versione - Meccanica Applicata e Robotica Industriale Applied

Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata – Ciclo XXI
Presentazione generale dell’attività svolta
Disegno di meccanismi articolati
attraverso cerniere flessionali
Tutor:
prof. Danilo Cambiaghi
Studente:
ing. Luca Dassa
Università degli Studi di Brescia
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Facoltà di Ingegneria
Luca Dassa
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Introduzione
Oggetto
dello studio
meccanismi “compliant” e meccanismi
con cerniere flessionali…
… definizione univoca???
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Introduzione
Fondamenti teorici
•
definizione dei g.d.l.
Applicazioni (scala mini)
•
•
•
Schema
macchina di trazione per
microdiffrattometro
giunto cardanico
meccanismo per LISA
Applicazioni (scala micro)
•
dispositivo MEMS per
applicazioni ottiche
modellizzazione
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h
b
S. Henein, “Conception des
guidages flexibles”, PPUR,
Lausanne, 2001
Fondamenti teorici
Articolazioni flessibili
elementari (Henein)
l
lama: 3 g.d.l.
b>10h, l>10h
cerniera circolare: 3 g.d.l.
soffietto: 5 g.d.l.
filo: 5 g.d.l.
Il grado di libertà è
considerato vincolato se
il rapporto tra rigidezze
è almeno 100
membrana: 3 g.d.l.
(con questa forma)
barra di torsione: 1 g.d.l.
(con la sezione corretta)
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Fondamenti teorici
Sistemi di guida ad 1 g.d.l. (Henein)
S. Henein, “Conception des guidages
flexibles”, PPUR, Lausanne, 2001
g. prismatico a 2 lame
parallele
g. prismatico iperstatico
a 4 lame parallele
g. rotoidale a 2 lame
incrociate e separate
g. prismatico a 4 lame
g. rotoidale a 4
cerniere incrociate
g. prismatico a 4
cerniere circolari
Quanti g.d.l.?
•1 volta iperstatico
g. rotoidale RCC
a 2 lame
g. rotoidale RCC
a 4 cerniere
•1 g.d.l.
g. rotoidale a 2 lame
incrociate non separate
g. rotoidale
iperstatico
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APPLICAZIONI IN SCALA MINI
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BYDLO
Macchina di trazione
Carico: ± 100 N
Corsa: ±2 mm
area
sensibile
telecamera
sistema di
posizionamento
collimatore
portacampioni
goniometro
Microdiffractometero
D-MAX Rapid Rigaku
Laboratorio di Chimica
per le Tecnologie
(Università di Brescia)
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Macchina di trazione
“Pseudo-rigid-body model”
Modellizzazione
Verifica: elementi finiti
σMAX=150 MPa
Calcolo analitico della cedevolezza/rigidezza
dell’articolazione flessibile
σMAX=180 MPa
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Validazione e calibrazione di modelli
Macchina di trazione
Modelli parziali
test di fatica
test
quasi-statico
Materiale:
Alluminio
7075 T651
compression test
250.00
frequency test
20
200.00
18
16
14
Load (N)
150.00
test
100.00
12
Y/X
model
test
10
model
8
6
4
50.00
2
0
-10.00
0.00
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
10.00
30.00
50.00
70.00
90.00
110.00
130.00
150.00
frequency (Hz)
displacement (mm)
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Macchina di trazione
Immagini
posizione di montaggio (0°)
posizione per misure in trasmissione (150°)
la macchina Bydlo nel diffrattometro durante i test
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Il primo test: la poliammide
Macchina di trazione
Prime misure (1)
campione di
poliammide prima
del test
α2 α1
La distribuzione di intensità
lungo l’anello di Debey per il
picco a2 è mostrata in funzione
del carico
α1
α2
orientazione preferenziale lungo
l’asse della fibra
Il cambiamento
nell’orientazione
preferenziale
indotto ldal carico
meccanico è
evidente
FWHM in beta direction (deg)
19
18
y = -0.0813x + 18.54
R 2 = 0.997
17
16
15
14
13
0
10
20
30
40
50
60
Load (N)
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Il primo test: il rame
331
420
400
222
311 220
Macchina di trazione
200
111
Prime misure (2)
Campione di rame
prima dell’applicazione
del carico
0.18
0.16
sigma (GPa)
0.14
y = -2.86E+02x - 1.35E-02
R2 = 9.99E-01
0.12
0.10
0.08
0.06
s: imposta dal dispositivo
e: calcolata dallo spostamento del picco
0.04
-0.0007
-0.0006
-0.0005
-0.0004
-0.0003
-0.0002
ε
Solo la porzione dell’anello di Debye nel
piano equatoriale per la riflessione
420 è stato considerato.
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E420=100 Gpa
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robot a cinematica parallela a 3 g.d.l.
Giunto cardanico
rigidezza assiale
rigidezza assiale + rigidezza torsionale
L’idea
rigidezza torsionale
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“Pseudo-rigidbody model”
Verifica:
elementi
finiti
Giunto cardanico
La modellizzazione
Calcolo analitico della cedevolezza/rigidezza
dell’articolazione flessibile
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Giunto cardanico
5 g.d.l.!!!
Analisi con l’approccio
di Mr. Henein
2 g.d.l.!!! (Henein)
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flexibles”, PPUR, Lausanne, 2001
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Specifica ESA: rotazione attorno un asse (1 g.d.l),
SENZA “ALCUN” MOVIMENTO PARASSITA nel
piano dello specchio
PAAM LISA
Concezione (Henein)
Piezo
inchworm
Piezolegs
18 mm
attuatore
nominale
(B)
attuatore
ridondante
(A)
38 mm
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Richiesta ESA: raddoppiare il pivot flessibile
PAAM LISA
Sviluppo
il pivot diventa iperstatico
Materiali
•
CuBe
C17200
TM04
•
Al 6061T6
• Ti-6Al-4V
Volume:
40x60x60
mm3
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APPLICAZIONI IN SCALA MICRO
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Tugon
Versioni precedenti
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Tugon
IV generazione
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Tugon
Risultati
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Conclusioni
Attività di ricerca
•
adozione dell’approccio di Mr. Henein, consolidato dal periodo di
studio trascorso presso lo CSEM: definizione dei g.d.l. di
un’articolazione flessibile, definizione di strutture a 1 g.d.l.
•
definizione delle modalità di modellizzazione di un meccanismo
con articolazioni flessibili
•
approccio progettuale adottato: ampio spettro di applicazioni,
con sperimentazione
•
ampia raccolta di esempi di dispositivi basati su articolazioni
flessibili
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Ringraziamenti
Università degli Studi di Brescia
prof. Danilo Cambiaghi, ing. Valerio Villa, ing. Gabriele
Baronio, ing. Stefano Uberti, ing. Riccardo Metraglia,
prof. Emilio Chirone
prof. Laura De Pero, prof. Elza Bontempi, personale del
Laboratorio Chem4Tech
e tutti i colleghi del Dipartimento di Ingegneria Meccanica
ed Industriale
CSEM di Neuchâtel
Mr. Simon Henein, Mr. Jean-Marc Breguet, Mr. Peter
Spanoudakis, Mr. Ivar Kjelberg, Mr. Philippe Schwabb,
Mr. Laurent Giriens, Mr. Mario El-Kourry, Mr. Maurizio Tormen
e tutti i colleghi della Sezione “System Engineering” dello CSEM
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