Formgedächtnis Legierungsdraht für die Betätigung des Robotergreiferarms: Wie kann der Griffdruck variiert werden?

Für einen Roboter-Greiferarm, den wir für den Einsatz in der Fabrik an sehr kleinen Bauteilen entwickeln, schlagen wir vor, elektrisch aktivierte SMA-Kabelbäume (Shape Memory Alloy) zur Betätigung zu verwenden.

Das Gerät, das entworfen wird, ähnelt Pick & Place-Maschinen, die für die Schaltungsmontage verwendet werden, bewegt sich jedoch auf Rädern über eine Arbeitsfläche in Flugzeughaltergröße. Es manipuliert unregelmäßig geformte und poröse Objekte zwischen jeweils 0,5 cu cm und 8 cu cm - daher ist der herkömmliche Vakuum-P & P-Mechanismus nicht attraktiv. Außerdem haben einzelne Objekte in der Montagelinie unterschiedliche Härten und Gewichte.

Unsere Designbeschränkungen sind:

• Gewährleistung minimaler bis null Vibrationen und Geräusche
• Verwenden Sie nur ein minimales Volumen innerhalb des Mechanismus (Batterien befinden sich am Radstand und sorgen für Stabilität, sodass ihr Gewicht keine Rolle spielt).
• Feine Variation des Greiferdrucks

Wir glauben, dass SMA die ersten beiden Bedingungen gut erfüllt, benötigen jedoch eine Anleitung zum Erreichen der Bedingung 3, dh unterschiedliche Druckniveaus des elektronisch gesteuerten Greifers.

Meine Fragen:

• Kann die PWM eines Stroms über der Aktivierungsschwelle (320 mA für 0,005 Zoll Flexinol HT ) eine variable, wiederholbare Betätigungskraft liefern?
• Würden wir Drucksensoren an jeder Fingerspitze und eine Regelung für den Griff benötigen, oder kann der Greifer regelmäßig kalibriert werden und eine wiederholbare Kraft aufrechterhalten?
• Gibt es einen gut dokumentierten Präzedenzfall oder eine Studie, auf die wir uns beziehen sollten?

Schauen Sie sich das Papier Technische Eigenschaften von Flexinol-Aktuatordrähten an .

Sie möchten eine Struktur entwickeln, die die verfügbare Kontraktion des Nitinoldrahtes nutzt, um den gewünschten Hub und die gewünschte Kraft für Ihre Anwendung zu erzielen. Das Papier gibt einige Beispielstrukturen:

Der Prozentsatz der Kontraktion von Nitinol hängt von seiner Temperatur ab. Die Beziehung ist jedoch nicht linear und unterscheidet sich zwischen der Heizphase und der Kühlphase. Diese Unterschiede müssen berücksichtigt werden.

In dem Artikel Präzisions-Flexinol-Positionskontrolle mit Arduino beschreibt der Autor, wie die Eigenschaften von Nitinol genutzt werden, damit der Draht als eigener Rückkopplungssensor fungieren kann:

Flexinol, auch als Muskeldraht bekannt, ist ein starker, leichter Draht aus Nitinol, der sich beim Leiten von Elektrizität zusammenziehen kann. In diesem Artikel werde ich einen Ansatz zur präzisen Steuerung dieses Effekts vorstellen, der auf der Steuerung der Spannung in der Flexinol-Schaltung basiert. Unter Ausnutzung der Tatsache, dass der Widerstand von Flexinol vorhersehbar abnimmt, wenn es sich zusammenzieht, verwendet der hier beschriebene Mechanismus den Draht selbst als Sensor in einem Rückkopplungsregelkreis. Einige Vorteile der Notwendigkeit eines separaten Sensors sind eine verringerte Anzahl von Teilen und eine verringerte mechanische Komplexität.

Wenn Sie also PWM verwenden, um die Spannung über dem Draht zu variieren, und einen ADC verwenden, um diesen Spannungsabfall abzulesen, können Sie eine Regelung für den Prozentsatz der Kontraktion des Nitinoldrahtes entwerfen. Mit einer geeigneten mechanischen Struktur können Sie diese Kontraktion dann in den gewünschten Hub und die gewünschte Kraft umsetzen, die für Ihre Anwendung erforderlich sind.

Warum sollten Sie SMA nicht verwenden?

Zunächst muss ich mich fragen, warum Sie sich für die Verwendung von Formgedächtnislegierungen in einer Roboteranwendung entschieden haben. Wenn Sie sich eine der Anwendungslisten für SMAs ansehen, sehen Sie fast nie eine Roboteranwendung auf der Liste.

Die meisten SMA-Anwendungen sind nicht betätigt und umfassen beispielsweise Brillengestelle und Golfschläger.

Einige Anwendungen verwenden den SMA als Aktuator, normalerweise jedoch nur ein- oder zweimal. Dies sind Anwendungen wie medizinische Stents, die in eine kleine Arterie eingeführt werden müssen, sich aber einmal im Inneren öffnen.

Der Grund, warum es keine Roboteranwendungen gibt, bei denen die SMA als Aktuator fungieren und eine Kraft ausüben muss, die bewirkt, dass sich etwas bewegt, ist, dass sie Ermüdung ausgesetzt ist. Laut Wikipedia :

SMA ist Müdigkeit ausgesetzt; Ein Fehlermodus, bei dem die zyklische Belastung zur Auslösung und Ausbreitung eines Risses führt, der schließlich zu einem katastrophalen Funktionsverlust durch Bruch führt. zusätzlich zu diesem Fehlermodus, der nicht ausschließlich bei intelligenten Materialien beobachtet wird. SMA unterliegen auch einer funktionellen Ermüdung, wobei die SMA nicht strukturell versagt, sondern aufgrund einer Kombination aus angelegter Spannung und / oder Temperatur (bis zu einem gewissen Grad) ihre Fähigkeit verliert, eine reversible Phasenumwandlung durchzuführen.

Aber wenn Sie darauf bestehen

Weil SMA Kriechen und Ermüdung ausgesetzt ist, werden Sie es tun über eine Art Kraftaufnehmer und Steuerungssystem verfügen, um sicherzustellen, dass Sie eine bekannte Kraft anwenden.

Was ich vorschlagen würde Anstelle von SMAs gibt es viele kleine Aktuatoren, die Ihre Einschränkungen ohne die großen Nachteile von SMA erfüllen können.

Schwingspulen : Diese bestehen einfach aus einem Permanentmagneten und einer Spule. Das Einstellen des Stromflusses wirkt sich direkt auf die auf den Magneten ausgeübte Kraft aus. Diese sind völlig geräuschlos und energieeffizienter als SMAs. Die ausgeübte Kraft ist ziemlich wiederholbar, solange die Umgebungstemperatur nicht stark variiert. Sie können diese als fertige Komponenten bei Moticont kaufen . Oder öffnen Sie eine Festplatte, schauen Sie, es gibt einen fertigen Roboterfinger!

Piezoaktoren: Es gibt eine Reihe verschiedener Motoren, die auf Piezokeramik basieren. Dies sind normalerweise sehr kleine, aber teure Motoren. Probieren Sie die Squiggle-Motoren von Newscale Tech .

Es gibt eine Firma namens Flexsys , die Aktuatoren mit beiden Technologien herstellt.