1 Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Facultatea de Mecanică Catedra: Mecanisme, Mecanică Fină şi Mecatronică PROGRAM IDEI ID_1076 Tipul proiectului: Proiect de cercetare exploratorie Contract nr. 304/2007 Planul National de Cercetare, Dezvoltare si Inovare - PN II DEZVOLTAREA UNEI FAMILII MODULARIZATE DE ACTUATORI LINIARI SI ROTATIVI PE BAZA DE ALIAJE CU MEMORIA FORMEI SINTEZA LUCRĂRII Etapa III / 2009 (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 2009
Transcript
1
Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Facultatea de Mecanică Catedra: Mecanisme, Mecanică Fină şi Mecatronică
PROGRAM IDEI ID_1076 Tipul proiectului: Proiect de cercetare exploratorie
Contract nr. 304/2007 Planul National de Cercetare, Dezvoltare si Inovare - PN II
DEZVOLTAREA UNEI FAMILII MODULARIZATE DE ACTUATORI LINIARI SI ROTATIVI PE BAZA DE
ALIAJE CU MEMORIA FORMEI
SINTEZA LUCRĂRII
Etapa III / 2009 (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
2009
2
Prezentul proiect are ca si obiectiv principal dezvoltarea (proiectarea, realizarea si testarea) unei familii modularizate de actuatori liniari si rotativi, in constructie compacta, in mai multe tipodimensiuni, avand in structura elemente active din aliaje cu memoria formei. Dupa ce in anul 2007 a fost parcursa faza intitulata: Cercetari privind aplicarea efectului de memorare a formei la realizarea actuatorilor liniari si rotativi inalt performanti ce a avut doua sub-obiective: Modelarea efectului de memorare a formei si, respectiv, Analiza structurala a configuratiilor existente si propuse, sinteza solutiilor de transformare a efectului de memorare a formei in lucru mecanic, in anul 2008 a fost parcursa faza Studiu teoretic si experimental privind proiectarea unei familii modularizate de actuatori liniari si rotativi pe baza de aliaje cu memoria formei, cu trei sub-obiective: 1.Cercetari privind structura modulara a actuatorilor; strategii de combinare si cuplare a modulelor; 2. Proiectarea unei familii de actuatori liniari pe baza de aliaje cu memoria formei; 3. Proiectarea unei familii de actuatori rotativi pe baza de aliaje cu memoria formei. Astfel, in primii doi ani au fost derulate urmatoarele activitati planificate: - studiul bazelor fizice ale efectului de memorare si a materialelor cu aceasta comportare; - analiza metodelor de inducere a unui anumit efect de memorie a formei (educarea materialului); - descrierea matematica a efectului de memorare a formei, modelarea si simularea transformarii de faza asociata efectului de memorie a formei; evaluare forta si deplasare; - sinteza constrangerilor constructiv-functionale impuse actuatorilor inalt performanti cu aplicatii in sistemele mecatronice; - studiul comparativ al elementelor active de tip banda, fir si de tip arc elicoidal din punctul de vedere al utilizarii lor ca si elemente de executie; - sinteza unor scheme originale de conversie a efectului de memoria a formei in lucru mecanic, modelarea si simularea schemelor de transformare a efectului de memorie a formei intr-o actiune utila; - definirea sistemelor modulare si a modulelor din structura fiecarui sistem modular; - elaborarea schemelor de realizarea actuatorilor in mai multe tipodimensiuni; - corelarea sistemelor modulare si a modulelor din structura cu performantele impuse; - modelarea structurii modulare, definirea parametrilor functionali si a principalelor caracteristici constructive; - stabilire criterii de optimizare, definire mod de intrebuintare; - alegerea elementelor active, proiectarea structurii mecanice asociate, a sistemului de alimentare, de comanda si control.
Faza 2009 (unica) este intitulata Realizarea unor modele experimentale din cadrul familei modularizate de actuatori liniari şi rotativi pe bază de aliaje cu memoria formei si are urmatoarele sub-obiective: 1. Cercetări privind constrângerile din punctul de vedere al materialelor pentru realizare unor prototipuri experimentale; alegere materiale; alegerea procedee tehnologice 2. Realizarea unor modele experimentale din structura familiei de actuatori liniari; 3. Realizarea unor modele experimentale din structura familiei de actuatori rotativi. Prin activitatile prevazute (studiul regimurilor termice la functionarea actuatorilor; determinarea temperaturilor si a timpilor de incalzire / racire, alegerea materialelor din punct de vedere al solicitarii termice si a altor criterii; programare freza CNC pentru realizare repere; elaborare solutii de asamblare a elementelor active cu structura mecanica asociata; pregatirea elementelor active; realizarea structurii mecanice asociate, realizare blocuri electronice - a sistemelor de alimentare, comanda si control; executie bloc de intefatare, echipare cu senzori; asamblarea componentelor; testare intermediara; elaborare si publicare de lucrari stiintifice) si derulate conform planificarii, obiectivele prevazute au fost indeplinite total. S-au realizat reperele mecanice pentru cate o familie de actuatori liniari si rotativi, subansambluri electronice, s-au realizat primele modele experimentale si au fost elaborate, prezentate, publicate articole si lucrari stiintifice. Primele activităţi din faza 2009 au fost dedicate studiului diferitelor regimuri termice, funcţie de modalitatea de răcire a elementelor active din AMF. Astfel au fost elaborate metodologii de proiectare a unor sisteme de răcire forţată cu radiator fix (Fig. 1a),
3
cu radiator mobil, în contact cu elementul activ doar în faza de răcire (Fig. 1b), cu jet de apă (Fig. 1c), precum şi pe bază de fenomene termoelectrice – răcire cu ajutorul unor elemente de tip Peltier (Fig. 1d). Efectul Peltier este: dacă unui circuit format dintr-un ansamblu de doi conductori sau semiconductori i se aplică o tensiune electromotoare, curentul electric ce se stabileşte în circuit va produce o degajare de caldură la unul dintre contacte şi o absorbţie de caldură la celălalt contact . Un element pentru răcirea termoelectrică (Thermoelectric Cooler – TEC) este un sistem ce utilizează efectul Peltier pentru a realiza un transfer de caldera şi este constituit din doi semiconductori de tip n, respectiv p, poziţionaţi termic în paralel şi conectaţi la o extremitate printr-o placă conductivă (Cu sau Al). Se aplică o tensiune la capetele libere ale celor două metale; curentul prin joncţiunea celor două semiconductoare va creea o diferenţă de temperatură. Se absoarbe căldură din vecinătatea plăcii 1 (Fig. 1d) şi se transferă către placa 5. Capacitatea de răcire este proporţională cu curentul şi cu numărul de perechi ale fiecărui TEC. Diferenţa de temperatură de pe cele două feţe este cuprinsă între 40ºC şi 70ºC. Temperatura feţei “reci” poate fi scăzută cu zeci de grade dacă temperatura celei calde este menţinută scăzută prin disiparea în mediu, cu un radiator a căldurii. Un TEC este caracterizat de următorii parametrii: capacitatea de transfer de căldură Qmax [W]; diferenţa maximă de temperatură ∆Tmax dintre faţa caldă şi cea rece [ºC]; curentul maxim (optim) Imax [A]; tensiunea maximă care dă Imax, Vmax [V]. Avantaje pentru TEC sunt: nu are elemente în mişcare; sunt uşoare; reliabilitate mare; lucrează în orice poziţie, orientare, mediu; se aplică cu succes pentru răciri a unor sarcini termice sub 200W; este singurul sistem de răcire care asigură un control precis al temperaturii unui obiect (cu o precizie de ± 0,1ºC). Următoarea activitate a constat în elaborarea soluţiilor de asamblare a actuatorilor cercetaţi. Astfel, montajul actuatorului liniar presupune următoarele etape: I. În Carcasa 1 se introduc Axul de ghidare 3, Ştiftul 4, Arcul elicoidal 5 şi Bucşele de ghidare 2 (Fig. 2.) Axul de ghidare este montat cu joc, iar bucşele de ghidare realizate din alamă au rolul de a asigura o bună alunecare a axului şi sunt montate cu strângere pe carcasă. II. Se introduc patru bucăţi de Arbori role 7, pe care se montează Şaibele 10, apoi Cablajul electronic 11 care se fixează cu Şuruburile 12 (Fig. 3)
A
B
C
1 2 3 4 5 62 7 8 9 10 11
12
a 2
a
1
b
a
5
a b
1'
53
4b
6
b
I
2
7 1 5 6
O
7
34
8A
B
C
c d Fig. 1 Diferite sisteme pentru înbunătăţirea răspunsului în timp (pentru răcire forţată)
4
a b a b Fig. 2 Montaj actuator liniar – faza I Fig. 3 Montaj actuator liniar – faza II III. Se introduc Arborii de fixare 6 şi două bucăţi de Ax de ghidare scurt 13. Pe reperele 13 şi 7 se poziţionează Rolele de ghidare 8 care se fixează cu Siguranţele 9. Rolele sunt montate cu joc, având rolul de ghidare a firului de AMF (Fig. 4).
a b a b Fig. 4 Montaj actuator liniar – faza III Fig. 5 Montaj actuator liniar – faza IV
IV. Firul de AMF 16 se montează pe arborii de fixare 6, iar în final se pun capacele 14, fixarea acestora realizându-se prin intermediul Şuruburilor 15 (Fig. 5). Pentru asigurarea unei răciri bune a firelor cu AMF capacele au prevăzute orificii de aerisire. În mod similar a fost elaborată tehnologia de montaj a actuatorilor rotativi. Fazele de montaj sunt date sintetic în planşa de la ANEXA 1 Următoarea activitate a constat în elaborarea unei baze de date cu materiale potenţiale pentru realizarea structurii mecanice asociate, funcţie de constrângerile funcţionale specifice reperelor din structură: role de ghidare, bucşe de alunecare, axele de ghidare, carcasa şi capacele, etc. Cercetările privind prelucrarea reperelor din structura familia de actuatori s-au axat pe rezultatele colectivului în utilizarea Maşinii de frezat Isel CPM 2018 De la concept până la piesa finită lanţul de procesare se realizează în trei paşi:
1) Proiectarea piesei (workpiece design) folosind un soft CAD (Computer Aided Design) 2D, 2½D sau 3D ceea ce produce un fişier ce conţine caracteristicile geometrice ale piesei. Acest fişier are de obicei extensia HPGL sau DXF.
2) Definirea traseului sculelor (toolpath definition) şi a regimului de aşchiere. Această operaţie se realizează prin folosirea unui soft CAM (Computer Aided Manufacturing) care generează traiectoriile ce trebuie urmate de scula de prelucrat. Parametrii generaţi se salvează într-un fişier ISO G-cod.
3) Comanda maşinii unelte (drive the machine). Acest pas va realiza forma finală a piesei.
a)
5
b) Figura 6 Schema bloc a lanţului de prelucrare
Softul Galaad permite realizarea acestor trei paşi într-un singur soft. Softul are integrat un modul de proiectare care poate genera automat traiectoriile pentru sculele folosite. Utilizatorul poate seta manual sau automat parametrii de prelucrare cum ar fi viteza arborelui principal, adâncimea de prelucrare la o trecere, viteza de avans etc. Legătura cu maşina CNC se realizează automat fără a fi nevoie de un fişier intermediar. De asemenea softul dispune de o bază de date cu maşinile unelte pentru care recunoaşte automat procesorul şi se poate face o simulare înainte de a începe prelucrarea efectivă. În figura 6 (a) se poate observa schema bloc pentru procesul de prelucrare atunci când sunt folosite trei softuri diferite pentru realizarea piesei şi varianta folosită de softul Galaad 3. Datorită faptului că modulul de proiectare al softului Galaad este relativ greoi şi diferit de celelalte softuri CAD s-a folosit softul Solidworks pentru definirea caracteristicilor geometrice 3D ale piesei. Apoi s-au realizat proiecţiile 2D şi s-a salvat fişierul sub extensie *.dxf. Din Galaad 3 s-a importat fişierul dxf şi s-au setat parametrii de prelucrare a piesei în funcţie de tipul frezei alese şi de materialul din care se realizează piesa. Odată parametrii setaţi se lansează submeniul de prelucrare CNC. Se prinde materialul pe maşina unealtă, se setează punctul de 0 al piesei în funcţie de punctul de 0 al maşinii CNC, după care se începe prelucrarea efectivă (Fig. 7).
Figura. 7 Paşii realizaţi pentru prelucrarea unui reper cu o maşină CNC
Generarea codului G se realizează automat, iar dacă utilizatorul doreşte să aibă programul în cod G poate exporta programul în format ISO. În cele ce urmează se va prezenta modul de prelucrare a reperului MAMF-01-06. Acesta este un capac pentru ansamblul nostru. Astfel, a fost conceput in Solidworks unde s-a ţinut cont de aspectele geometrice şi funcţionale ale acestuia în ansamblu. În figura 8 se poate observa designul piesei în 3D şi proiecţia 2D salvându-se în formatele sldprt respectiv dxf.
Figura 8 Designul 3D şi 2D al piesei MAMF-01-06
6
După aceea se importă în Galaad fişierul dxf şi se setează parametrii de prelucrare: frezele de lucru cu diametrul de 1, 2, 3 mm; avansul de prelucrare de 1mm/s; adâncimea de lucru de 0.2mm la o trecere. Aceste setări se pot vedea în figura 9. Astfel parametrii setaţi se trece la modulul de prelucrare prezentat în figura 10.
Figura 9 Setarea parametrilor de prelucrare
La lansarea programului de prelucrare modelul CAD împreună cu parametri de prelucrare sunt automat transformaţi în cod G deşi utilizatorul nu poate observa acest lucru direct. Modulul de prelucrare are posibilitatea de a urmări tot timpul coordonatele X, Y, Z, avansul şi viteza de avans pe toate cele trei axe, numărul de rotaţii pe minut al arborelui principal. De asemenea se poate vedea traiectoria frezei, părţile prelucrate şi cele neprelucrate. În figura 11 este prezentat procesul de la fişierul 3D până la realizare a reperului MAMF-01-06.
a) b)
Figura 10. a)Setarea punctului de 0 al piesei b) Vizualizarea piesei în timpul prelucrării
Figura 11. Evoluţia reperului MAMF-01-06 de la modelul 3D la realizare
Proiectarea asistata de calculator a tehnologiei unui reper are ca punct de plecare
fişierul care conţine modelul 3D al reperului respectiv, realizat după tehnicile şi metodele de modelare parametrizată. Proiectarea tehnologică este astfel integrată, alături de modelarea 3D, într-un document complex, care cuprinde toate datele referitoare la forma şi tehnologia reperului. Acest lucru permite ca modificările de formă, spre exemplu, să fie urmate de o actualizare imediată a datelor tehnologice privitoare la acel model. Se creează o strânsa legătura între forme geometrice şi tehnologia de prelucrare a formelor geometrice. Mediul de proiectare CAD/CAM recunoaşte automat suprafeţele care trebuie prelucrate, este capabil să genereze planul de operaţii, apoi, în funcţie de acesta, să genereze traiectoriile sculelor, şi programul de execuţie pentru maşinile-unelte CNC. De
7
asemenea, după generarea automată a planului de operaţii, utilizatorul poate schimba parametrii tehnologici după cum este nevoie: se pot adăuga sau şterge plane de lucru, se pot adăuga sau şterge operaţii, se pot modifica parametrii sculelor aşchietoare sau parametrii regimului de aşchiere (adâncime de aşchiere, viteza de aşchiere sau avans). Un instrument foarte important oferit utilizatorilor este baza de date tehnologica. Aceasta furnizează informaţii privitoare la parametrii utilajelor de fabricaţie, la scule şi parametrii sculelor, la parametrii regimului de aşchiere (viteze si avansuri), la suprafeţe prelucrabile şi operaţii, atât pentru frezare cat şi pentru strunjire. Informaţiile pot fi modificate sau actualizate în permanenţă în funcţie de condiţiile tehnologice concrete, astfel ca programul, care accesează automat baza de date, să obţină parametrii regimului de aşchiere adecvaţi situaţiilor existente.
În figura 12 sunt prezentate câteva repere din structura familiei de actuatori, precum şi subansamble în diferite faze de montaj.
Figura 12 Exemple de repere şi subansamble din structura familiei de actuatori liniari şi
rotativi pe bază de aliaje cu memoria formei
În vederea testării preliminare a modului în care efectul de memorare a formei (contracţia firelor din AMF) este convertit într-o acţiune utilă, s-a realizat modelul funcţional simplificat din figura 13, care are o structură mecanică asociată similară actuatorilor cercetaţi.
Fig. 13 Prototip seria zero pentru testarea preliminară
Având în vedere rezultatele preliminare pozitive, s-a finalizat prelucrarea reperelor
şi s-a trecut la montajul lor, în conformitate cu metodologia de montaj prezentata , astfel ca s-au realizat toţi actuatorii din familia cercetată, ca şi exemplul din ANEXA II.
Încălzirea elementului activ se face prin efect Joule, ca rezultat al parcurgerii de către un curent electric. Pentru realizarea încălzirii rezistive a firului din AMF, s-a conceput o schemă simplă pentru punerea acestuia sub tensiune, prezentată în figura 14. S-au calculat elementele din structură, ca şi mai jos:
8
Rezistenţa liniară pentru firul marca FLEXINOL este:
]./[50 mRliniara Ω= (1) Ştiind că lungimea firului este: ][94,425 mmL == , rezultă astfel rezitenţa firului:
310−⋅⋅= LRR liniarafir (2)
⇒ ].[25,211094,42550 3 Ω=⋅⋅= −firR
Tensiunea colector-emitor, pentru tranzistorul BD135, notată cu UCE, are valoarea, ][2,0 VUCE =
iar factorul de amplificare este: .100=β Tensiunea de alimentare a circuitului este ].[5 VUa = Din relaţia tensiunii de alimentare:
CEAMFa UIRU +⋅= (3) curentul efectiv pe elementul activ este:
AMF
CEaefAMF R
UUI
−=, (4)
⇒ ].[225,025,21
2,05, AI efAMF =
−=
Curentul pe baza tranzistorului este dat de formula:
β
efAMFB
II ,= (5)
⇒ ].[25,2 mAIB = Rezistenţa R, aplicată pe circuitul de comandă al tranzistorului BD135, se calculează cu următoarea formulă:
.B
BEC
IUU
R−
= (6)
⇒ ].[91,125,2
7,05Ω=
−= KR
Alegem rezistenţa cu valoarea: .[5,1 Ω= KR
Schema electrică pentru încălzirea rezistivă a elementului activ, a fost concepută şi calculată în aşa fel încât să permita conectarea la PC prin intermediul portului paralel. Astfel pentru comandarea actuatorului liniar s-a propus schema electronică din figura 15. Acţionarea firelor din AMF se realizează cu semnale modulate în lăţime PWM
Figura 14 Schema electrica folosită la încălzirea elementului activ Figura 15 Semnale de comandă PWM
9
(Pulse-Width Modulated). În cazul amplificatoarelor PWM impulsurile aplicate firului de aliaj reprezintă trepte de amplitudine U şi perioadă T constantă, dar lăţime variabilă (t1, t2, t3....). Impulsurile au o lăţime proporţională cu tensiunea de intrare U, iar tensiunea medie de ieşire Uout este proporţională cu durata impulsului. Rezultă că se obţine un amplificator cu dependenţă liniară între Uout şi U. De asemenea din studiile de până acum s-a relatat apariţia unui histerezis între creşterea perioadei t1 şi descreşterea ei.
Figura 16 Schema electronică de acţionare a actuatorului liniar Componenţa schemei electronice sunt: microcontroler AT90S2313 (Amtel), driver
MAX232 → realizează comunicaţia serială RS232 cu Pc-ul pentru a prelua datele din proces; programator STK200; sursa de alimentare; tranzistore darlington TIP122 → comandă firele de aliaj cu memoria formei. PWM-ul este generat pe pinul 15 (PB3/OC1), 14(PB2), 13(PB1) al microcontrolerului. Rezistenţele R1, R4, R8 au rolul de a limita curentul maxim pe aliajul cu memoria formei deoarece curentul maxim admis este de I=0,4 [A]. Pe baza schemei electronice prezentate mai sus, cu ajutorul soft-ului Eagle, s-a realizat cablajul electric, prezentat în figura 17. Schema electronică permite acţionarea simultană a unui număr de patru elemente active, ceea ce înseamnă lărgirea domeniului forţelor dezvoltate de actuator.
Programul Bascom, prin care se realizează controlul timpului de contracţie şi de relaxare a elementului activ, controlându-se astfel activarea/dezactivarea firului în funcţie de mişcarea care se doreşte a fi obţinută este prezentat în ANEXA III.
Figura 17 Caplajul electronic – realizarea practică
![Cap 3[1]. Modelul Liniar Multiplu](https://static.documente.net/doc/80x56/577cd8611a28ab9e78a10cc4/cap-31-modelul-liniar-multiplu.jpg)
