Actuatori

Actuator piezoelectric oscilant

Actionarile bazate pe principiul piezoelectric pot prezenta si variante care asigura miscari de rotatie sau pozitionari pas cu pas. El este prezentat ca un motor pentru actionarea mecanismului de pozitionare a lentilelro sistemului de auto-focalizare la o camera foto. O serie de elemente piezoelectrice, dispuse de-a lungul circumferintei unui disc, si alimentate, succesiv, cu tensiunem se dilate si se contract, generand o unda de deformatie a discului, in sens orar sau anti-orar, in functie de succesiunea de transmitere a impulsurilor. Aceasta unda de deformatie determina deplasarea rotorului motorului, care printr-un mecanism cu cama pozitioneaza lentilele. Se va prezenta, mai detaliat, actuatorul recomandat pentru aplicatii in industrie, optica, aparatura medicala, birotica, automatizari casnice , automobile, jucarii, etc.

Principiul de functionare poate fi explicat cu ajutorul figurii 1. Un element piezoelectric, multistrat, este montat, pe un resonator de 20 de mm, din aluminium, si excitat cu impulsuri de tensiune, de frecventa adecvata, genereaza oscilatii mecanice, care sunt amplificate de resonator, astfel, incat, motorul va executa o miscare dupa o traiectorie eliptica, in domeniul micrometrilor. Rezonatorul este sustinul de un resort elastic, avand rolul de generare a fortei de contact dintre resonator si elemental actionat.

La o frecventa a impulsurilor de excitatie de 98 KHz, rezonatorul va angrena, prin frictiune, de 98.000 de ori pe secunda cu elemental mobil, determinand o miscare lina, cu cativa micrometri, la fiecare impuls(fig.2). directia miscarii este determinate de frecventa tensiunii pulsatorii (aproximativ 83 KHz pentru o directie si 98 KHZ pentru directia inverse).

Schemele de comanda sunt foarte simple (fig 3) si necesita un singur semnal, cu impulsurile de excitatie, din partea procesorului numeric. Ambele scheme presupun alimentarea cu cate o semi-punte , dar cea din partea inferioara are inclusa si o bobina, care reduce cnsumul de energie, important in cazul alimentarii de la baterie. Sunt remarcabile tensiunile reduse la care functioneaza acest actuator piezoelectric.

1.2. Actuatori cu memorie a formei

Actuatorii realizati din aliaje cu memroie a formei ( in engleza "Shape MemoryAlloys (SMAs). In franceza "alliages a memoire de forme", in germana "Formgedachnis Legiurungen") reprezinta o alta categorie de elemente de actionare neconventionale, care pot oferi solutii ingenioase si eficiente pentru sistemele mecatronice, uneori imposibil de realizat cu alte tipuri de sisteme de actionare. Fenomenul a fost remarcat prima data in anul 1932 de un cercetator suedez, care l-a constatat la un aliaj din aur-cadmiu. O noua redescoperire a avut loc in anii 1950 pe un santier naval din S.U.A., unde placi curbate din aliaj de nichel-titan, care trebuiau sudate, s'au indreptat "amintindu-si de vechea forma". De aceasta data descoperirea a marcat inceputul utilizarii aliajelor din Ni-Ti (sau Nitinol), dar si pe baza de cupru (CuZnAl, CuAlNi, CuAlBe) pentru realizarea de actuatori, in cele mai diferite si remarcabile aplicatii.

Denumirea "aliaje cu memorie a formei" desemneaza o clasa de materiale care sunt capabile sa manifeste efectul de memorare a formei (Shape Memory Effect-SME): dupa o deformare permanenta la temperature joase, revin la forma lor initiala, nedeformata, atunci cand sunt incalzite. Aceasta proprietate se datoreaza, unei transformari de faza solida-solida, numita "transformare martensitica" care se produce intre o faza (austenitica, notata cu A) la temperature inalta, T>Af, si o faza la temperature joasa, T<Mf, (faza martensitica notata cu M fig 5). Transformarea A * M este termoelastica, deci se realizeaza fara o modificare de volum si nu este instantanee, existand un domeniu de temperature in care cele doua faze coexista. Metodele de inducere a efectului de memorare a formei sunt tratamente termodinamice pecifice, numite si tratamente de antrenare sau educare, In functie de natura efectuluide memorare a formei Indus in actuator, la racirea sub temperature Mf forma acestuia poate sa amana nemodificata (fig. 6,a) sau poate lua din forma deformata (fig 6.b). In primul caz, numit efect uni-sens (one-way), efectul de memorare a formei poate fi reactivat printr-o deformare a probei, intrucat in acest caz aliajul memoreaza doar forma corespunzatoare temperaturilor inalte, iar dupa incalzirea care determina revenirea la aceasta forma memorata, "uita" forma corespunzatoare temperaturilor joase.

Aplicatiile actuatorilor cu memorie a formei sunt dintre cele mai diverse: (sisteme de manipulare), structuri flexibile pentru roboti (roboti spline), si cane flexibile si comandabile pentru alimentatoarele vibratoare (buncare vibratoare)etc.

Se va prezenta un singur exemplu de prezentare, menit sa scoata in evidenta,cat de diverse si de ingenioase pot fi solutii;e si cum poate identifica un mecatronist o rezolvare simpla pentru o problema tehnica dificila. Acest tip de aplicatii transforma energia termica in energie mecanica. Configuratia cea mai des utilizata, de actuator termic cu memoria formei, este cea de resort elicoidal. Actuatorii termici cu memoria formei pot fi utilizati in doua scopuri:

detectarea unei anumite temperature (cand joaca rol de senzori);

efectuarea de lucru mechanic atunci can dating o anumita temperatura.

Energia termica, necesara declansarii actuatorilor este transmisa elementului cu memoria formei prin convectie (naturala sau fortata, prin conductie termica sau chiar prin radiatie.

Principalii contracandidati ai actuatorilor termici cu memoria formei sunt bimetalele termostatice si actuatorii cu parafina. Curbele deplasare-temperatura ale acestor tipuri de actuatori sunt illustrate in ???

In continuare sunt prezentate cateva dintre cele mai cunoscute exemple de utilizare a actuatorilor termici cu memoria formei.

A.       Protectia contra incendiilor include functiile: - detectie a unei temperature prestabilite sau - detectie si actionare.

A.1. Detectia unei temperature prstabilite de catre senzorii termici cu memoria formei, se poate realiza prin : a-detectia variatiilor de rezistivitate sau b-EMF, in sine.

A - Dupa cum s'a aratat in transformarea mertensitica din AMf, atat directa cat si inverse, este insotita de variatii bruste ale rezistivitatii electrice care pot fi utilizate pentru a asigura protectia la supraincalzire sau supraracire. Senzorii termici cu memoria formei, bazati pe variatiile rezistivitatii electrice, sunt foarte utili pentru protectia instalatiilor mari sau a conductorilor electric foarte lungi.

A.2. detectia si actionarea ot fi exemplificate prin intermediul supapei termice si a legaturilor PROTEUS, illustrate in supapa proteus, care a fost proiectata pentru a intrerupe fluxul de gaz, in caz de incendiu. Atunci cand Tamb depaseste temperature critica As, resortul din AMF CU-Zn-Al sufera EMF si se extinde, impingand bila de otel prin inelul de retinere din otel inoxidabil pana cand inchide supapa, blocand accesul gazului. In pozitia "inchis", marcata cu linie intrerupta, bila este blocata de inel. Pentru armarea (resetarea) manuala a supapei, se utilizeaza dispozitivul care impinge la loc bila, prin inelul de retinere al carui diametru interior este putin mai mic decat cel al bilei.

B. Controlul temperaturilor in instalatiile frigorifice se realizeaza cu ajutorul TERMOMARCATORULUI, al carui principiu de functie este ilustrat in Fig. 2.151.

Termomarcatorul este un dispozitiv mechanic, utilizabil in instalatiile frigorifice din pietele agro-alimentare (care sunt destinate pastrarii produselor in stare proaspata sau congelata) sau din domeniul sanitary (care sunt destinate pastrarii sangelui sau a produselor faramaceutice). Ansamblul contine un resort cu 9 spirale complete, cu diametrul mediu de 3.4+-0.1 mm, fabricat din AMF Cu-Zn-Al educat, un piston care controleaza.

C. Prevenirea oparirii este asigurata printr-o supapa "anti-oparire" care se monteaza in interiorul dusurilor si permite intreruperea circuitului apei clocotite. Principalul de functionare al supapei este in ansamblu, ilustrat in starea "deschisa", cand temperatura apei, al carei traseu a fost marcat prin sageti, nu atinge valori periculoase pentru utilizator. Cand acest lucru se intampla, arcul elicoidal din AMF se destinde, prin EMF, deplasand supapa astfel incat sa blocheze traseul apei. Aceasta deplasare comprima arcul din otel, pentru revenire. Gradul de precomprimare a arcului elicoidal din AMF este reglat prin intermediului surubului care se infileteaza in cepul.Subansamblul supapa-cep-surub-arc din AMF este infiletat in interiorul carcasei din alama cromata. In exploatare, supapa anti-oparire asigura, in mai putin de o secunda, intreruperea circuitului de apa, caracterizat printr-un debit de 4-20 l/min, o presiune de 1.7 5.5 bar de o temperatura de 49-71 grade C.

D.  Cionditionarea aerului a fost optimizata prin intermediul unui mecanism automat de schimbare a directiei curentului de aer. In mod normal, la aceste aparate exista un system de control al temperaturii care comanda functionarea interminenta a compresorului de aer si un mecanism de schimbare a directiei aerului conditionat prin intermediul unei clapete (flaps) deplasata de un motor, comandat de un sensor cu termistor.

Aceasta deplasare urmareste evitarea racirii accentuate a unei singure regiuni din incapere, ceea c ear putea adduce neplaceri persoanelor aflate in acea zona. Tinand cont ca aparatele de conditionare a aerului se monteaza cat mai sus pe perete, langa plafon, (pentru a lasa cam mai mult spatiu liber), pentru o climatizare cat mai efiienta, aerul cald trebuie suflat in jos iar cel rece in sus. In felul acesta se asigura incalzirea aerului de langa podea si respective se evit expunerea directa la curentii de aer rece. Prin utilizarea unui resort educat, din AMF Ni-Ti-fe, care lucreaza in domeniul termic al fazei R (deci cu histerezis termic foarte redus) s-a reusit inlocuirea atat a senzorului cu termistor cat si a motorului de deplasare a flapsului. Mecanismul utilizat la conditionarea aerului este singurul care permite generarea unei curse continue. Intre doua pozitii extreme. Avantajele acestui aparat sunt: simplitatea constructive si gabarit redus, excelenta rezistenta la coroziune, fara acoperiri de protectie si functionare silentioasa (nu se folosesc motoare).

5. Controlul aburului in instalatiile de incalzire ale trenurilor de marfa sau calaori este necesar pentru a asigura indepartarea aburului condensate care ar putea bloca circuitul inchis, dintre vagoane si locomotive. Principala problema apare iarna, atunci cand condensul poate ingheta blocand conductele. Aceasta problema a fost rezolvata cu succes prin construirea unui separator de abur, cu actuator termic cu memoria formei, a carei diagrama de functionare este prezentata. Cele mai reusite aplicatii, din industria de autovehicule, ale actuatorilor termici cu memoria formei sunt supapelede reglare automata a presiunii uleiului in sistemele de transmisie si comutatoarele electrice ale ventilatorului din instalatiile de racire. Cel de-al doilea exemplu de utilizare a actuatorilor termici cu memoria formei in industria de autovehicule este comutatorul electric al ventilatorului, din instalatiile de racire ale motoarelor Diesel. Acest ventilator trebuie pornit sau oprit ori de cate ori temperature apei din instalatie creste pesteo o valoare admisibila, respective scade sub valoarea de regim. Problema majora pe care trebuie s-o depaseasca acest comutator electric este nivelul ridicat al vibratiilor existente in vecinatatea unui astfel de motor. Din acest motiv, termostatele bimetalice, utilizare in mod current in astfel de situatii, nu au putut asigura forte si curse de comutaresuficient de ridicate.
6. Protectia termica a filtrelor de apa este necesata deoarece apa fierbinte poate provoca distrugerea filtrelor. Pentru a evita acest lucru, s-a conceput un dispozitiv de protectie care este ilustrat in pozitia de functionare. Acest dispozitiv este instalat inaintea filtrelor de apa rece de la robinete "tip canea", in care se realizeaza o amestecare a apei calde cu cea rece. Atunci cand apa care intra in dispozitiv este prea clada, resortul din AMF dezvolta EMF, se destined si comprima resortul de restabilire . Supapa calc ape scaunul Si si inchide traseul apei reci, spre filtru, deschizand circuitul apei calde spre robinet. Atunci cand in dispozitiv intra numai apa rece, resortul din AMF este in stare martensitica, deci moale si este comprimat de resortul de restabilire. Supapa este deplasata spre stanga si calc ape scaunul S2, inchizand traseul apei calde dar mentinandu-l pe cel al apei reci, spre filtru. Atunci cand se doreste ocolirea filtrului, se strange surubul pana cand supapa calca pe scaunul Si, astfel incat apa rece intra direct in robinet.

1.3 Actuatori electrici cu memoria formei

Actuatorii electrici cu memoria formei au doar functia de a efectua lucru mechanic. In aplicatii, ei inlocuiesc cu mult success actuatorii conventionali, cum ar fi solenoizii electromagnetici, servomotoarele si motoarele electrice, pneumatice sau hidraulice carora le sunt superiori in ceea ce priveste: compactitatea (au au gabarit mult mai redus); functionarea mai slientioasa si simplitatea constructive.

Exemplul cel mai sugestiv, care sintetizeaza toate aceste avantaje, este clapeta de aerisire de la cuptoarele electrice multifunctionale. Dispozitivul conventional de actionre al acesteia este un subansamblu, tip biela-manivela, actionat de un motor electric. Actuatorul electric cu memoria formei este un simplu resort elicoidal, fixat in doua cuple dotate cu fise electrice, care ocupa un volum de cca. 10 ori mai redus. Ca materiale, sunt preferate aliajele pe baza de ni-Ti, datorita rezistivitatii lor electrice si a comportarii la oboseala, superioare fata de AMF pe baza de Cupru. Pe langa robotica, unde s-au realizat cele mai reunite aplicatii ale actuatorilor electrici cu memoria formei, acestia au mai fost introdusi si in ale domenii cateva dintre cele mai reprezentative exemple fiind prezentate in continuare.

Eseu: CAIET DE SARCINI pentru executia infrastructurii din beton armat Referat: Manual de reabilitare termica a cladirilor prin imbunatatirea protectiei termice a peretilor exteriori

A.     industria de autovehicule utilizeaza o serie de actuatori electrici cu memoria formei, cum ar fi cei produsi in Japonia, pentru actionarea dispozitivelor de protectie a farurilor de ceata si sistemul de racire al motorului (Nissan) precum si actuatorii care controleaza presiunea de apasare a stergatoarelor de parbriz sau sistemele de incuiere, atat centrale cat si localizate la nivelul capotei, busonului de umplere al rezervorului de combustibil, etc.

Actuatorul este reprezxentat prin arcul elicoidal din AMF care, atunci cand este incalzit electric, impinge cremaliera culisanta, comprimand arcul din otel pentru restabilire. In timp ce culiseaza pe tija-suport a opritorului, cremaliera antreneaza in miscare de rotatie pinionul care transmite miscarea la sectorul dintat. Odata cu acesta, se roteste si incuietoarea care asigura blocarea propriu-zis. Singura problema a acestor mecanismee este riscul ridicarii accidentale a Tamb.

B.     Controlul proportional reprezinta exemplul tipic de actuator cu memoria formei, cu functionare continua si variatie liniara a deplasari, pe intervalul de transformare, ilustrat prin exemplele date.

Variatia lungime-temperatura, este caracteristica unui AMF obisnuit, ciclat termic sub tensiune constanta, deoarece transformarile martensitice, atat directa cat si inverse, se produc intre Ms si Mf respective As si A^. Se observa ca, pentru a obtine o crestere prestabilita de lungime (de la L1 la L2) , variatia temperaturii este foarte greu de controlat in cadrul racirii intre Ta si Tb . In cazul in care dupa cresterea lungimii de la L1 la L2, se impune imediat o contractie insotita de revenirea la L1, trebuie mai intai aplicata o incalzire substantiala pana la Tc, pentru a anihila efectul de stabilizare a martensitei si apoi inca o incalzire pana la Td, pentru ca materialul sa efectueze contractia propriu-zisa. Asadar o alungire-contractie, in succesiunea L1-l2-l1, impune variatia temperaturii pe traseul Ta-Tb-Tc-Td. Controlul proportional reprezinta exemplul tipic de actuator cu memoria formei, cu functionare continua si variatie liniara a deplasarii, pe intervalul de transformare, ilustrat prin exemplele date.

C.Protectia circuitelor electrice la supraincalzira poatefi realizata prin intermediul "disjunctoarelor"comandate prin fire de sectiune dreptunghilara,din AFM CU-AL-NI-TI-MN (CANTIM), a caror educare la incovoiere a fost prezentata in sectiunea 2.5.2.3. Disjunctoarele electrice trebuie sa declanseze deschiderea circuitului electric in doua situatii extreme ,legate de raportul dintre curentul instantaneu si cel nominal(l/ln):1 -la scurt circuit ( l/ln =3-5) si 2- la supraincalzire (l/ln>1.45). La instalatiile electrice conventionale, protectia la scurtcircuit se realizeaza prin relee magnetice, care deconecteaza circuitul in 10 secunde ( la l/lN=5) iar protectia la supra incalzire prin termostate din metalice, care intrerup circuitul intr-o ora (la l/lN>1.45) ambele functii de protectie au putut fi preluate de actuatorii electrici cu memoria formei, obtinuti prin metalurgia pulberilor, din CANTIM, sub forma de fire cu sectiune dreptunghiulara (1.7*1.6*35mm). Aceste fire au temperature de declansare intre (As si Af) de 170 de grade C si dezvolta la capatul liber, prin incovoiere, curse de 3 mm. Principalul inconvenient al aliajelor CANTIM este pierderea stabilitatii termice in timp, in special la scurtcircuit. O alternative promitatoare, de AMF pentru temperature inalte este oferita de aliajele pe baza de Ni-Ti apartinand sistemelor Ti-Ni-Pd sauNi-Ti-Hf care desi sunt mai scumpe, au o stabilitate mult mai ridicata.

1.4. Actuatori termici cu memoria formei

Acest tip de aplicatii transforma energia termica in energie mecanica. Configuratia cea mai des utilizata de actuator termic cu memoria formei, este cea de resort elicoidal. Actuatorii termici cu memoria formei pot fi utilizati in doua scopuri: - detectarea unei anumite temperature(cand joaca rol de senzori) sau - efectuarea de lucru mechanic atunci can dating o anumita temperatura. Energia termica, necesara declansarii actuatorilor este transmisa elementului cu memoria formei prin convectie (naturala sau fortata prin conductie termica sau chiar prin radiatie). Principalii contracandidati ai actuatorilor termici cu memoria formei sunt Bimetalele termostatice si actuatorii cu parafina. Termostatele bimetalice porduse de peste un secol, sunt materiale componente obtinute prin laminarea simultana a doua materiale metalice, (de obicei Fe-Ni, Mn-Cu-Ni sau otel inoxidabil) cu coeficienti net diferiti de dilatare termica.

Elementele principale din structura subsistemeului de executie sunt actuatorii.

Clasificarea actuatorilor utilizati in mecatronica

Actuatorii specifici aplicatiilor din mecatronica se realizeaza intr-o mare varietate functionala si constructive, in general cu caratceristica din urmatoarea structura (fig 7.65). Conversia energiei de intrare in energie utila de iesire si caldura disipata se realizeaza prin intermediul campulirol electrice magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice: Fenomenul piezoelectric, magnetostrictiv, de memorare a formei ca urmare a dilatarii corpului la cresterea temperaturii , a schimbarilor de faza, a efectului electroreologic, electrohidrodinamic, de diamagnetism. Mecanismul actuatorului transforma, amplifica si transmite miscarea facand acordul cu parametrii specifici scopului tehnologic. Actuatorii utilizati in mecatronica pot fi conceputi ca si actuatori liniari sau rotativi avand cursa limitata sau theoretic nelimitata, cu un element activ sau cu mai multe elemente active in structura. Actionarea propriu-zisa este obtinuta pe 3 cai distinctive prezentate in figura 7.66. Interactiunea campurilor magnetice, a curentului electric cu campuri magnetice, precum si interactyiunea sarcinilor electrice prezinta magnetizarea unor actuatori care au cursa theoretic nelimitata sau limitata. Actionarea bazata pe interactiunea mecanica presupune asigurarea fluxului de energie prin intermediul unui agent fizic, de regula un lichid sau un gaz, a carui presiune sau debit determina deplasarea sau deofrmarea unor elemente active. Astfel, actuatorii cu elemente deplasabile rotative sau micromotoarele cu palete cu rotatie partiala sau totala, microturbinele iar actuatorii liniari de acest tip sunt reprezentati de cilindri. Actuatorii liniari cu elemente deformabile sunt cei cu tub flexibil si cei cu tub Bourdon, iar cei de rotatie au in structura elemente active sub forma de tub rasucit sau tub anziotropic, curbat.

Actuatorii ai caror functionare se bazeaza pe deformatiile liniare si ondulare limitate au in strctura unul sau mai multe elemente din materiale "inteligente" - materiale care au capacitatea de a se deforma controlat confectionate sub forma lamelara, dreapta sau curbata preformata, cilindrica, forma de disc,,bara, bara de torsiune, membrane, astfel incat se obtin atat deplasari liniare cat si unghiulare. Elementele active cu deformatie controlata pot fi insotite de elemente elastice passive. Deformatiile liniare sau unghiulare limitate, ce determina practice miscari de translatie alternative, sau de oscilatie, pot fi transformate printr-o miscare continua de rotatie sau de translatie prin intermediul de mecanisme. Transmiterea si amplificarea deformatiilor controlate ale elementelor active se realizeaza prin transmisii prin forma, prin microgrip sau prin fictiune. In functie de semnalul de intrare pentru deformarea controlata a elementului active, actuatorii din aceasta categorie se impart la randul lor, in:

Actuatori comandati termic(prin intermediul unui flux de caldura):

actuatori pe baza de bimetale;

actuatori pe baza de aliaje cu memoria formei;

● Actuatori comandati electric prin intermediul intensitatii campului electric:

- actuatori piezoelectrici, cu elemente active din piezocristale, piezoceramici sau piezopolimeri;

- actuatori electroreologici:

. Actuatori comandati magnetic (prin intermediul inductiei campului magnetic);

actuatori magnetostrictivi;

actuatori pe baza de ferofluide;

Actuatori comandati optic (optioelectric sau optiotermic);

actuatori termo-/electro/fotostrictivi;

actuatori piro-/piezoelectrici;

. Actuatori comandati chimic :

muschi artificiali;

Alte tipuri de actuatori, bazati pe alte fenomene fizice.

Actuatorii specifici aplicatiilor din mecatronica completeaza in mod fericit gama de elemente de executie utilizate current in constructia de aparate sau de masini, si anume servomotoarele de current continuu, motoarele pas cu pas, motoarele electrice sincrone sua asincrone, elementele de executie pneumatice, hidraulice, electro-hidraulice, samd. Diversitatea elementelor fizice care stau la baza materializarii constructive a actuatorilor prezentati mai sus, deschid noi orizonturi in cercetarile privind proiectaream realizarea si utilizarea acestora si stimuleaza lucrarea in considerare a noi principii fizice si cautarea a noi materiale cu proprietati deosebite, prin intermediul carora sa se raspunda cerintelor de actionare din domeniul mecatronicii.

Actuatorii biologici

Performantele actuatorilor biologici pornesc de la studiul fenomenelor bioenergetice ce vizeaza transformarea, stocarea si utilizarea energiei de catre biosisteme. D.P.d.v. al energobionicii,prezinta un interes sporit conversia directa a energiei luminoase, in energie chimica si conversia energiei chimice in energie mecanica, electrica sau luminoasa.

Sistemele biologice sunt sisteme izotermice ce nu utilizeaza direct caldura generate de reactiile biologice pentru a produce energia necesara, astfel ca procesele endosi exotermice sunt inlocuite cu procesele endergonice si cu cele exergonice. Procesele endergonice nu pot decurge decat pe seama energiei libere furnizate de catre procesele exergonice. Cativa din cei mai semnificativi indicatori de performanta ai sistemului muscular uman si ai animalelor sunt:

- Capacitatea de inmagazinare a energiei: actuatorii trebuie sa functioneze perioade de timp determinate pe baza energiei accumulate. Pentru muschii naturali este vorba de intervalul de 4-6 ore, pauza normala intre mese.

- Robustetea si independenta: in functionare, actuatorii trebuie sa fie independenti si protejati fata de mediul inconjurator. Muschii omului sunt protejati fata de mediul inconjurator prin piele.

Actuatorii chimici

Se impart in doua mari categorii:

1. Actuatori pe baza de polimeri.
2. Actuatori pe baza de reactii chimice prin care energia chimica este convertita in energie macanica sau electrica.

Actuatorii pe baza de polimeri

In functie de natura polimerilor utilizati ca elemente active de actionare, din prima categorie fac parte actuatorii pe baza de geluri polimerice, cei pe baza de polimeri conductivi precum si cei pe baza de polimeri electrostictivi.

Actuatorii pe baza de geluri polimerice

Gelurile polimerice reprezinta o retea de legaturi incrucisate a unui polimer. Ele au capacitatea de a-si mari volumul de peste o mie de ori intr- maniera reversibila. Variatia volumului poate fi determinate de semnale de intrare materializate de vriatii ale pH-ului, temperaturii, intensitatii campului electric, etc. fibrele din geluri polimerice, cu dimensiuni de ordinul micronilor, isi modifica volumul intr-un interval de timp de ordinal milisecundelor. Cele mai utilizate geluri polimerice sunt: alcoolul polivinilic (PVA), acidul poliacrilic (PAA) si poliacrilonitrilul (PAN).

Actuatorii pe baza de polimeri conductivi.

Polimerii conductivi se mai numesc si composite organice. Ei au system orbital p, extins prin care electronii au libertatea de miscare de la un capat la altul al polimerului. Trecerea unui current determina reducerea intr-o parte si oxidarea in cealalta, ionii sunt transferati, astfel ca o parte expandeaza, celalta se contracta, determinand incovoierea intregii structuri (fig7.82). In felul acesta este transformata in energie mecanica atat o energie electrica cat si una chimica. Polimerii conductivi sunt mai simplu de obtinut decat gelurile polimerice prezentate mai sus.

Actuatorii pe baza de polimeri electrostictivi

Polimerii electrostictivi se mai numesc elastomeri dielectrici. La plasarea lor intr-un camp electric, sufera o deformare mecanica. Cele mai utilizate materiale din aceasta categorie, sunt polimerii pe baza de polimetilmetacrilat. (PMMA). Datorita deformatiei lor, electroactive, pot fi plasati intre doi electrozi reproducand astfel modul de operare a muschilor. Expandarea are loc in planul electrozilor, forta dezvoltata fiind proportionala cu sarcina electrica de la electrozi (fig 7.83). fortele rezultate comprima polimerul si maresc aria lui. Pot fi utilizati ca si actuatori liniari, fara amplificatory suplimentari. Pe langa elementele active de tip film, in structura actuatorilor cu polimeri electrostrictivi, se utilizeaza elemente de tip stiva. Lamela incastrata de tip bimorf, in forma de tub sau de cilindru, in general, structuri asemanatoare cu cele ale actuatorilor piezoelectrici.

In fig 7.85 este prezentat un alt actuator pe baza de polimer: In elemental cilindric 4 se gaseste un film polymeric ionic conductive 1. Un capat al acestuia este fixat intre electrozii din 2 si 2 ' in legatura cu conductorii 3 si 3'. Comparativ cu actuatorii pe baza de aliaje cu memorie cu memorie sau cu cei cu structuri bimorfe, acesta necesita o tensiune de activare relative scazuta, 1.5 V, si are o viteza de raspuns mai mare. Cu astfel de actuatori, s-a realizat un cateter active, cu capetele din gel lungi de 20 mm. Utilizand actuatori pe baza de polimeri electrostictivi, s'au realizat dispozitive de prehesiune ca si cele din figura 7.86. La aplicarea unei tensiuni, electrostrictiunea din polimer determina incovoierea degetului. Directea de incovoiere depinde de polaritatea tensiunii iar unghiul de incovoiere ajunge pana la 120 de grade.Cand tensiunea de activare este 5 V si puterea consumata este de 25 mW. In primul exemplu, cele doua degete antagoniste, sunt echipate cu bacuri pentru o prindere mai sigura. Prototipul cu patru degete anipuleaza obiecte cu masa 10.3 g. Retelele polimerice sub forma de geluri ofera posibilitatea combinarii functiei de actuator cu cea de sensor simplificand mult sistemul de control.

Actuatorii pe baze de reactii chimice

In aceasta categorie se incadreaza totalitatea actuatorilor care, prin intermediul unor reactii chimice, convertesc energia chimica in energie mecanica. Acesti actuatori pot fi realizati intr-o mare varietate, data de varietatea reactiilor chimice ce stau la baza functionarii lor. Actuatorii explozivi genereaza unde de presiune prin reactii chimice spomtane iar actuatorii ce favorizeaza reactii chimice insotite de degajarea de gaze, au performante superioare. Reactiile chimice stau la baza functionarii bateriilor: anodul se oxideaza iar catodul se reduce - process in care electronii migreaza de la anod la catod, direct in exteriorul circuitului.

Metodologia de proiectare a actuatorilor chimici pe baza de reactii chimice insotite de degajarede gaze si implicit, de cresterea presiunii cuprinde urmatoarele etape:

a)     alegerea reactiei chimice adecvate aplicatiei actuatorului;

b)     calcule privind evaluarea volumului de gaz degajat, a randamentului reactiei chimice so a a;tor parametrii specifici;

c)      proiectarea structurii mecanice associate, ce converteste energia chimica in energie mecanica.

Alte tipuri de actuatori:

Actuatori pe baza de aliaje cu memorie a formei

Acesti actuatori au in structura, unul sau mai multe elemente active, cu deformatie limitata, controlata, determinate de manifestarea efectului de memorare a formei. Memoria formei reprezinta proprietatea termomecanica a unor anumite materiale, in special a unor aliaje, de a reveni la o forma si dimensiuni "memorate" ca urmare a unei transformari reversibile martensita-austenita, in anumite conditii de temperaturea. Astfel, un element din aliaj cu memoria formei, poate fi deformat fara pericolul aparitiei unor deformatii permanente, la o temperatura aflata subtemperatura de transformare de faza. Odata cu incalzirea la o temperature ce depaseste temperature de transformare, elemental revine spontan la forma originala, fig7.87.Metodologia de proiectare a acestor actuatori cuprinde etapele :

proiectarea sistemului de comanda si control;

proiectarea structurarii mecanice associate;

proiectarea elementelor active;

Principalele avantaje ale aplicatiilor In robotica a actuatorilor pe baza de aliaje, cu memoria formei: performante functionale, raportate de gabarit deosebite, simplitate constructive, silentiozitate, rezolutia foarte buna la pozitionare, posibilitati de miniaturizare. Actuatorii a caror activare (incalzire) este determinate de temperature mediului inconjurator se numesc actuatori termici. Ei combina functia de senzori de temperature, cu cea de actuator.

Actuatorii electrici

Sunt cei la care incalzirea se realizeaza prin effect Joule la trecerea unui current prin elementele active. Cele mai utilizate materiale  care au proprietatea de memorare a formei sunt: Aliaje nNi-Ti si aliaje pe baza de Cu (cu-Zn-X si Cu-Al-X). In figura 7.88 este prezentata o microsupapa, a carui element active, este o membrane din aliaj Ni-Ti cu grosimea de 10 micrometri. {entru activare este utilizat un current de 0.5 A.

Corpul supapei este cinfectionat din Siliciu. In figura 7.89 este prezentat un actuator interfalangial, destinat aplicatiilor din domeniul roboticii, in special, a dispozitivului de prehensiune, antropomorfice, ale robotilor industriali, robotilor pentru servicii, si a celor cu destinatie medicala, pentru actionarea in miscare de flexie-extensie, a falangelor degetelor asigura astfel flexibilitate in ceea ce priveste coordonarea falangelor unui deget si a degetelor- conditie necesara pentru a asigura adaptabilitatea la forma si dimensiunile obiectelor prinse. De falanga 1,considerate fixa, este ridicizata carcasa 2 a actuatorului. Elemental active din aliaj, cu memoria formei de tip fir 5, inconkoara rolele 3 si 6, libere pe axele 4 si 8. Esxte asigurata o lungime mai mare a firului 5 si deci o cursa mai mare a actuatorului. O extremitate a firului este fixate in carcasa (in punctual A) iar ceallata este fixate de rola 7 (in punctual B), ridigizata de axul 8, rigidizat de falanga mobile noua a degetului.Pentru activare, se incalzeste rezstiv firul 5; prin manifestarea efectului de memorare, a formei unisens, aceasta se scurteaza si antreneaza rola 7 si falanga mobile noua in miscare active de flexie sau de extensie. Faza de relaxare a elementului 5presupune racirea sa si alungirea firului prin intermediul unui element elastic, nerprezentat in figura. Aceasta structura a  actuatorului ofera posibilitatea de realizare de dimensiuni ce permit montajul sau in articulatiile interfalangiene. Lungimea mare a firului determina curse ale falangei mobile comparabile cu aplitudinile de miscare ale falangelor degetelor mainii umane. Cu un astfel de actuator, se asigura ca una dintre cele doua miscariale falangei sa fie active si cealalta pasiva. In figura 7.9 este prezentata modelarea geometrica a actuatorului studiat utilizand sofftul cu Solid works 99. Modelarea realizata este utila in vederea realizarii prototipului actuatorului pe baza acestuimodel 3D cu ajutorul unor softuri complementare se poate realiza stimularea functionarii actuatorului .

Actuatorii piezoelectrici

Acesti actuatori se incadreaza in categoria actuatorilor cu elemente active cu deformatie limitata controlata. Ei convertesc energia electrica in energie mecanica prin intermediul efectului piezoelectric invers, ce consta in gnerarea de tensiuni mecanice, sau miscare in cazul in care se aplica unui material piezoelectric, un camp electric. In particular, daca acest camp este alternative, amterialul vibreaza cu o anumita frecventa si amplitudine fig7.91). Avamtajele actuatorilor piezoelectrici constau in: precizie de pozitionre submicronica, raspuns rapis in timp, de ordinal microsecundelor, domeniul intins al semnallelor electrice de intrare (de la mV la IkV), forte mari dezvoltate, dependenta bine determinate intre tensiunea aplicata si modificarea lungimii elementelor active, nemaifiind necesara echiparea cu senzori si traductori, insensibilitate la mediul de operare. Din dezavantajele lor mentionam: fragilitatea materialelor piezoelectrice, uzura si oboseala determinate de socurile in functionare, precum si necesitatea transformarii vibratiilor de inalta frecventa in miscare continua sau intermitena. Actuatorii piezoelectrici, liniari sau rotativi, cu miscare continua sau pas cu pas, pot avea in structura, unul sau mai multe elemente active. Acestea pot fi sub forma de bare, lamele, tuburi sau placi. Deformatia lor controlata poate fi utilizata ca atare, pentru antrenarea elementului mobil al actuatorului. In acest caz, prin suprapunerea mai multor unde stationare, generate controlat, in elementul active, ia nastere o unda calatoare ce provoaca o miscare eliptica a punctelor in contact cu elemental mobil. Deformatia elementelor active poate fi perpendiculara sau pe paralela cu axa ei de polarizare. Deoarece deformatiile piezo-electrice sunt relative mici, in structura actuatorilor, elementele active sunt dispuse frecvent in stiva la temperature ridicata avand electrozi metalici depusi pe cele doua fete sau bimorf. Ca urmare, are loc contractia uneia dintre placi si extensia celeilalte, intregul ansamblu curbandu-se.

Actuatori magnetostrictivi

Magnetostrictiunea este o proprietate a materialelor magnetice si se manifesta prin variatia dimensiunilor acestora in timpul proceselor de magnetizare. Aceasta proprietate se explica prin alinierea domeniilor magnetice din material in directia de aplicare a campului magnetic (fig 7.94) Desi fenomenul este cunoscut de mai bine de 100 de ani, aplicatii majore s-au realizat numai dupa obtinerea unor aliaje speciale, pe baza de fier si pamanturi rare. Un astfel de material este terfenolul. Frecvent se utilizeaza doua aliaje : pe baza de Dysprosiu si Terbiu. Cateva dintre domeniile de aplicare ale actuatorilor magnetostrictivi sunt: sisteme antivibratorii active, acttuatori liniari, servovalve, sisteme de injectie a combustibilului, sonare si tomografie, etc, in general, aplicatii in care sunt necesare firte mari si curse mici. In firua 7.95a,b sunt prezentate structuri bimorfe avand in componenta un film de Tb-Fe si unul de Sm-Fe, fiecare cu grosimea de 1 µm, intre care este dispus filmul din poliamida. Cu ajutorul actuatorilor magnetostrictivi, de acest tip s-au realizat microroboti mobile asa cum este cel din figura 7.95 c.

Actuatori electro si magnetoreologici.

Actuatorii electroreologici au in structura elemente active sub forma de fluide electroreologice. Acestea sunt alcatuite dintr-un fluid de baza dielectric (ulei siliconic sau parafina) ce contin particule semiconductoare (de natura polimerica sau metalice).La aplicarea unui camp electric sufficient de intens are loc polarizarea acestor particule, ceea ce determina o rearanjare a lor, ca si in fig 7.97, intr-un interval de timp de oridinul milisecundelor. Particulele se rearanjeaza in lanturi, formand adevarate punti intre electrozi. Ca urmare, se modifica substantial vascozitatea, fluidele comparandu-se ca niste geluri sau ca niste solide.

Actuatorii magnetoreologici isi bazeaza functionarea pe proprietatile ferofluidelor (numite si lichide magnetice), ce se regasesc in structura acestor actuatori. Ferofluidele sunt dispersii de particule magnetice intr-un lichide de baza. Fiecare particular este un mic magnet permanent care tinde sa se alinieze in directia campului magnetic aplicat. Ferofluidele raspund aproape instantaneu la aplicarea unui camp magnetic prin curgere, repozitionarea sau modificarea formei. Aplicatiile in domeniul actuatorilor ferofluidici sunt realizate pe baza acestei proprietati. Unul dintre dezavantajele actuatorilor ultrasonici este reprezentat de durata scurta de functionare, datorita uzurii rotorului si statorului. In Japonia, a fost dezvoltata o noua varianta de astfel de actuatori, a caror durabilitate este imbunatatita. Miscarea de la stator la rotot este transmisa prin intermediul unor dinti. Aceste motoare se numesc motoare piezoelectrice cicloidale (fig7.93). Acest actuator are in componenta 4 elemente piezoelectrice motoare dispuse la 90 in partea exterioara a statorului. La aplicarea unei tensiuni alternative, elementelor piezoelectrice opuse, in stator se induce o oscilatie ce dewtermina antrenarea rotorului.

Actuatorii termici si pe baza de schimbare de faza.

Acesti actuatori convertesc energia termica intr-o actiune utila fie pe baza fenomenului de diluare a unor elemente active solide, lichide sau sub forma gazoasa, fie pe baza transformarii dintr-o faza in alta, de regula ca urmare a unui process de incalzire. Cea mai utilizata metoda de a genera caldura necesara activitatii acestor actuatori este cea rezistiva. Actuatorii din aceasta categorie sunt simpli si relative usor de realizat, dar prezinta avantajul unei viteze reduse de operare. Acest dezavantaj este partial eliminat in conditii de miniaturizare astfel ca sunt frecvent utilizati in structura microsistemelor. Un exemplu reprezentativ de actuatori termici pe baza de dilatare a solidelor il constituie cei cu elemente active de tip biomaterial (particular, bimetale). Acestea sunt composite avand in structura, materiale cu coeficienti de dilatare diferiti fig(7.99).cele doua materiale diferite sunt imbinate nedemontabil intre ele. Prin incalzire, bimaterialul se incovoaie deoarece cele doua componente se dilate in mod diferit. Din categoria actuatorilor pe baza de transformare de faza, in figura 7.102 este prezentata o microlamela incastrata, a carei sageata este de 25 µm, fiind actionata de o microbula de vapor produsa prin incalzirea rezistiva a fluxului de lucru. Frecventa de lucru este Hz.

Incazul actuatorului din figura 7.96, baza confectionata din Tb-Fe este amplasata intre electromagnetii activati succesiv. Campul magnetic produs de acestia deformeaza controlat materialul magnetostrictiv astfel incat se realizeaza deplasarea conform metodei inchworm. Extensia elementului active este de 10 µm. Actuatorul este rapid, reversibil si dezvolta o forta mare. Nu necesita energie pentru mentinerea pozitiei. Precizia de pozitionare este de 1 µm.

Actuatori electrostatici

Functionarea actuatorilor electrostatici se bazeaza pe conversia energiei electrostatice in lucru mecanic. Pentru dezvoltarea unei forte utile, de-a lungul unei curse, actuatorii de acest tip utilizeaza forta de atractie electrostatica dintr doua corpuri incarcate cu sarcini electrice diferite (figura 7.103) acesti actuatori au avut putine aplicatii practice datorita tensiunii de activare relative mari si datorita preciziei mari si datorita preciziei deosebite impuse structurii mecanice. Progrsele inregistrate in domeniul microtehnologiilor au permis realizarea unor microactuatori electrostatici deosebit de performanti cu aplicatie electronica, optica, aparatura de cercetare, calculatoare, etc, realizati atat ca si actuatori liniari cat si ca actuatori rotativi.

Alte tipuri de actuatori, In figura 7.105 este prezentat un actuator a carui functionare se bazeaza pe efectul electrohidrodinamic: la alimentarea alternative a electrozilor, dca si in figura, fluidul dielectric se incarca cu sarcina electrostatic ace induce curgerea sa in sensul indicat. Pe baza efectului electrohidrodinamica fost realizata pompa reprezentata schematizat in figura 7.106 care asigura un debit de 14 ml/min, la presiune de 2.480 Pa.

Actuatori optici

Ca parte componenta a sistemelor optice, actuatorii optici transforma, direct sau indirect, energia luminoasa in energie mecanica. Metoda directa presupune utilizarea mini la generarea de fotoelectroni care, prin ecranarea fortelor electrostatice, determina miscarea elementului mobil al actuatorului. Metoda indirecta foloseste energia luminoasa la incalzirea unor solide sau gaze a caror dilatare determina manifestarea efectului de actionare. In figura 7.109 este prezentata schema de principiu a unui actuator optic direct.

Alte tehnici de realizare a actuatorilor optici directi se bazeaza pe modularea permitivitatii unui gaz prin intermediul luminii sau pe ecranarea perechilor electron-gol generate optic intr-un strat semiconductor. Metoda indirecta permite realizarea unei mai mari varietati de actuatori foto-acustici, foto-voltaici si foto-termici. Actuatorii optici pot fi integrati in sistemele integral optice prin conectare cu fibre optice sau cu alte tipuri de conductori de energie si informatie. In figura 7.10 este prezentat un microactuator complex la care efectul de actionare este determinat de insumarea unor fenomene fizico-chimice. Elementele de baza ale microactuatorului sunt vasul cilindric din sticla cu diametrul exterior de 3.3 milimetri si cel interior de 2.5 milimetri, 2 electrozi din platina dispusi in partea inferioara a vasului si elemental mobil de forma sferica cu diametrul de 5 mm.