorit direcții, în timp ce STM este folosit pentru a distruge legăturile atomice la suprafața

prin spargerea localizată a curentului electric la vârful sondei

Pasul 2: Adunarea atomilor liberi:

Atomii slăbiți sunt "transportați" în locațiile dorite pentru a forma formele intenționate de către același vârf al AFM sau de sonda vârfului acului STM utilizată în "breakloose" din acești atomi.

Etapa 3: Re-legarea atomilor:

Chimia sintetică este o tehnică frecvent utilizată pentru re-legarea atomilor agregați.

Oamenii de știință din întreaga lume dezvoltă, de asemenea, mijloace biologice în același scop.

"Mașinile moleculare naturale" implicate în producerea de proteine, enzime și anticorpi sunt primii candidați pentru astfel de scopuri.

Au fost făcute diverse încercări de ingineri și oameni de știință în companii de computere și "chip" pentru a dezvolta "tranzistoare cu un singur electron" și circuite cu nanotuburi. Tranzistoarele cu un singur electron funcționează pe principiul manipulării direcției de rotire a electronilor unici pentru a acționa ca "on-and-off" comutatoare. Sistemele nanoelectromecanice (NEMS) vor fi cu un pas mai aproape de realitate succesul acestor evoluții

Miniaturizarea structurilor mecanice

Micro-Electro-Mechanical Systems, sau MEMS, este o tehnologie care, in forma sa cea mai generala poate fi definita miniaturizat ca element mecanic si electro-mecanic, efectuate prin utilizarea tehnicilor de microfabricatie.

In timp ce elementele functionale ale MEMS sunt structuri miniaturizate, cele mai interesante sunt microsenzorii si microactuatorii care sunt clasificati ca si traducatoare,(traducatoare pui in ghilimele) definiti ca dispozitive care convertesc energia de la o forma la alta. De exemplu, in cazul unui microsenzor, aparatul converteste de obicei un semnal mecanic masurat intr-un semnal electric.

De-a lungul timpului, cercetatorii MEMS au demonstrat un numar extrem de mare de microsenzori pentru aproape orice modalitate de detectare inclusiv de temperatura, presiune, campuri magnetice, radiatii, etc.
Tipurile de dispozitive MEMS pot varia de la structuri relativ simple care nu au elemente in miscare, la sisteme electromecanice extrem de complexe, cu multiple elemente in miscare sub controlul microelectronicelor integrate.

Sferele de aplicabilitate ale MEMS sunt foarte multe, ele jucând un rol decisiv pentru competitivitate în domeniile: medicină, biotehnologie, tehnologia mediului, inginerie cu o pondere deosebită în industria auto, instalații industriale și casnice.

Caracteristica principala a MEMS este ca exista cel putin cateva elemente care au un fel de functionalitate mecanica chiar daca aceste elemente se pot deplasa sau nu.
Aceasta perspectiva a MEMS prin care microsenzorii, microactuatorii, microelectronicele si alte tehnologii pot fi integrate pe un singur microcip este de asteptat sa fie una dintre cele mai importante descoperiri tehnologice ale viitorului, permitand dezvoltarea produselor inteligente sporind capacitatea de calcul a microelectronicelor cu posibilitatile de perceptie si control ale microsenzorilor si microactuatorilor. Circuitele microelectronice intefrate pot fi considerare drept creierul (in ghilimele) unui sistem.

Introducerea tehnologiei MEMS oferă o reducere de masă de la câteva sute de grame pe senzor, folosind tehnologia convențională, la zeci de grame, pentru un senzor MEMS, ambalat ca senzor autonom. Având în vedere posibilitatea de a integra același senzor în orice altă carcasă mecanică, greutatea suplimentară prin adăugarea unui element de detectare pe bază de MEMS, masa adăugată este ordonată numai în grame. Masele, volumul și consumul de energie redus în mod inerent adaugă valoare sistemului în ceea ce privește costurile reduse, dar în multe cazuri permit, de asemenea, o redundanță sporită, performanța funcționalității.

Minituarizarea sistemelor de actionare
Sistemul de actionare reprezinta o multime de elemente fizice legate intre ele care se introduce in generatorul de energie mecanica si dispozitivul care opereaza direct asupra oiectului de lucru cu scopul de a transoforma si transmite energia mecanica initiala la organul final care actioneaza asupra oiectului de lucru.
Prin raport cu gradul de interventie a corpului uman se disting sisteme de actionare cu interventie umana si sisteme de actionare fara interventie umana.

Sistemele de actionare fara interventie umana sunt cele care sunt puse in miscare de surse de energie exterioare corpului omenesc, surse de energie numite motoare fiind generatoare de forta mecanica ce pune in miscare sistemul de actionare denumit in acest caz sistem de actionare mecanic. Desi sura de energie mecanica poate fi hiraulica, pneumatica, electrica, termica, chimica sau de alta natura sistemele de actionare puse in miscare de aceste motoare sunt denumite mecanice doarece miscarea fortei de la motor la sistemul de actionare si de la el la obiectul asupra caruia se actioneaza se finalizeaza intr-o forma mecanica.

În literatura de specialitate sunt prezentate clasificări ale mini și micro roboților în funcție de dimensiuni, structuri și sarcini specific.

Astfel, miniroboții sunt caracterizați de un raport subunitar între dimensiuni și domeniul lor de operare, fiind capabili să manipuleze precis obiecte microscopice dar și să se poată deplasa pe disțante relativ mari.

Aplicațiile miniroboților în domenii cum ar fi: microasamblare, metrologie, inginerie medical, inginerie auto, etc. In figura de mai jos impun echiparea cu dispozitive de prindere miniaturizate, cu dimensiuni adaptate la dimensiunile obiectelor prinse, având caracteristici constructiv-functionale specifice, determinate de rolul și mediul de operare.

Reprezentarea schematică a domeniilor unde se utilizează aplicații ale miniroboticii

³. Dimensiunile diferite ale roboților miniaturizați, ale mini și microroboților sunt determinate de aplicațiile lor diferite, și implică tehnologii de realizare, metode de măsurare, control și de asamblare diferite. Mini si micro robotii de tip clasic sunt caracterizati de o arhitectura asemanatoare robotilor industriali si manipulatoarelor, obtinuta prin miniaturizarea sau integrarea elementelor componente. Performanțele lor functionale depind nemijlocit de posibilitatile tehnologice în directia miniaturizarii senzorilor si actuatorilor. Spre deosebire, mini si micro robotii neconventionali au la baza fenomene fizice particulare (piezoelectricitate, magnetostrictiune, memoria formei, etc.). Utilizând proprietățile așa-numitelor materiale “inteligente”, dobândesc o funcționare similară roboților de tip clasic, cu posibilități sporite de miniaturizare. Cel mai adesea se obține o mobilitate ce determină deplasarea întregului sistem sau a unei părti a acestuia pe suprafața unui solid, în mediu lichid sau în aer.

Din punct de vedere tehnologic, este dificil de delimitat o tipologie specifică mini și microroboților, totuși se pot identifica două clase distincte:

a) microroboții de tip clasic la care arhitectura este cea a roboților industriali și manipulatoarelor, fiind obținută prin miniaturizarea sau integrarea

elementelor componente. Performanțele lor funcționale depind nemijlocit de progresele tehnologice în direcția miniaturizării senzorilor și actuatorilor,

b) microroboții neconveniționali ce se bazeză pe principii fizice particulare

(piezoelectricitate, magnetostricțiune, memoria formei, electroreologie).

Aceștia utilizează proprietățile mecanice, electrice sau magnetice ale așa-numitelor materiale ,,inteligente", ceea ce permite, în final, realizarea unor funcții specifice robotilor de tip clasic. Cel mai adesea se obține o mobilitate ce determină deplasarea întregului sistem sau a unei părți a acestuia pe suprafața unui solid, în mediu lichid sau în aer.

Asamblarea microsistemelor, însoțită de transportul nedistructiv, manipularea precisă și poziționarea precisă a microcomponentelor sunt aplicații dintre cele mai importante ale microroboților.

În functie de aplicatie, exista mai multe tehnici de mini si micromanipulare:

– mini si micromanipulare manuala;

– mini si micromanipulare partial automatizata, în cadrul unor sisteme comandate de la distanta;

– mini si micromanipulare în cadrul unor statii computerizate, automate, multifunctionale.

În general, manipularile presupun urmatoarele etape: apucare, transport, pozitionare, decuplare, procesare (taiere, decupare , lipire etc). Obiectele cu dimensiuni de ordinul milimetrilor pot fi prinse cu minigripere, realizate asemanator cu dispozitivele de prehensiune clasice, dar în conditiile unor precizii mult mai mari. Microgriperele, pentru a caror realizare se recurge la solutii originale, diferite de ale efectorilor finali clasici, sunt destinate manipularii obiectelor cu dimensiuni cuprinse între 1 mm si 1 μm. Obiectele cu dimensiuni mai mici de 1 μm nu pot fi manipulate decât cu dispositive speciale, din domeniul nanotehnologiei.

Caracteristicile constructiv – functionale ale mini si microgriperelor sunt determinate nemijlocit de faptul ca fenomenele fizice ce însotesc mini si micromanipularea sunt diferite de cele specific macromanipularii. Astfel, cea mai evidenta diferenta consta în importanta mult mai mare a fortelor de adeziune (de suprafata) decât a fortelor inertiale (de masa) în lumea micro fata de lumea macro dimensiunilor. Ca si o consecinta, lasarea (desprinderea) unui micro-obiect ridica mai multe probleme decât prinderea (apucarea) lui.

Greutatea microobiectelor este neglijabila iar cele mai semnificative forte de adeziune sunt fortele Van der Waals, cele electrostatice precum si fortele de tensiune de suprafata. Interactiunile “obiect – obiect” si “obiect – griper” sunt foarte complexe. Mini si micro manipularile sunt sensibile la conditiile exterioare, cum ar fi temperatura, umiditatea si vibratiile.

Datorită evoluției tehnice foarte rapide din ultimii ani, în structura diverselor sisteme a fost necesară dezvoltarea și implementarea unor noi tipuri de mecanisme care să fie cît mai compacte, să nu aibă jocuri și să nu necesite lubrifiere. În această categorie se încadrează și mecanismele compliante.

În literatura de specialitate, mecanismele compliante mai apar si sub denumirea de “mecanisme cu elemente elastice”, “mecanisme cu cuple cinematice elastice”, sau “mecanisme cu conexiuni elastice”.

Mișcarea, în cazul mecanismelor cu conexiuni elastice, este asigurată prin deformarea elementelor elastice

Obținerea mișcării în cazul mecanismelor compliante

Principalele caracteristici ale mecanismelor compliante sunt:

Avantaje:

volumul spațiului de lucru este cuprins între 0,5 mm3 și 5 cm3;

în domeniul microsistemelor se recurge la structuri flexibile de tip mono-piesă;

jocurile sunt eliminate deoarece este realizat din repere puține sau chiar dintr-o singură bucată;

volumul spațiului de lucru este cuprins între 0,5 mm3 și 5 cm3;

absența frecărilor în cuple și lipsa lubrifierii ;

legătura dintre elemente se face prin intermediul unor conexiuni / legături elastice ce asigură o mișcare relativă între elemente;

conexiuni elastice care pot determina o cuplă cinematică sau chiar un mecanism;

frecvențele proprii ale conexiunilor elastice influențează stabilitatea mișcării în condiții dinamice de funcționare;

datorită lipsei operației de asamblare (montare), este redus costul și timpul de fabricație

Dezavantaje:

au capacitate de încărcare limitată;

analiza cinematică foarte complexă;

deplasări limitate, date de limitele între care au loc deformațiile elastice ale cuplelor sau elementelor ;

Aceste mecanisme pot fi integrate în structuri cu actuatori diferiți, cum ar fi cei electrostatici, piezoelectrici sau pe bază de aliaje cu memoria formei fără necesitatea unor procese complexe de asmablare.

Mecanismele compliante, spre deosebire de mecanismele clasice, oferă mijloace simple de a realiza o mișcare controlată și de a genera forțe cu utilizarea unui număr redus de acutuatori.

http://intelligence.sri.ro/microtehnologii-utilizate-sistemele-de-supraveghere/

https://www.didactic.ro/materiale-didactice/m-v-sisteme-de-actionare-electrica

Sisteme de actionare electrica

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576507000410

https://www.engr.sjsu.edu/trhsu/Miniaturization%20.pdf

(am bagat la miniaturizarea sistemelor tehnice dar nu se leaga verifica )

2 ANALIZA COMPARATIVĂ A UNOR MINI SI MICROSISTEME DE POZIȚIONARE CU MECANISME COMPLIANTE

Sistemele de pozitionare performante, realizate la scara nano, micro sau macro, au determinat dezvoltarea asa-numitelor structuri inteligente, capabile să răspundă la stimuli mecanici, electrici, magnetici, termici, chimici, etc. Unul din conceptele actuale vizeaza adaptarea și integrarea acestor sisteme neconvenționale cu mecanismele sau sistemele compliante. Tehnologiile de realizare a mecanismelor compliante nu permit, în marea majoritate a cazurilor, echiparea lor cu actuatori clasici, convenționali, astfel că cele mai utilizate sisteme de acționare specifice acestor mecanisme au la bază mișcarea limitată, controlată produsă de actuatorii pe bază de aliaje cu memoria formei, piezoelectrici, magnetostrictivi, electrostatici, termici, chimici, optici, etc.

Ȋn contiunuare sunt prezentate variante constructive de mecanisme de poziționare realizate cu cuple flexibile.

Mecanisme compliante pentru amplificare a mișcării cu actuatori piezoelectrici

În figura 2.1 sunt prezentate mecanisme compliante plane de amplificare acționate cu actuatori piezoelectrici [46].

Figura 2.1a reprezintă un mecanism de amplificare compliant, care realizează pozitionare liniară și care are actuator piezoelectric. Cursa maximă este de: 200 µm, forța necesară deplasării: 0.15N iar tensiunea maximă de 150V. Ȋn figura 2.1b mecanismul compliant de amplificare preia mișcarea de translație generată de actuatorul piezoelectric pentru tensiuni intre -30 si 150 V. Mecanismele compliante de amplificare au la ieșire deplasări in intervalul de la 18 micrometri pînă la 2 mm [http://www.dynamic-structures.com/actuators/]. Ȋn fig 2.1c mecanismul compliant realizează amplificarea deplasării actuatorului piezoelectric proiectat pe baza „principiului levierului”, ajungând la o cursă maximă de 100 de microni. La sistemul compliant de amplificare din figura 2.1d se obține o cursă maximă de 130 micrometri, forță de blocare 44.4N la o frecvență de rezonanță 1098 Hz.. [http://www.cedrat-technologies.com/en/mechatronic-products/actuators/apa.html]

Mecanismul compliant de amplificare din figura 2.1e transmite o cursă maximă de 716 micrometri, la o forță de blocare: 1100 N; fecvența de rezonanță 345Hz. [http://www.cedrat-technologies.com/en/mechatronic-products/actuators/apa.html]

Sistemul compliant de aplificare din figura 2.1 f are o cursă maximă de 10 mm http://www.dynamic-structures.com/actuators/].

Sisteme cu mecanisme compliante de micropozitionare in plan:

http://www.dynamic-structures.com/stages/

a b

Fig 2.2 Mecanisme compliante de pozitionare plane

În figura 2.2 sunt prezentate mecanisme compliante plane de pozitionare acționate cu actuatori piezoelectrici realizate de firma Dynamic structures.

Ȋn figura 2.2.a sistemul de poziționare precisă, acționat cu actuator piezoelectric de la fima DSM model XSA-0200C prezintă miscare ghidată de lamele flexibile de peste 200 de microni și este utilizat pentru scanare, metrologie si procese de inspectie. Prin construcția sistemului compliant se urmărește obținerea unei mișcări de translație de ieșire, precum și o reacție dinamică pentru stabilitatea și controlul poziției.

Ȋn figura 2.2. b sistemul compliant de poziționare precisă de la fima DSM model ZSA-1000C are miscare ghidată de lamele flexibile rezultând la iesire o cursă maximă de 1 mm și se utilizează pentru scanare, metrologie si procese de inspectie; acesta poate fi asociat cu sistemul SA-500 al DSM pentru controlul cu buclă închisă, cu o sondă capacitivă de înaltă rezoluție, care asigură o stabilitate a poziției de 20nm și un profil de viteză foarte stabil în anumite regiuni de scanare specificate.

Ȋn lucrarea optimal Synthesis for Workspace and Manuapubility of Pralell flexure Mechanism (fig 2.3) se prezintă un mecanism plan de pozitionare cu doua grade de mobilitate cu caracteristicile: .

Intrări : Mgl=0.97-0.04; U_>0.8 Iesiri :-Dimensiuni: a=(x-a) min 1 6 =220 mm ;B=130mm;cl=(f-c)=8mm;d=115 mm -Gama actuatorului: S=28mm -Pozitia inițială : ϕ20=25°; ϕ50=332.5° -Spatiu de lucru: W=249.5 mm2 -Manipulabilitate globală : M gl=0.991 -Uniformitate :U=0.8025 .În lucrare se analizează spatiu de lucru .

Fig.2.3 Mecanism compliante de pozitionare plan cu doua grade de mobilitate

Un alt mecanism compliant de pozitionare cu acționare piezoelectrica este prezentat in figura 2.4.

Fig. 2.4 Mecanism compliante de pozitionare plan cu doua grade de mobilitate

Un alt mecanism compliant plan de poziționare realizat de Anderson, 2003; Culpepper, 2006; care poziționeaza o platforma in plan este prezentat in figura 2.5.

Fig.2.5 Mecanism compliant de pozitionare plan

Principalul avantaj al structurilor planare este acela că întregul mecanism poate fi fabricat monolitic și are precizie mare, dar de obicei un spațiu de lucru mic, în comparație cu mecanismele seriale.

Ȋn lucrarea „Design high-bandwidth high-precision flexure-based nanopositioning modules”(Fig.2.6) se prezintă conceptia si realizarea unui mecanism de pozitionare in planul (XY),

Fig.2.6 Mecanism compliant de pozitionare plan

In lucrarea 'A three DOF compliant micromotion stage with flexure hinges ' realizata de Tien-Fu Lu, Daniel C. Handley ,Yuen Kuan Yong, Craig Eales (2004 ), se prezinta un sistem de pozitionare cu 3 grade de libertate (fig 2.7.).

Fig.2.7 Mecanism compliant de pozitionare plan

Acest robot are mișcare in plan si anume doua mișcari de translatie (de-a lungul axei x si de-a lungul axei y)si o mișcare de rotație (in jurul axei z ).Efectorul final se afla in centrul plăcii.

La Universitatea din Braunschweig-Germania Fig. 2.8) poziționarea roboților paraleli se realizează cu ajutorul cuplelor compliante realizate prin subțiere de material ce sunt montate în paralel, pentru o mai bună precizie de poziționare. Mișcarea se realizează pe mai multe axe, viteza de lucru este mare, iar precizia este foarte bună.

Fig 2.8 Robot paralel cu brațe flexibile

Ȋn lucrarea titlul 'Hexflex: a planar mechanism fod six-axis Manipulation and alignment”se prezinta un sistrem de pozitionare plan .cu urmatoarele caracteristici: -diamentrul cercului care cuprinde HexFex 180 mm; -material aluminu 6061; lungime 55, latime 5 mm,grosime 3.1 mm.

Fig.2.9 Prototip HexFlex

Mecanisme complexe realizate din mai multe module de bază a cuplelor flexibile de rotație și translație se prezintă în figurile 2.10.

In figura 2.11, realizata de catre Prabhjot Singh, Yong-Mo Moon, Debasish Dutta, Sridhar Kota se prezinta o platforma paralela complianta, [40]. Sistemul compliant final fiind realizat ca o conexiune paralelă a mai multor componente individuale elastice.

Fiecare componentă este elastica, are un nivel scăzut de frecare, mecanismul prevede constrângerile compliante de-a lungul și/sau raportate la o singură axă. Componentele elastice sunt de trei tipuri functionale: 1) "arc lamelar", care are deplasare liniară numai de-a lungul axei sale; 2) "arc de torsiune", care are numai rotație în jurul axei sale; 3) "arc șurub", care rezistă datorita combinatiilor de-a lungul si în jurul axei sale de rotație. Prin alegerea corespunzătoare a geometriei ȋn funcție de modul funcțional a fiecărei componente elastice, un mecanism compliant spațial este capabil de orientare, ghidare si de forta pasivă.

Fig. 2.11. Mecanism compliant de pozitionare spatial

Un exemplu tipic de mecanism compliant spatial paralel, (Liu et al., 2001) este prezentat ȋn figura 2.12. Platforma este sustinuta de lant cinematic realizat cu cuple flexibile cu axe multiple de compliantă.

Fig. 2.12. Mecanism compliant de pozitionare spatial cu axe de complianta multiple

Un exemplu de mecanism compliant serial spațial (Liang si colab, 2011).; cele trei elemente de acționare conectate la mecanisme compliante formează un mecanism paralel care efectuează mișcarea in z,x,y,z (Fig. 2.13).

Fig.2.13 Mecanism serial spatial de poziționare

Sistem de poziționare pe 3 axe care poate fi utilizat într-un mediu cu vid din figura 2.14. [http://www.dynamic-structures.com/extreme-environment-actuators/], este proiectat pentru a crea etape independente X, Y și Z. De-a lungul axelor X și Y se obțin curse maxime de 200 microni, iar de-a lungul axei Z cursă maximă de 500 microni.

Fig.2.14 Mecanism de pozitionare pet rei axe

Designul de bază a sistemului este scalabil pentru capacitățile de deplasare mai mici sau mai mari. Controlul se face ȋn buclă închisă pentru axele X și Y.

2.3 Concluzii

Din studiul mecanismelor compliante de pozitionare prezentate în acest capitol, cunoscând caracteristicile mecanismelor clasice (cu elemente și cuple rigide), se desprind următoarele concluzii:

Dimensiunile minime ale mecanismelor clasice realizate prin asamblarea unor componente, sunt limitate, implicit volumul minim al spatiului de lucru este limitat;

Limitările minimizării mecanismelor compliante de poziționare sunt date doar de tehnologiile de realizare și de material; structura monobloc și tehnologiile specifice MEMS permit reducerea dimensiunilor;

La mecanismele clasice existăfrecare în cuple iar jocurile și toleranțele influențează negativ precizia și acuratețea;

La mecanismele compliante frecările în cuple sunt absente rezultând precizie și acuratețe mare;

3. PROIECTAREA UNOR MINI/MICROSISTEME

Pe baza celor prezentate în capitolele anterioare, referitor la particularitățile mini și micromecanismelor precum și la avantajele mecanismelor compliante, în acest capitol se proiectează mecanisme de poziționare, având ca și caracteristică structura monobloc, dimensiunile reduse și acționarea cu actuatori piezoelectici.

Modulele structurii sistemului proiectate sunt (Figura 3.1): cu următoarele module: mecanism serial (1), actuatori piezoelectrici, structura mecanică și controller.

Figura 3.1 – Structura generală a sistemului de micromanipulare

Principalele diferențe între proiectarea convențională și cea specifică mecatronicii [NOV01], sunt prezentate în (Tabelul 3. 1).

Tabelul 3.1 – Diferențe între proiectarea convențională și cea specifică mecatronicii

Sistemul de micropoziționare a fost conceput din următoarele module: mecanisme compliante (2), platforme(1,4), actuatori piezoelectrici(3), controler(5) (Figura cu tot sistemul – cu sageti care corespund elementelor componente).

Scopul proiectării microsistemului este de a fi utilizat ca suport pentru asezat probe sub lentila microscopului avand rolul de ajustare a distanței de focalizare a microscopului pentru o imagine mai clara a probei .

Una din problemele necesar de rezolvat la structurile bazate pe cuple flexibile constă în asigurarea amplificării curselor efectuate de actuatorii neconvenționali care determină deplasări mici. Astfel, este necesară proiectarea unor structuri capabile să dezvolte amplificări ale curselor/forțelor într-un gabarit dat de restricțiile privind miniaturizarea.

În continuare se realizează calculul analitic, modelarea 3D, calculul numeric și simularea pentru sistemul proiectat.

3.1. Modelarea si Analiza structurii mecanice proiectate

Dintre condițiile pe care trebuie să le îndeplinească un sistem de micropoziționare, cele mai importante sunt: asigurarea mișcării cu mare precizie și repetabilitate, frecvență naturală înaltă pentru bune proprietăți dinamice, rezistență, etc. [NOV01].

Pentru a îndeplini astfel de cerințe, trebuie respectate / aplicate următoarele reguli de proiectare:

A. Referitor la selecția materialului

Pentru mecanismele compliante, se recomandă alegerea unui material caracterizat de un raport mare între efortul unitar σ și modulul de elasticitate E (mai precis, se recomandă materiale cu rezistență mecanică mare și un modul de elasticitate mediu).

B. Referitor la geometria (topologia)/ structura mecanismului compliant

Numărul gradelor de libertate este determinat nemijlocit de aplicația mecanismului compliant. Structura mecanică trebuie să fie cât mai simplă și mai compactă, cu un număr cât mai redus de lanțuri cinematice. Se recomandă cuple elastice cu un singur grad de libertate (o translație sau o rotație) deoarece cuplele elastice sferice și cele universale (care au două grade de libertate) sunt dificil de prelucrat și presupun costuri ridicate. Un anumit tip de cuplă elastică poate fi realizată constructiv în mai multe variante, cu caracteristici geometrice diferite. La proiectare trebuie să se urmărească o complianță maximă după axa controlată și minimă după celelalte direcții, adică să aibă o rigiditate maximă pe direcțiile mișcărilor nepermise. Maximizarea amplitudinii mișcării permise de o cuplă elastică dată, poate fi asigurată nu numai prin alegerea corespunzătoare a materialului, ci și prin optimizarea dimensiunilor cuplei (lățime, grosime, lungime, rază de curbură, etc

C. Referitor la metodele de prelucrare

Procedeele de prelucrare neconvenționale s-au dovedit eficiente și potrivite pentru realizarea mecanismelor compliante în structură monolitică. Câteva dintre acestea sunt: imprimarea 3d, prelucrarea prin eroziune electrică, prin eroziune chimică și electrochimică, cu fascicol Laser, cu fascicol de electroni, cu plasmă, cu jet de apă. La acestea se adaugă prelucrările pe mașini cu comandă numerică, iar pentru dimensiuni specifice mini și micromecanismelor, se aplică cu succes așa numitele microtehnologii. Acestea presupun operații de prelucrare a substraturilor, de preparare a straturilor subțiri, de configurare a straturilor subțiri și de realizare de microstructuri.

Indiferent de metoda de prelucrare, se va urmări eliminarea tensiunilor reziduale cauzate de prelucrarea propriu-zisă, în special la nivelul cuplelor elastice. Prin aplicarea unor programe CAD/CAM, durata de la proiectarea inițială până la prototipul final, va fi mult scurtată.

D. Referitor la sistemul de acționare

Prima condiție ce trebuie îndeplinită se referă la alegerea unui actuator adecvat, astfel încât caracateristicile lui să fie în concordanță cu cele ale mecanismului compliant acționat. Criteriile ce pot fi avute în vedere sunt: dimensiuni reduse și forme complexe, cursa actuatorului începând de la 1 µm, precizie de ordinul nanometrilor, răspuns rapid în timp, viteză mare, număr de grade de libertate, rigiditate, cost, etc.

Se recomandă actuatorii pe bază de deformații limitate controlate (piezoelectrici, magnetostrictivi, termici, pe bază de aliaje cu memoria formei), dar și cei pe bază de interacțiune a câmpurilor sau a sarcinilor (actuatori electrostatici, de tip voice-coil, etc).

Metode de analiză a mecanismelor compliante

Obiectele cu dimensiuni de ordinul milimetrilor pot fi poziționate pentru analiză și verificare sub obiectivul microscopului cu ajutorul mecanismelor compliante de pozitionare ce sunt realizate din punct de vedere funcțional similar cu cele clasice dar în condițiile unor precizii mult mai mari. Alte aplicații pentru mecanisme compliante de poziționare sunt în domeniul ingineriei mecanice de precizie, în domeniul medicinei, al opticii, etc.

La proiectarea și realizarea mecanismului de poziționare miniaturizat apar constrângeri suplimentare, date de următoarele aspecte:

gabarit redus;

condiții diferite de mediul în care operează: aer, lichid, medii sterile, etc.

dimensiunea obiectelor poziționate, ceea ce implică controlul fin al acționării;

condiția de a realiza o poziționare stabilă a obiectelor de diferite forme;

constrângeri specifice, determinate de interfața.

Model analitic

Din literatura de specialitate [NOV01], la analiza cuplelor flexibile simple, pentru calculul analitic există două modele de calcul [NOV01] a poziției capătului liber și a amplificării deplasării, prezentate schematic în figura. 3.3.

Un prim model simplificat, presupune cupla flexibilă ca fiind punctuală și o înlocuiește cu un arc de torsiune – Fig. 3.3 (a), în timp ce al doilea model, mai complet – Fig. 3 (b), ia în considerare lungimea cuplei flexibile.

Fig. 3.3. Mecanism compliant tip levier: (a) model simplificat; (b) model complet

În cazul ambelor modele, calculul amplificării deplasării se face cu formula:

(1)

unde y1 și y2 reprezintă deplasările punctelor 1 și 2 – Fig. 3.3

3.2.Analiza cu model pseudo-rigid simplificat – cuplă flexibilă punctuală

Levierul 1-3 din Fig. 3.3 (a) se rotește cu un unghi θ3 care se determină din egalitatea lucrului mecanic exterior efectuat de forța F și a lucrului mecanic al resortului elastic și anume:

(2)

În cazul în care cupla de rotație este o cuplă flexibilă de lungime lf, constanta de torsiune a arcului se calculează astfel:

(3)

iar unghiul de rotire devine:

(4)

Cotele de interes se calculează astfel:

(5)

Poziția finală a punctului 1 este definită de cotele:

(6)

Amplificarea este:

(7)

Analizând ec. (6) se constată ca poziția finală a capătului liber depinde de încărcare și de parametrii geometrici ai mecanismului, dar amplificarea depinde doar de 2 parametri geometrici – ec. (7).

3.2.1.Model analitic complet – cuplă flexibilă tip mecanism compliant

În cazul în care se ia în considerare lungimea finită a cuplei flexibile – Lobonțiu, Garcia [2], se calculează întâi deformațiile capătului cuplei flexibile cu ajutorul teoremei lui Castigliano și a Fig. 3.4 (a) și anume:

(8)

unde Mi este momentul încovoietor la abscisa x măsurată din capătul 3 și anume:

(9)

Fig. 3.4. Deformații la mecanismul compliant tip levier: (a) cuplă flexibilă; (b) întreg mecanismul

Dupa efectuarea calculelor, se constată, cu ajutorul Fig. 3.4 (b), că parametrii de interes sunt:

(10)

iar amplificarea este:

(11)

Se observă de data aceasta – din ec. (10) și (11), că atât deplasarea punctului 1 cât și amplificarea mecanismului depind de încărcare, geometrie și proprietățile de material.

Considerând cupla flexibilă cu secțiune dreptunghiulară constantă, cu valorile parametrilor : lf = 3 mm, l1 = 6.5mm, tf = 2 mm, b = 2,5 mm, realizată din oțel inoxidabil la care se aplică forțele, din tabelul 3.1., obținem poziția pentru punctul 2 cu valorile:

Materialul utilizat pentru fabricarea mecanismului compliant precum si majoritatea celorlalte repere este policarbonatul (PC).

Date tehnice cu privire la policarbonat sunt prezentate in tabelul

Pentru verificare se calculează momentul încovoietor maxim, forța maximă admisă și deplasarea maximă în funcție de proprietățile geometrice și de material.

Momentul încovoietor este maxim în secțiunea de încastrare, adică:

(3.18)

Dar:

(3.19)

Din relațiile (4.19) și (4.20), rezultă relația pentru verificare:

deci (3.20)

Forța maximă admisă și unghiul de rotație maxim:

(3.21)

respectiv (3.22)

Analog se calculează și pentru celelalte cazuri.

Pentru determinarea deplasării maxime, se realizează calculele utilizând ecuația diferențială a fibrei medii deformate:

(3.23)

unde: x – distanța de la forța F la o secțiune oarecare;

E – modulul de elasticitate al materialului;

I – Momentul de inerție, care se consideră constant.

Prin integrarea relației (4.23) se obține:

(3.24)

Constantele și se determină din următoarele condiții la limită:

– pentru rezultă:

și ; (3.25)

astfel rezultă:

(3.26)

sau: (3.27)

(3.28)

În final rezultă deplasarea maximă admisă:

(3.29)

Urmează rezultatele calcuculelor de verificare :

Mimax =95 Mpa

σimax =117 Mpa

Fi max=17.54 N

θimax=0.4230

y1 max=1

y2 max=2

y3 max=3

y4 max=4

y5 max=5

3.3. Metoda Elementului Finit

Analiza cu element finit este una din metodele cele mai rapide și eficiente, care se aplică în studiul mecanismelor compliante. Astfel, tensiunile și deformațiile care apar în elementele mecanismului compliant precum și deplasările pe care le realizează mecanismul sub acțiunea unor forțe exterioare (Fig. 3.5.), se determină, utilizând această metodă, considerându-se structura materialului omogenă [141], [165].

Fig. 3.5. Analiza cu element finit

Prin metoda elementului finit se poate asigura optimizarea formei geometrice a cuplelor flexibile și elementelor deoarece metoda se bazează pe modelul solid al mecanismului. Etapele de calcul ale analizei cu element finit sunt prezentate în figura 3.6.

Pentru calculul cu element finit, se consideră că materialul are următoarele proprietăți: este omogen, izotrop și are comportare elastică liniară.

La etapa de preprocesare se realizează:

modelarea geometrică a mecanismului, prin care se stabilesc parametri geometrici și forma mecanismului compliant [9], (Fig. 3.7.);

alegerea materialului din care este construită cupla și elementul elastic, considerându-se structura materialului omogenă iar elasticitatea liniară;

precizarea constrângerilor și solicitărilor, care se aplică într-un punct sau pe suprafață, precum și stabilirea direcției și sensului de aplicare a încărcarilor (Fig. 3.8.);

discretizarea modelului, se realizează prin împărțirea mecanismului în forme geometrice simple, legătura dintre elemente facându-se prin linii comune și noduri. Împărțirea se face astfel încât în zonele de solicitare maximă să avem o rețea mai deasă de elemente finite, pentru o mai mare precizie a analizei, respectiv a rezultatelor acesteia, [8], (Fig. 3.9.).

În etapa de lansare în execuție sau procesarea datelor, se realizază calcule privind:

deformatiile;

tensiunile din material;

deplasările sub actiunea incărcarilor.

Prin interpretarea rezultatelor se realizează așa-zisa postprocesare, unde se realizează grafice si se analizează rezultatele.

Este foarte importantă interpretarea rezultatelor deoarece după această operație se stabilește varianta optimizată a mecanismului și aici pot să apară foarte ușor erori de interpretare. Astfel se tine seama de faptul că mecanismulul compliant optim trebuie să fie suficient de flexibil pentru se încadra în limita de elasticitate a legii lui Hooke și trebuie să fie suficient de rigid și puternic pentru a rezista la încărcările exterioare.

Avantajele metodei cu element finit sunt:

analiza cu element finit este o metodă rapidă;

are o largă varietate de tipuri de analiză (statică, dinamică, termică și mixtă);

se poate alege forma elementului finit pentru analiză;

în zonele de interes se poate realiza o discretizare mai fină, ceea ce implică rezultate mai precise;

realizează analiza unor forme foarte complexe;

se poate face ușor analiza mecanismelor spațiale;

se pot schimba relativ ușor parametrii geometrici ai modelului analizat;

se poate face analiza aceluiași model pentru diferite încărcări și diferite materiale.

Pentru aceleași valori la setul de încărcări ca și pentru metoda analitică, considerând grosimea cuplei flexibile de 2.5 mm, iar materialul din care se realizează cuplele fiind policarbonat, în urma analizei cu element finit, pentru deplasarea la capătul liber avem valorile conform figurii 3.13.

3.4. Proiectarea, modelarea și analiza mecanismului compliant de poziționare

https://compliantmechanisms.byu.edu/content/intro-compliant-mechanisms

În continuare se proiectează, modelează și analizează un mecanism compliant de poziționare. Comportarea materialelor piezoelectrice permite executarea unor deplasări foarte mici cu o acuratețe în domeniul nanometric, iar răspunsul în timp este foarte bun. Deplasările induse de efectul piezoelectric se amplifică prin forma geometrică proiectată a mecanismelor compliante.

Din analiza cuplelor flexibile a rezultat cea mai mare amplificare a deplasării la cuplele cu profil dreptunghic cu racordare, astfel, în continuare se va utiliza în structurile proiectate acest profil. Încă din faza de proiectare se stabilesc doua feluri de actuatori utilizat la comanda mecanismului de pozitionare și anume: actuator piezoelectric de tip stivă cu dimensiunile de 6.5×6.5×18 mm si 6.5×6.5×15 mm

În figura 3.16. este prezentat modelul solid a mecanismului de poziționare .

Notațiile din figură sunt următoarele:

Fig. 315. Modelarea mecanismului de poziționare și a actuatorului piezoelectric

Modelarea parților componente care se asambleza sunt prezentate in figura de mai jos (Fig. 3.17)

Desenul de execuție pentru sistemul de pozitionare compliant este prezentat în Anexa 1.

Din punct de vedere cinematic, conexiunile elastice se reduc la cuple cinematice de rotație ca urmare a unor solicitări la încovoiere după o singură axă de complianță, respectiv la cuple cinematice cu axe multiple de complianta.

Utilizând aceeași parametrii geometrici și aceleași proprietăți de material se realizează analiza prin metoda cu element finit, cu programul INVENTOR; modelul 3D fiind proiectat cu software-ul INVENTOR. Discretizarea suprafeței tridimensionale în elemente finite s-a realizat în mod optim, adică în zonele cu dimensiuni mai reduse numărul de elemente finite a fost mai mare, scopul urmărit fiind creșterea preciziei calculului în aceste zone de interes.

Calculul Fortei necesare deplasăriii:

Se incepe calculul cu forta maximă a piezoelectricului ce rezultă din fisa thenică : 856 N

ea se divide in două parti pentru punerea in miscare a mecanismului compliant adica:

pentru aplicarea fortei este necesra cunoasterea ariei de actionare care este de

38.431 mm^2

Formula presiunii necesare este ceea ce rezulta o presiune de 11.097 MPA

Aceasta ar fi presiunea maxima care se poate atinge in cazul in care piezoelectricul este utilizat la capacitate maxima . Dar din motivul cursei lui de 15 micrometri ,in functie de aceasta cursa se calculeatza forta necesara pentru a obtine aceasta cursa .

.

folosin regula de 3 simplă:

11.097 MPA………………………………………………………………………….0.275 mm

x Mpa……………………………………………………………………………0.0075mm

=> x=0.302Mpa reuzultînd o fortă de F=0.302*38.432=11.606 N

Tensiunea de intrare, la care este conectat actuatorul piezoelectric, poate sa fie variabila, astfel ca se poate regla si deplasarea platformei de pozitionare al mecanismului compliant in functie de tensiunea introdusa.

Deoarece interesul maxim il reprezintă valorile deplasărilor de-a lungul axelor y si z respectiv a tensiunilor von Mises, în continuare se prezintă doar aceste rezultate.

In figura 3.17 este prezentat subansamblul cu cuple compliante a mecanismului proiectat. Se pot observa in figura 3.17 a deplasarea maxima a unui picior a mecanismului compliant .

3.4. Calculul si caracteristicile actuatorului piezoelectric

Dezvoltarea unui sistem de acționare pentru mecanismele compliante debutează cu alegerea sistemului de acționare, respectiv, alegerea unui actuator adecvat, astfel încât caracateristicile lui să fie în concordanță cu cerințele mecanismului compliant acționat. Criteriile ce trebuie avute în vedere la alegerea tipului de actuator sunt: dimensiunile reduse și formele complexe ale mecanismelor compliante, cursa necesară a actuatorului, precizie de ordinul nanometrilor, răspuns rapid în timp, viteză, număr de grade de libertate, rigiditate, cost, etc. Ca urmare, pentru mecanismele compliante, se recomandă actuatorii pe bază de deformații limitate controlate ale unor elemente active din structura lor (piezoelectrici, magnetostrictivi, termici, pe bază de aliaje cu memoria formei), dar și cei pe bază de interacțiune a câmpurilor sau a sarcinilor (actuatori electrostatici, de tip voice-coil, etc) [6].

Astfel, la alegerea tipului de actuator se ține seama de caracteristicile geometrice ale elementelor active și anume: forma, lungimea, secțiunea transversală precum și parametrii de ieșire (cursă, forță, cuplu, precizie, etc). La alegere, se ține seama de următoarele:

lungimea – este determinată de cursa impusă și de structura mecanică asociată actuatorului;

secțiunea transversală – este determinată de forța sau cuplul, impuse actuatorului;

viteza de răspuns – este dependentă și de condițiile mediului în care operează actuatorul;

raport preț – performanță pentu actuator.

Analiza actuatorilor piezoelectrici

Un actuator piezoelectric este un element de poziționare, controlat electric, care funcționează pe baza efectului piezoelectric invers.

Efectul piezoelectric a fost descoperit în anul 1880 de către frații Pierre și Jacque Curie și a pus în evidență apariția unei diferențe de potențial electric la capetele unui dielectric sau feroelectric, atunci când asupra lui acționează o forță de compresie mecanică. Polarizarea electrică constă în apariția unor sarcini electrice pe suprafața materialelor piezoelectrice supuse acțiunii forțelor de compresie sau de întindere.[WWW 33]

Figura 3.10 – Efectul piezoelectric [WWW 29]

Perioada anilor 1882-1917 a fost una de identificare a cristalelor naturale cu efect piezoelectric .Una din primele aplicații ale acestora a constituit-o detectorul ultrasonic de submarine (1917). Intre anii 1920-1940 s-a completat gama acestor aplicații (rezonatoare, stabilitoare de frevență, dispozitive de testare ultrasonică a materialelor etc.) utilizînd tot cristale naturale ceea ce a limitat performanțele funționale si exploatarea dispozitivelor realizate.

In perioada celei de-a doua generații de aplicații, cuprinsă intre 1940-1965, cercetătorii din SUA ,Japonia si din fosta Uniune Sovietică au dezvoltat piezoceramicele din familia tiatanului de bariu si a zircotitanatului de plumb obținînd materiale a caror constantă dielectrică este de peste 100 de ori mai mare decît cea a cristalelor naturale. S-au înbunatațit tehnicile de dopare a ceramicelor piezoelectrice in vederea optimizării propietătiilor lor. In felul acesta s-a deschis o nouă perspectivă și anume, obținerea unui material piezoelectric pentru o anumită aplicație.

In perioada 1965-1980 recunoscută ca fiind dominată de cercetariile și aplicațiile japoneze s-au inregistrat o semnificată dezvoltare a pieței produselor pe bază de piezoceramice. In ultima etapă din 1980 pînă in prezent caracterizează de cea mai dinamică dezvoltare se incadrează si cercetăriile si aplicațiile actuatorilor pe bază de elemente active piezoelectrice.

Efectul piezoelectric direct este utilizat, de exemplu, în cazul senzorilor de forță piezoelectrici [94], [115] și presupune generarea unor sarcini electrice ca efect al solicitărilor mecanice.

La efectul invers, un câmp electric, paralel cu direcția de polarizare, determină o alungire a materialului cristalin, după aceeași direcție. Întrucât materialele monocristaline naturale, cum ar fi cuarțul, turmalina, sarea Rochelle etc. prezintă efect piezoelectric de mică amploare, au fost dezvoltate materiale ceramice policristaline, cum ar fi zircotitanat de plumb (PbTiZrO3 – PZT), cu propietăți piezoelectrice superioare. Ceramicile PZT se produc într-o gamă largă de variante constructive și reprezintă materialele de bază pentru actuatorii piezoelectrici.

Avataje ale actuatoriilor piezoelectrici :

precizie de poztionare submicronică

răspuns rapid in timp ,de ordinul microsecundelor

randament energetic in jur de 50 %

domeniu întins al semnaleleor electrice de intare (de la 1 mV la 1KV)

forțe mari dezvoltate

posibilitatea miniaturizării si a integrării din punct de vedere energetic si informațional

dpendență bine determinată între tensiunea aplicată si modulul lungimi elementelor active nemaifiind necesară echiparea cu senzori si traductori

insensibilitate la mediul de operare .

Dezavataje :

fragilitatea materialelor piezoelectrice

uzura si oboseala

Fenomenul piezoelectric invers ce îl insoțeste pe cel direct, a fost dedus pe cale matematică de catre Lippman in anul 1881, pe baza principiilor fundamentale ale termodinamicii. Acest fenomen constă in generarea de tensiuni mecanice sau miscare in cazul in care se aplică unui material piezoelectric, un cîmp electric. In particular dacă acest cîmp este alternativ materialul vibrează au o anumită frecvență si amplitudine.

Fenomenul de piezoelectricitate este descris de relații între mărimile dielectrice și mecanice, T, E, S și D care reprezintă valori ale variabilelor: tensiune mecanică, câmp electric, deformare elastică respectiv inducție electrică. Dacă un volum elementar dintr-un solid piezoelectric se supune simultan la o tensiune mecanică T și un câmp electric E, va apare inducția electrică D și deformarea S. Având ca variabile independente mărimile tensiunii mecanice T și câmpului electric E, dependența celorlalte două mărimi (deformare elastică și inducție electrică) poate fi descrisă de relațiile:

(3.1)

În condițiile unor variații mici ale mărimilor, comportarea actuatorului piezoelectric este descrisă de ecuațiile [152]:

; (3.2)

unde:

SE – complianța elastică, măsurată la câmp electric constant sau nul (inversul constantei elastice);

εT- constanta dielectrică (permitivitatea) măsurată la efort mecanic constant sau nul;

d – constanta piezoelectrică;

dt – constanta piezoelectrică, egală cu d în cazul ecuațiilor unidimensionale dar având matricea transpusă a lui d în cazul ecuațiilor tensoriale.

Aceste mărimi sunt descrise de relațiile:

; (3.3)

; (3.4)

; (3.5)

; (3.6)

Comportarea actuatorului piezoelectric atunci când este deformat elastic în câmp electric sau este polarizat și tensionat, este dată de ecuațiile electromecanice:

(3.7)

(3.8)

(3.9)

în care avem:

g, gt, e și h – constante piezoelectrice;

– constante dielectrice la deformare nulă;

cD – constante elastice la inducție constantă;

– impermeabilități dielectrice.

Alte mărimi ce caracterizează comportarea materialului piezoelectric sunt: factorul de calitate mecanic, factorul de disipare electric, temperatura Curie, factorii de cuplaj electromagnetic, variațiile acestor mărimi în funcție de temperatură și câmp, stabilitatea în timp.

Alungirea maximă a unui actuator piezoelectric depinde de materialul ceramic utilizat, de lungimea lui, L [μm], de intensitatea câmpului electric, E [V/m] și de forța, F [N], care acționează asupra lui.

Modificarea lungimii, ΔL [μm], poate fi exprimată cu ajutorul relației:

(3.10)

(3.11)

unde:

dij – reprezintă o constantă a materialului [m/V], dependentă de direcția după care se realizează alungirea;

cT – este constanta elastică a materialului, [N/m] .

Actuatorii piezoelectrici pot sa fie axiali (modul d33), transversali (modul d31) și de încovoiere (modul d31). Considerând un actuator de lungime L, cursa actuatorului , depinde atât de tensiunea aplicată cât și de forța generată, conform relației:

(3.12)

unde:

q – este factorul de forță al actuatorului;

cT – este rigiditatea.

În concluzie, comportarea actuatorului este analoagă cu cea a unui element elastic cu constanta cT [N/μm].

Forța de blocare are expresia:

(3.13)

și reprezintă forța minimă ce blochează complet deplasarea, la aplicarea tensiunii maxime.

Cursa devine nulă atunci când F este maximă, adică când tinde spre forța de blocare F0. Alungirea maximă este limitată de intensitatea câmpului electric la care poate fi supus actuatorul, fără să fie distrus de șocurile de tensiune. Cursa este maximă la actuator () cănd forța F este zero, se mai numește deplasare liberă și are expresia:

. (3.14)

Relația dintre deplasarea liberă și forța blocată F0 constituie caracteristica actuatorului. Un actuator piezoelectric este un corp elastic cu o anumită rigiditate, la fel ca orice alt solid. Dacă asupra lui acționează o forță F, mai mică decât forța de blocare, el va fi comprimat cu:

. (3.15)

Pot fi luate în considerare două cazuri distincte de comportare a unui PZT sub sarcină:

Sarcină constantă (F = constant) – în această situație sarcina este o greutate, , care rămâne constantă pe parcursul procesului de alungire. Întrucât capacitatea de alungire a piezoactuatorului nu este afectată de sarcină, alungirea maximă va fi aceeași, , ca în cazul când acesta nu este solicitat mecanic (în stare liberă), dar punctul zero al domeniului de poziționare se va deplasa în jos cu valoarea:

(3.16)

Sarcină variabilă (F = F (ΔL)) – în acest caz, forța care solicită piezoactuatorul este dependentă de alungire. Toate aplicațiile în care un element de poziționare acționează asupra unui resort sau a unui perete elastic se încadrează în această categorie. Cu cât obstacolul elastic (resortul) este mai rigid, având constanta elastică, cS , mai mare, cu atât se reduce cursa piezoactuatorului.

(3.17)

Relația (3.17) arată de ce cursa actuatorului este mai mică decât deformarea materialului activ. Inlocuind în relația 3.12., rezultă:

(3.18)

Frecvența de rezonanță a unui actuaror piezoelectric nesolicitat, variază de la câteva zeci de KHz pentru curse de ordinul micrometrilor și câțiva KHz pentru curse mai mari de 100 µm [201]. Dacă tensiunea aplicată și forțele externe sunt variabile în timp, relațiile de mai sus sunt valabile în domeniul qvasistatic, limitat de jumătatea frecvenței de rezonantă fro, dată de relația:

(3.19)

unde mef reprezintă valoarea masei efective.

Dacă actuatorul este încărcat cu o masă suplimentară M, frecvența de rezonanță devine:

(3.20)

La rezonanță, considerând o amplitudine constantă a tensiunii aplicate, rezultă o amplificare a cursei cu un factor mecanic de calitate Qm, adică:

(3.21)

Viteza vibrațiilor v este utilizată adeseori, în condiții dinamice de operare, fiind proporțională cu deplasarea:

(3.22)

Factorul Qm depinde de mai mulți parametri specifici actuatorului și sarcinii acționate. Valorile obișnuite sunt în domeniul 20  200.

Datorită amplificării, tensiunea maximă aplicată la rezonanță este mult mai mică decât cea specifică condițiilor statice de operare (aproximativ de Qm ori mai mică).

Timpul de răspuns tr al unui actuator este dat de frecvența de rezonanță, conform relației:

(3.23)

3.4 .1Calcule specifice

Pentru acționarea sistemului compliant de pozitionare proiectat și analizat în subcapitolul capitolul anterior, se utilizează actuatori piezoelectrici axiali de tip stivă, cu caracteristicile:

Dimensiuni: 6.5×6.5×18 mm;

Tensiune de alimentare maximă: 150V;

Deplasare maximă: 15 μm;

Capacitate: 1600 ± 320 (nF);

Forța de montaj: 853 N;

Frecvența de rezonanță: 261 KHz (fără încărcare mecanică);

Modulul lui Young: 4.4 x 1010 N/m2;

Preîncărcăre recomandată: <100 N.

Conform relațiilor de calcul prezentate anterior, pentru un actuator cu caracteristicile de mai sus, considerând și , în urma înlocuirii cu valori numerice, rezultă:

Constanta piezoelectrică: d33 = 1.5.10-10 m/V;

Timpul de răspuns: tr = 1.916.10-3 sec;

Rigiditatea: cT = 3.636.105 N.mm;

Forța blocată: F0 = 5.454.103 N. Pentru valori ale tensiunilor:

Rezultă deplasările la actuator:

Al doilea tip de actuator piezoelectric utilizat are caracteristicile:

Figura 3.11– Specificații actuator piezoelectric AE0505D08F [WWW 28]

Conform relațiilor de calcul prezentate anterior, pentru un actuator cu caracteristicile de mai sus, considerând și , în urma înlocuirii cu valori numerice, rezultă:

Constanta piezoelectrică: d33 = 1.5.10-10 [m/V];

Timpul de răspuns: tr =3.623.10-3 [s];

Rigiditatea:cT= 3.636.105 [N*mm];

Forța blocată: F0 = 5.454.103 [N]

Pentru valori ale tensiunilor U = ( 0, 20, 40, 60, 80, 100, 120 ) [V], avem si anumite valori ale lungimii ΔL si anume:

3.5 Comanda și controlul sistemului de micropoziționare

La actuatorii neconvenționali, fenomenul de hysterezis apare în timpul funcționăriidatorită perturbațiilor ce apar ȋn sistem, astfelse impune un control în buclă închisă (closed-loop), cu o reacție după poziție [NOV01] (Figura 3.4.2).

Valoarea erorii este dată de diferența:

ε = r – c (3.45)

unde:

c – semnalul de ieșire (parametrul controlat), este măsurat continuu;

r – semnalul de referință (care se compară cu semnalul de ieșire).

Ideal este ca eroarea să fie cât mai mică, dacă este posibil chiar zero.

Controlerul amplifică eroarea ε, această amplificare este evaluată prin factorul de amplificare k. Amplificatorul de putere adaptează semnalul de ieșire din controler la cerințele actuatorului. Procesul controlat include elementele specifice funcționării mecanismului compliant. Perturbațiile ar putea fi, variațiile de tensiune în rețeaua de alimentare, variațiile de temperatură, etc.

Flexibilitatea algoritmului de reglare este determinată de diversele legi de prelucrarea erorii (P, PI, PD, PID) și de posibilitatea modificării parametrilor ce intervin în modelul matematic al controlerului(Figura3.4.3).

a) b)

Figura 3.4.3– Controler PID: parametrii bloc a) și caracteristici ale semnalului de răspuns b)

Algoritmul PID are la bază relația:

(3.46)

unde:

KP, KI șiKD- reprezintă constantele regulatorului;

e- este eroarea, adică diferența între valoarea de referință și cea măsurată;

t – reprezintă constanta de timp a regulatorului.

Comanda se poate realiza cu un semnal PWM(acronimul de laPulse-Width Modulated) modularea de impulsuri în durată sau în lățime. Un generator de semnale, generează semnale dreptunghiulare, cu frecvență fixă dar cu factor de umplere ce poate fi modificat.

Generarea unui semnal PWM se poate face utilizând metoda intersectivă, plecând de la o formă de undă triunghiulară ușor de generat, folosind un oscilator și un comparator. Cînd valoarea semnalului de referință, unda verde din (Figura 3.4.4), este mai mare decât modulația formei de undă (albastră) , semnalul PWM (roz) se află în starea 1, iar în alte condiții se află în starea zero.

Figura 3.4.4– Metodă de generare a unui semnal PWM

În continuare se consideră o formă de undă dreptunghiulară f(t) cu o valoarea minimă ymin și valoarea maximă ymax, iar ciclul DTconform (Figurii 3.4.5).

Figura 3.4.5 – Semnalul PWM

Valoarea medie a formei de undă este dată de relațiile:

(3.47)

Datorită faptului că f(t) este o undă scuară valoarea acestuia este :

ymax pentru (3.48)

și

ymin pentru (3.49)

întreaga expresie devine :

(3.50)

dacă ymin = 0, rezultă:

(3.51)

În concluzie, valoarea medie a semnaluluieste dependentă direct de ciclul D.

În cazul amplificatoarelor PWM impulsurile aplicate reprezintă trepte de amplitudine U și perioadă T constantă, de lățime variabilă (t1,t2,..).Lățimea impulsurilor este proporțională cu tensiunea de intrare U, iar tensiunea medie de ieșire Uout este proporțională cu durata impulsului. Astfel se obține un amplificator cu dependență liniară între Uout și U.

Acest mod de aplicare a impulsurilor este prezentat în (Figura 3.4.6).

În (Figura 3.4.6) suntprezentate trei semnale diferite la intrare care generează trei ieșiri PWM cu rolul de a coda trei valori diferite ale semnalelor analogice. Pentru primul semnal de intrare, semnalul este pornit pentru 10% din perioadă și oprit pentru 90% din perioadă, iar pentru celelalte două avem ieșirile PWM la 50% respectiv 90% pornit.

Metoda PWM reprezintă un mod de codare numerică a nivelelor semnalelor analogice, astfel pentru o operație PWM se realizează următorii pași:

Setarea perioadei în contorul care furnizează modularea undei;

Setarea timpului 1 în registrul de control PWM;

Setarea direcției ieșirii PWM;

Pornirea timer-ului.

3.6 Concluzii și contribuții

În prima parte s-au proiectat, modelat și analizat cuple flexibile de diferite forte aplicate și grosimi, în vederea optimizării acestora din punct de vedere al obținerii unor coeficienți de amplificare a mișcării sau a forței.

S-au analizat deplasările obținute pentru grosimi, în condițiile aceluiași set de încărcări.

S-au analizat deplasarile obtinute pentru aplicarea diferitelor forte in conditiile utilizarii aceluiasi material.

În continuare s-a proiectat un mecanism de pozitionare compliant, cu cuple flexibile cu profil dreptunghic cu racordare și cuple flexibile cu axe de compliante multiple.

S-au efectuat calcule pentru factorul de amplificare, analiza bazată pe modelul solid prin metoda cu element finit, amplificarea maximă m.a = …

]

4-Realizari practice

În cele ce urmează se prezintă standurile experimentale și se analizează rezultatele obținute.

Din cauza costurilor ridicate si a prelucrării dificile ale pieselor sa recurs la procedeul de imprimare 3D ale acestora .

Imprimarea 3D este un proces de formare a unui solid tridimensional de orice formă,realizat printr-un proces aditiv in cazul în care straturi succesive de material sunt stabilite in diferite forme .Imprimarea este de asemenea diferită de tehnicile de prelucrare tradițonale ,care se bazează in general pe eleminarea materialului prin metode cum ar fi tăiere sau foraj .

Imprimantele 3d permit designerilor sa producă un prototip în timp foarte scrut .În consecință prototipul poate fi testat si remodelat rapid. Se pot obtine cu ajutorul imprimatelor 3D componente cu forme foarte complexe. Productia a astfel de piese prin metode traditionale durează mult si calificare speciala ,însa utilizarea acestei tehnologii de imprimare reduce timpul si nu necesita inalta specializare .

Imprimanta utilizată pentru fabricarea componetelor este prezentată in figura 4.1 aceasta fiinnd in dotarea laboratorului in cadrul facultății de mecanică . Modelul este Zortrax M 200.

Prelucrarea reperelor proiectate

Modul in care au fost realizate piesele dupa cum s-a precizat este prin imprimare 3D .In primă fază piesele au fost realizate CAD cu ajutorul softului Autocad Inventor după care au fost exportate imprimatei 3D sub format .STL .In cele din urma s-au obtinut piesele de mai jos :

Concluzii:

proiectarea si realizarea mecanismului compliant de pozitionare a avut ca obiectiv implementarea acestuia la un microscop utilizat pentru caracterizari a mini si microsistemelor .

Prototipul obtinut ne oferă posibilitatea unei facalizări Înbunatățite pentru piesele de dimensiuni micrometrice .

5 . Concluzii

Evoluția în dezvoltarea sistemelor mecatronice, în general, și a celor specifice micromecatronicii, în special, determină nemijlocit creșterea potențialului comercial al sistemelor de tip micropoziționare. Nevoia de astfel de sisteme miniaturizate de producție, cu înalte performanțe funcționale, este evidentă, astfel că sunt pe deplin justificate cercetările legate de dezvoltarea unor noi sisteme de tip microfabrică, pe de o parte, sau de îmbunătățirea și perfecționarea celor existente, pe de altă parte.

Ȋn urma studiului bibliografic rezultă că particularitățile constructiv-funcționale ale sistemelorde micropoziționare determină nemijlocit și sistemul lor de acționare, după cum urmează:

Deoarece mișcările la un mecanism compliant au loc în limita deformațiilor elastice ale unor elemente, rezultă că actuatorii recomandați cu precădere sunt cei pe bază de deformații limitate, controlate ale unor elemente active. În această categorie intră actuatorii piezoelectrici, magnetostrictivi, electrostatici, pe bază de aliaje cu memoria formei, termici, chimici, optici, etc. Cele mai bune precizii le oferă actuatorii piezoelectrici iar performanțele funcționale cele mai ridicate, raportate la gabarit sunt cele ale actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei.

In a doua parte a lucrării s-a proiectat și modelat un sistem de micropoziționare compliant destinat microscoapelor.

S-au proiectat, modelat și analizat mecanisme compliante de diferite geometrii, materiale și grosimi, în vederea optimizării acestora din punct de vedere al obținerii unor coeficienți de amplificare a mișcării sau a forței.

Fenomenul de histerezis determinat rezultat la actuatorii piezoelectrici impune un control în buclă închisă (closed-loop), cu o reacție după poziție.

Algoritmul PID prelucrează erorile, prin calculul proporțional, integral sau diferențial dintre valoarea feedback și valoarea de referință în buclă închisă, deci dă posibilitatea modificării parametrilor ce intervin în modelul matematic al controlerului.

Comanda sistemului de poziționare se face cu semnal modulat în lațime (PWM), unde impulsurile aplicate reprezintă trepte de amplitudine U și perioadă T constantă, dar lățime variabilă (t1, t2, ..). Lățimea impulsurilor este proporțională cu tensiunea de intrare U, iar tensiunea medie de ieșire Uout este proporțională cu durata impulsului. Astfel se obține un amplificator cu dependență liniară între Uout și U.

S-a realizat un prototip funcțional, la care s-au descris pașii execuției practice, de la elementele fixe, suporturi în special și elementele mobile, urmând să se asambleze în final toată structura.

Bibliografie

[AOY01] Aoyama H. – Desktop flexible manufacturing system by movable miniature robots-miniature robots with micro tool and sensor. Proceedings 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1995. p.660.

[AOY02] Aoyama H, Fuchiwaki O, Misaki D, Usuda T. – Desktop Micro Machining System by Multiple Micro Robots. 2006 IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics, 2006. p.1.

[AOY03] Aoyama H, Hayashi A. – Multiple Micro Robots for Desktop Precise Production. 1st International Conference of European Society for Precision Engineering & Nanotechnology, vol. 1. Bremen, Germany, 1999. p.60

[AOY04] Aoyama H, Iwata F, Sasaki A. – Miniature robots for a desktop flexible micro manufacturing system. Control Systems 1996;16:6

[BAS01] Bashash, S., and Jalili, N., – Robust adaptive control of coupled parallel piezo-flexural nanopositioning stages, IEEE/ASME Trans. Mechatron., vol. 14, no. 1, pp. 11–20, Mar. 2009.

[CLE01] Clevy, C., Hubert A., Chaillet, N., – A new micro-tools exchange principal for micromanipulation, Proceedings of Intelligent Robots and Systems (IROS 2004), vol. 1, pag. 230-235, ISBN: 0-7803-8463-6, 2004.

[COQ] Coqblin, M., Gendreau, D., Lutz, P., Nicod, J-M., Philippe, L et al.. Sheduling approach for Microfactories with setup times. 8th International Workshop on MicroFactories, IWMF'12., Jun 2012, Tampere, Finland. pp.1-7.

[DOR01] Doring K, Petersen HG. – Multi-robot task scheduling in micro-manufacturing. (ISATP 2005) The 6th IEEE International Symposium on Assembly and Task Planning: From Nano to Macro Assembly and Manufacturing, 2005. p.125.

[EMR] – Emrah, D, Ahmet, T, Asif, S, Miniaturized Modular Manipulator Design for HighPrecision Assembly and Manipulation Tasks, Mechatronics, Sabanci University, Orhanli, Tuzla, Istambul, Turkey, Martie 25-27, 2012, IEEE, International Workshop on Advanced Motion Control, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina

[GAU] Gauthier, M., Piat. E., – Control of a particular micro-macro positioning system applied to cell micromanipulation, IEEE Trans. Autom. Sci. Eng., vol. 3, no. 3, pp. 264–271, Jun. 2006.

[IVA01] Ivan, I.A., Rakotondrabe, M., Lutz, P., Chaillet, N., – Self-Sensing Measurement in Piezoelectric Cantilevered Actuators for Micromanipulation and Microassembly Contexts, Signal Measurement and Estimation Techniques for Micro and Nanotechnology, Spinger 2011, pp 29-69, ISBN 978-1-4419-9945-0, DOI 10.1007/978-1-4419-9946-7_2

[KHA01] Khalil, I. S. M., Golubovic, E. Sabanovic, A., – High precision motion control of parallel robots with imperfections and manufacturing tolerances, Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 2010 IEEE Conference on , pp.1-7, 13-16 Sept. 2010

[LOB01] Lobontiu, N., – Compliant Mechanisms: Design of Flexure Hinges. Boca Raton, FL: CRC, 2002.

[LUN] – Lungu, I – Cercetari privind dezvoltarea actuatorilor liniari si rotativi pe baza de aliaje cu memoria formei , cu aplicatii in sistemele de tip microfabrica, Teza de doctorat, 7 Septembrie 2010

[MAE01] Maekawa, I., Komoriya, K. – Development of a Micro Transfer Arm for a Microfactory. Proceedings of the 2001 IEEE Interational Conference or Robotics & Automation. Seoul, Korea, 2001. p.1444.

[MIS01] Mishima, N., – Development of a Design Tool for conceptual Design Stages of Machine Tools. ASPE 16th Annual Meeting. Arlington, 2001. p.184.

[MIS02] Mishima, N., Shinsuke, K., Masui, K. – A Study Efficiency Analysis of Micro Manufacturing Systems. Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Harbin, China, 2007. p.51

[NAS01] Naskali, A.T., Kunt, E.D., Sabanovic, A. – Bilevel modularity concept within a robotic assembly module of a microfactory setting, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, iunie 2013 Vol: 66 Issue: 912, Pg: 1255-1269, DOI: 10.1007/s0017001244049.

[NOV01] Noveanu, S., Mândru, D., Ivan, A., Csibi, V., – Research Concerning the Ramp and Sinusoidal Command Signals of the Piezoelectric Miniactuators, Solid State Phenomena, (2010), Vols. 166-167 pp 321-326, ISBN 13: 978-3-908451-88-4.

[NOV02] Noveanu, S., Lobontiu, N., Lazaro, J., Mandru, D., – Quasi-Static Substructuring Compliance Model of Planar Branched Flexure-Hinge Mechanisms: Design, Testing and Characterization of a Gripper, Mechanism and Machine Theory, MECHMT-D-14-0050, 2014

[NOZ] – Nozomu, M, Tanikawa, T, Ashida, K – Design of a microfactory, Computer and information in engineering conference, Montreal, Canada, 29 Septembrie – 2 Octombrie, 2002

[OKA01] Okazaki, Y., Mishima, N., Ashida, K. – Microfactory –Concept, History and Development, Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 126, nr. 4, pag. 837-845, 2004.

[XU01] Q. Xu., Design and development of flexure-based dual-stage nanopositioning system with minimum interference behavior, IEEE Trans. Autom. Sci. Eng., vol. 9, no. 3, pp. 554–653, Jun. 2012.

[SAN01] Sanchez-Salmeron, A.J., Lopez-Tarazon, R., Guzman-Diana, R., Ricolfe-Viala, C. – Recent development in micro-handling systems for micro-manufacturing. Journal of Materials Processing Technology 2005;167:499.

[TAM] – Tamadazte, B, Piat N, MEMS micromanipulation and microassembly using vision-based controls, Hydromel summer school, 1 iulie, 2010

[TAN01] Tanaka, M., – Development of desktop machining microfactory. RIKEN Review 2001;34:46.

[VER01] Verettas, I., Clavel, R., Codourey, A. – PocketFactory : a modular and miniature assembly chain including a clean environment, Proceedings of the 6th International Workshop on MicroFactories IWMF 2006, October 2006.

PATENTE

[P1] Handling manipulator assembly CN 103170968 A

[P2] Ken'ichi Yasuda, Takahiro Maeda – Manipulator system, US 20130213172 A1

[P3] Mechanical arm, CN 203092582 U

[P4] Popa, D., Murthy, R., – Microrobots with large actuation volumes and controllers systems and methods, Patent US 8,539,854 B2, 2013.

[P5] Popa. D. O., Murthy, R., Univ Texas System (TEXAC) Patent Number(s): US2014195094A1

[P6] Rotinat-Libersa, C., Solano, B., Martin, J. – Integrated mecatronic structure for portable manipulator assembly, EP 2621687 A2/2013,

[P7 ]Thomas Sturm – Robot arrangement and method of operation, EP 2631042 A2/2013,

[P8] Zhen-Xing Liu, Hong Fu Jin – Robot arm assembly US 8511197 B2 Precision Industry (Shenzhen) Co., Ltd., Hon Hai Precision Industry Co., Ltd.

INTERNET

[WWW1] – http://static.aminer.org/pdf/PDF/000/353/685/ development_of_a_micro_transfer_arm_for_a_microfactory.pdf

[WWW2] – http://themanufacturingrevolution.com/microfactories-manufacturing-in-a-more-sustainable-way

[WWW3] – http://iwmf2014.northwestern.edu/

[WWW4] – http://www.areadevelopment.com/manufacturing-industrial/Q2-2014/micro-factories–manufacturing-localization-trends-635356.shtml

[WWW5] – http://www.mec.ugal.ro/pdf/Robotica.pdf

[WWW6] – http://nidokidosfun.blogspot.ro/2014/04/nidokidos-flight-simulator-experience.html

[WWW7] – http://www.pi-usa.us/products/Photonics_Alignment_Solutions/

[WWW8] – http://www.parallemic.org/Reviews/Review002.html

[WWW9] – http://machinedesign.com/motorsdrives/how-pick-motors-linear-motion

[WWW10] – http://robot.fanucamerica.com/roboticsarticles/delta_robots_improve_highly_ repetitive_ tasks.aspx

[WWW11] – http://www.adept.com/products/robots/parallel/quattro-s650h/general

[WWW12] – http://www.asyril.com/en/products/delta-robots.html

[WWW13] – http://infoscience.epfl.ch/record/85795

[WWW14] – http://source.theengineer.co.uk/motion-control/motors/application-note-asyril-utilises-micromotors-from-maxon-in-delta-micro-assembly-robots/2011430.article

[WWW15] – http://xyzist.com/3d-product-archive/all-3d-printers/deltabot-k-mini/

[WWW16] – http://www.physikinstrumente.com/

[WWW17] – https://www.facebook.com/video.php?v=170268679807118&set=vb.535041 569868580&type=3&permPage=1

[WWW18] – http://www.shu.ac.uk/research/meri/atomic-force-microscope-afm-0

[WWW19] – http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/factories-of-the-future_en.html

[WWW20] – http://minitools.ro/product.php?id_product=2567

[WWW21] – http://www.auto.ro/stiri/Cum-functioneaza-airbag-urile-partea-I.html

[WWW22] – https://books.google.ro/books?id=AqDvAwAAQBAJ&pg=PA180&lpg=PA180&dq=hybrid+microcomponents&source=bl&ots=BL6CGFI6x-&sig=aLW0RwYn-Yo0awsdeFNUKt4qKBc&hl=ro&sa=X&ei=_YVXVbnYKIaiU5ycgeAO&ved=0CEwQ6AEwBQ#v=onepage&q=hybrid%20microcomponents&f=false

[WWW23] – http://www.researchgate.net/profile/Qingsong_Xu/publication/260146199_MEMS_Microgripper_Actuators_and_Sensors_The_State-of-the-Art_Survey/links/0c96053783a30d8bbe000000.pdf

[WWW24] -http://fab.cba.mit.edu/classes/MIT/961.04/people/manu/FRADPARC_pocketmilling.pdf

[WWW25] – http://www.mech.northwestern.edu/MFG/AML/M4/M4-Files/Mishima/

[WWW26] – http://iwmf2014.northwestern.edu/index.php

[WWW27] – http://www.thorlabs.de/thorproduct.cfm?partnumber=AE0505D08F

[WWW28] – http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/461223/NEC/AE0505D08F.html

[WWW29] – http://www.intechopen.com/books/global-warming-impacts-and-future-perspective/alternative-resources-for-renewable-energy-piezoelectric-and-photovoltaic-smart-structures

[WWW 30] – http://www.servodatabase.com/servo/towerpro/sg90

[WWW 31] – http://www.servodatabase.com/servo/robbe/16g-bb

[WWW 32] – http://ro.scribd.com/doc/27506253/Mecanisme-Slide-Cap-3#scribd

[WWW33] – http://www.qreferat.com/referate/constructii/Efectul-piezoelectric225.php

[WWW34] – https://ro.wikipedia.org/wiki/Servomotor