Particularitati ale actuatorilor utilizati in mecatronica

Actuator: un subansamblu care produce un lucru mecanic ca raspuns la un semnal; structura lui nu mai poate fi descompusa in sub-structuri decat cu riscul de a pierde capacitatea de generare a miscarii.

Particularitati ale actuatorilor utilizati in mecatronica

• Sunt elemente componente ale sistemelor de actionare mecatronice realizate in structura modularizata care asigura atat fluxul de semnale de comenzi cat si fluxul de semnale control
• Sistemele de actionare mecatronice sunt realizate ca si sisteme automate (echipate cu traductoare, senzori si elemente de inteligenta artificiala)
• La sistemele de actionare mecatronice propagarea energiei si a informatiilor se realizeaza nu numai clasic (elemente existente fizic) ci si cu ajutorul altor elemente (raze luminoase, campuri electrice sau magnetice)

ROLUL ELEMENTELOR DIN STRUCTURA ACTUATORILOR

Rol structural (de a prelua incarcarile si sarcinile transmise)

Rol senzorial (ofera suplimentar posibilitatea incorporarii in structura lor a

senzorilor si traductorilor pt control in bucla inchisa)

Rol de actionare

FIDELITATEA

(Criteriu calitativ hotarator - precizia de transmitere a fluxului de semnale

purtatoare de informatii)

• Utilizarea semnalelor asemanatoare sau identice pentru transmiterea comenzilor (semnale de control), a semnalelor senzoriale si a celor pentru transmiterea energiei reducerea complexitatii (implicit costuri, greutate)
• Miniaturizare impusa de tendinta de miniaturizare a sistemelor mecatronice
• (deformatii, masa, inertie si preturi reduse)

Utilizarea unor materiale cu proprietati deosebite

(mat. piezoelectrice,fluide electroreologice, aliaje cu memoria formei,

materiale compozite etc. )

Impunerea unor tehnologii de prelucrare deseori neconventionale (eroziune electrica, eroziune chimica, eroziune ultrasonica, prelucrare cu laser, depunerea in starturi subtiri etc.)

	Tehnologii de prelucrare Miniaturizare

Impunerea unor metode de

masurare si control neconventionale

metoda difractiei, metoda holografica, metoda scanarii

Caracteristici generale ale actuatorilor din sistemele mecatronice:

1. Efectul dimensiunilor (gabaritul) asupra fortelor

Micsorarea dimensiunilor elementelor de executie influenteaza marimea fortei (cuplului dezvoltat)

Ex: actuatori electrostatici - lucrul mecanic raportat la volum (Fl/l³) este invers proportional cu patratul lungimilor, rezultand ca lucrul mecanic dezvoltat de forta electrostatica creste odata cu scaderea dimensiunilor.

Ex: la unii actuatori, scaderea dimensiunilor sub o anumita limita determina forte (cupluri) mai mici decat fortele rezistente(frecare, gravitatie)

2. Cresterea rezistentei materialelor utilizate

Materiale cu proprietati mecanice deosebite: monocristale, materiale amorfe de tip "whiskers" (fibre foarte scurte) au caracteristici de rezistenta de pana la 1000 ori mai mari decat materialele policristaline cu aceeasi compozitie chimica.

Acest fapt se explica prin inexistenta limitelor intre cristale, rezultand uzuri mici si deci surse de erori mici

λ=l₁/l₂ iar c_σ= σ₁/σ₂=1/λ, ceea ce inseamna ca piesele cu dimensiuni de λ ori mai mici trebuie sa se execute din materiale de λ ori mai rezistente

3. Efectul semnificativ al suprafetelor

La nivelul micronilor L² > L³ ceea ce inseamna ca efectele legate de suprafata predomina in raport cu cele legate de volum.

Ex: devine important fenomenul de coroziune chimica ce insoteste unele fenomene electrice

Ex: fenomene legate de microtribologie - la suprafete plane si lagare de alunecare are loc o crestere a semnificativa a coeficientului de fercare μ odata cu scaderea dimensiunilor.

Fenomene precum: adeziunea, frecarea, capilaritatea, tensiunea de suprafata s.a. predomina in raport cu efectele de masa (inertia)

In asemenea situatii se impune:

minimizarea suprafetelor de contact din cuple si efectuarea de acoperiri speciale a cestor suprafete

inlocuirea frecarii de alunecare cu cea de rostogolire

sprijinirea elastica a elementelor mobile

utilizarea de lubrifianti cu vascozitate redusa

utilizarea unor metode de lubrifiere precum gazo(hidro) statica sau dinamica sau a levitatiei magnetice sau electrostatice.

4. Scaderea preciziei de prelucrare

Micsorarea tolerantelor nu se face in aceeasi proportie cu micsorarea dimensiunilor

Daca λ=l₁/l₂ (raportul dimensiunii nominale), la aceeasi precizie de prelucrare, raportul tolerantelor T₁/T₂ =

Rezulta ca odata cu micsorarea dimensiunilor nominale trebuie crescuta precizia de prelucrare

5. Dependenta viteza-dimensiuni

Dependenta vitezei v [mm/s] de dimensiunea L [mm] difera in limite largi comparativ cu cazul elementelor de executie conventionale. Se aseamana, in functie de caz cu dependenta in cazul vietuitoarelor care se deplaseza pe suprafata (v = 10L), in apa (v = L) sau in aer (v = 1000L^1/2).

Conform teoriei similitudinilor, reducerea dimensiunilor cu raportul λ=l₁/l₂ implica o reducere a maselor cu c_G = λ³ , a acceleratiilor cu c_a = λ^-1 (o piesa redusa de λ ori poate fi accelerata de λ ori mai mult), a momentului cu c_M = λ³ .

Elementele de executie compatibile cu tehnologia mecatronica sunt superioare fata de cele conventionale prin: raport putere/greutate; grad de poluare; durata de functionare; posibilitate de reglare a parametrilor miscarii; siguranta in functionare; compactitate; simplitate constructiva (numar redus de elemente in miscare); precizie de pozitionare (submicroni).

Domenii de aplicabilitate: variate :

Roboti si microroboti

Actionarea masinilor unelte

Structura unor echipamente

Industria auto

Industria aerospatiala

Industria militara

Idustria de bunuri de larg consum

Ingineria medicala

STRUCTURA GENERALA A UNUI ACTUATOR

v     Conversia energiei de intrare (electrice, termice, magnetice, optice, chimice) in energie utila de iesire si caldura disipata se realizeaza prin intermediul campurilor electrice, magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice: fenomenul piezoelectric, magnetostrictiv, de memorie a formei, de dilatare a corpurilor cu cresterea temperaturii, a efectului electro-reologic, electrohidrodinamic, de diamagnetism.

v     Mecanismul actuatorului transforma, amplifica si transmite miscarea, facand acordul cu parametrii specifici scopului tehnologic.

SISTEMATIZAREA ACTUATORILOR UTILIZATI IN MECATRONICA

• Se gasesc intr-o varietate de tipuri

      Din punct de vedere al producerii actionarii:

• INTERACTIUNEA CAMPURILOR (a campurilor magnetice, a curentului electric cu campuri magnetice, interactiunea sarcinilor electrice

actuatori cu cursa nelimitata (micromotoare de curent continuu,

micromotoare de curent alternativ asincrone si sincrone, micromotoare

electrostatice)

actuatori cu cursa limitata (micromotoare liniare de curent continuu,

microelectromagneti)

• INTERACTIUNEA MECANICA (asigurarea fluxului de energie prin intermediul unui agent fizic, de regula lichid sau gaz, a carui presiune sau debit determina deplasarea sau deformarea unor elemente active)

actuatori cu elemente deplasabile rotative (micromotoare cu palete cu

rotatie partiala sau totala, microturbine) sau actuatori liniari (cilindri)

actuatori liniari cu elemente deformabile (cu tub flexibil, tub Bourdon)

actuatori de rotatie cu elemente deformabile (cu tub flexibil, tub rasucit, tub

anizotropic, curbat)

• DEFORMATII LIMITATE (au in structura unul sau mai multe elemente din materiale "inteligente", care au capacitatea de a se deforma controlat)

      DUPA SEMNALUL DE INTRARE AL COMENZII ACTUATORILOR

1. Actuatori comandati termic:   

- pe baza de dilatare a gazelor si materialelor solide :

- cu elemente active bimetalice

- pe baza de transformare de faza

- din aliaje cu memoria formei

- cu ceara

2. Actuatori comandati electric:

- electrostatici

- piezoelectrici

- electroreologici

3. Actuatori comandati magnetic:

- electromagnetici

- magnetostrictivi

- pe baza de ferofluide

4. Actuatori comandati optic:

- termo-, electro-, foto-strictivi

- piro-, piezo-electrici

5. Actuatori comandati chimic:

- pe baza de polimeri (geluri polimerice, polimeri conductivi, electrostrictivi)

- pe baza de reactii chimice

6. Alte tipuri de actuatori, bazati pe alte fenomene fizice

INDICI DE PERFORMANTA

In scopul studiului comparativ si pentru a evalua performantele functionale ale diferitor actuatori specifici mecatronicii se utilizeaza cu precadere urmatorii indici de performanta:

1. Repetabilitatea

Descrie cat de repetabila este comportarea unui actuator in timp, pe parcursul mai multor cicluri de operare

figgggggggggg

R - abaterea de la repetabilitate

R_max - abaterea maxima de la repetabilitate

s_i , s_e -valori ale semnalului de intrare (iesire)

i, k - ciclurile i si k

2. Liniaritatea

Se refera la liniaritatea semnalului de iesire ca o functie de semnalul de intrare.

L - abaterea de la liniaritate (exprimata in procente din valoarea semnalului de iesire,

fata de o linie de referinta, s_er ).

Linia de referinta poate fi determinata de valorile minima si maxima ale s_e (dreapta a)

sau de cea mai buna aproximare a dependentei s_e(s_i).

3. Precizia

4. Sensibilitatea

5. Rezolutia

6. SIO (Smalles Inducible Output)

7. Pragul de start

8. Conformanta

9. Histerezis

10. Instabilitate si deviatie

11. Portanta si rigiditate

12. Viteza

13. Capacitatea de miniaturizare