1

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Facultatea de Mecanică Catedra: Mecanisme, Mecanică Fină şi Mecatronică

PROGRAM IDEI ID_1076 Tipul proiectului: Proiect de cercetare exploratorie

Contract nr. 304/2007 Planul National de Cercetare, Dezvoltare si Inovare - PN II

DEZVOLTAREA UNEI FAMILII MODULARIZATE DE ACTUATORI LINIARI SI ROTATIVI PE BAZA DE

ALIAJE CU MEMORIA FORMEI

SINTEZA LUCRĂRII

Etapa II / 2008 Studiu teoretic si experimental privind proiectarea unei

familii modularizate de actuatori liniari si rotativi pe baza de aliaje cu memoria formei

Director de proiect: Prof. Dr. Ing. Dan MÂNDRU

Membri: Prof. Dr. Ing. Vencel Csibi Drd. Ing. Simona Noveanu

Drd. Ing. Ion Lungu

2007

2

În prezent se remarcă o tendinţa accentuată de a dezvolta produse în conformitate cu nevoile individuale ale fiecărui client, fără a influenţa negativ productivitatea, costurile, etc. Acest deziderat presupune trecerea de la producţia de masă (aşa numita mass production) la ceea ce se cheamă mass customization. În acest fel, se asigură „customizarea” unei mari varietăţi de produse, realizate în serie mare (Fig. 1).

O metodă recunoscută prin care se asigură adaptarea la nevoile clienţilor în condiţiile producţiei în masă, constă în dezvoltarea de familii de produse. O familie de produse reprezintă un set de produse derivate dintr-o platforma comună, astfel încât să se obţină o mare varietate de parametri de ieşire, cu o platformă comună minimală.Dezvoltarea unei familii de produse are la bază modularizarea acestora.

Modularizarea actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei este un caz particular al modularizării sistemelor tehnice. Acest demers permite realizarea

varietăţii diferiţilor actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei, prin combinarea „simplităţii” – setului de elemente modularizate. În general, termenul modularizare este utilizat pentru a descrie utilizarea în comun a unor unităţi pentru a crea variante ale unui produs. Prin acest demers, numărul necesar al componentelor din structura unei familii de produse poate fi substanţial redus, cu posibilitatea obţinerii unei varietăţi prin combinarea modulelor. Modularizarea şi realizarea în mai multe tipodimensiuni a produselor, în general, şi a actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei, în special, oferă avantajele: ► prin modularizare, proiectarea sistemelor şi proceselor complexe este abordata mult mai eficient, prin descompunerea acestora în componente mult mai simple; ► proiectantul poate opta între diferite combinaţii de componente pentru a dezvolta o serie mare de produse, adaptate la nevoile utilizatorilor; ► este asigurată adaptarea optimă a actuatorilor aleşi la condiţiile impuse de o anumită aplicaţie; ► există posibilitatea diversificării familiei de actuatori prin combinarea judicioasă a unităţilor modulare; ► simplificarea proiectării; reducerea cheltuielilor de proiectare şi fabricaţie; ► derularea unitară a metodologiei de testare; ► dezvoltarea unei familii de actuatori din care potenţialii utilizatori, sa poată alege cel mai potrivit actuator pentru o anumită aplicaţie.

Prin modul se înţelege un element sau un subansamblu constructiv ce îndeplineşte o funcţie elementară sau complexă, realizat ca parte componentă a unei familii sau grupe de actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei, conceput astfel încât să poată funcţiona interconectat cu alte module, cu altă funcţionalitate. El este interschimbabil şi este caracterizat de o anumită comportare. Orice modul are independenţă funcţională şi constituie un subansamblu de sine stătător, rodat, controlat, comercializat independent, in raport cu alte module. Mulţimea de module care au aceeaşi funcţie este numită sistem modular. Modulele din structura unui sistem modular se pot diferenţia după soluţia constructivă ce materializează funcţia respectivă şi după dimensiuni. Prin combinarea câte unui modul din diferite sisteme modulare se obţine un anumit produs (în cazul nostru, un anumit actuator pe bază de aliaje cu memoria formei), cu caracteristici bine definite. Mulţimea tuturor produselor ce se pot obţine combinând module diferite se numeşte familie de produse (în cazul nostru – familie de actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei).

Fig. 1 Stategii bazate pe nivelul cererii unui produs şi pe cel

al customizării sale

3

În figura 2, este prezentat un produs modular alcătuit din module de două feluri, aparţinând la două sisteme modulare. Numărul produselor dintr-o familie de produse depinde nemijlocit de numărul de module din structura fiecărui sistem modular dar şi de caracteristicile lor de interconectare sau de interfaţare care condiţionează combinarea lor. În general, produsele pot fi concepute modularizat dacă îndeplinesc anumite funcţii prin combinarea unor blocuri funcţionale distincte (module).

Modularizarea propusă în cadrul acestui proiect este constructivă şi

funcţională. Necesitatea este determinată de nevoia de acţionare, tot mai diversificată, utilizând actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei. Astfel, sunt necesari actuatori liniari de tip „electric-piston” sau de tip „translation stage” , precum şi actuatori rotativi sau oscilanţi (Fig. 3). Modularizarea propusă este de tip total deoarece întreaga structură a unui actuator este concepută în variantă modulară şi este o modularizare dimensionala pentru ca aceleaşi module se realizează într-o gamă de tipodimensiuni.

Fig. 3 Actuatori liniari şi rotativi realizaţi în mai multe tipodimensiuni

Particularităţile conceptului de modularizare a actuatorilor pe bază de aliaje cu

memoria formei, în raport cu modul clasic de proiectare, constau în următoarele: ● stabilirea funcţiei fiecărui modul pe baza unei analize morfologice, astfel încât să se acopere un număr cât mai mare de funcţii cu un număr cât mai mic de module diferite; ● stabilirea caracteristicilor funcţionale ale modulelor într-o strânsă corelaţie reciprocă.

Pentru prima fază, se descompun funcţiile generale ale actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei, în funcţii elementare, ca şi în Fig. 4. Acestor funcţii elementare li se asociază câte un sistem modular, ca şi în Fig. 5, după care se definesc elementele componente (modulele) fiecărui sistem modular.

Sinteza pe baza comportamentului facilitează inovaţia, dezvoltarea de noi variante prin asigurarea unei descrieri comportamentale a ceea ce trebuie îndeplinit. De aceea, se recomandă ca definirea modulelor să se facă pe criterii funcţionale dar ţinând seama şi de comportament. In felul acesta, modulele sunt interschimbabile pentru a genera configuraţii cu comportament specific. Este unanim recunoscut că definirea structurii plecând doar de la funcţie, se poate realiza mai uşor daca se ţine seama şi de comportament.

Fig. 2 Exemplu de combinare a modulelor pentru obţinerea unei familii de produse

4

Fig. -4 Analiză morfologică în scopul stabilirii funcţiei fiecărui modul

Un anumit actuator poate fi conceput prin înlănţuirea câte unui modul component al următoarelor sistem modulare: a. Sistemul modular al elementelor active b. Sistemul modular al structurii mecanice asociate; c. Sistemul modular de comandă şi control; d. Sistemul modular de încapsulare şi carcasa. e. Sistem modular pentru răcire forţată (eventual). În continuare, pe baza unei bibliografii actuale si bogate au fost studiate şi analizate cele mai reprezentative exemple de actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei (AMF), realizaţi în construcţie compactă (Fig. 6).

Fig. 5 Conceperea unui actuator pe bază de aliaje cu memoria formei în structura modulară

5

Fig. 6. Exemple de actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei, în construcţie compactă. Actuatorii liniari pe bază de AMF pot fi realizaţi în configuraţii variate, din punct de vedere constructiv, in diferite tipodimensiuni. Diferenţele între modelele de actuatori sunt date de o serie de criterii de care se ţine cont în procesul de proiectare, cum ar fi: ▪ tipul elementelor active utilizate: fire, arcuri elicoidale, benzi, etc. ▪ natura efectului de memorare indus în elementul activ: uni-sens, dublu-sens. ▪ tipul forţei de relaxare sau deformare a elementelor active educate cu EMUS: forţă constantă, forţă crescătoare - obţinută prin intermediul unui element elastic antagonist, forţa dată de un element activ antagonist. ▪ numărul de elemente active folosite. ▪ modul de conectare a elementelor active: serie sau paralel. ▪ structura mecanică asociată actuatorului, etc. În cele ce urmează se prezinta sinteza structurala a actuatorilor liniari pe bază de AMF, prezentându-se principalele componente din stuctură şi modul în care acestea funcţionează. Criteriul de bază care face diferenţierea între modele este reprezentat de tipul elementelor active utilizate. Astfel, se vor prezenta două grupe de actuatori: (a) cu element activ de tip fir; (b) cu element activ de tip arc elicoidal de tracţiune. Ca şi notaţii comune, s-au folosit: -1-, -1’-, -1’’-, -1’’’- element activ din AMF de tip fir, respectiv arc elicoidal;-2- element elastic de tip arc elicoidal / greutate pentru obţinerea forţei de relaxare;-3- tijă mobilă ce execută mişcare de translaţie; -4-, -4’- conductori electrici; -5- role circulare; -6-, -6’-, -6’’- conductori electrici pentru conectarea în serie a aliajelor din AMF; -7- rolă profilată (camă); -8-, -8’-, -8’’-, -8’’’- elemente rigide articulate. -9-, -9’- ghidaj cilindric de alunecare; -10- cablu. (Fig. 7). În continuare, s-a studiat influenţa geometriei elementelor active asupra timpului de răspuns, la AAMF. Răspunsul în timp al actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei este exprimat prin numărul de cicluri, activare/relaxare pe minut. Acesta este dat de relaţia:

(1) 60

ricn ττ +=

6

unde τi reprezintă timpul necesar încalzirii până la temperatura de transformare de fază (exprimată în secunde); τr reprezintă timpul necesar răcirii până sub temperatura de transformare de fază în vederea pregătirii condiţiilor unui nou ciclu. Creşterea numărului de cicluri pe unitatea de timp se realizează prin reducerea atât a timpului de încălzire cât şi a celui de răcire. În funcţie de natura aplicaţiei, elementele active din aliaje cu memoria formei din structura actuatorilor se pot răci liber sau forţat. Răcirea elementelor active poate avea loc prin: - convecţie liberă sau forţată ; - conducţie, prin stratul subţire de fluid, în repaus, de pe suprafaţa elementelor active sau cu ajutorul unor elemente masive disipative de căldura (radiatoare); - radiaţie; - răcire forţată utilizând diferite fenomene termoelectrice.

La oricare din aceste metode, durata de răcire este influenţată de condiţiile locale, de dimensiunile şi compoziţia elementelor active. Cele mai utilizate metode sunt convecţia liberă şi forţată ( într-un jet de fluid, aer sau apă, dacă este posibil) şi răcirea cu element disipativ de caldură în contact direct cu elementele active în faza de racire (ceea ce este dificil de realizat datorită modificarii formei şi dimensiunilor acestora). Referitor la încălzire, cele mai bune posibilităţi de control a mişcării generate prin efect de memorare a formei le oferă actuatorii electrici, încălziţi rezistiv. Sistemul de alimentare furnizează energia necesară pentru activarea elementelor active din structura actuatorilor electrici precum şi pentru alimentarea sistemului de comandă şi control.

Fig. 7 Scheme structurale pentru AAMF

7

8 .10 5 1.44 .10 4 2.08 .10 4 2.72 .10 4 3.36 .10 4 4 .10 4

10

20

30

40

50wireribbon1ribbon2ribbon3τ d( )

τ1 d( )

τ2 d( )

τ3 d( )

d a

0.1 0.18 0.26 0.34 0.42 0.5

3.2

6.4

9.6

12.8

16wireribbon1ribbon2ribbon3

τ I( )

τ1 I( )

τ2 I( )

τ2 I( )

I b

0 2 .10 4 4 .10 4 6 .10 4 8 .10 4 0.001

10

20

30

40

wireribbon1ribbon2ribbon3

τ' d( )

τ'1 d( )

τ'2 d( )

τ'3 d( )

d c

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

4

8

12

16

20

24

28

32

36

40wireribbon1ribbon2ribbon3

τ' α( )τ'1 α( )

τ'2 α( )

τ'3 α( )

α d

60 64.2 68.4 72.6 76.8 814

5.2

6.4

7.6

8.8

10

wireribbon1ribbon2ribbon3

τ' t0( )τ'1 t0( )τ'2 t0( )τ'3 t0( )

t0 e

30 34 38 42 46 502

3.6

5.2

6.8

8.4

10wireribbon1ribbon2ribbon3

τ' t( )

τ'1 t( )

τ'2 t( )

τ'3 t( )

t f

15 17.1 19.2 21.3 23.4 25.53

3.8

4.6

5.4

6.2

7wireribbon1ribbon2ribbon3τ' tf( )

τ'1 tf( )τ'2 tf( )τ'3 tf( )

tf g Fig.8 Variaţia timpului de încălzire şi de răcire în funcţie de parametri constructive şi funcţionali

8

Pe baza relatiilor prezentate pe larg în raportul de cercetare, este investigata influenţa geometriei elementelor active asupra timpului de incalzire şi de răcire, comparativ, pentru elemente de tip fir cu secţiune circulara şi pentru bandă cu secţiune rectangulara (Figura 8). Benzile 1, 2 şi 3 au aceeaşi arie a secţiunii transversale dar au laţimi şi grosimi diferite b1>b2>b3 şi h1<h2<h3. Graficele din figura 8 ilustrează: dependenţa timpului de răcire de diametrul firului si de dimensiunile benzilor (Fig. 8a); dependenţa timpului de incălzire de curentul de activare, pentru fire şi benzi (Fig. 8b); dependenţa timpului de răcire de secţiunea transversaladata de d, b, h (Fig. 8c), in funcţie de coeficientul de transfer termic α (Fig. 8d), de temperatura initiala la racire t’0 (Fig. 8e), de cea finala t’ (Fig. 8f) si de cea a mediului tf (Fig. 8g). Rezultă că principalele căi de reducere a timpului la încălzire sunt: reducerea temperaturii de încălzire; utilizarea unor aliaje cu temperaturi de transformare martensită-austenită cât mai apropiate de temperatura mediului ambiant; dimensiunile materialului să fie cât mai mici; realizarea elementelor active din aliaje cu rezistivitate electrică mare; creşterea intensităţii curentului de activare. Modalităţile cele mai semnificative pentru a reduce durata de răcire sunt: creşterea coeficientului de transfer de căldura α prin răcire în jet de aer sau în medii lichide; miniaturizarea elementelor active; utilizarea unor aliaje cu temperaturi de transformare austenită-martensită cât mai mari; operarea în medii cu temperaturi cât mai scăzute. Pe baza cercetărilor anterioare, au fost elaborate cateva soluţii originale de actuatori liniari si rotativi, având în structura elemente active de tip fir (Fig. 9).

Fig. 9 Soluţii constructive originale de AAMF liniari, cu elemente active de tip fir Pentru obţinerea familiei de actuatori liniari pe bază de AMF, vom folosi un model de actutor liniar de tip „electric piston”, activ la tragere. Actuatorul foloseşte ca şi element activ un singur fir din AMF, încălzirea lui realizându-se prin efect Joule, ca rezultat al parcurgerii de către un curent electric. În figura 43 este reprezentată secţiunea longitudinală, transversală şi vederea principală a actuatorului, putând fi astfel observate toate elementele componenete din structura acestuia: -1- Element activ - fir din aliaj cu memoria formei; -2- Element elastic pentru obţinerea forţei de relaxare-arc elicoidal de compresiune; -3- Elementul de ieşire al actuatorului - tijă mobilă; -4-, -4’- Elemente de ghidare a firului din AMF - role circulare fixe; -5- Element de ghidare a firului din AMF - rolă circulară mobilă; -6-, -6’- Elemente pentru fixarea firului din AMF - cleme; -7-, -7’- Elemente de ghidare prin alunecare; -8- Inel; -9- Garnitură din cauciuc; -10-, -10’- Luruburi fixare role; -

11-, -11’- Siguranţe; 12- Ax; -13-, -13’- Suporturi role; -14- Carcasa; 15- Orificii.

9

Actuatorul este prevăzut cu un număr de şapte role circulare, dintre care şase fixe şi una mobilă. Această configuraţie permite obţinerea unei forţe amplificate la nivelul elementului de ieşire (tija mobilă), datorită sistemului de scripete cu axă mobilă utilizat. Pe lângă obţinerea unui dispozitiv mai compact, ce dezvoltă o forţă rezonabilă, un alt avantaj dat de această configuraţie este cursa amplificată la nivelul elementului de ieşire -3-, prin utilizarea unui element activ mai lung. Ca si element activ, am folosit un fir din AMF Ni-Ti, marca FLEXINOL, cu diametrul de 150 [µm].

In raportul de cercetare sunt prezentate in extenso urmatoarele calcule: - calculul cursei actuatorului (din acest calcul rezulta posibilitatile de a asigura curse diferite pentru actuatorii diferiti din structura unei familii, si anume, prin modificarea distantei dintre role, a diametrului rolelor si a numarului de bucle pe care le face firul); - calculul fortei dezvoltate de actuator (din acest calcul rezulta posibilitatile de a asigura forte diferite pentru actuatorii diferiti din structura unei familii, si anume, prin modificarea diametrului firului din AMF sau a numarului de fire conectate in paralel din punct de vedere mecanic); - calculul la incalzire si la racire (pentru firul cu diametrul de 150 µm, durata de incalzire obtinuta este de 1,16 sec, cea de racire de 2,53 sec, rezultand un numar de aprximativ 16 cicluri pe minut); - calcule specifice elementelor constructive din structura (de exemplu, calculul de dimensionare a arcului elicoidal de compresiune care asigura forta de relaxare, la racirea firului din aliaj cu memoria formei); - calcule privind realizarea in mai multe tipodimensiuni (astfel, in Fig. 11a este prezentata variatia cursei in functie de distanta dintre role, in Fig. 11b – variatia cursei actuatorului in functie de numarul de bucle, in Fig. 11c – variatia cursei in functie de diametrul rolelor de ghidare, in Fig. 11d – variatia fortei in functie de de diametrul firului din AMF, in Fig. 11e – variatia fortei in functie de numarul de fire legate in paralel iar in Fig. 11f – efectul cumulat al modificarii unor parametri constructivi asupra cursei si fortei actuatorilor).

Rezultă că prin modificarea unor cote contructiv-funcţionale, a dimensiunii şi a numărului unor elemente constructive din structură, a numărului elementelor active folosite, etc. se pot obţine familiii modularizate de actuatori.

Fig. 10 Actuator liniar - secţiune longitudinală şi transversală

10

Fig. 11 Posibilitati de modificare a cursei si fortei actuatorilor realizati in mai multe tipodimensiuni. In ANEXA 1 sunt prezentate cateva din calculele specifice, intocmite in MathCAD, iar in ANEXA 2 sunt date desenele de ansamblu ale familiei de actuatori liniari proiectati. In Fig. 12 sunt prezentate cateva vederi 3D ale solutiei constructive pentru familia de actuatori liniari.

11

Fig. 12 Solutia pentru familia de actuatori liniari

12

Schema electronică de acţionare a actuatorului pe baza de AMF

+5V

+5V

+12V +5V

+5V

+5V

+5V+5V

+12V

+5V

MISOSCK

MOSI

SCKMISO

Reset

Reset

SCL

SCL

OSSDASDA

OS

MOSI

Reset

R21k

R64k7

R9 0

R9 0

R8330

R9 0

R3330

R74k7

C233p

C133p

4MHz

ATmega81234567

91011121314 15

161718192021

232425262728

822

RESETPD0(RXD)PD1(TXD)PD2(INT0)PD3(INT1)PD4(XCK/T0)VCC

PB6(XTAL1/TOSC1)PB7(XTAL2/TOSC2)PD5(T1)PD6(AIN0)PD7(AIN1)PD8(ICP1) PB1(OC1A)

PB2(SS/OC1B)PB3(MOSI/OC2)

PB4(MISO)PB5(SCK)

AVCCAREF

PC0(ADC0)PC1(ADC1)PC2(ADC2)PC3(ADC3)

PC4(ADC4/SDA)PC6(ADC5/SCL)

GNDGND

D3LED

R111k

D21N4001

D1IRFL024NPBF

Ramf

D4LED

R1022k

R11k

U2LM75_MS

1

2

3

4

567

8

SDA

SCL

O.S.

GN

D

A2A1A0

+VS

J1

Rx-Tx21

R922k

C61n

J5

STK200

12345678

J2

All21

J4

Reset

12

C5100n

+

C4100u

+C31000u

U3L7805/TO220

1

2

3

Fig. 13

Schema electronică concepută (Fig. 13) conţine un microcontroler AVR ATmega8 care ne permite generarea impulsurilor PWM (Pulse-width modulation) pe trei canale. Impulsurile PWM sunt aplicate pe poarta tranzistorului MOS-FET IRFL24NPBF pentru a acţiona firul din aliaj cu memoria formei. Tranzistorul MOS-FET rezistă până la un curent maxim de 2,8A şi o tensiune UDS de 55V. Pentru o bună funcţionare a microcontrolerului s-au folosit un circuit de reset şi un circuit oscilator cu un cuarţ de 4MHz. Alimentarea circuitului se face la 12V, iar microcontrolerul este alimentat la 5V. Schema electronică mai conţine un senzor de temperatură LM75 care transmite informaţia către microcontroler în format digital folosind protocolul de comunicaţie I2C. Microcontrolerul este programat folosind programatorul STK200. Comunicarea cu PC-ul se face folosind protocolul RS-232.

Pentru cablaj s-au folosit componente SMD (surface mounted device). Cablajul este format din două plăci:

- Prima este placa de bază ce conţine microcontrelului, partea de alimentare, de comunicare cu PC-ul, de reset şi de programare.

- A doua este placa ce conţine numai senzorul de temperatură Cablajele nu sunt la scară (Fig. 14).

Fig. 14

13

ANEXA 1