Disegno di meccanismi articolati attraverso cerniere flessionaliDisegno di meccanismi articolati...
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Disegno di meccanismi articolati attraverso cerniere flessionali
Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata – Ciclo XXI
Presentazione generale dell’attività svolta
Università degli Studi di Brescia
Facoltà di IngegneriaDottorato di Ricerca in Meccanica Applicata – Ciclo XXI
Luca Dassa1 di 23
Tutor:prof. Danilo Cambiaghi
Studente:ing. Luca Dassa
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IntroduzioneOggetto
dello studio
Università degli Studi di Brescia
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meccanismi “compliant” e meccanismi con cerniere flessionali…
… definizione univoca???
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Introduzione
Fondamenti teorici
• definizione dei g.d.l.
Schema
Applicazioni (scala mini)
• macchina di trazione per
Applicazioni (scala micro)
• dispositivo MEMS per
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• macchina di trazione per microdiffrattometro
• giunto cardanico• meccanismo per LISA
• dispositivo MEMS per applicazioni ottiche
modellizzazione
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Fondamenti teoriciArticolazioni flessibilielementari (Henein)
h
l
b
lama: 3 g.d.l.
cerniera circolare: 3 g.d.l.b>10h, l>10h
S. Henein, “Conception des guidages flexibles”, PPUR,
Lausanne, 2001
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filo: 5 g.d.l.
barra di torsione: 1 g.d.l.(con la sezione corretta)
membrana: 3 g.d.l. (con questa forma)
soffietto: 5 g.d.l.
Il grado di libertà è considerato vincolato se il rapporto tra rigidezze
è almeno 100
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Fondamenti teoriciSistemi di guida ad 1 g.d.l. (Henein)
g. prismatico a 2 lame
parallele
g. prismatico iperstatico
a 4 lame parallele
g. rotoidale a 2 lame
incrociate e separateg. rotoidale a 4
cerniere incrociate
S. Henein, “Conception des guidages flexibles”, PPUR, Lausanne, 2001
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g. prismatico a 4 lame g. prismatico a 4
cerniere circolari
g. rotoidale a 2 lame
incrociate non separate
g. rotoidale RCC
a 2 lame
g. rotoidale RCC
a 4 cerniere
g. rotoidale
iperstatico
Quanti g.d.l.?
•1 volta iperstatico
•1 g.d.l.
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APPLICAZIONI IN SCALA MINI
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APPLICAZIONI IN SCALA MINI
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Carico: ± 100 N
Corsa: ±2 mm
telecamera
collimatore
area sensibile
sistema di posizionamento
portacampioni
Macchina di trazione BYDLO
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goniometro
MicrodiffractometeroD-MAX Rapid Rigaku
Laboratorio di Chimica per le Tecnologie
(Università di Brescia)
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Modellizzazione
σMAX=150 MPa
Macchina di trazione
Verifica: elementi finiti
“Pseudo-rigid-body model”
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σMAX=180 MPa
σMAX=150 MPa
Calcolo analitico della cedevolezza/rigidezza dell’articolazione flessibile
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compression test
250.00
Validazione e calibrazione di modelli
test
quasi-statico
test di fatica
Materiale:
Alluminio 7075 T651
Macchina di trazione Modelli parziali
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0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
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
displacement (mm)
Lo
ad (
N) test
model
frequency test
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-10.00 10.00 30.00 50.00 70.00 90.00 110.00 130.00 150.00
frequency (Hz)
Y/X test
model
-
Macchina di trazione Immagini
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la macchina Bydlo nel diffrattometro durante i testposizione di montaggio (0°) posizione per misure in trasmissione (150°)
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α1α2
19
Il primo test: la poliammide
campione di poliammide prima del test
La distribuzione di intensità lungo l’anello di Debey per il
picco a2 è mostrata in funzione del carico
Macchina di trazione Prime misure (1)
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α1 α2y = -0.0813x + 18.54
R2 = 0.997
13
14
15
16
17
18
19
0 10 20 30 40 50 60
Load (N)
FW
HM
in b
eta
dir
ecti
on
(d
eg)
orientazione preferenziale lungo l’asse della fibra
Il cambiamento nell’orientazione
preferenziale indotto ldal carico
meccanico è evidente
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111200220311
222400331
420
y = -2.86E+02x - 1.35E-02
0.14
0.16
0.18
sig
ma
(GP
a)
Campione di rame prima dell’applicazione del carico
Macchina di trazione Prime misure (2)
Il primo test: il rame
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y = -2.86E+02x - 1.35E-02
R2 = 9.99E-01
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
-0.0007 -0.0006 -0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002
εεεεsi
gm
a (G
Pa)
E420=100 Gpa
ssss: imposta dal dispositivo
eeee: calcolata dallo spostamento del picco
Solo la porzione dell’anello di Debye nel piano equatoriale per la riflessione
420 è stato considerato.
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Giunto cardanicoL’idea
robot a cinematica parallela a 3 g.d.l.
rigidezza assiale
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rigidezza assiale + rigidezza torsionalerigidezza torsionale
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Giunto cardanicoLa modellizzazione
Verifica: elementi
finiti
“Pseudo-rigid-body model”
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Calcolo analitico della cedevolezza/rigidezza dell’articolazione flessibile
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5 g.d.l.!!!
Giunto cardanicoAnalisi con l’approccio
di Mr. Henein
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2 g.d.l.!!! (Henein)S. Henein, “Conception des guidages flexibles”, PPUR, Lausanne, 2001
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PAAM LISAConcezione (Henein)
Specifica ESA: rotazione attorno un asse (1 g.d.l), SENZA “ALCUN” MOVIMENTO PARASSITA nel piano dello specchio
Piezo inchworm Piezolegs
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attuatore nominale
(B)
attuatore ridondante
(A)
38 mm
18 mm
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PAAM LISASviluppo
Richiesta ESA: raddoppiare il pivot flessibile
il pivot diventa iperstatico
Materiali
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Materiali
• CuBeC17200 TM04
• Al 6061-T6
• Ti-6Al-4VVolume:
40x60x60 mm3
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APPLICAZIONI IN SCALA MICRO
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APPLICAZIONI IN SCALA MICRO
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TugonVersioni precedenti
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TugonIV generazione
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TugonRisultati
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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
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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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RingraziamentiUniversità 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
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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