ASMAI Pantie Amina

Coordonator: Conf.dr.ing. Daniel Comeaga

Masterand: Pantie Amina

MATERIALE CU MEMORIA FORMEI

• Conceptul de material inteligent derivă de la formele inteligente ale sistemelor (materialelor) naturale, adică organismele vii. Ca urmare, materialele inteligente sunt concepute ca materiale care îndeplinesc funcţiile naturale de detecţie (“sensing”), comandă (“actuation”), control şi inteligenţă.

PRINCIPIILE UNUI MATERIAL ACTUATOR /SENZOR

• Dispozitivele pe bază de materiale care răspund prin modificarea lungimii sunt denumite adesea actuatori (sau actuatori în stare solidă). 

• Materialele active pot fi folosite si ca senzori, atunci când efortul aplicat asupra materialului este transformat într – un semnal care permite estimarea nivelurilor de tensiune în sistem.

CATEGORII DE MATERIALE INTELIGENTE

• Aliaje cu memoria formeiAliajele nichel – titan de compozitie adecvata prezinta 

caracteristici unice de memorie, respectiv de refacere a formei, fiind cele mai populare aliaje cu memoria formei.

• Compozite hibride cu memoria formeiSunt materiale compozite care contin fibre sau straturi de 

aliaje cu memoria formei (Ni – Ti), astfel incit ele sa poata fi controlate mecanic prin incalzire

• Polimeri cu memoria formeiSunt caracterizati prin memorie elastica, adica la temperatura 

de tranzitie vitroasa exista o larga modificare reversibila a modulului elastic

Aplicaţii ale materialelor cu memoria formei 

• Cuplaje hidro‐pneumatice • Principiul de funcţionare a unui cuplaj hidro‐pneumatic din material cu memoria formei este ilustrat în Fig. 1.

Cuplajului i se imprimă forma caldă (1), caracterizată printr-un diametru interior mai mic decât cel nominal, D0, al conductelor sau ţevilor pe care urmează să le îmbine. După răcire până în domeniul martensitic (2), cuplajul, care acum s-a înmuiat considerabil, este expandat prin introducerea forţată a unui dorn cu diametrul mai mare decât D0.În această stare (3), care este practic starea de livrare, cuplajul poate fi depozitat o perioadă îndelungată. La instalare, cuplajul este montat rapid, fiind scos din mediul de depozitare (de exemplu azot lichid) în atmosferă, unde se încălzeşte până în domeniul austenitic (4) şi prin EMF cu revenire reţinută, asigură strângerea necesară realizării unei îmbinări etanşe între conducte.

Exemplul tipic de cuplaj hidro-pneumatic, confecţionat din AMF Ni-Ti-Fe, este Cryofit cu forma constructivă schiţată în Fig. 2. Pentru a evita dezavantajul păstrării în azot lichid, s-au dezvoltat aliaje la care histerezisul termic a fost majorat, până la 80 oC sau chiar 145 oC, prin adăugarea a cca. 9 % Nb care măreşte histerezisul termic (prin introducerea unei componente ireversibile a deformaţiei) şi „întârzie” transformarea martensitică inversă. Principalele avantaje ale cuplajelor hidro-pneumatice din AMF pe bază de Ni-Ti sunt: compactitatea, instalarea uşoară şi fiabilitatea.

Conectori electrici

Conectorii electrici cu memoria formei se utilizează de peste 25 de ani. Spre deosebire de cuplajele hidro-pneumatice, conectorii electrici trebuie să facă faţă unui număr mult mai mare de cicluri de cuplare-decuplare.

Dispozitive de fixareLa dispozitivele de fixare, materialele cu memoria formei se folosesc sub formă de inele ce lucrează în domeniul austenitic şi care permit obţinerea unor asamblări permanente, nedemontabile. Inelul de fixare a sigiliilor ermetice este schematizat in figura de mai jos

Schema de fixare a sigiliilor ermetice: 1-recipient, 2-inel din AMF pentru fixare, 3-bază de prindere

Protecţia contra incendiilor include funcţia de detecţie şi acţionareDetecţia şi acţionarea pot fi exemplificat prin intermediul supapei termice şi a legăturilor PROTEUS, ilustrate in figura de mai jos.

Schemă-bloc a generatorului de semnal de supraîncălzire: 1-punte Wheatstone; 2-sârmă din AMF pe bazăde cupru; 3-amplificator; 4-releu; 5-feed-back

Aplicatie

• Braţ tentacular format din trei module identice. Braţul tentacular poate avea 15–20 asemenea module. Fiecare modul are ca sistem de acţionare trei pistoane SMA care, alimentate simultan o peioadă de timp descrisă, determină poziţia modulului, respectiv poziţia robotului. În mod teoretic poate exista un caz în care toate pistoanele trebuie alimentate simultan pentru atingerea poziţiei prescrise. Deoarece aceste pistoane sunt alimentate în „paralel” şi fiecare poate absorbi până la 5 A, curentul consumat ar fi foarte mare. Din acest motiv, cablurile pentru deservirea acestui consum devin prin gabarit şi rigiditate o problemă în mişcarea robotului.

• Consumul de curent trebuie limitat iar soluţia constă în alimentarea secvenţială a pistoanelor cu o frecvenţă suficient de mare astfel ca histerezisul termic al acestora să acopere timpul de pauză.

• În mod practic, pentru un modul cu o anumită poziţie prescrisă, fiecare din cele trei pistoane trebuie să ajungă la o anumită temperatură care va asigura mişcarea în funcţie de sarcina manipulată. Pistoanele vor fi alimentate secvenţial, periodic, un interval de timp proporţional cu temperatura necesară, suma timpilor constituind un ciclu de comandă. Se repetă acest ciclu până la atingerea poziţiei, respectiv temperaturii, prescrise.

• În figura a. este prezentată „aşa numita” comandă simetrică simplă în care alimentarea este comutată succesiv pe fiecare SMA, semnalele de comandă fiind disjuncte.

• În Figura b. sunt alimentate în permanenţă două SMA–uri, sensul de mişcare determinat de ordinea de conectare şi deconectare a acestora.

• Această metoda este îmbunătăţită în figura c. în sensul că intervalul de timp asociat unui SMA este defalcat în trei zone. 

Circuitul distribuitor este format dintr–un numărător în inel, cu numărul stărilor egal cu numărul SMA–urilor, urmat de o logică de decodificare ce permite activarea unei singure ieşiri într–o stare a numărătorului.

Pentru regimurile de accelerare se impune, în scopul eliminării fenomenului de pierdere a paşilor, pornirea generatorului de la frecvenţe joase şi creşterea gradată a frecvenţei până se atinge frecvenţa de regim dorită. Modificarile frecvenţei se poate realiza în diferite moduri : prin circuite specializate analogice sau numerice sau prin sistemul software al unui procesor ce controlează mişcarea.

• Problemele impuse acestor circuite sunt numeroase, ele derivând din regimurile speciale la care operează SMA–urile. Aceste probleme pot fi formulate prin condiţiile următoare :

• 1. generarea unui curent cu o amplitudine corespunzătoare puterii cerute de motor şi cu polaritate adecvată. Aceasta implică tranzistoare de putere în etajele finale sau chiar tiristoare;

• 2. comutarea curentului de la valoarea zero la valoarea de regim în timp minim;

• 3. comutarea inversă a curentului de la valoarea nominală la zero în timp minim cu evitarea apariţiei unor semnale de supraurmărire.

Principalele elemente ce intră în componenţa schemei 

Schema Functionala

• Schema funcţională a unui asemenea sistem de comandă pentru SMA–uri este dată în figură. Porţiunea din schemă delimitată cu linie întreruptă funcţionează în circuit deschis. Aceasta conţine generatorul de impulsuri GI, distribuitorul de impulsuri DI, amplificatorul intermediar AI, amplificatorul de putere AP şi blocul ce alimentare BA a elementelor din schema de acţionare a SMA–urilor. 

• Semnalul de comandă, sub formă de impulsuri de tensiune, ajunge la intrarea generatorului de impulsuri de la sistemul de comandă al robotului. Blocul GImodifică forma impulsurilor de intrare ca durată şi amplitudine pentru a asigura funcţionarea normală a următorului bloc din schema de comandă şi anume DI. Distribuitorul de impulsuri DI transformă succesiunea impulsurilor formate într–un sistem 4–fazat de impulsuri unipolare de tensiune corespunzătoare celei mai apropiate puteri a lui doi de numarul SMA–urilor.

• Impulsurile de la ieşirea DI sunt amplificate de către amplificatorul in‐termediar AI şi ajung la amplificatorul de putere AP care alimentează SMA–urile.  În amplificatorul AP se realizează comanda elementelor de putere ale amplificatorului care lucrează în regim de întrerupător. Acestea pot fi tranzistoare pentru putere mică sau tiristoare pentru de putere mare. De regulă, AP este alimentat de la o sursă de curent continuu (redresor) şi asigură un curent pulsatoriu unidirecţional.

• Blocul RFIT (regulator frecvenţial al impulsurilor de tensiune), împreună cu AR (amplificatorul reacţiei de curent) stabilizează curentul asigurând menţinerea constantă a momentului SMA–urilor, datorită cărora indicii energetici de funcţionare se îmbunătăţesc. Stabilizarea curentului se realizează printr–o legătură de reacţie negativă după curent al cărui semnal Ur se culege de pe rezistorul Rr care se găseşte în circuitul comun de alimentare al SMA–urilor. Diferenţa dintre semnalul Ur şi Udreprezintă semnalul de comandă care este transmis la intrarea AR şi după amplificare modifică valoarea medie a tensiunii de alimentare Ui a amplificatorului de putere şi curentul în înfăşurările IC prin reglarea frecvenţei de comutare a RFIT.

• Pentru mărirea preciziei de prelucrare a impulsurilor de comandă de intrare se foloseşte BEFP, care micşorează pasul de discretizare a comenzii SMA–urilor.

• Prin introducerea blocului BAFS se măreşte de 2 – 3 ori domeniul frecvenţelor  de  lucru   al  acţionării.

• Posibilităţile acţionării cu SMA se lărgesc prin crearea sistemelor cu legătura de reacţie realizată cu ajutorul blocurilor simbolizate TP şi RN. Într–un asemenea sistem informaţia despre poziţia şi viteza  gripper–ului ajung la regulatorul numeric RN care asigură deplasarea programată şi realizată de sistemul de acţionare cu SMA–uri.

• În figura de mai jos este dată schema amplificatorului cu tiristoare AP care comandă alimentarea SMA–urilor.

•Din schemă fac parte tiristoarele T1 ... T4 care realizează comutarea conjugată a alimentării SMA–urilor pentru ca în fiecare moment să fie alimentate două. Tiristoarele T1 şi T3, T2 şi T4 formează schema a două trigger–e, în care comutarea tiristoarelor se realizează cu ajutorul circuitelor oscilante L0 – C0 şi a diodelor D1 şi D2. Modul de funcţionare al schemei se poate înţelege prin explicarea funcţionării trigger – ului format  din tiristoarele T1 – T3.

• In poziţie iniţială tiristorul T1 este în conducţie şi prin SMA 1 trece curent, iar tiristorul T3 este blocat. Condensatorul C0 se încarcă cu „plus” pe armătura dreaptă după cum este indicat în Figura 13. Dacă se dă impulsul de comandă pe T3 el intră în conducţie şi prin SMA 3 începe să treacă curent. În acelaşi timp, pe circuitul L0 – T3 – D2 – D1 are loc descărcarea rapidă a condensatorului C0, datorită căruia potenţialul catodului lui T1devine mai pozitiv decât potenţialul anodului său; curentul prin T1 se va micşora astfel că în final T1 se blochează. La sfârşitul reîncărcării condensatorului, armătura stângă devine pozitivă (semnele din paranteză pe figură) şi trigger–ul este pregătit pentru o nouă comutare, care are loc prin anularea impulsului de comandă de pe T3 şi transmiterea lui din nou pe T1. În acest fel, tiristoarele din schema trigger–ului lucrează alternativ.Pentru evitarea supratensiunilor în perioada comutaţiei, în paralel se leagă un rezistor R şi o diodă D3 înseriate. La întreruperea circuitului, energia stocată în conductivităţi (bobinele înfăşurărilor de comandă) se va disipa pe diodă şi rezistenţă în loc să se disipeze pe tiristor.

CONCLUZII

• Soluţia electronică de comandă propusă are avantajul unei comenzi simple.

• Este eficientă din punctul de vedere al consumului de curent.• Se poate obţine un control foarte fin al mişcării prin folosirea unor dispozitive cu acurateţe mărită

• Poate fi extinsă pentru a comanda oricâte SMA – uri se doreşte