Microsoft Word - coperti_rapoarte

Transcriere

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. 30/007 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 III / 009 (unică) Realizarea unor modele experimentale din cadrul familei modularizate de actuatori liniari şi rotativi pe bază 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 009

2 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. 30/007 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 RAPORT DE CERCETARE Etapa II / 008 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 008 Membri: Prof. Dr. Ing. Vencel Csibi Drd. Ing. Simona Noveanu Drd. Ing. Ion Lungu

3 Program IDEI; Cod Proiect: ID_1076 DEZVOLTAREA UNEI FAMILII MODULARIZATE DE ACTUATORI LINIARI SI ROTATIVI PE BAZA DE ALIAJE CU MEMORIA FORMEI Etapa 008 (unică): Studiu teoretic si experimental privind proiectarea unei familii modularizate de actuatori liniari si rotativi pe baza de aliaje cu memoria formei Cercetari privind structura modulara a actuatorilor; Strategii de combinare si cuplare a modulelor - definirea sistemelor modulare si a modulelor din structura fiecarui sistem modular; - elaborarea schemelor realizare a actuatorilor in mai multe tipodimeni - corelarea sistemelor modulare si a modulelor din structura cu performantele impuse; combinarea si cuplarea modulelor - modelarea structurii modulare cercetate. Proiectarea unei familii de actuatori liniari pe baza de aliaje cu memoria formei Proiectarea unei familii de actuatori rotativi pe baza de aliaje cu memoria formei - definirea parametrilor funct. si a principalelor caracteristici constructive, - stabilire criterii de optimizare, definire modalitate de intrebuintare; - alegerea elementelor active din structura actuatorilor; - optimizarea structurii mecanice asociate, activitati de dimensionare, verificare desenare, modelare si simulare - proiectarea sistemului de alimentare si a celui de comanda si control. 1

4 1. Cercetari privind structura modulara a actuatorilor. Strategii de combinare si cuplare a modulelor 1.1. Introducere 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). Fig. 1 Stategii bazate pe nivelul cererii unui produs şi pe cel al customizării sale 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

5 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. 1.. Avantaje ale modularizării Modularizarea şi realizarea în mai multe tipodimensiuni a produselor, în general, şi a actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei, în special, oferă următoarele avantaje: 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. Abordarea teoretică a problematicii modularizării nu este foarte amplă în literatura de specialitate; mai mult, se au în vedere şi unele dezavantaje, cum ar 3

6 fi performanţele inferioare ale unui produs obţinut din module, comparativ cu un altul, optimizat şi adaptat la cerinţe Terminologie utilizată 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). Aşa numita platformă comună a unei familii de produse este alcătuită din modulele ce intră în structura tuturor produselor din familie. Pentru a realiza produse adaptate unor anumite cerinţe, unele module sunt înlocuite, adăugate, scoase, etc. În figura, 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).

7 Fig. Exemplu de combinarea modulelor pentru obţinerea unei familii de produse 1.. Comentarii 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. 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. 5

8 Fig. 3 Actuatori liniari şi rotativi realizaţi în mai multe tipodimensiuni Pentru prima fază, se descompun funcţiile generale ale actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei, în funcţii elementare, ca şi în Fig. 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. Observaţie: - Funcţie (funcţion): defineşte ce rol are fiecare modul, ce face efectiv; - Comportament (behavior): caracterizează în ce fel, un modul, face ceea ce are de făcut. 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. 6

9 7 Fig. - Analiză morfologică în scopul stabilirii funcţiei fiecărui modul

10 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 Forced-Cooling şi carcasa. Modular System e. Sistem modular pentru răcire forţată (eventual). Power and Drive Modular System Modular System of the Active Elements Modular System of the Associated Mechanica l Structure a Packaging Modular System Modular System Interface b Fig. 5 Conceperea unui actuator pe bază de aliaje cu memoria formei în structura modulară O problemă de optimizare a structurii modulare o constituie stabilirea modulelor componente ale fiecărui sistem modular Din punct de vedere constructiv ar fi recomandabil să se folosească module tipizate constructiv care să permită adaptabilitatea acestora la modificările rapide cerute de anumite aplicaţii. Tipizarea conduce la acoperirea unor cerinţe cu un număr minim de module. De exemplu, daca se notează cu n a, n b, n c,... numărul de tipodimensiuni de module de un anumit fel, atunci numărul total de module diferite care acoperă necesităţile este N max = n a + n b + n c

11 Prin tipizare constructivă se urmăreşte reducerea acestei varietăţi, rezultând un număr N m ce stau la dispoziţia constructorului. Se defineşte gradul de tipizare T = N m / (1 + N max ), ca si o funcţie de N m şi N max, definită pe intervalul [0, + ) cu valori ale lui T cuprinse între [0,1) cu graficul ca si in figura 6. Fig. 6 Variaţia gradului de tipizare funcţie de numărul de module Din graficul de mai sus rezultă că dacă numărul de module N m 0, gradul de tipizare T 0, iar când N m N max, gradul de tipizare T 1, ceea ce semnifica că este oferită o gamă constructivă cu un înalt grad de tipizare. 9

12 . Prezentarea şi analiza comparativă a unor actuatori liniari pe bază de AMF, în construcţie compactă Pe baza unei bibliografii bogate şi actuale, [1], [6], [8], [31], [39], [1], [3], [7], [9], [58], [59], [60], au fost studiate şi analizate cele mai reprezentative exemple de actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei (AMF), realizaţi în construcţie compactă..1. Actuatorul DM 01 - MIGA Motors Company Acest model de actuator, produs de compania Miga Motor, oferă o cursă de 1,7 mm, putând dezvolta forţe de până la 0 N. DM01 este un dispozitiv nou, destinat a fi utilizat de către persoanele avizate în operarea dispozitivelor electromecanice. Utilizat în mod corespunzător, actuatorul DM01 are o durată de viaţă de câteva zeci de mii de cicluri, fără a întâmpina probleme sau alte defecţiuni. Deoarece nu este prevăzut cu un sistem de protecţie la şocuri de tensiune, operarea actuatorului trebuie făcută cu grijă şi de persoane avizate. Figura 7 conţine o reprezentare axonometrică şi cotele de gabarit ale actuatorului DM 01: Fig. 7 Actuatorul DM 01 - MIGA Motors Company Principiul de funcţionare al actuatorului DM 01 este relativ simplu: practic, în interiorul acestuia, segmente de fire din AMF formează un circuit 10

13 electric în serie, care funcţionează ca şi o rezistenţă electrică; la trecerea curentului electric, ca şi efect al încălzirii, firele din AMF încep să se contracte, fenomenul manifestându-se în jurul temperaturii de 75 C. Firele sunt total contractate la temperatura de aproximativ 110 C, fiind interzisă încălzirea peste pragul de 150 C. Ambele modele de actuator (împingere sau tracţiune) DM01, funcţioneză pe principiul contractării firelor din AMF. Pentru a reveni în poziţia iniţială, după întreruperea tensiunii, firul de AMF trebuie sa ajungă la temperatura de 60 C, însă actuatorul nu trebuie neaparat să ajungă în poziţia de neactivare pentru a putea executa un nou ciclu. În plus, prin aplicarea unor metode de control, actuatorul poate menţine orice poziţie de-a lungul cursei, însă acest lucru nu este recomandat. Actuatorul DM 01 dezvoltă forţă numai în direcţia de acţionare; pentru revenirea rapidă la starea iniţială este nevoie de un arc sau de un alt actuator poziţionat antagonic cu acesta. Referitor la forţa dezvoltată, trebuie menţionat faptul că în condiţii de supraîncărcare (peste forţa rezultată din proiectare), este posibil ca actuatorul să nu ajungă la capatul cursei, iar dacă şi tensiunea de alimentare este prea mare, actuatorul poate fi defectat. În sarcină, timpul de acţionare este sensibil mai mare decât la revenirea liberă. În funcţie de modelul actuatorului, foarţa dezvoltată este: 9, 1 sau 0 N. Temperatura maximă de acţionare pe termen lung 85 C Temperatura maximă de acţionare pe termen scurt 150 C Temperatura de topire 175 C Tabelul 1 Proprietăţi termice pentru Delrin Temperatura de funcţionare pentru modelul DM 01 este 75 C, în timp ce temperatura minimă de operare testată este de -0 C. Expunerea, pe termen lung, la temperaturi ambientale ce depăşesc 75 C poate duce la acţionarea pasivă a actuatorului (fără curent electric). Pentru evitarea deteriorării firului de AMF nu trebuie depăşită temperatura de 150 C. Carcasa şi unele componente ale actuatorului sunt realizare din delrin negru, care are caracteristicile termice date în tabelul 1 11

14 MODEL REZISTENŢĂ (Ω) INTENSITATE LA 9 V (1 sec.) INTENSITATE LA 1 V (0,5 sec.) INTENSITATE LA 8 V (0,1 sec.) DM , [A] 1,6 [A] 3,7 ]A] DM ,8 [A], [A] 5,6 [A] DM [A] [A] 9,3 [A] Tabelul Valori pentru rezistenţă şi intensitate, funcţie de tensiunea de alimentare Timpul de acţionare depinde de tensiunea de alimentare, având valoarea de aproximativ 5 ms. Valoarea lui poate varia funcţie de încărcare şi temperatura ambiantă. Odată cu scăderea temperaturii ambiante, creşte timpul de acţionare, fiind necesar un surplus în tensiunea de alimentare, pentru aducerea firului de AMF la temperatura optimă. Printr-o acţionare prea rapidă, firul din AMF trece foarte repede prin faza de transformare termică, putându-se supraîncălzi dacă tensiunea nu este întreruptă la capătul cursei. Supraîncălzirea poate topi componentele interne din plastic şi poate reduce considerabil durata de viaţă a actuatorului (numărul ciclurilor de acţionare). Durata dintre două cicluri de acţionare depinde de timpul de răcire şi de revenire în poziţia iniţială. Fără vreo constrângere, actuatorul revine în poziţia de neacţionare în 3-15 secunde, în funcţie de condiţiile de ambient şi de diametrul firului din AMF. Tabelul conţine valori referitoare la rezistenţa şi intensitatea electrică necesare pentru cele trei modele de actuatori, funcţie de tensiunea de alimentare, specificându-se şi timpul de acţionare: Un alt aspect important se referă la faptul că acest model de actuator nu are încorporat un arc pentru retragerea în poziţia de neacţionare. Acest lucru se realizează liber, prin răcirea firului de AMF. Dacă există constrângeri date de o sarcină sau de frecare, este posibilă implementarea unui arc extern, pentru asistarea fazei de relaxare a firului. Deoarece un astfel de arc reduce forţa dezvoltată, acesta trebuie dimensionat cu condiţia să nu depaşească 0% din forţa dezvoltată de actuator... Actuatorul NanoMuscle Cu o densitate a energiei de 1000 de ori mai mare decât cea a muşchiului uman, şi de 000 de ori mai mare decât a unui motor electromagnetic, AMF-urile 1

15 permit dezvoltarea şi realizarea unor dispozitive de acţionare puternice, la o scară foarte mică, ca de exemplu actuatorul NanoMuscle, (Fig. 8) : Fig. 8 Actuatorul NanoMuscle Spre deosebire de un motor electromagnetic, forţa dezvoltată de actuatorul NanoMuscle nu depinde de viteza de acţionare, ceea ce înseamna că la acest tip de actuator nu este necesară folosirea unei cutii de viteze, reducându-se astfel gabaritul, complexitatea şi costul dispozitivului. În ciuda necesităţii unor sisteme de acţionare reduse ca dimensiune, rezonabile ca preţ, silenţioase în acţionare, AMF-urile au fost rar implementate în aplicaţii comerciale, datorită dezavantajelor inerente produse de material. Cele mai frecvente neajunsuri referitoare la actuatorii pe bază de AMF sunt: timpul de răspuns slab, curse mici, durată de funcţionare scăzută, scăderea preciziei în timp şi consum ridicat de energie. Modelul NanoMuscle a redus pe cât posibil aceste dezavantaje. Actuatorul are în componenţă fire din AMF cu diametrul de 50 µm şi lungime de 10 cm, având capacitatea de contractare de 13%. În figura 9 sunt date dimensiunile exterioare, cât şi cursa actuatorului. Actuatorul NanoMuscle este special proiectat pentru a putea fi alimentat de la baterie, consumul fiind de ordinul miliamperilor, fiind de două până la cinci ori mai economic decât un motor de curent continuu de aceleasi dimensiuni. În momentul acţionării, actuatorul se contractă, iar pentru revenirea la configuraţia iniţială, necesită o forţă externă, ce poate fi oferită de un arc. După revenire, actuatorul este gata pentru un nou ciclu. Există două modele de actuatori 13

16 NanoMuscle, pentru fiecare dintre acestea, în tabelul 3, sunt date câteva caracteristici funcţionale. Fig. 9 Cotele de gabarit şi cursa dezvoltată Tensiune [V] Rezistenţă [Ω] Cursă [mm] Sarcină max. Greutate [g] V la 70 ma 8,5 Ω mm 70 g 1,1 g Număr cicluri Temp. de funcţ -70 C +75 C Tabelul 3 Carcateristici tehnice 1

17 Fig. 10 Interfaţa de control a mişcării Datorită competitivităţii şi a dezvoltării continue, se caută minimizarea pe cât posibil a timpului dintre două cicluri, crescându-se astfel eficienţa actuatorului. În acest sens s-au dezvoltat sisteme de poziţionare şi de control a mişcării, uşor adaptabile la sistemele de acţionare. În cazul actuatorului NanoMuscle, acest control se realizează prin mai multe metode: Interfaţa digitală; Interfaţa analogică; Bucla deschisă (Fig. 10). Interfaţa digitală, formată din componente electronice şi senzori, se ataşează la actuator, oferind control şi reacţie, putând fi direct conectată la un microprocesor, fără nevoia unor dispozitive externe suplimentare. Interfaţa ajustează automat valoarea tensiunii pentru obţinerea deplasării dorite, astfel optimizând consumul de energie, viteza şi numărul ciclurilor de funcţionare. Cu ajutorul senzorilor, interfaţa trimite un semnal microcontrolerului atunci când actuatorul se află în poziţiile de capăt - capăt de cursă sau repaus. Folosirea unor microcontacte pentru îndeplinirea acestei funcţii ar duce la creşterea gabaritului, a costului de fabricaţie şi a timpului de proiectare şi realizare. Acest montaj este mult mai redus ca dimensiune si preţ decât ansamblul motor-reductor-convertor rotaţie/translaţie-senzor-punte H, pe care-l înlocuieşte. 15

18 .3. Actuator Starsys folosit în industria aero-spaţială Mini-sateliţii, având mase între kg, sunt realizaţi pentru aplicaţii ştiinţifice, comerciale şi militare. Având în vedere gabaritul lor, aceste dispozitive trebuie să îndeplinească o serie de misiuni şi sarcini foarte sofisticate. Acest lucru este posibil multumită progreselor în domeniul miniaturizării circuitelor electronice, senzorilor, sistemelor de acţionare, etc. Datorită capacităţii sale de a dezvolta o forţa mare, la un gabarit redus, AMF-urile au fost implementate în majoritatea sistemelor de acţionare utilizate la astfel de sateliţi. Fig. 11 Actuator liniar Starsys În structura sateliţilor, actuatorii lniari îndeplinesc funcţii de întrerupătoare şi sisteme de acţionare pentru diferite dispozitive. Actuatorul liniar produs de firma Starsys (Fig. 11), este proiectat pentru o viteză de acţionare scăzută şi fără şocuri în timpul funcţionării. Cursa dezvoltată de majoritatea AMF este de 8% din lungimea materialului; în cazul de faţă, datorită restricţiilor de gabarit, această valoare ajunge la doar %. De exemplu, pentru un fir lung de 0 mm, cursa dezvoltată va fi de doar 0, mm. Încălzirea firului de 16

19 NiTi se realizarea prin străbaterea lui de către un curent electric, timpul de răspuns fiind redus (aprox. 0,1 sec.), nefiind influenţat de temperatura ambiantă (în aer). Prin răcire, firul revine la dimensiunea iniţială, revenirea fiind asistată de un arc elicoidal montat în carcasa actuatorului. MASĂ DIMENSIUNI PUTERE ÎNCĂRCARE DURATĂ DE FUNCŢIONARE TIMP DE ACŢIONARE [g] [mm] [w] [N] [nr. [msec] 0,5 5,6 x 5,6 x 0,5 A - 8 V 0 >1000 <10 16 Tabelul Parametrii tehnici ai actuatorului Pentru comanada acestui actuator se foloseşte un circuit electric foarte simplu, conectat direct la firul din AMF. Prin folosirea unui condensator s-a reusit comanda actuatorului pe întrega lungime a cursei, în cicluri repetitive. Intensitatea curentului în circuit este de 0,5 A, la tensiunea de 8,5 V, comdensatorul realizând încărcarea/descărcarea la 3 secunde. Deplasarea tijei mobile, obţinută prin contractarea firului de AMF, este măsurată cu un traductor electric liniar de poziţie, aflat în contact direct cu tija. Deplasarea măsurată a fost de 0,3 0,33 mm, iar prin folosirea unui fir mai lung din AMF s-a ajuns la 0,53 mm. Tabelul conţine câteva caracteristici tehnico-funcţionale ale actuatorului Starsys. Testele efectuate pentru determinarea duratei de funcţionare au arătat o comportare normală a actuatorului până la peste 1000 de cicluri de acţionare, urmată de o scădere graduală a performanţelor, până la defectare, la 1000 de cicluri (10 ore de funcţionare). Testul s-a realizat în prezenţa aerului, la temperatura ambiantă, urmând a avea loc în condiţii de vacuum şi la diferite valori de temperatură. Una dintre principalele caracteristici ale acestui actuator este reprezentată de simplitatea în proiectare şi dimensiunea foarte redusă. Actuatorul este şi foarte versatil, prin capacitatea lui de a fi echipat cu fire mai lungi şi mai groase de AMF, în scopul creşterii performanţelor (cursă, forţă). Cursa mai mare se obţine prin folosirea unui fir mai lung, în timp ce forţa de retragere a tijei creşte prin folosirea mai multor fire în paralel. Diametrul firului, lungimea lui şi modul de aranjare a elementului activ din AMF sunt domenii de interes în ceea ce priveşte perfecţionarea dispozitivului. 17

20 .. Actuator liniar umed pe bază de A.M.F. Corpul uman conţine o varietate de fluide ce sunt transportate printr-un sistem complex, dintre care 60% apa şi aproximativ 0% sânge. Sângele este folosit pentru transportul şi ditribuirea substanţelor nutritive, a hormonilor, pentru regularizarea temperaturii, a ph-ului, a volumului fluidelor, precum şi pentru protecţia împotriva bolilor. Pornind de la aceste considerente, s-a ajuns la posibilitatea ca un robot sau un dispozitiv să fie alimentat cu fluide, printr-o serie de reţele de transport, putând astfel reproduce unele din funcţiile amintite mai sunt, sau chiar să creeze unele noi. O aplicaţie de bază legată de un robot vascularizat este dată de actuatorul umed. Cea mai mare constrângere la actuatorii pe bază AMF este legată de frecvenţa cu care aceştia pot fi acţionaţi, acesta fiind destul de scăzută. Acest impediment este cauzat de intervalul de timp în care are loc revenirea aliajului la forma originală. Ca şi exemplificare, pentru un fir din NiTi cu diametrul de 0,8 mm, timpul de încălzire este de aproximativ 50 ms, în timp ce timpul de răcire până la relaxarea totală, este de aproape o secundă. S-a observat că prin supunerea AMF la o convecţie forţată, timpul de relaxare se reduce de până la patru ori. Prin proiectarea unui sistem de răcire, care să înlăture rapid căldura din fir, se poate obţine o îmbunătăţire substanţială a timpului de revenire, permiţând astfel creşterea frecvenţei de acţionare. Au fost proiectate modele de actuatori la care elementul activ din AMF era realizat sub forma unui capilar prin care circulă fluidul, sau alt model la care în jurul aliajului sunt grupate tuburi prin care circulă fluid. Totuşi, la aceste modele, doar o porţiune sau o suprafaţă a alijului este în contact direct cu fluidul. Fig. 1 Actuator umed pe bază de AMF 18

21 În Fig. 1 este prezentat un nou model de actuator liniar pe bază de AMF, constând dintr-un fir din AMF inserat în interiorul unui capilar compliant, străbătut de un fluid. Pentru reciclarea energiei termice sunt folosite rezervoare de apă caldă şi rece, permitându-i astfel actuatorului să exercite forţă statică, fără necesitatea curentului electric. La proiectarea acestui actuator s-a pornit de la necesitatea ca temperatura firului din AMF să fie controlată prin folosirea atât a curentului electric, cât şi a convecţiei forţate într-un mediu fluid. Pentru acesta, firul trebuie încorporat întrun vas capilar, care conţine un fluid presurizat şi care nu împiedică contractarea / relaxarea firului. În acelasi timp, conectorii modulari de la cele două capete trebuie să transmită deplasarea mecanică, curentul electric şi debitul de fluid necesar. Pentru a obţine o structură modularizată, cum ar fi un muşchi artificial, conectorii pot fi ataşaţi direct între ei sau prin alte conexiuni mecanice. Diametrul şi lungimea acestor actuatori pot fi modificate funcţie de fiecare aplicaţie în parte, însă o soluţie optimă constă în realizarea unor module de actuatori cu dimensiuni de gabarit reduse, ce pot fi conectaţi în serie sau paralel, pentru creşterea cursei, respectiv a forţei dezvoltate. Pentru obţinerea unei valori ridicate a raportului putere / greutate, volumul de fluid din jurul firului de AMF trebuie limitat. Este de dorit menţinerea acestui raport peste valoarea regăsită la actuatorii convenţionali (>1kW/kg). Prin urmare, diametrul capilarului trebuie să fie de maxim 0 de ori mai mare decât diametrul firului. Astfel, pentru un fir cu diametrul de 0,15 mm, vom avea un capilar cu diametrul maxim de,5 mm. În Fig. 13 este prezentat un model de conector modular pentru transmiterea deplasării mecanice, a curentul electric şi a debitului de fluid necesar. Fig. 13 Conector modular 19

22 Tabelul 5 prezintă câţiva parametri tehnico-funcţionali ai actuatorului: DIMENSIUNE CAPILAR DEBIT FLUID INTENSITATE C. E. FORŢA DEZVOLTATĂ DURATĂ DE FUNCŢIONARE [mm] [ml/sec] [A] [ MN/m ] [nr. acţionîri] x,5 00 >10000 Tabelul 5 Caracteristici tehnice ale actuatorului.5. Actuator liniar pe bază de A.M.F. utilizat la display-uri tactile Display-urile tactile sunt disponibile pe piaţă, însă numai pentru limbajul Braille (majoritatea pe un singur rând). Actuatorii convenţionali folosiţi la aceste produse comerciale nu sunt compatibili cu display-urile tactile de înaltă rezoluţie, datorită gabaritului şi a preţului destul de ridicat. Printre pricipalele criterii de evaluare a performanţelor actuatorilor ce acţioneaza pinii, se numără: posibilitatea de miniaturizare (actuatorul nu trebuie să depăşească,5 mm lungime şi trebuie sa permită montarea a 10 actuatori / 5, mm); cursa actuatorului să fie cuprinsă intre 0,6 0,8 mm; forţa dezvoltată de minim 100 mn; acţionare independentă de alţi actuatori; timp de răspuns de ordinul a secundelor, care să permită setarea/resetarea display-ului; simplitatea în proiectare; etc. În Fig. 1 este prezentata acţionarea cu AMF a pinilor din structura unui display tactil. Avantajele unei astfel de acţionări sunt: simplitate, structură compactă, siguranţă în funcţionare, raport mare putere/greutate, etc. Principalul dezavantaj îl constitue randamentul scăzut (aprox. 5%) şi, în consecinţă disiparea mare de energie termică. Lungimea activă a firelor folosite este de 30 mm, iar deplasarea maximă este limitată la 0,8 mm, având astfel o deformaţie de,66 %, sub limita critică de 3%. Pentru revenire sunt folosite arcuri elicoidale, care suportă o încărcare de 150mN. Capătul superior al firului este solidarizat de tija mobilă, în timp ce capătul Fig. 1 Actuatori AMF inferior este fixat pe pinii de contact. 0

23 Descrierea funcţionării - în faza de start/reset, actuatorul este în poziţia superioară (figură-stânga). În această poziţie, arcurile de blocare sunt tensionate, exercitând o forţă foarte slabă ce apasă tija mobilă corespunzătoare, de la stânga spre dreapta. Dacă între corpul actuatorului şi pinul de contact este indus un curent de 90 ma, firul din AMF se încălzeşte, contractându-se până la dimensiunea predefinită. Actuatorul este reglat astfel încât arcul de blocare este detensionat cu aproximativ 00 µm înainte ca tija mobilă să atingă poziţia inferioară. Apoi curentul este deconectat iar arcul elicoidal întinde firul de AMF, la lungimea iniţială. În acest moment, tija este menţinută în poziţia inferioară, sub acţiunea arcului de blocare, care este poziţionat lângă tija din dreapta. Pentru repoziţionarea tijelor este folosit un culisor, acţionat de la dreapta spre stânga. În acelaşi timp, arcurile de blocare sunt trase spre tije, astfel că arcurile elicoidale pot întinde firele din AMF în poziţia superioară. În tabelul 6 se regăsesc câteva date tehnice referitoare la acest model de actuator. CURSĂ FORŢĂ CURENT DURATĂ DE FUNCŢIONARE TIMP DE ACŢIONARE [mm] [mn] [ma] [nr. [sec] 0, > ,5 0,7 Tabelul 6 Date tehnice ale actuatorilor.6. Actuator liniar telescopic pe bază de A.M.F. Acest model de actuator reprezintă un brevet de invenţie, realizat pentru forţele aeriere ale SUA. Dispozitivul a fost proiectat pentru a acoperi nevoia unui actuator liniar pe bază de AMF cu o cursă mult amplificată, prin folosirea de elemente active interconectate, şi care să poată realiza atât funcţia de împingere cât şi cea de tracţiune. Actuatorul studiat prezintă capacitatea de autorevenire în poziţia iniţială, datorită educării AMF în dublu - sens, revenind la starea martensitică prin răcire. Acţionarea termică, folosită în cazul de faţă, se referă atât la încălzirea cât şi la răcirea elementului activ, cu scopul inducerii transformării de fază martensită - austenită. După cum se poate observa din Fig. 15 actuatorul are în componenţă trei elemente active din AMF, notate -1-,-- şi -3-, de obicei în formă tubulară. Elementele active sunt poziţionate concentric pe axa longitudinală, pentru 1

24 extindere şi retragere telescopică şi cuplate între ele, la capete, prin şuruburi, obţinându-se astfel o cursă amplificată. Forma secţiunii transversale a elementelor active poate varia de la circulară, la elipsă şi chiar poligonală. Trebuie specificat faptul că elementele active pot fi educate pentru a lucra în opozitie, astfel actuatorul prin încălzire să execute o retragere, iar prin răcire o extindere a elemntului mobil, sau viceversa. Fig. 15 Reprezentare actuator liniar telescopic în secţiune şi ansamblu Elementul -1- este educat cu EMF în dublu-sens, scurtându-se la încălzire şi alungindu-se la răcire (în urma încălzirii se scurtează cu cursa -C1-). În cazul unui actuator proiectat să împingă prin încălzire, elementul -1- ar suferi o alungire. Elementul activ -- răspunde total opus la fluctuaţiile de temperatură. Elementul este realizat dintr-un AMF, educat cu EMF dublu-sens, astfel încât se alungeşte forţat, cu cursa -C-, în urma încălzirii şi se scurtează la răcire. Pentru un actuator proiectat să împingă la faza de încîlzire, elementul -- s-ar contracta în urma transformării de fază, în timp ce elementul activ -3-, la fel ca elementul - 1-, este educat în duclu-sens, iar în urma încălzirii işi micşorează dimensiunea, la răcire revenind la lungimea iniţială. Cele trei elemente active pot, simultan sau separat, să realizeze transformarea de fază martensită-austenită. Pentru a avea un timp cât mai scurt

25 de acţionare, temperatura de transformare a celor trei elemente active trebuie să fie aproximativ aceeaşi, astfel actuatorul putând fi uniform încălzit, elementele active acţionând simultan. Subansamblul de încălzire a elementelor active (nereprezentat în figură), poate fi format dintr-o bobină inductivă, un dispozitiv termoelectric Peltier sau o bobină încălzită prin efect Joule, oricare dintre acestea fiind conectate la un microcontroler. Acesta este dimensionat astfel încât să fie fixat în jurul elementului activ -1-, de la exterior, încălzind astfel întrega suprafaţă a actuatorul. Ca urmare, cele trei elemente active realizează transformările de fază, cu deformaţiile aferente, rezultând cursa totală a actuatorului. Revenirea la poziţia iniţială se face prin dezactivarea sistemului de încălzire şi prin răcirea libera a actuatorului la temperatura ambiantă. De obicei, forma secţiunii transversale a dispozitivului de încălzire este aceeasi cu cea a elementului activ - 1-, asigurându-se astfel o mai bună conductivitate termică. Suplimentar, pentru o încălzire mai rapidă, se poate utiliza un element de încălzire plasat în interiorul actuatorului, între două elemente active din AMF. Actuatorii liniari telescopici pe bază de AMF au fost proiectaţi în special pentru aplicaţii din domeniul industriei aero-spaţiale, una dintre acestea referindu-se la solidarizarea între ele a componentelor modulare din structura unui vehicol spaţial..7. Actuator liniar de tip Electric Piston În acest caz, elementul activ este un arc elicoidal (Fig. 16). Fiind parcurs de un curent electric, arcul din AMF se contractă, dezvoltând o cursă de 19 mm, putând astfel ridica greutăţi de până la 50 g, deşi actuatorul în ansamblu cantăreşte doar 10 g. Deoarece actuatorul este acţionat prin căldura generată odată cu trecerea curentului electric prin AMF, timpul necesar retragerii arcului este invers proporţional cu curentul aplicat. Pentru o valoare ridicată a curentului de alimentare, vom avea o încălzire mai rapidă şi implicit o contractare mai rapidă a elementului activ. Un curent de peste 10 A acţionează pistonul în mai puţin de o secundă. Folosirea unei intensităţi mai mare atrage de la sine un risc legat de deteriorarea arcului din AMF prin supraîncălzire. 3

26 Fig. 16 Cursa actuatorului şi cele trei stări în funcţionare În tabelul 7 sunt date câteva caracteristici functionale. Lungime relaxat / contractat [mm] 100 / 76 Diametru maxim [mm] 9 Cursa fără încărcare / cu încărcare (50 g) [mm] 3 /19 Masă [g] 10 Sarcina nominală [g] 50 Supraîncărcare [g] 680 Sarcina de resetare [g] 50 Rezistenţa electrică totală [Ω] 0, Curent maxim [A] 5 Curent minim [A] Curent nominal [A] Timpul de început al acţionării la 1 C şi A [s],5 Timpul necesar pentru 90% din cursă [s] 6 Timpul de început al revenirii [s] 3 Timpul necesar pentru 90% din revenire [s] 7 Frecvenţa de acţionare [cicluri/min.] 1 Temeperatura pentru contractarea totală [ C] 90 Temeperatura pentru revenire toatală [ C] 65 Temperatura de auto-acţionare (încălzire din exterior) [ C] 7 Tabelul 7 Caracteristici ale actuatorilor de tip electric piston

27 .8. Actuator liniar cu arc elicoidal din A.M.F. Dispozitivul analizat face parte dintr-un ansamblul de 1 astfel de actuatori, interconectaţi sub forma unui cub. Structura astfel obţinută reprezintă un robot proiectat pentru deplasarea prin ţevi, mişcarea obţinându-se prin contractarea şi întinderea actuatorilor liniari, imitând modul de deplasare a unei rame. Acest robot a fost dezvoltat cu un singur scop: ferificarea şi întreţinerea ţevilor din structura instalaţiilor nucleare şi de gaz. Actuatorul, prezentat în figura 17, este compus dintr-un arc elicoidal normal, un arc elicoidal din AMF, două tuburi cilindrice şi două clame. Arcul elicoidal este plasat la exterior, fiind solidarizat de cele două flanşe din capetele tuburilor cilindrice. Arcul din AMF, inserat în interiorul celor două tuburi, este fixat la capete cu ajutorul clamelor, care sunt conectate la o sursă de curent. Una dintre funcţiile principale ale tuburilor este aceea de a izola cele două arcuri, pentru evitarea contactului electric. În acelasi timp, tuburile au rolul de stabilizare a actuatorului în momentul comprimării arcului elicoidal normal. Astfel, tuburile trebuie realizate din materiale izolatoare, cu o anumită rigiditate. Fig. 17 Actuator liniar cu arc elicoidal din AMF La temperatura camerei, arcul elicoidal dezvoltă o forţă ce determină alungirea actuatorului dealungul axei longitudinale. Prin încălzire, arcul din AMF se contractă, dezvoltând o forţă mai mare decât a arcului elicodal normal, determinând astfel contractarea actuatorului. După racire, actuatorul revine în 5

28 poziţia iniţială, sub acţiunea arcului exterior. Luând în considerare spaţiul restrâns în care actuatorul lucrează, arcul din AMF va fi încălzit prin electricitate şi răcit în aer. Încălzirea şi răcirea se realizează cu un microntroler PIC16C71, montat în interiorul robotului. Parametrii tehnici ai actuatorului depind în mare măsură de caracteristicile celor două arcuri din dotare. Arcul elicoidal normal: diametrul exterior al spirei este Ø,5 mm; diametrul firului Ø 0,5 mm; 16 spire; realizat din 1Cr18Ni9Ti. Arcul din AMF: diametrul exterior al spirei este Ø 1,5 mm; diametrul firului Ø 0,35 mm; 19 spire; realizat din TiNiCu10at%. Caracteristicile actuatorului la deformare au fost evaluate la temperatura de 0 C, fără încărcare. Pentru un curent sub 300 ma, răspunsul este întârziat, încetinind timpul de acţionare. La un curent de peste 600 ma, timpul de răspuns este sub 3 secunde. Pe perioada de răcire (aprox. 8 sec.), actuatorul nu este parcurs de curent. Pentru oprtimizarea procesului de încălzire, reducerea consumului de energie şi îmbunătăţirea timpului de acţionare, actuatorul este alimentat cu un curent de 700 ma.9. Actuator liniar cu fire de A.M.F. şi lamele elastice Modelul analizat foloseşte două lamele elastice din oţel inoxidabil în scopul amplificării forţei dezvoltate de firele din AMF prin încălzire şi contractare. Actuatorul (Figura 18) este format din două lamele elastice fixate pe două suporturi din teflon. Lamele sunt confecţionate din aliaj inoxidabil cu modul de elasticitate de 66 GPa. Unul dintre suporturi este mobil, în timp ce celălalt este fix. Ca şi element activ, este folosit un fir din AMF cu diametrul de 0,7 mm. Firul este fixat excentric cu şuruburi, dealungul lamelei, în şapte puncte. Lamela este împărţită în 6 segmente deoarece această configuraţie oferă o creştere de până la 80% a deplasării, în comparaţie cu deplasare obţinută în configuraţia cu un singur segment de element activ. Tija mobilă este solidarizată de suportul mobil, folosind suportul fix ca şi ghidaj. Partea fixată a tijei este circulară, iar capătul liber are profil dreptunghiular, pentru a preveni eventuala rasucire a tijei.. 6

29 Fig. 18 Actuator liniar cu fir din AMF şi lamele elastice Lamele sunt conectate la suporturi prin cuple de rotaţie din teflon, pentru a permite suportului mobil să împingă tija în momentul încovoierii lamelei, ca rezultat a contractării firului de AMF, în urma încălzirii. În urma răcirii elementului activ, datorită elasticităţii lamelelor, tija mobilă revine repede în poziţia iniţială. Firele din AMF sunt conectate în serie pentru a creşte rezistenţa, obţinându-se astfel temperaturi ridicate la o tensiune scăzută. În tabelul 8 sunt prezentaţi parametrii geometrici ai firului din AMF şi ai lamelei. ELEMENT ACTIV LAMELĂ ELASTICĂ (fir din AMF) Deformaţie Lungime Lăţime Grosime Excentricitate Lungime (,8 %) [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] , ,9 Tabelul 8 Parametrii geometrici ai lamelei şi ai elementului activ 7

30 Pentru controlul poziţiei, este folosit un sistem de control în buclă închisă. Semnalul dat de acesta, obţinut de la senzorul de mişcare cu laser, acţionează un releu, ce întrerupe sau permite alimentarea cu curent. Lamelele elastice acţionate de AMF pot astfel oferi deplasări liniare, având avantajul unor curse amplificate şi a unei greutăţi reduse, datorită numărului redus de componente folosite în construcţie..10. Actuator liniar diferenţial cu arcuri elicoidale din A.M.F. Actuatorul studiat foloseşte arcuri elicoidale de tracţiune educate cu EMF uni-sens, deoarece tensiunile interne sunt mai mici decât în cazul celor educate în dublu-sens, iar deformaţiile sunt mai mari decât la arcurile elicoidale de compresiune. Aceste tipuri de elemente active permit proiectarea actuatorilor termici, a căror activare/încălzire este determinată de temperatura mediului înconjurător şi a actuatorilor electrici (Figura 19), superiori din punct de vedere a controlabilităţii şi a preciziei, la care încălzirea elementelor active se obţine prin efect Joule. Revenirea la forma memorată a elementelor din AMF educate cu EMF uni-sens, are loc împotriva unei forţe, numită forţă de relaxare, care la răcire deformează aliajele, aducându-le astfel la forma corespunzătoare temperaturii premergătoare transformării de fază. Fig. 19 Structura actuatorului diferenţial 8

31 Actuatorul reprezentat în figura 19, numit şi diferenţial, are în structură două arcuri antagoniste din AMF, care asigură forţe active de relaxare, fiind activate alternativ. Această configuraţie permite controlul deplasărilor şi a forţelor în ambele direcţii. Ca şi elemente constructive avem: -1-cadru; --ghidaje; -3-element mobil; --,- -arcuri antagoniste din AMF. Notaţia a reperzintă sensul de mişcare determinat de revenirea arcului --, iar a, sensul de mişcare la revenirrea arcului - -. Conductorii electrici şi modulul de comandă şi control nu au fost reprezentate în figură. Acest model de actuator dezvoltă forţe de două ori mai mari decât actuatorii cu relaxare crescătoare. Dimensiunile de gabarit sunt: 130 x 50 x 50 mm, cu o greutate de 130 g şi cursa maximă dezvoltată de 70 mm. Au fost folosite arcuri pre - antrenate cu EMF uni-sens, din NiTi, având dimensiunile: d=0,75 mm; D=6mm; n= spire. Alimentat cu un curent de A, activarea actuatorului are loc în 3,5 sec., iar răcirea liberă în 11, sec., astfel că actuatorul poate efectua cicluri/minut. Sistemul de comandă şi control este un ansamblu format dintr-un microcontroler 80C5, conectat la o interfaţă utilizator (tastatură şi ecran LCD) şi o sursă comandată. Sistemul are următoarele fucţii: dirijarea fluxului de energie de la sursă către elementele active din AMF, limitarea puterii transmisă acestora; evitarea supraîncălzirii prin impulsuri modulate în lăţime; selectarea şi vizualizarea curentului de încălzire (30mA 7A), a tensiunii la bornă (0 1V) şi a timpilor de activare şi relaxare a elementelor active. Suansamblul de comandă şi control permite activarea simultană a mai multor elemente active conectate în serie sau paralel..11. Microactuator liniar bazat pe effect de memorie a formei Datorită perfecţionării tehnologiilor moderne de prelucrare, tăiere cu laser şi electroeroziune, s-au obţinut elemente active din AMF având dimensiuni de ordinul zecimilor de micrometri. Deplasarea liniară poate fi obţinută, de exemplu, prin folosirea EMF la lamele profilate, ca în figura 0. Dipozitivul este fixat la un capăt, în timp ce la 9

32 capătul celălalt este aplicată o forţă. În faza martensitică, la temperaturi joase, pentru deformarea lamelei pe direcţie longitudinală, sunt suficiente forţe relativ mici. Prin încălzirea elementului activ, peste temperatura de transformare de fază austenitică, lamela profilată revine la forma iniţială. Astfel capătul liber efectuează o cursă liniară, generând un lucru mecanic considerabil, în funcţie de forţa aplicată. (a) (b) Fig. 0 Variante constructive pentru microactuatorii liniari pe bază de AMF Dimensiunea unei lamele este de xx0,1 mm, excluzând capetele de fixare. Lungimea şi grosimea lamelei sunt de 1,5 mm, respectiv 100 µm. Lamela este din NiTiCu, profilul otinându-se prin tăiere cu laser. EMF uni-sens este obţinut prin recoacere în vid, la temperatura de 530 C, timp de 15 minute. Actuatorii sunt formaţi dintr-un lement activ şi un element folosit pentru revenire la forma memorată. Au fost implementate două mecanisme pentru revenire. În figura 0a este prezentat un arc plan, format din 8 tronsoane, cu aceeaşi goemetrie optimizată la tensiuni. Arcul folosit pentru revenire este realizat dintr-un aliaj superelastic NiTi, constanta arcului fiind de aproximativ 30

33 00 N/m. Actuatorul din figura 0b foloseşte două lamele din AMF identice, plasate faţă-n faţă. Lamelele sunt acţionate alternativ, lucrând antagonic, putând fi considerate atât elemente active cât şi de revenire. Deformarea uşoară din faza martensitică determină o forţă scăzută pentru revenire, permiţând astfel dezvoltarea unor curse rezonabile. Tabelul 9 prezintă valorile parametrilor geometrici şi funcţionali pentru cele două variante de actuatori Parametri Actuator cu arc Actuatori antagonici Dimensiune (mm 3 ) x 6 x 0,1 x x 0,1 Cursa maximă (µm) Forţa dezvoltată (mn) 110 (o direcţie) 110 (două direcţii) Timp de încălzire (ms) Timp de răcire (ms) Durata unui ciclu (ms) 50 (o direcţie) 50 (două direcţii) Tabelul 9 Parametri geometrici si funcţionali ai microactuatorilor pe baza de AMF.1. Actuator liniar cu elemente multiple Actuatorul liniar prezentat în Fig. 1 este compus din 1 fire de NiTi ţesute în formă de spirală între discurile suport. Discurile sunt conectate între ele prin intermediul unor arcuri de preîncărcare, care au rolul de a menţine în tensiune firele de AMF, pe perioada stării de relaxare a actuatorului. În momentul în care firele sunt încălzite, acestea se contractă, apropiind discurile, obţinându-se astfel o cursă liniară. Modul în care sunt ţesute firele de AMF permite obţinerea unei curse amplificate a actuatorului, forţa dezvoltată de acesta fiind pe plan secundar. Atenuarea forţei este compensată prin folosirea mai multor module (discuri) în paralel. Timpul de răspuns al actuatorului este limitat de timpul de răcire al firelor de NiTi, timp ce depinde de raportul dintre aria suprafeţei exterioare a firelor şi volum. O valoare cât mai ridicată a acestui raport asigură un timp de răcire cât mai scurt. De asemenea, modelul ţesăturii firelor de NiTi oferă o structură cu un grad redus al tensiunilor, toate componentele de compresiune fiind componente pasive, în timp ce componentele de tensionare sunt active, obţinându-se astfel o exploatare optimă a AMF-ului. 31

34 Fig. 1 Actuator liniar pe bază de AMF, cu multiple elemente active 3. Sinteza unor scheme structurale de actuatori liniari pe bază de aliaje cu memoria formei 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, dublusens. 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 va prezenta 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 3

35 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. În figurile de mai jos sunt prezentate schematic diferite posiblităţi de realizare a actuatorilor liniari pe bază de AMF, cu element activ de tip fir. Ca şi notaţii comune, s-au folosit: -1-, -1 -, -1 -, -1 - element activ din AMF de tip fir, respectiv arc elicoidal; -- element elastic de tip arc elicoidal / greutate pentru obţinerea forţei de relaxare; -3- tijă mobilă ce execută mişcare de translaţie; --, - - 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. Schema structurala T1 33

36 In figura -- se prezintă schema unui actuator liniar unidirecţional cu fir din AMF. Elementele active -1-, -1 -, fixate pe rolele -5-, sunt parcurse de un curent electric prin intermediul conductorilor --, - -, fixaţi pe capetele firelor din AMF. Ca urmare, firele din AMF se încălzesc până la temperatura de transformare de fază, scurtându-se pâna la dimensiunea memorată. Fiind solidarizate de tija mobilă -3-, prin contractare, firele din AMF determină translatarea tijei mobile, în sensul A, indicat pe desen. Deoarece firele sunt educate cu efect de memorare uni-sens, este necesară împunerea unei forţe de relaxare a elementelor active. Aceasta se obţine prin solidarizarea unei greutăţi -- de corpul tijei mobile -3-, prin intermediul unui cablu -10-, trecut peste cama -7-. Prin folosirea unei role profilate (came), se obţin valori descrescătoare ale forţei ce se opune deformării elementelor active, de-a lungul cursei în sensul A, ceea ce duce la o creştere a numărului ciclurilor de funcţionare ale actuatorului Fig. 3 Schema structurala T În figura -3- este prezentată o altă configuraţie a unui actuator liniar, al cărui elemente active -1- si -1 - urmeză un alt traseu, ghidate find de rolele circulare -5-. Ca şi în cazul anterior, încălzirea elementelor active se face cu ajutorul conductorilor --, - -, acesta având ca rezultat deplasarea tijei mobile -3-, în sensul A. Diferenţa faţă de modelul prezentat mai sus este dată de tipul forţei de relaxare a AMF. Aceasta se obţine prin folosirea unui arc elicoidal de compresiune --, montat între elementul mobil al actuatorului şi carcasă. 3

37 Dezavantajul folosirii acestui element elastic este dat de faptul că forţa elastică dezvoltată de acesta, ce se opune deformării elementelor din AMF la cursa activă în sensul A, este crescătore. Fig. Schema structurala T3 În cazul modelului din figura --, datorită modului de poziţionare a rolelor circulare -5-, elementele active -1- şi -1 - au o lungime mai mare decât în cazurile prezentate anterior. Acest mod de poziţionare a rolelor s-a realizat cu scopul obţinerii unei curse amplificate a elementului de ieşire al actuatorului -3-. Această configuraţie permite fixarea conductorilor de alimentare --, - - la interior, reducându-se astfel gabaritul actuatorului. Forţa de relaxare se obţine şi în acest caz printr-un element elastic de tip arc elicoidal de întindere --, solidarizat de elementul de ieşire al actuatorului -3-, cursa activă fiind în sensul A. Un model de actuator diferenţial (bidirecţional) este prezentat schematic în figura -5-. Caracteristica de bază la acest tip de actuator este dată de faptul că are în componenţă două elemente active -1-, -1 -, plasate antagonic. Astfel, relaxarea (alungirea) unui element activ este dată de activarea (contractarea) celuilalt element activ din structură, prin urmare elementele active sunt acţionate succesiv. Elementul de ieşire -3- este fixat pe două ghidaje cilindrice de alunecare, deplasarea tijei mobile fiind controlată în ambele sensuri (A, B). 35

38 Fig. 5 Schema structurala T La modelul din figura -55-, elementele active -1-, -1 -, -1 - si -1 -, conectate mecanic în paralel între carcasă şi elementul de ieşire -3-, dezvoltă o forţă mai mare decât la modelele cu două elemente active, prezentate anterior. Pentru a se asigura o rezistenţă electrică totală mare şi implicit curenţi mici necesari pentru încălzire, cele patru elemente active sunt interconectate electric prin intermediul conductorilor -6-, -6 - si -6 -, obţinându-se astfel un circuit electric serie. Şi la acest model., forţa de relaxare este obţinută cu un arc elicoidal --, plasat între tija mobilă -3- şi un element fix. Fig. 6 Schema structurala T5 36

39 Un model de actuator liniar total diferit de cele analizate până acum este prezentat schematic în figura -7-. Stuctura mecanică a actuatorului este formată din elementele rigide articulate -8-, -8 -, -8 - si -8 -, cu un singur grad de mobilitate. Ca şi elemente active sunt folosite trei fire din AMF -1-, -1 -, -1 -, legate în paralel şi conectate electric în serie prin conductorii -6-, Prin încălzirea şi contractarea elementelor active, tija mobilă -3- execută o mişcare de translaţie în sensul B, relaxarea realizându-se cu ajutorul arcului elicoidal --, plasat între elementele articulate. Fig. 7 Schema structurala T6 Datorită modului în care au fost montate elementele necesare dezvoltării forţei de relaxare (arcuri şi greutăţi), actuatorii liniari prezentaţi sunt de două tipuri, şi anume: de tip electric-piston si de tip translation stage-. Pe baza acestor scheme se poate dezvolta o familie de actuatori liniari cu elemente active din AMF, în funcţie de circuitul de comandă şi control, cât şi de modul de răcire adoptat (forţată sau liberă). În următoarele paragrafe vor fi prezentate schematic -descriindu-se pe scurt şi funcţionarea- modelele de actuatori studiate anterior, adaptate însă pentru a funcţiona cu elemente active de tip arc elicoidal de trancţiune. În figura -8- este prezentată schematizarea soluţiei constructuctive pentru un actuator liniar unidirecţional, prevăzut cu două elemente active de tip arc elicoidal -1- şi -1 -, legate în paralel. Fiind educate cu efect simplu de memorare a formei (uni-sens), este necesară folosirea unei greutăţi -- pentru obţinerea forţei de relaxare constante. 37

40 Fig. 8 Schema structurala T7 Şi în cazul din figura -9- s-au folosit două arcuri elicoidale din AMF -1- şi -1 -, solidarizate de elementul mobil -3- şi carcasa actuatorului. Prin încălzirea şi contractarea elementelor active, elementul de ieşire -3- execută o mişcare de translaţie în sensul A, deplasându-se de-a lungul ghidajelor -9- si Forţa de relaxare este dată de catre arcul elicoidal de compresiune --. Fig. 9 Schema structurala T8 Diferenţa între modelul prezentat mai sus şi cel din figura -30- constă în modul de fixare al arcului elicoidal --, ce dezvoltă forţa de relaxare. Acesta este plasat antagonic faţă de cele două elemente active din AMF -1- şi -1 -, ceea ce face ca tija mobilă -3- să fie poziţionată perpendicular pe axa longitudinală a actuatorului, fiind astfel un actuator de tip translation stage. 38

41 Fig. 30 Schema structurala T9 Figura -31- conţine schema unui actuator diferenţial (bidirecţional), al cărui elemente active,-1- şi -1 - (arcuri elicoidale), sunt plasate antagonic. Prin încălzirea succesivă a celor două elemente active, prin intermediul conductorilor electrici -- şi - -, se obţin caracteristici identice în ambele sensuri de mişcare ale tijei mobile -3-. Fig. 31 Schema structurala T10 Actuatorul din figura -3- dezvoltă o forţă mult mai mare decât modelele precedente, având patru elemente active, -1-, -1 -, -1 - si -1 -, sub formă de arcuri elicoidale, legate în paralel. Elementele active sunt conectate între ele cu ajutorul conductorilor -6-, -6 - si -6 -, obţinându-se astfel o rezistenţă electrică totală mare şi implicit curenţi mici necesari pentru încălzire. 39

42 Fig. 3 Schema structurala T11 Prin legarea în serie a elementelor active -1- si -1 -, se obţine practic dublarea cursei active a actuatorului liniar din figura Revenirea la forma iniţială a elementelor active este asigurată de forţa exrcitată de elementul elastic de compresiune --, plasat între elementele rigide articulate -8-, -8 -, -8 - si Fig. 33 Schema structurala T1 0

43 . Cercetări privind influenţa geometriei elementelor active asupra timpului de răspuns la actuatorii pe bază de aliaje cu memorie 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: n c 60 = τ +τ i r (1) unde τ i reprezintă timpul necesar încalzirii până la temperatura de transformare de fază (exprimată în secunde); τ r 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. Asupra elementelor active educate cu efect de memorare a formei uni-sens în faza de răcire acţionează forţa de relaxare. Actuatorii utilizaţi la temperatura ambiantă au în structură elemente active cu temperaturi de transformare cuprinse, în general, în intervalul C. 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. Convecţia este transferul căldurii în interiorul unui fluid prin amestecarea unei porţiuni a fluidului cu alta. Conducţia este transferul căldurii dintr-o parte a substanţei în altă parte a aceleaşi substanţe, sau de la o substanţă la alta în contact fizic, fără deplasări apreciabile a moleculelor ce formează substanţa. La oricare din aceste metode, durata de răcire este influenţată de condiţiile locale, de dimensiunile şi compoziţia elementelor active. Cele mai utilizate 1

44 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. Pentru determinarea duratei de încǎlzire rezistivǎ a unui element activ din AMF se pleacă de la ecuaţia generală a conducţiei: qv λ d t d t d t 1 dt = ; a=λ/ ρc, () dx dy dz a dτ scrisă în coordonate cilindrice: t r 1 t + r r q& v 1 t + = λ a τ (3) În ipoteza că temperatura nu variază de-a lungul razei firului şi considerând căldura cedată în exterior simultan cu încălzirea, relaţia (3) devine: [q v V- αs(t-t f )]dτ= ρvcdt, () unde s-au folosit notaţiile: t - temperatură, τ - timpul, q v fluxul de căldură internă generată, ρ - densitatea materialului, c - căldura specifică a materialului, λ - conductivitatea termică a materialului, a - difusivitate termică, V - volumul elementului activ, α - coeficient de transfer de căldură, S - aria elementului activ, t f - temperatura mediului ambiant. Prin rezolvarea ecuaţiei () rezultă expresia timpului necesar pentru încălzirea unui element activ de la temperatura iniţială t 0 la cea finală t, sub forma:

45 τ= - ρvc αs(t t f ) I R ln, (5) αs αs(t t ) I R 0 f unde q v = I R/ V, R = p l/a, şi I - este valoarea curentului utilizat pentru încălzire, R - este rezistenţa electrică a elementului motor, ρ - rezistiviatatea materialului,l - lungimea elementului, A - aria secţiunii transversale. Pentru un fir de rază r, dacă încălzirea se face între t f şi t (t 0 =t f ) relaţia de mai sus devine : τ= - I ρcr ln α 1 p παr(t t f ) πr 1 I p πr (6) În mod analog, pentru calculul duratei de rǎcire considerăm ca la orice moment dat de timp τ, temperatura t este aceeaşi în întregul fir. În timp, temperatura firului scade deoarece este într-un mediu cu o temperatură mai mică. Rezistenţa termică internă a firului este considerată foarte mică în raport cu rezistenţa termică de suprafaţă. Se considerǎ ecuaţia de echilibru energetic: ρvcαt = αs(t-t f )dτ = 0, (7) unde: ρ - este densitatea materialului firului; V volumul firului V=πr l = πd l / ; c căldura specifică a materialului; α - coeficient de transfer de căldura; S suprafaţa firului; t f temperatura aerului (mediului înconjurător); t temperatura firului la momentul de timp τ; dt variaţia temperaturii firului în intervalul dτ. Relaţia (7) se mai poate scrie: dt t t f dτ = αs ρvc (8) 3

46 Prin integrare obţinem: t t f αsτ ln = t0 t f ρvc unde t 0 este temperatura iniţială a firului. Dar relaţia (9) poate fi scrisă sub forma: (9) t t t 0 f t f = e αsτ ρvc (10) Din relaţia (10) rezultă temperatura t a firului la timpul τ: t = t f αsτ ρvc + ( t 0 t ) e f (11) Din relaţia (11) dacă se cunoaşte temperatura t, se poate afla timpul τ în ρvc t t f τ = ln αs t t 0 f care firul a ajuns de la t 0 la t, cu relaţia: Cum V = πd l / si S = πrl = πdl (pentru un element cu secţiunea cercului) rezultă: (1) τ = ρ c α d ln t t t 0 f f t (13) Din analiza relaţiilor de mai sus rezultă că timpul de încălzire depinde de parametrii de material (ρ, c, p), de caracteristicile geometrice (r), de curentul de încălzire (I), de temperatura ambiantă (t f ) şi de limitele între care are loc încălzirea (t 0, t). 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:

47 - 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 relatiilor de mai sus 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 3). Benzile 1, şi 3 au aceeaşi arie a secţiunii transversale dar au laţimi şi grosimi diferite b1>b>b3 şi h1<h<h3. Graficele din figura 3 ilustrează: - dependenţa timpului de răcire de diametrul firului si de dimensiunile benzilor (Fig. 3a); dependenţa timpului de incălzire de curentul de activare, pentru fire şi benzi (Fig. 3b); - dependenţa timpului de răcire de secţiunea transversaladata de d, b, h (Fig. 3c), in funcţie de coeficientul de transfer termic α (Fig. 3d), de temperatura initiala la racire t 0 (Fig. 3e), de cea finala t (Fig. 3f) si de cea a mediului tf (Fig. 3g). 5

48 τ ( d) 50 0 τ 1 ( d) 30 wire ribbon1 ribbon ribbon3 τ ( d) 0 τ 3 ( d) d a τ() I τ 1 () I τ () I τ () I wire ribbon1 ribbon ribbon I b 6

49 0 τ' ( d) 30 τ' 1 ( d) τ' ( d) 0 τ' 3 ( d) 10 wire ribbon1 ribbon ribbon d c τ' ( α) τ' 1 ( α) ( ) τ' 0 α 16 τ' 3 ( α) 1 8 wire ribbon1 ribbon ribbon α d 7

50 10 ( ) ( ) ( ) τ' t τ' t 0 τ' t 0 6. τ' 3 ( t 0 ) 5. wire ribbon1 ribbon ribbon t 0 e τ' () t τ' 1 () t 6.8 wire ribbon1 ribbon ribbon3 τ' () t 5. τ' 3 () t t f 8

51 ( ) ( ) ( ) ( ) τ' t f 7 6. τ' 1 t f 5. τ' t f.6 τ' 3 t f wire ribbon1 ribbon ribbon t f g Fig.3 Variaţia timpului de incălzire şi de răcire în funcţie de parametric constructive si funcţionali ai actuatorilor 9

52 5. Cercetări privind elaborarea unor variante constructive proprii de actuatori liniari pe bază de aliaje cu memoria formei Modelele prezentate în acest sub-capitol reprezintă soluţii constructive proprii de actuatori liniari pe bază de AMF, ce folosesc ca şi elemente active fire din aliaje cu memoria formei. Actuatorii sunt de tip electric piston şi translation-stage, suplimentar fiind prezentată şi soluţia constructivă pentru un AAMF rotativ. La toate modele, activarea elementelor active se realizează prin efect Joule, ca şi rezultat al trecerii curentului electric prin acestea. Primul model, prezentat în figura -35-, foloseşte două fire din AMF, -1- si - 1 -, trecute pe rolele cilindrice --, respectiv - -. Acestea din urmă sunt solidarizate de subansamblul mobil -6-, respectiv de subansamblul fix -7-. Pentru a asigura o deplasare perfect liniară a tijei -3-, sunt folosite ghidajele cilindrice de alunecare -5- şi -5 -, plasate între subansamblul mobil şi cel fix. Fig. 35. Actuator liniar AL1 50

53 Revenirea / relaxarea elementelor active se face cu ajutorul elementului elastic de tip arc elicoidal de compresiune --, montat între subansamblul fix şi cel mobil. Încălzindu-se, ca şi rezultat al parcurgerii de către un curent electric, în momentul atingerii temperaturii de transformare de fază (T > A f ), firele din AMF se scurtează, determinând cursa tijei mobile -3-, în sensul Y, ghidată în mişcare de translaţie. Prin folosirea a două fire din AMF, legate în paralel, se asigură o amplificare a forţei de tragere la nivelul tijei mobile -3-. Un alt avantaj al acestui model este dat de cursa amplificată a tijei mobile, obţinută datorită modului de pozţionare a rolelor circulare, ce permite utilizarea unor fire din AMF mai lungi. Datorită gabaritului redus (33 x x 1,5 mm), actuatorul este recomandat pentru spaţii de lucru restrânse. Fig. 36. Actuator liniar AL În figura -36- este schematizat un actuator liniar de tip electric piston, activ la împingere. Pentru acţionare sunt folosite două fire din AMF -1-, -1 -, educate cu efect simplu de memorare a formei (uni-sens). Cele două fire, solidarizate de carcasa actuatorului prin intermediul clamelor -5- şi -5 -, urmează traseul configurat de rolele circulare --. Structura mecanică a actuatorului include şi elementele rigide articulate -8-, -8 -, de care sunt rigidizate, cu ajutorul şuruburilor -9-, cele două elemente active. Pe capetele celor două brate articulate 51

54 sunt montate rolele -6-, -6 -, care ghidează firele spre cele două şuruburi de prindere -9-. Pentru a transforma fenomenul de memorare a formei de la cele două elemente active, în lucru mecanic (deplasare liniară), actuatorul este prevăzut cu alte două elemente rigide articulate mai mici -7-, -7 -, legate de braţele -8-, -8 - şi tija mobilă -3-, prin cuple de rotaţie. Prin încălzirea şi implicit contractarea elementelor active, elementele articulate -8-, -8 - se deplasează în sensul indicat de sageţi, rezultând astfel translatarea tijei mobile -3- în sensul X. Revenirea la lungimea iniţiala a celor două fire din AMF este asigurată de arcul elicoidal de compresiune --. Figura -37- prezintă un model foarte simplu de actuator liniar pe bază de AMF de tip translation-stage. Elementul activ este şi în acest caz firul din AMF -1-, solidarizat de carcasă prin clama -5- şi fixat pe rolele cilindrice --. Celălalt capăt al firului este solidarizat de culisa -7- care, în urma contractării elementului activ -1-, se deplasează în sensul Y, de-a lungul ghidajelor -6-, Tija mobilă -3- este adusă în poziţia iniţială cu ajutorul arcului de intindere --, solidarizat de culisă. Avantajul acestui model este dat de gabaritul redus; ca şi dezavantaj avem forţa relativ mică, datoră folosirii unui singur element activ. Fig. 37. Actuator liniar AL3 5

55 O altă posibilitate de realizare a unui actuator liniar este schematizată în figura Principala diferenţă faţă de modelele de actuatori prezentaţi anterior este data de forma acestuia, carcasa actuatorului fiind cilindrică. Pentru o răcire mai rapidă a elementului activ, carcasa este prevăzută cu un număr de orificii. Datorită formei cilindrice a actuatorului, rolele circulare au putut fi dispuse radial, în jurul tijei fixe, respectiv celei mobile. Fig. 38. Actuator liniar AL Au fost utilizate un număr de şase role - pentru tija mobilă, respectiv 5 role - pentru tija fixă, plasate la 60 una de alta. Pentru ca dipozitivul sa poată funcţiona optim, rolele de pe tija mobilă sunt decalate cu 30 faţă de cele de pe tija fixă, intercalându-se între ele. Capacul posterior -7- este fixat pe carcasa cilindrică -10-, prin înfiletare; de acesta este solidarizată tija fixă -8-, pe care sunt montate rolele circulare -- (în număr de cinci), cu şuruburile -1-. În locul rolei lipsă sunt montate, prin înfiletare, elementele pentru rigidizarea firului -1- de tija fixă -8-, şi anume clamele -5-; clamele mai au rolul de tensionare a firului din AMF. În urma încălzirii, firul din AMF -1-, trecut pe rolele circulare --, - - şi solidarizat de capacul posterior -7- prin clama -5-, se contractă, determinând translatarea tijei mobile -3-, în sensul Y. Pentru a obţine o mişcare perfect liniară, tija mobilă este ghidată atât la inerior cât şi la exterior, de către tija fixă - 8-, respectiv capacul frontal -6-. Relaxarea elementului activ şi revenirea tijei mobile în poziţia iniţială (sensul X ) se realizează cu arcul elicoidal de compresiune --. Pentru acest model am conceput două soluţii constructive pentru. Prima, prezentată în figura -39-, constă din două suporturi profilate după dimensiunea şi forma carcasei actuatorului, montate pe capetele acesteia. Pentru a fi complet solidarizate de carcasă, suporturile sunt fixate cu patru şuruburi. 53

56 Fig. 39. Actuator liniar AL primul mod de fixare Cea de-a doua posibilitate de fixare este prezentată în figura -0-. În acest caz, actuatorul nu se sprijină pe elemntul de fixare, ci direct pe suprafaţa de lucru. Rigidizarea este asigurată de două clame elastice profilate la forma şi dimensiunea carcasei actuatorului, plasate pe capetele acesteia, fixate pe suprafaţa de lucru prin şuruburi. Fig. 0. Actuator liniar AL al doilea mod de fixare In figura -1- este prezentat un model de actuator rotativ pe bază de AMF. Elementul activ folosit este tot un fir din AMF -1-, solidarizat de carcasa -9- cu clama -5- şi trecut pe rolele circulare --. Mecanismul care transformă fenomenul de memorare a formei în lucru mecanic (în acest caz mişcare de roaţie), este format dintr-un sector dinţat -6-, solidarizat de braţul articulat -8-. În momentul acţionării, elementul activ prins de braţul -8-, se scurtează, determinând angrenarea sectorului dinţat cu roata dinţată cilindrică -7-, obţinându-se o mişcare de rotaţie la nivelul axului -3-, în sensul indicat de săgeată. Revenirea este asigurată de arcul elicoidal de întindere, fixat între carcasă şi elementul

57 Fig. 1. Actuator rotativ AR1 55

58 6. Proiectarea şi modelarea unei familii de actuatori liniari pe bază de aliaje cu memoria formei 6.1. Descrierea soluţiei constructive alese Pentru obţinerea familiei de actuatori liniari pe bază de AMF, vom folosi un model de actutor liniar de tip electric piston, activ la tragere. Acesta este prezentat în vedere de ansamblu în figura --: Fig. Actuator liniar pe bază de AMF Principala diferenţă faţă de modelele de actuatori prezentate anterior este legată de principiul de funcţionare, dat de modul de dispunere a rolelor în interiorul actuatorului. Pentru o răcire mai rapidă a elementului activ din interior, carcasa este prevăzută cu un număr de orificii, care asigură un flux de aer dinspre exterior. Actuatorul foloseşte ca şi element activ un singur fir din AMF, încălzirea lui realizânduse prin efect Joule, ca rezultat al parcurgerii de către un curent electric. În figura 3 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; -- Element elastic pentru obţinerea forţei de relaxare-arc elicoidal de compresiune; -3- Elementul de ieşire al actuatorului - tijă mobilă; 56

59 Fig. 3 Actuator liniar - secţiune longitudinală şi transversală. --, - - 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 - clame; -7-, -7 - Elemente de ghidare prin alunecare; -8- Inel; -9- Garnitură din cauciuc; -10-, Luruburi fixare role; -11-, Siguranţe; -1- Ax; -13-, Suporturi role; -1- Carcasa; 15- Orificii. 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. 57

60 Ca si element activ, am folosit un fir din AMF Ni-Ti, marca FLEXINOL, cu diametrul de 150 [µm] şi o lungime calculată de 5,9 [mm]. Datele tehnice şi proprietăţile elementului activ sunt prezentate în tabelul Tab. 13 Caracteristicile firelor din aliaj Ni-Ti, marca FLEXINOL PROPRIETĂŢI U.M. 6 -, care realizează şi tensionarea firului. Rolele fixe --, - -, ce ghidează elementul activ -1-, sunt fixate pe carcasă cu ajutorul suporturilor -13- şi a 58 Codul firelor Diametrul. Raza minimă de încovoiere [µm] [mm] 5 1,3 50, ,5 50 1,5 3. Rezistenţa liniară. Curentul recomandat pentru acţionare 5. Puterea liniară recomandată pt. activare [Ω/m [ma] [W/m]] , , , Forţa maximă dezvoltată la încălzire 7. Forţa recomandată a fi dezv. La încălzire 8. Forţa necesară de formare [N] [N] 0,9 0,068 1,15 0,3,6 1,7 10,36 3,3 8,77 9,11 9. Timpul de contracţie 10. Timpul de relaxare 11. Frecvenţa de lucru 1. Temperatura AS 13. Temperatura Af 1. Temperatura MS 15. Temperatura Mf 16.Temperatura de recoacere 17. Temperatura de turnare 18. Capacitate calorică 19. Caldura latentă 0. Coeficientul lui Poisson 1. Rezistivitatea. Modulul de elasticitate, E 3. Conductivitate termică. Susceptibilitatea magnetică [N] [sec] [sec] [sec] [ C] [ C] [ C] [ C] [ C] [ C] [cal/g C] [J/g] [µωcm] [Gpa] [W/cm C] [µemu/g] ,1 0,1 55 0,078 0,1 0, ,086 3,8 T<Mf 0,8 0,1 0, ,077, 0,3 0,61 0, ,18,5 T>Af 1,69 0,1 5, Densitatea [g/cm 3 ] 6,5 6. Efortul unitar maxim la revenirea la forma [MPa] 600 memorată 7. Efortul unitar recomandat la [Mpa] 35 deformare 8. Limita de rupere [MPa] Deformaţia maximă [%] Deformaţia recomandată [%] Randamentul energetic [%] 5; max. 10 Elementul activ -1- este solidarizat de carcasa -1- prin intermediul clamelor -6-,-

61 şuruburilor Conversia efectului de memorare a formei a firului din AMF, în lucru mecanic -în cazul nostru mişcare de translaţie- este posibilă datorită rolei mobile -5-, solidarizată de elementul de ieşire al actuatorului -3-, cu ajurorul suportului şi a şurubului În mişcarea sa de translaţie, axul mobil -3- este ghidat la interior de elementul -7 -, respectiv la exterior de elementul -7-, în ambele cazuri fiind vorba de ghidaje prin alunecare. Între tija mobilă -3- şi ghidajul -7 - este montat arcul elicoidal de compresiune --, care îndeplineşte funcţia de preîncărcare şi oferă forţa de relaxare necesară readucerii actuatorului în poziţia de neactivare. Pentru ca actuatorul sa poată fi folosit în diferite aplicaţii ce implică utilizarea curselor liniare, în capătul tijei mobile -3- este montat inelul -8-, care asigură conexiunea mecanică a actuatorului la corpul acţionat. Accesul conductorilor electrici se face prin orificiul din spatele actuatorului, pe care este montată garnitura de cauciuc Funcţionare: În urma încălzirii, firul din AMF -1-, trecut pe rolele circulare --, - -, -5- şi solidarizat de carcasa -1- prin clamele -6-, -6 -, se contractă, determinând translatarea tijei mobile -3-, în sensul X. Pentru a obţine o mişcare perfect liniară, tija mobilă este ghidată atât la inerior cât şi la exterior, de către ghidajul -7 -, respectiv -7-. Relaxarea elementului activ şi revenirea tijei mobile în poziţia iniţială (sensul Y ) se realizează cu arcul elicoidal de compresiune --. În ceea ce priveşte rigidizarea actuatorului în spaţiul de lucru, am conceput trei soluţii constructive. Prima, prezentată în figura --, constă din două cleme profilate după dimensiunea şi forma carcasei actuatorului, montate pe capetele acesteia. În acest caz, actuatorul nu se sprijină pe elemntul de fixare, ci direct pe suprafaţa de lucru. Fig. Clemă pentru fixare actuator 59

62 O altă posibilitate de fixare este prezentată în figura -5-. De aceasta dată, elementele de fixare, în număr de patru, sunt solidarizate de carcasa actuatorului cu ajutorul şuruburilor. Fig. 5 Posibilitatea nr. de fixare a actuatorului Există posibilitatea montării actuatorului în plan vertical. Modul de fixare este asemănător cu cazul precedent, folosindu-se însă doar două cleme (figura-6-). Fig. 6 Fixare în plan vertical Carcasa actuatorului este realizată din PVC, ghidajele din plexic, în timp ce pentru role - tija mobilă distanţiere - axuri, s-a optat pentru alamă. Prin folosirea acestor materiale s-a dorit obţinerea unui actuator liniar pe bază de AMF compact, cu greutate reduse şi uşor de realizat practic, cu costuri minime. 60

63 6.. Elemente de proiectare a familiei de actuatori liniari În acest paragraf se vor prezenta principalele calcule specifice proiectării actuatorilor liniari din structura familiei modularizate, realizaţi după modelul descris mai sus. Aceste calcule vor viza următoarele: calculul cursei; calculul forţei; calcul la încălzire şi răcire; calcule specifice ECMF din structură (în special dimensinarea arcului de relaxare); calcule privind realizarea în mai multe tipodimensiuni Calculul cursei actuatorului: Asa cum este prezentat în literatura de specialitate, cursa oricărui actuator pe bază de AMF este determinată nemijlocit de lungimea elementului / elementelor active. Pentru elementele de tip fir, la revenirea la forma memorată, are loc o contracţie a firului, dată de relaţia: L = ε L (9) -unde: L - lungimea iniţială a firului, în stare martensitică, la temperatura ambiantă; ε - efectul de memorare (pentru fire de tip Flexinol, ε = 3 5%, iar in calcule vom considera ε = % ); L - scurtarea firului din AMF. Caracteristica constructivă a acestei soluţii constă în faptul că, pentru a avea o cursă semnificativă, elementul activ are un traseu definit de un ansamblu de role fixe. În figura 7- se prezintă cazul cel mai simplu, cu o singură rolă mobilă. Notăm cu lungimea iniţială a firului: ' ' ' ' OA = BC = a, O A = B C = b şi O '' A '' = d. Rezultă astfel π r L = a + = a + π r (10) 61

64 este: Conform figurii -7-b-, lungimea firului după revenirea la forma memorată ' L = b + π r (11) Din relaţiile (10) şi (11) rezultă: ' L π r L π r a = ; b =. (1) Cursa c este: ' ' L π r L π r L L ε L c = a b = = = (13) Observaţie: Comparativ cu cazul din figura -7-c-, când firul din AMF este legat direct pe elementul mobil în mişcare de translaţie, cursa dezvoltată este mai mică, dar există posibilitatea de a asigura o lungime mai mare a firului. Cursa în acest caz va fi: Fig. 7- Schemă de calcul a cursei c '' = ε d (1) Pentru cazul concret al soluţiei constructive alese, se foloseşte schema de calcul din figura -8-. Pentru această figură, s-au folosit notaţiile: AO = BC = DE = FG = HI = JK = a MN = PT = x M ' N ' ' = P T ' = y Conform figurii -8-a-, lungimea totală a firului este dată de relaţia: L = 6 a + 7 π r + x (15) De unde, rezultă: 6

65 x = L 6 a 7 π r (16) După revenirea la dimensiunea memorată (figura -8-b-), ca rezultat al încălzirii, lungimea firului este dată de formula: Cursa este: Fig. 8 Schema de calcul pentru soluţia constructivă aleasă ' L = L L = 6 a + 7 π r + y y = sau (17) L L 6 a 7 π r L 6 a 7 π r L + L + 6 a + 7 π r L c = x y = = Constructiv, pentru prima tipodimensiune am ales: a - distanţa dintre role; a = 50[ mm]. r - raza rolelor; r = 3[ mm]. ε - efectul de memorare a formei; ε = %. x - distanţa între rola mobilş şi cele fixe; x = 30[ mm]. Pentru aceste valori, lungimea totală a elementului activ este: L = 6 a + 7 π r + x = π = 5,9[ mm] Contracţia firului este de: L = ε L = 0,0 5,9 = 17,0[ mm]. L Pentru această valoare, cursa este: c = = 8,5[ mm]. 63 (18)

66 6... Calculul forţei dezvoltate de actuator: Pentru calculul forţei, se are în vedere faptul că forţa ce acţionează asupra elementului mobil este suma forţelor din cele două braţe ale firului (figura -9-), în conformitate cu relaţiile specifice scripetilor cu axa mobilă. π d Forţa dezvoltată de elementul activ este: FM, R = σ M, R (19) F M - forţa maximă la revenirea la forma memorată; F R - forţa recomandată la revenirea la forma memorată; d - diametrul secţiunii transversale a firului; σ M - efortul unitar maxim la revenirea la forma memorată; σ - efortul unitar recomandat, la revenirea la forma memorată. R Fig. 9 Schema de calcul pentru forţa dezvoltată Pentru modelul de actuator ales vom folosi fire din aliaj Ni-Ti, marca FLEXINOL. Proprietăţile acestor elemente active au fost prezentate în subcapitolul anterior, în tabelul 13-. Astfel, pentru calculul forţei dezvoltate de actuator, ne intereseaza valorile pentru: d = 150[ µ m]; σ M = 600[ MPa]; σ R = 35[ MPa]. Pentru aceste valori, vom avea următoarele valori ale forţelor: 6

67 F π d 3,1 0,05[ mm] = σ M = 600[ N / mm ] π d 3,1 0,05[ mm] F = σ R = 35[ N / mm ] M = R = Vom considera σ 00[ N / mm ], rezultă astfel: R = 10,59[ N]. 0,6[ N]. 3,1 0,05[ mm] F = 00[ N / mm ] = 3,53[ N], -rezultă forţa totală : F T = F = 7,06[ N] Calculul la încălzirea şi răcirea elementului activ: Răspunsul în timp al AAMF este exprimat prin numărul de cicluri, activare/relaxare pe minut. Acesta este dat de relaţia: N c = 60 T + T [cicluri/min] (0) i r T i timpul necesar încalzirii până la temperatura de transformare de fază (exprimată în secunde); T r timpul necesar răcirii până sub temperatura de transformare de fază în vederea pregătirii condiţiilor unui nou ciclu. Observaţie: Creşterea numărului de cicluri pe unitatea de timp se realizează prin reducerea atât a timpului de încălzire cât şi a celui de răcire. Pentru determinarea duratei de încǎlzire rezistivǎ a unui element activ din AMF se pleacă de la ecuaţia generală a conducţiei: q v d t d t d t 1 dt = ; a=λ/ ρc, (1) λ dx dy dz a dτ În ipoteza că temperatura nu variază de-a lungul razei firului şi considerând căldura cedată în exterior simultan cu încălzirea, relaţia devine: [q v V- αs(t-t f )]dt= ρvcdt, () unde: t-temperatură, τ- timpul, q v fluxul de căldură internă generată, ρ- densitatea materialului, c- căldura specifică a materialului, λ- conductivitatea 65

68 termică a materialului, a- difusivitate termică, V- volumul elementului activ, α- coeficient de transfer de căldură, S- aria elementului activ, t f - temperatura mediului ambiant. Prin rezolvarea ultimei ecuaţii rezultă expresia timpului necesar pentru încălzirea unui element activ de la temperatura iniţială t 0 la cea finală t: T ρvc αs( t t f ) I R = ln, (3) αs αs( t t ) I R i 0 f Unde q v =I R/ V, R=p l/a, şi I- este valoarea curentului utilizat pentru încălzire, R-este rezistenţa electrică a elementului motor, p- rezistiviatatea materialului,l- lungimea elementului, A- aria secţiunii transversale. Pentru un fir de rază r, dacă încălzirea se face între t f şi t (t 0 =t f ) relaţia de mai sus devine : T i 1 I p παr( t t ) f ρcr = ln πr () α 1 I p πr În cazul nostru, vom avea valorile: l παr( t t ) I p cr f ρ τ ln r i = π α l παr( t0 t f ) I p πr c = 3, 10 [ J / Kg K]; r = 0, [ m] ; α = 5; I = 0,[ A] ; 8 o o p = 8 10 [ Ωm] ; t = 78[ C]; = 0[ C]. ρ = 6,5[ g / cm 3 t f 3 ] = 6,5 10 [ Kg / m ]. Prin înlocuirea acestor valori în relaţia (), obţinem valoarea timpului necesar încălzirii elementului activ: 3 6,5 10 3, 10 0, = , 8 10 π 15 0, π (0, ) ln 8 1 0, π (0, ) T i 3 (78 0) = 1,16[sec]. 66

69 În mod analog, pentru calculul duratei de rǎcire se considerǎ ecuaţia de echilibru energetic: ρ V c α t = α S ( t t ) (5) f dt i -din care se deduce expresia timpului T r de răcire de la temperatura iniţială t 0 la temperatura finală t sub forma: T r ρcr t t f = ln α t t 0 f 6,5 10 = 3, , ln =,53[sec] Rezultă că actuatorul poate efectuat un număr de cicluri pe unitatea de timp, dat de relaţia: N C 60 = [ cicluri / min] (6) T + T i r 60 N C = = 16,6[ cicluri / min]. 1,16 +, Calcule specifice elementelor constructive din structură: -Dimensionarea arcului elicoidal de relaxare- Forţa de relaxare necesară unui fir din AMF este: -în cazul nostru: d = 150[ µ m] = 0,15[ mm]; F rel σ 35[ N / mm ]. [tab.-z-] r = π d = σ r (7) π 0,15 F rel = 35 = 0,616[ N]. Această forţă de relaxare a elementului activ trebuie să fie generată de către un arc elicoidal de compresiune, bara din care acesta este confecţionat având secţiunea circulară. 67

70 În figura -50- este prezentată schema de încărcare a arcului elicoidal de compresiune: Fig.50 Stările în funcţionare ale arcului elicoidal de Dimensiunile de bază ale unui arc elicoidal de compresiune cu secţiune circulară sunt: D diametrul mediu al cilindrului de înfăşurare; d diametrul barei din care este confecţionat arcul; n numărul spirelor active; n0 numărul total de spire; l lungimea sârmei din care este confecţionat arcul; H0 înălţimea arcului în stare liberă; H - înălţimea arcului în poziţie de lucru; H1 înălţimea arcului în poziţie de încărcare la limită; P, P1 forţa de încărcare (compresiune); f săgeata de lucru a arcului; f1 săgeata maximă. Pentru calculul arcului elicoidal, se adoptă o forţă maximă şi minimă de relaxare: F F rel,max rel,min = 1[ N]; = F rel = 0,616[ N]. Având cursa actuatorului calculată, vom avea săgeata de lucru: f = 8,5[ mm] Rezultă astfel sageata iniţială a arcului, din relaţia: f 0 f Frel,min = (8) F F ) ( rel,max rel, min 8,5 0,616 f 0 = = 13,66[ mm]. 1 0,616 68

71 Arcul este confecţionat din sârmă de alamă cu nichel -STAS , având tensiunea tangenţială admisibilă: τ a = 300[ N / mm 3 şi modulul de elasticitate: G = [ N / mm ] Se adoptă indicele de înfăşurare a arcului, [11, tab 3.3]: ], D i = = 15. (9) d Pentru determinarea diametrului sârmei arcului, folosim relaţia: d = 8 F rel,max i K π σ a (30) unde: 1,6 K = 1 + = 1,106. i (31) d = ,106 = π 300 0,1 = 0,375[ mm], constructiv, se adoptă: d = 0,[ mm]. Din relaţia (9), rezultă: D = i d = 15 0, = 6[ mm]. Numărul de spire active ale arcului elicoidal este: G d f n = (3) 3 8 ( F F ) D rel,max rel,min , 8,5 n = = 11,50[ spire]. 3 8 (1 0,616) 6 Numărul total al spirelor va fi: n tot = n + 1 = 1,5[ spire]. (33) Valorile elementelor geometrice ale arcului sunt: -diametrul exterior: D ext = D + d = 6 + 0, = 6,[ mm]. -diametrul interior: D = D d = 6 0, = 5,6[ mm]. int -înălţimea arcului în stare liberă: H 0 = H + f 0 + f = ntot d + n emin + f 0 + f (3) unde: e = 0,5[ mm]. min H 0 = 1,5 0, ,5 + 13,66 + 8,5 = 3,93[ mm]. Adoptând un unghi de înclinare a apirelor: α = 6 o, lungimea sârmei arcului este: π D n l = tot (35) cosα 69

72 6 1,5 35,6 l = π = = 37,99[ mm]. cos6 0,99 Pentru raze de curbură mari, adică pentru o valoare mare a indicelui de înfăşurare a arcului I, spira arcului poate fi considerată ca o bară dreaptă, rezultând astfel valoare pentru tensiunea de torsiune maximă: iar pentru tensiunea de forfecare: Pentru P = 0,616[ N], relaţia (36) este: M t 8 D τ t,max = = P (36) 3 W π d p τ P P f = = π d π d (37) 6 τ t, max = 0,616 =,5 93,75 0,616 = 17,05[ N / mm π 3 0, 8 0,616 iar relaţia (37): τ f = = 1, =,9[ N / mm ]. π 0, Rezultă valoarea pentru tensiunea tangenţială totală: P τ tot = τ t, max + τ f = (1 + i) (38) π d 0,616 τ tot = (1 + 15) =,9 31 = 15,768[ N / mm ]. π 0, Pentru valori mai mari ale lui i, primul termen din paranteză (rel. 38) se neglijează, astfel τ tot = τ t,max. Pentru determinarea mai exactă a tensiunii de torsiune, valoarea lui ], τ t, max se va multiplica cu un coeficient supraunitar β, care ţine seama de natura înfăşurării arcului. Pentru i = 15 β = 1, 09, [11, tab. 3.3]. Rezultă astfel: 8 P D τ t,max = β (39) 3 π d 8 0,616 6 τ t, max = 1,09 =,77 57,75 = 160,9[ N / mm ]. 3 π 0, Cum τ 300[ N / mm ], rezultă : a = τ < τ. t, max a 70

73 6..5. Calcule privind realizarea în mai multe tipodimensiuni: Pentru alegerea celui mai potrivit actuator pentru o anumită aplicaţie, se va dezvolta o familie de actuatori pe baza schemei funcţionale descrisă mai sus care oferă următoarele posibilităţi de modificare a cursei / forţei / dimensiunii actuatorului Posibilităţi de modificare a cursei actuatorului: Actuatorii de diferite tipodimensiuni vor avea curse diferite, date de lungimea elementului activ, diferită pentru fiecare model în parte. De exemplu, prin modificarea cotelor constructiv-funcţionale a şi x, coroborat cu păstrarea numărului de bucle şi a valorii razei rolei constante (figura -8-), se obţin cursele calculate mai jos. -pentru: a a a a 1 3 = 0[ mm]; = 5[ mm]; = 55[ mm]; = 60[ mm]. si: x x x x 1 3 = 0[ mm]; = 5[ mm]; = 35[ mm]; = 0[ mm]. L L L L 1 3 = 6 a 1 = 6 a = 6 a 3 = 6 a + 7 π r + x + 7 π r + x + 7 π r + x + 7 π r + x 1 3 = 35,9[ mm]; = 385,9[ mm]; = 65,9[ mm]; = 505,9[ mm]. pentru aceste valori vom avea contracţia firului: L 1 L L 3 L = ε L 1 = ε L = 13,83[ mm]; = 15,3[ mm]; = ε L3 = 18,63[ mm]; = ε L = 0,3[ mm]. rezultă cursele: c c c c 1 3 L1 = = 6,91[ mm]; L = = 7,71[ mm]; L3 = = 9,31[ mm]; L = = 10,11[ mm]. Observaţie: a - distanţa dintre rolele fixe; x - distanţa dintre rola mobilă şi rola fixă; ε - efectul de memorarea formei ( ε = % ); r - raza rolei. În graficul din figura -51- se prezintă comparativ valorile curselor obţinute: 71

74 Fig.51 Variaţia cursei funcţie de distanţa dintre role O altă posibilitate de modificare semnificativă a cursei constă în modificarea numărului de bucle N, făcute de firul din AMF, prin creşterea numărului de role folosite. Implementarea acestei măsuri are ca rezultat obţinerea unui element activ mai lung şi implicit o cursa mai mare, însă dezavantajul folosirii acestei metode este dat de creşterea lăţimii actuatorului. -pentru numărul de bucle: N N N N 1 3 = [ bucle] 3[ role]; = [ bucle] 5[ role]; = 8[ bucle] 9[ role]; = 10[ bucle] 11[ role]. -vom avea lungimile pentru firul din AMF L = a + 3 π r + x = 188,7[ mm]; 1 L L L 3 = a + 5 π r + x = 307,1[ mm]; = 8 a + 9 π r + x = 5,8[ mm]; = 10 a + 11 π r + x = 663,67[ mm]., 7

75 -cu contracţiile: L 1 L L 3 L = ε L 1 = ε L = 7,53[ mm]; = 1,8[ mm]; = ε L3 = 1,79[ mm]; = ε L = 6,5[ mm]. -rezultă cursele: c c c c 1 3 L1 = = 3,76[ mm]; L = = 6,1[ mm]; L3 = = 10,89[ mm]; L = = 13,7[ mm]. Observaţie: Pentru acest caz, singura variabilă este numarul de bucle N şi implicit numărul de role; a, x şi r ramânâd constante ( a = 50[ mm]. r = 3[ mm]. x = 30[ mm] ). Valorile obţinute în acest caz pentru curse sunt prezentate în figura -5-: Fig.5 Variaţia cursei actuatorului funcţie de numărul de bucle ale elementului activ Observaţie: Lungimea firului şi implicit cursa, este influenţată într-o măsură mult mai mică de raza rolelor. Modificarea razei rolelor este impusa de utilizarea unor fire din AMF de diametre diferite, cărora li se impun raze minime de incovoiere. Creşterea razei r a rolelor are ca efect creşterea actuatorului în lăţime. 73

76 -pentru: Modificarea cursei prin folosirea unor role de diferite diametre. r = 1,5[ mm]; 1 r =,5[ mm];, vom avea: r3 = 5[ mm]; r = 7,5[ mm]. L L L L 1 3 = 6 a + 7 π r = 6 a + 7 π r = 6 a + 7 π r = 6 a + 7 π r x = 39,98[ mm]; + x = 1,97[ mm]; + x = 69,95[ mm]; + x = 5,93[ mm]. contracţia firului este: L 1 L L 3 L = ε L 1 = ε L = 15,71[ mm]; = 16,59[ mm]; = ε L3 = 18,79[ mm]; = ε L = 0,99[ mm]. c c c c 1 3 L1 = = 7,85[ mm]; L = = 8,9[ mm]; L3 = = 9,39[ mm]; L = = 10,9[ mm]. Din figura -53- se poate observa că modificarea razei rolelor circulare nu influenţează foarte mult cursa actuatorilor, aceasta având valori foarte apropiate pentru diferitele valori ale razelor, având mai de grabă o influenţa asupra gabaritului actuatorului. Fig. 53 Graficul curselor obţinute Posibilităţi de modificare a forţei actuatorului: În scopul creşterii forţei dezvoltate de actuatori, există două posibiltăţi de modificare şi anume: 7

77 Prima posibilitate constă în folosirea unor elemente active din AMF de diferite diametre. Odată cu creşterea diametrului firului din AMF, creşte şi raza rolelor circulare, fiecare fir impunând o rază minimă de încovoiere -pentru : d d d d 1 3 = 50[ µ m]; = 100[ µ m];, vom avea forţele: = 00[ µ m]; = 50[ µ m]. forţele totale: F F F F T1 T T 3 T = F 1 = F = F 3 = F = 0,78[ N]; = 3,1[ N]; = 1,56[ N]; = 19,6[ N]. F F F F 1 3 π d = σ R π d = σ R π d = σ R π d = σ R 1 3 = 0,39[ N]; = 1,57[ N]; = 6,8[ N]; = 9,81[ N]. Observaţie: Vom considera σ 00[ N / mm ]. R = Analizând graficul din figura -5- se poate observa o diferenţă foarte mare între forţa generată utilizând firele de diametru minim (50 µm) şi forţa dezvoltată de actuatorii echipaţi cu firele cele mai mari in diametru (50 µm). Fig. 5 Influenţa diametrului elementului activ asupra forţei 75

78 În scopul amplificării forţei dezvoltate, actuatorul poate fi echipat cu un anumit număr de elemente active, legate în paralel. Firele din AMF vor fi montate pe aceleasi role şi vor fi folosite elemente active de acelaşi diametru, respectiv 150 [µm]. -pentru numărul de fire: forţele totale: n1 = [ fire]; F n = 5[ fire]; -avem forţele: n3 = 8[ fire]; F n = 10[ fire]; 3 F F F F T1 T T 3 T = F 1 = F = F 3 = F = 1,1[ N]; = 35,3[ N]; F F = 56,8[ N]; = 70,6[ N]. 1 3 π d1 = σ R π 5 d = σ R π 8 d3 = σ R π 10 d = σ R = 7,06[ N]; = 17,65[ N]; = 8,[ N]; = 35,3[ N]. Observaţie: Montarea mai multor fire în paralel pe aceleaşi role impune creşterea lăţimii rolei, funcţie de numărul de fire folosite; de asemenea, trebuie modificat sistemul de comandă şi control. Fig. 55 Variaţia forţei dezvoltate funcţie de numărul elementelor active 76

79 Din graficul prezentat in figura -55- se poate observa ca forţa dezvoltată de actuator creşte direct proporţional cu numărul de elemente active cu care acesta este echipat Studiul efectului cumulat al modificării unor parametri: Acest studiu are ca scop realizarea unei familii de actuatori liniari pe bază de AMF, prin combinarea valorilor parametriilor amintiţi in paragrafele anterioare (N, n, x, a, d, r) şi determinarea efectului acestor configuraţii asupra cursei, forţei dezvoltate şi a gabaritului actuatorului. In tabelul -1- este prezentată o familie de actuatori formată din trei modele: Tabelul -1- Familie de actuatori liniari pe bază de AMF ACTUATOR -1- ACTUATOR -- ACTUATOR -3- N1=6 [bucle] N=8 [bucle] N3=10 [bucle] n1=1 [fir] n= [fire] n3=5 [fire] a1=5 [mm] a=50 [mm] a3=55 [mm] x1=5 [mm] x=30 [mm] x3=35 [mm] d1=150 [µm] d=00 [µm] d3=50 [µm] r1=,5 [mm] r=5 [mm] r3=7,5 [mm] ACTUATOR -1- Calculul cursei: -pentru: a 1 = 5[ mm]; x 1 = 0[ mm]; r 1 =,5[ mm]; si N 1 = 6[ bucle] L 1 = 6 a1 + 7 π r1 + x1 = 37,97[ mm]; -contracţia firului: L 1 = ε L1 = 1,99[ mm]; -cursa: L1 c 1 = = 7,9[ mm]. Calculul forţei: -pentru : d 1 = 150[ µ m] si n 1 = 1[ fir] 77

80 π d1 -vom avea forţa: F1 = σ R = 3,53[ N]; -forţa totală: F T = F = 7,06[ ]; 1 1 N ACTUATOR -- Calculul cursei: -pentru: a = 50[ mm]; x = 30[ mm]; r = 5[ mm]; si N = 8[ bucle] L = 8 a + 7 π r + x = 569,95[ mm]; -contracţia firului: L = ε L =,79[ mm]; L -cursa: c = = 11,39[ mm]. Calculul forţei: -pentru : d = 00[ µ m] si n = [ fire] -vom avea forţa: π d F = σ R = 1,56[ N]; -forţa totală: F T = F = 5,13[ ]; N ACTUATOR -3- Calculul cursei: -pentru: a 3 = 55[ mm]; x 3 = 35[ mm]; r 3 = 7,5[ mm]; si N 3 = 10[ bucle] L 3 = 10 a3 + 7 π r3 + x3 = 78,93[ mm]; -contracţia firului: L 3 = ε L3 = 31,39[ mm]; L3 -cursa: c 3 = = 15,69[ mm]. Calculul forţei: -pentru : d 3 = 50[ µ m] si n 3 = 5[ fire] 78

81 π 5 d3 -vom avea forţa: F3 = σ R = 9,08[ N]; -forţa totală: F T = F = 98,17[ ]; 3 3 N Prin combinarea valorilor principalilor parametri ai actuatorului şi prin calcularea curselor şi forţelor dezvoltate, funcţie de aceştia, s-a obţinut o familie de actuatori liniari pe bază de AMF, formată din trei tipodimensiuni. În figura este prezentată, sub formă de grafic, familia de actuatori liniari, putând fi astfel observate diferenţele între cursa şi forţa dezvoltate de fiecare model în parte. Fig. 56 Valorile curselor / forţelor dezvoltate de familia de actuatori O scurt analiză a graficului relevă faptul că cele trei modele din structura familiei de actuatori liniari, prin valorile curselor şi forţelor dezvoltate de acestea, acoperă o anumită plaja de aplicaţii, permiţând astfel adaptarea optimă a actuatorilor aleşi la condiţiile impuse de aplicaţie. Rezultă astfel 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, versatili şi cu un domeniu prestabilit de forţe şi curse dezvoltate. 79