• Nie Znaleziono Wyników

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w robotyce

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w robotyce"

Copied!
7
0
0

Pełen tekst

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: AUTOMATYKA 2.101

______ 1990 Nr kol.1083

Witold Sileikis, Bernard Neuman Politechnika Śląska

ZASTOSOWANIE STOPÓW Z PAMI®0IA KSZTAŁTU W ROBOTYCE

Streszczenie. W, pracy przedstawiono zjawisko pamięci kształtu w stopach oraz jegd rodzaje. Zamieszczono przykłady wykorzystania zjawiska w robotyce.

1. Wstęp

Efekt pamięci kształtu został zauważony w 1932 roku przez Szweda Arne Olandera w stopie Ag-Cd. W roku 1951 odkryto, że te szczególne właściwości niektórych stopów są związane z odwracalną przemianą marten- zytyczną [ 9 L

Zjawisko pamięci kształtu polega na tym, że przedmiot o określonym kształcie pierwotnym, odkształcony w temperaturze otoczenia, odzyskuje swój poprzedni kształt, po nagrzaniu do temperatury przemiany (charak­

terystycznej dla danego stopu), wyzwalając przy tym znaczną energię, któ­

ra może wykonać pracę mechaniczną.

W 1962 r. w USA Wiliam Buehel z Naval Ordnance Laboratory przeprowa­

dził pierwsze praktyczne eksperymenty ze stopem Ni-Ti (’"Nitinol") [1], Od początku lat siedemdziesiątych znaleziono ponad 1500 stopów, które wykazują efekt pamięci kształtu. Praktyczne zastosowanie w technice zna­

lazły stopy Ni-Ti, Cu-Zn-Al oraz Cu-Al-Nl [.2, 11] .

Efekt występuje również w materiałach ceramicznych, tworzywach sztucz­

nych i komórkach organizmów żywych [2].

2. Zjawisko pamięci kształtu

Zjawisko pamięci kształtu w stopach metali jest związane z odwracalną przemianą martenzytyczną [1, 2, 3» 5, 6, 8, 12]. Przemiana zachodzi bez dyfuzji atomów poprzez granice rozdziału fazy macierzystej (austenit) i martenzytycznej - przez skoordynowane przemieszczenie atomów w obsza­

rze przemiany. Przemieszczenie atomów odbywa się drogą jednorodnego od­

kształcenia sieci krystalicznej, a więc martenzyt ma ten sam skład che­

miczny, stopień atomowego uporządkowania i zdefektowania sieci krystalicz­

(2)

W.Sileikls.B.Heuman

nej.co faza macierzysta. Martenzyt tworzy się i wzrasta w sposób ciągły w miarę obniżania temperatury i zanika ze wzrostem temperatury. Mecha­

nizm efektu pamięci kształtu w stopach, jest schematycznie przedstawiony na rys. 1. Regularna, przestrzennie centrowana sieć krystaliczna fazy wysokotemperaturowej (austenit) przemienia się przez ochłodzenie w podat­

ną na deformację strukturę martenzytyczną. Po odkształceniu powstaje tzw.

aartenzyt odkształcony. Jeżeli odkształcony martenzyt zostanie podgrzany, to po przekroczeniu temperatury przemiany pojawia się pierwotna orienta­

cja sieci krystalicznej fazy wysokotemperaturowej, co pociąga za sobą powrót do pierwotnego kształtu.

Rys. 1. Schematyczna ilustracja efektu pamięci kształtu w stopach Fig. 1. Schematic illustration of shape memory effect in alloys

Rozróżnia się jedno- i dwukierunkowy efekt pamięci kształtu.

Jednokierunkowy efekt pamięci opisują [1, 2] schematy:

odkształcenie

austenit „ 7TTT martenzyt

ogrzanie

ochłodzenie odkształcenie

austenit ■«--- , rT martenzyt -, --- : =3 Jr"r— ~iT odkształconj

ogrzew anie ogrzew anie

Przemiana austenitu w martenzyt i przemiana odwrotna odbywa się przy róż­

nych temperaturach,czyli przebiega z histerezą. Temperaturami charaktery*

(3)

Zastosowanie stopów z pamięcią . 265

stycznymi przemiany są: A g - początek tworzeni a się austenitu, Aj-zakoń- czenie tworzenia się austenitu, II - początek tworzenia się martenzytu,

zakończenie tworzenia się martenzytu.

Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu (tzw. swobodna pamięć kształtu [9]) w postaci zależności odkształcenia £ od temperatury t przedstawia rys. 2. Na wykresie tym widać, że przedmiot odkształcony w temperaturze otoczenia wraca podczas nagrzewania w zakresie temperatur Aa- do swego pierwotnego kształtu.

Rys. 2. Jedno- i dwukierunkowy efekt pamięci kształtu Fig. 2. One - way and two - way shape memory effect

Stop "pamięta" zatem kształt swojej wysokotemperaturowej fazy macierzys­

tej [ austenit). W czasie chłodzenia nie występuje zmiana kształtu.

Efekt jednokierunkowy może zostać dowolnie często powtórzony ( bez szkody dla stabilności efektu 1119) przez przyłożenie zewnętrznej siły od­

kształcającej ( np. sprężyna zwrotna). Jeżeli taka siła działa, to można osiągnąć "dwukierunkową postawę" [ 9] efektu jednokierunkowego (tzw.

stłumiona pamięć kształtu). Rzeczywisty efekt dwukierunkowy jest tym od­

wracalnym procesem, przy którym nie jest wymagana siła przywracająca stan pierwotny. Stop "pamięta" wtedy zarówno kształt wysokotemperaturowej fazy macierzystej, jak i niskotemperaturowej martenzytycznej. Na rys. 2 przedstawiono dla porównania jedno- i dwukierunkowy efekt pamięci kształ­

tu. 7,'artość clzyskiwanego odkształcenia (rys. 2) w dwukierunkowym efekcie pamięci kształtu jest 5 r 10 razy mniejsza niż w jednokierunkowym i wyno­

si około 1 %.

Częściowo podobne w działaniu do dwukierunkowego efektu pamięci kształtu jest zjawisko odkryte w 1982 roku przez Nishida i Honma [8], które nazwali "all - round shape memory effect" ( brak jednoznacznej polskiej nazwy) .

(4)

266 W.Sileikis,B«Neuman

3. Zastosowania w robotyce

Stopy metali z pamięcią kształtu aą wykorzystywane głównie do budowy elementów wykonawczych układu napędowego w zespole ruchu jednostki kine­

matycznej maszyny manipulacyjnej.

Najprostsze rozwiązania takich elementów polegają na wykorzystaniu efek­

tu stłumionej pamięci kształtu. Na rys. 3 przedstawiono konstrukcję ter­

micznego elementu wykonawczego L10] sterowanego energią cieplną. Element wykonawczy składa się z popychacza 1, stalowej sprężyny zwrotnej 2 i sprężyny naciskowej z pamięcią kształtu 3 .

Rys. 3. Konstrukcja termicznego elementu wykonawczego Fig. 3 . Construction of the thermal actuator

Po ogrzaniu do- .temperatury przemiany sprężyna z pamięcią kształtu poko­

nuje opór sprężyny zwrotnej i wysuwa popychacz. Po spadku temperatury popychacz zostaje cofnięty siłą sprężyny zwrotnej.

Przykład elektrycznego elementu wykonawczego [41 przedstawia rys. 4.

W urządzeniu tym sprężyny z pamięcią kształtu są mechanicznie połączone w sposób równoległy, natomiast elektrycznie szeregowo. Sprężyny działają w przeciwnych kierunkach,a ich ogrzewanie odbywa się naprzemiennie.

Ze względu na dużą rezystancję sprężyn (stop Ni-Ti) i sposób połączenia, układ jest .zasilany wysokim napięciem i ni'skim prądem. Zastosowana tech­

nika sterowania została nazwana [ 8 ] "VEASE" (Via Electrically Actuated Shape memory EffectJ - przez elektryczne uruchomienie efektu pamięci kształtu. Przez podobieństwo do dużej greckiej litery "ksi" konstrukcja ta została nazwana "układem £ "

Wiele miniaturowych elementów wykonawczych takiego typu opracowała japońska firma Miwa i Iguchi [8], Hitachi Electrical Co stosując te elementy wykonała chwytak robota o kształcie i wymiarach ludzkiej ręki z 1 3 stopniami swobody, mogący mieć zastosowanie w laboratorium izotopo­

wym.

(5)

Zastosowania stopów z pamięcią . 267

V \ \ W \

-

Rys. 4. Konstrukcja elektrycznego elementu wykonawczego Rys. ń. Construotion of the electrical actuator

W Instytucie Automatyki Politechniki Śląskiej opracowano i przebada­

no koncepcję prostego chwytaka siłowo - kształtowego ze sprężystymi koń­

cówkami chwytnymi, wykorzystując stopy metali z pamięcią kształtu Ł7J- Techniczne rozwiązanie takiego chwytaka-przedstawiono na rys. 5«

Rys« 5. Chwytak*. 1-końcówki chwytne, 2-aprężyna naciskowa, 3-nakładki Rys. 5. The gripper device: 1-gripper pliers,' 2-push spring,.3-gnipper

jaws

Podstawowymi elementami chwytaka są dwie końcówki, ze stopu Cu-Zn-Al z zaindukowanym jednokierunkowym efektem pamięci kształtu. Sprężyste

(6)

268 W. Sileikis .B.Neuman

końcówki wykonano z płaskowników udostępnionych przez doc.dr han.inż.

J.Dudkiewicza z Instytutu Podstaw Metalurgii PAN w Krakowie.

W stanie spoczynkowym (rys. 5) chwytak jest rozwarty^ w wyniku nacisku stalowej sprężyny na końcówki chwytne). Zwarcie końcówek następuje po ich nagrzaniu do temperatury przemiany (około 40°C dla Cu-Zn-Al). Końcówki chwytne odzyskują 7Jtedy swój pierwotny kształt, pokonując równocześnie opór stalowej sprężyny naciskowej. Ze względu na małą rezystancję stopu Cu-Zn-Al chwytak jest sterowany strumieniem ciepłego powietrza.

W Instytucie Automatyki opracowano [7 ] również inne koncepcje chwyta­

ka, lecz ich nie przebadano ze względu na trudności w pozyskaniu elemen­

tów ( płaskowniki, pręty, sprężyny) wykonanych ze stopu Ni-Ti z jedno- i dwukierunkowym efektem pamięci kształtu.

4. Zakończenie

Na rozpowszechnienie w budowie jednostek kinematycznych maszyn mani­

pulacyjnych elementów wykonawczych wykorzystujących efekt pamięci kształ­

tu mogą wpłynąć następujące zalety tych elementów:

- skokowy rozwój efektu pamięci w wąskim przedziale temperatur,

- możliwość wytworzenia różnego, rodzaju odkształceń (skrócenie, wydłuże­

nie, ugięcie, skręcenie, odbicie lustrzane), - miniaturyzacja i uproszczenie konstrukcji.

Zalety te okupione są małą dokładnością pozycjonowania, szybkością, nie­

możnością zatrzymania napędu w położeniu pośrednim oraz koniecznością chłodzenia.

W celu dalszego rozszerzenia pola zastosowań elementów z pamięcią kształtu prowadzone są prace (41 zmierzające do zbudowania silnika ciepl­

nego o dużej sprawności.

LITERATURA

(1 4 Bojarski Z., Morawiec H.: Pamięć kształtu w metalach. Archiwum Nauki o Materiałach. 1980, vol. 1-2, s. 5-20.

[2 ] Bojarski Z., Morawiec H.: Metale z pamięcią kształtu. PWN. Warszawa 1989.

[5] Garretson C., Stöckel D.: Eigenschaften und Anwendung von Shape - Memory - Steckverbindern. Metall, Iyß75 vol. 1, s. 22-25.

[4 ] Hirose SJ, Ikuta K., Tsukamoto K., Sato K., Umetani Y.: Several considerations on design of SMA actuator. Proceedings of the International Conference on Martensitic Transformation. Tokyo 1986>

s. 1047-1052.

(7)

Zastosowanie stopów z pamięcią ♦ 269

[5] Krishnan R.V., Delaey L., Tas H.: Thermoplasticity, pseudoelaaticity and; the memory effects associated with martensitic transformations.

Journal of Materials Science, 1974, vol. 9, a. 1536 - 1544.

[6] LichaSev V.A., Kuźmin S.L., Kamenceva Z.P.: Effekt pamjati formy.

Izd. Leningradskogo Universiteta, Leningrad 1987.

[7] Neuman B.: Opracować koncepcję chwytaka robota przemysłowego wyko­

rzystując metale z pamięcią kształtu. Praca magisterska. Gliwice 1989-

L8) Otsuka K., Shimizu K.: Pseudoelasticity and shape memory effects in alloys.International Metals Reviews. 1986, vol. 31, s. 93-114.

19] Stöckel D.: Der Pormgedächtnis - Effekt von Nickel - Titan -

Legierungen. Peinwefctechnik und Messtechnik. 1987, vol. 5 , s.332-334.

[10] Stöckel. D.: Anwendungen von Ni-Ti-Legierungen mit Formgedächtnis - Effekt. Feinwerktechnik und Messtechnik. 1987, vol. 7, s. 198-204.

[11] Tautzenberger P . , Stöckel D.: Vergleich der Eigenschaften von Termobimetallen und Memory Elementen. Metall, 1987, vol. 25, s.26-32.

[12] Warlimont H.: Shape memory effects. Materials Science and Engineering, 1976, vol. 25, a. 139-144.

R e c e n z e n t : Prof. dr h. inż. A. W o ż n i a k W p ł y n ę ł o d o R e d a k c j i d o 1 9 9 0 - 0 4 - 3 0 .

A P P L I C A T I O N S O F S H A P E M E M O R Y E F F E C T I N R O B O T I C S S u m m a r y

T h e p a p e r p r e s e n t s s h a p e m e m o r y e f f e c t i n a l l o y s a n d h i s forms. S o m e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s of t h o s e e f f e c t s i n r o b o t i c s a r e p r e s e n t e d .

IIPMMEHEHHE 3 $ * E K T A flAMflTK SOPMbJ B POBOTOTEXHHFCE P © 3 >0 M ©

B p a 6 o T e n p e f l C T a B n e n 3 $ 4> e K T natiflTH <+>opMbi b c n n a B a x a T a K * e e r o p a 3 Hbie BHGbi. r i p e f l C T a B n e H b i n p H H o p b i n p a i c T H H e c K o r o « c n o n b o o B a H H « 3 <J)4> e K T a B p O Ö O T O T e X H H K ©.

Cytaty

Powiązane dokumenty

Stąd rela- tywnie duża liczba cytowanych prac, ilustrujących żmudną drogę dochodzenia do zrozumienia złożonych procesów i zjawisk zachodzących w stopach z pa- mięcią kształtu,

[r]

Zadanie optymalizacji polegało na znalezieniu takiego kształtu odbłyśnika, który zapewni uzyskanie jak największej wartości średniego natężenia oświetlenia przy

W zależności od dobranych wymiarów poszczególnych komponentów układu uzyskuje się różne wartości parametrów siłownika, takich jak maksymalny skok punktu Braille’a czy

W zależności od dobranych wymiarów poszczególnych komponentów układu uzyskuje się różne wartości parametrów siłownika, takich jak maksymalny skok punktu Braille’a czy

Na tej podstawie można przyjąć, że celowym jest prowadzenie dalszych badań na polikrystalicznych, ferromagnetycznych stopach Ni-Co-Mn-In wykazujących efekt pamięć

Na rysunku widać znaczą różnicę w dokładności odwzorowania rzeczywistego zachowania się materiału przez modele Tanaki, Lianga i Rogersa oraz Boyda i

Początkowo próbka wykonana z magnetycznego stopu z pamięcią kształtu pozostająca w fazie austenitycznej jest schładzana przy stałym naprężeniu ściskającym σ xx