2002/2003, sem. I; MASTER: Conducerea Sistemelor Electromecanice2C+1L Conversii si Control in Sisteme Electrice Industriale (2005/2006)

DISPOZITIVE ŞI STRUCTURI ELECTROMAGNETICE

ŞI ELECTROMECANICE AVANSATE

SISTEME ELECTROMAGNETICE

ŞI ELECTROMECANICE AVANSATE

Introducere

Disciplina DSEEA are ca obiectiv prezentarea cunoştinţelor legate de noile tehnologii

folosite în realizarea unor structuri, dispozitive şi sisteme electromecanice avansate. Se va

pune accent pe cunoaşterea sistemelor electromecanice mici şi a microsistemelor, cat şi a

microactuatorilor si microsenzorilor obţinuţi prin tehnologie de microsistem. Pe lângă

aceasta, vom face o incursiune în cadrul sistemelor mecatronice care sunt sisteme

electromecanice inteligente combinând inginerie mecanică, inginerie electronică, control

automat şi tehnica de calcul. Vom continua cu sistemele de levitaţie magnetică (MAGLEV),

cum sunt lagărele magnetice pasive şi cele active sau sistemele de sustentaţie ale trenurilor

MAGLEV şi, în final, se vor prezenta sistemele de conducere cu automate programabile sau

cu PLC-uri, care stau la baza funcţionării majorităţii maşinilor, echipamentelor şi sistemelor

de fabricaţie moderne.

Produsele industriale de azi sunt mult mai complexe, integrând componente

electromecanice ce includ circuite de comandă, ceea ce necesită o pregătire inginerească

diversificată, bazată pe o instruire în facultate multidisciplinară pentru a face faţă

numeroaselor faţete de aplicaţii interdisciplinare din industrie.

În prezent în tehnică există o puternică tendinţă de miniaturizare a produselor prin

reducerea dimensiunilor şi greutăţii acestora, având ca efect reducerea consumurilor de

materiale şi energie, creşterea siguranţei în funcţionare, precum şi îmbunătăţirea

caracteristicilor ergonomice. Miniaturizarea presupune folosirea unor elemente componente

cât mai mici. De aceea se vorbeşte azi tot mai mult de microsenzori, microactuatori,

micromaşini, microrelee, microroboţi, microsisteme electromecanice.

În ultimii ani, tehnologia microsistemelor a devenit un punct de interes pentru

industriile ţărilor avansate precum S.U.A., Germania, Franţa şi Japonia, care au iniţiat

programe importante pentru a susţine şi coordona dezvoltarea de microsisteme.

1

Microsistemele electromecanice MEMS (de la acronimul denumirii englezeşti, Micro

ElectroMechanical Systems), au fost studiate în laboratoare de cercetare de pe la începutul

anilor 90 (deci după 1980).

Deja, microsistemele electromecanice (MEMS) joacă un rol decisiv în ceea ce priveşte

competivitatea industrială, în domenii cum ar fi: industria automobilelor, bunurile casnice,

medicina, tehnologia mediului, biotehnologia. Diverse ramuri ale industriei includ deja

componente MEMS în produsele lor noi; acestea depăşesc produsele vechi şi cuceresc un

sector tot mai mare al pieţei. Principalele produse realizate ca MEMS sunt senzorii,

actuatorii (elemente de acţionare) şi unele module de control general.

În ceea ce priveşte Mecatronica, cuvântul este o combinaţie lingvistică dintre

Mecanică şi Electronică, sugerând deci combinarea conceptelor din cele 2 mari domenii

inginereşti. Termenul a fost introdus de Tetsuro Mori, un inginer al Companiei japoneze

Yaskawa, în 1969. Sistemele mecatronice sunt de fapt sisteme electromecanice, care

datorită includerii de microelectronică avansată, senzori, actuatori şi sisteme de control

moderne,le putem numi dispozitive şi sisteme avansate sau inteligente.

Câteva exemple de dispozitive şi sisteme mecatronice sunt: roboţi, frâne anti-blocare,

fotocopiatoare, hard-discuri de calculator, maşini de spălat moderne, CD-players,

mecanisme bowling, bancomate, motor de c.c. fără perii, etc.

Un automat programabil (AP) sau un controler cu logică programabilă (Programable

Logic Cotroller - PLC) este un calculator specializat pentru a fi utilizat în automatizarea

proceselor industriale, precum controlul masinilor de pe liniile de asamblare din fabrici. Spre

deosebire de calculatoarele obisnuite, automatele programabile sunt proiectate pentru

diferite configuratii ale intrarilor si iesirilor, domenii de temperatura extinse, imunitate la

perturbaţiile electrice si rezistenţă la vibratii si impact. În ultimul capitol al cursului vom

cunoaşte arhitectura şi funcţionarea unui AP, modul său de programare şi exemple de

echipamente conduse cu APe.

1. Microsisteme electromecanice (MEMS)

1.1. Prezentare generală şi aplicaţii ale microsistemelor electromecanice

(MEMS)

MEMS pot fi definite ca o clasă de sisteme cu dimensiuni foarte mici, care integrează

pe un singur strat de siliciu senzori miniaturizaţi şi unităţi de actuatori şi de procesare a

semnalelor într-un sistem complex capabil să simtă, să decidă şi să reacţioneze. Altfel spus,

2

un MEMS poate fi definit ca integrarea funcţională a unor elemente mecanice, electronice,

optice şi a altor elemente funcţionale, folosind tehnici speciale MEMS. Folosind astfel de

tehnologii se pot fabrica sisteme pe un cip (systems-on-a-chip), cip-uri inteligente, monolitice

sau integrate, capabile să simtă (cu senzori), să planifice, să ia decizii (cu unităţi de

procesare a semnalului) şi să acţioneze (cu actuatori). În comparaţie cu sistemele

convenţionale, aceste microsisteme de înaltă siguranţă oferă utilizatorului funcţiuni anterior

de nebănuit. De exemplu, întregul domeniu al roboticii ar putea fi revoluţionat prin

dezvoltarea actuatorilor şi a senzorilor superminiaturizaţi. În prezent roboţii inteligenţi cu

funcţiuni multiple au devenit o realitate. Microroboţii vor deschide noi domenii de aplicaţii,

vor atinge un grad înalt de siguranţă (printr-un grad ridicat de integrare) şi promit o reducere

a costurilor pe termen lung pentru multe operaţii de manipulare şi de asamblare.

În privinţa dimensiunilor unui MEMS nu există un consens general. Unii cercetători se

referă la un MEMS ca având dimensiuni de câţiva centimetri, alţii consideră că sunt numai

acele sisteme cu dimensiuni de ordinul micrometrilor. Printr-un compromis putem defini un

MEMS ca fiind un sistem în care sunt realizate cât mai multe funcţii într-un spaţiu foarte mic

şi care conţine cel puţin o componentă fabricată micromecanic. Ca idee despre dimensiunile

tipice ale unei componente de microsistem, un micromotor electrostatic are dimensiuni doar

cu puţin mai mari ca diametrul unui fir de păr uman, care e cuprins între 50 şi 100 m.

Primul produs MEMS a fost realizat în jurul anului 1980, fiind o structură de siliciu cu o

membrană obţinută prin corodare, utilizată ca microsenzor de presiune. Prin deformarea

membranei sub efectul presiunii se modifică rezistenţa electrică a unui strat piezorezitiv

depus pe suprafaţa membranei, rezultând astfel transformarea presiunii într-un semnal

electric. Desen:

Unul din scopurile principale ale MEMS este să creeze copii tehnice ale fiinţelor din

lumea noastră. De exemplu, cercetătorii de la Toyota se concentrau la un moment dat

asupra reproducerii funcţionalităţii unu ţânţar – un microsistem natural care caută celulele

sanguine folosind senzori, înţeapă pielea şi extrage şi pompează sângele. Teoretic, un astfel

de dispozitiv ar putea fi folosit ca un microaparat pentru diagnosticarea sângelui.

Dezvoltarea nanoprocesării şi a nanotehnologiei este următoarea etapă de

miniaturizare a MEMS: În viitor nanotehnologia va încerca să realizeze dispozitive şi sisteme

chiar mai mici şi să construiască sisteme electronice şi mecanice atom cu atom. Într-o zi,

nanodispozitivele vor controla roţi minuscule, manipulatori, actuatori şi senzori. De exemplu,

fantezia omenească merge atât de departe încât imaginează nanoroboţi invizibili care

acţionează în tapiţeria unui fotoliu controlat pneumatic pentru ca acesta să ia forma

3

proprietarului său, sau, într-o altă aplicaţie, asemenea nanoroboţi sunt trimişi prin jetul unui

spray în gură să îndepărteze tartrul dentar. În prezent asemenea idei sunt departe de a fi

realizate, dar aceste viziuni ar putea deveni într-o zi realitate.

În ceea ce priveşte piaţa comercială a MEMS în lume şi prognoza sa viitoare, se

poate spune că MEMS posedă deja un mare potenţial de piaţă în special în privinţa

microsenzorilor şi microactuatorilor, în S.U.A, Japonia şi Europa. Se estimează că volumul

mondial de vânzări în anul 2001 a fost de 3,8 miliarde de dolari, în 2002 - 3,9, urcând la 5,6

miliarde în 2005. Se apreciază o piaţă MEMS de 7 miliarde dolari în 2007 şi de aproape 10

miliarde în 2010, rezultând o creştere medie de 17%.....Figura 1 – MEMS-Industry

Principalele familii de produse MEMS sunt următoarele: senzori de acceleraţie şi de

presiune, capete de imprimare, microfoane cu siliciu, giroscoape, componente optice MEMS

(cititoare cod de bare, componente pentru fibre optice), RF MEMS (de radiofrecvenţă –

componente pentru telecomunicaţii, precum comutatoare de înalta frecvenţă), microfluidica

(sisteme de activarea a fluidelor prin microcanele). Principalele arii de aplicaţii sunt:

domeniul aer-spaţial, industria de automobile, medicina şi telecomunicaţiile.

În sectorul automobilelor, valoarea componentelor MEMS reprezintă între 2% şi 4%

din întreaga valoare a maşinii. Anual se produc sute de milioane de bucăţi senzori de

acceleraţie (190 de milioane în 2005) pentru airbag-uri şi de alţi senzori pentru controlul

autovehiculelor (de presiune, 300 mil. în 2005, de temperatură). Alte exemple de produse ce

înglobează tehnologie MEMS, comercializate curent sunt: stimulatoare cardiace (1 milion în

2005), proteze auditive (900 mii în 2005), microactuatori pentru capete magnetice de

citire/redare (peste 2,5 miliarde în 2005) în hard-discuri, capete de imprimanta cu jet de

cerneală (850 milioane în 2005), reflectoare şi comutatoare optice, mouse-uri optice, jocuri

şi jucării.

MEMS câştigă tot mai mult teren în controlul mediului ambiant, mai ales în instalaţii de

tratare a apei. Rata de creştere în acest domeniu este prognozată la 20% anual.

Sute de mii de senzori de presiune cu siliciu sunt produşi în fiecare an pentru

monitorizarea şi controlul producţiei industriale. Senzori şi actuatori pe baza MEMS vor fi

folosiţi pentru controlul sistemelor hidraulice, compresoarelor, agregatelor de răcire,

instalaţiilor de aer condiţionat etc. Produsele de larg consum constituie cea mai importantă

piaţă pentru microsenzori, care se extinde foarte repede. Componentele MEMS vor fi

folosite ca manometre pentru echipamente de scufundare, manometre digitale pentru

anvelope, barometre şi aparate de măsurat adâncimea, sisteme computerizate pe bicicletă

care să măsoare înclinaţia. În viitor, astfel de componente vor fi instalate în aspiratoarele de

4

praf, maşinile de spălat, uscătoarele de rufe, prăjitoarele de pâine şi chiar în pantofii de

sport, senzori pentru controlul umidităţii. Europa va domina piaţa pentru dispozitive de

control şi analiza proceselor, pentru instrumente medicale şi de control al producţiei în timp

ce S.U.A. şi Japonia vor domina celelalte sectoare, cum ar fi aplicaţiile în aer şi spaţiu şi în

tehnologiile pentru produse de consum şi casnice.

1.2. Structura unui MEMS

Sistemele microelectromecanice (MEMS) sunt aşadar maşini miniaturizate care includ

senzori, elemente de acţionare (actuatori) şi electronică de procesare a informaţie şi de

comandă a ssitemului.

Un MEMS complet trebuie să detecteze, proceseze şi evalueze semnale externe,

trebuie să ia decizii pe baza informaţiei obţinute şi în final să emită comenzi de acţionare

corespunzătoare. MEMS poate executa în acest caz manipulări condiţionate de anumite

sarcini. Structura cu principalele componente ale unui MEMS sunt prezentate în figura 1.

Fig. 1. Componentele unui MEMS

Trăsătura principală a microcomponentelor în comparaţie cu componentele

convenţionale este că senzorii şi actuatorii sunt compatibili ca mărime şi preţ de cost cu

componentele microelectronice. Limitele execuţiei de precizie tehnologică la MEMS le

depăşeşte pe cele ale tehnologiei tradiţionale. Subansamble executate cu microunelte

5

constând din materiale dure (de exemplu, diamant) devin cu atât mai costisitoare cu creşte

gradul de miniaturizare.

Senzorii individuali, care formează un modul senzor, nu mai sunt compensaţi fiecare

în parte, ci pot fi produşi în masă pe un strat mic cu costuri de producţie relativ scăzute. Mai

mulţi microsenzori pot fi integraţi împreună pentru a forma o matrice de senzori. Acest lucru

măreşte considerabil fiabilitatea sistemului şi o defectare a unuia dintre senzori nu mai este

o problemă critică. De asemenea, domeniul de măsurare poate fi proiectat în mod optim.

Dependent de aplicaţie, aceşti senzori pot folosi principii mecanice, termice, magnetice,

chimice sau biologice.

Actuatorii sunt componentele active ale MEMS, care permit acestuia să reacţioneze la

un stimul. Ei sunt mici motoare, pompe, valve, cleşti, întrerupătoare, relee şi actuatori

speciali de microsistem care în mod obişnuit sunt produşi micromecanic. Sarcini diverse ale

roboticii, de exemplu deplasarea sau manipularea unui obiect foarte mic, pot fi realizate de

microactuatori. În comparaţie cu miniaturizarea actuatorilor, miniaturizarea senzorilor este

destul de avansată. Marea majoritate a microproduselor aflate azi la îndemână sunt senzori.

În 2000 aproape 50% din produsele MEMS erau microsenzori.

Dezvoltarea componentelor MSEM de procesare a semnalului este, de asemenea,

foarte pretenţioasă, deoarece sarcinile cerute sunt complexe, iar sistemele sunt limitate ca

mărime şi putere. Algoritmii de control trebuie ajustaţi la necesităţile MEMS, ceea ce

înseamnă că ei ar trebui să utilizeze întreaga putere de calcul a microprocesorului.

Multe dintre problemele nerezolvate ale MEMS sunt legate de interfeţe. MEMS trebuie

să menţină contactul cu mediul înconjurător pentru a fi capabile să schimbe energie,

informaţie şi substanţă cu alte sisteme (Fig. 2).

Fig. 2. Interfeţe între un MEMS şi mediul său înconjurător

6

Posibilitatea de realizare şi de vânzare a microsistemelor viitorului depinde în mare

măsură de dezvoltarea interfeţelor practice micro-macro. Până acum, cele mai dezvoltate

sunt interfeţele electrice pentru transmiterea informaţiei şi a energiei. Sunt studiate diverse

posibilităţi de realizare a interfeţelor de natură optică, termică şi acustică. Până la ora

actuală substanţele pot fi transportate folosind metode microfluidice.

Convertorii A/D şi D/A fac parte adesea dintr-o interfaţă electrică. Ei permit conversia

semnalelor senzoriale analoge pentru procesarea digitală şi controlul actuatorilor analogi

folosind comenzi de control digital care sunt generate de un microcontroler. Într-un MEMS

descentralizat, convertorii A/D şi D/A pot fi integraţi direct pe chip-ul microsenzor sau

microactuator.

Componentele electronice de putere sunt esenţiale pentru aproape orice microsistem;

ele provoacă adesea probleme de natură termică şi electromagnetică. De aceste probleme

trebuie să se ţină cont încă din faza de proiectare a sistemului.

1.2. Tehnologii pentru MEMS

Produsele MEMS se pot obţine prin folosirea a 2 categorii de tehnologii:

microelectronica şi microprelucrarea mecanică. Microelectronica, care produce circuite

electronice pe chip-uri de siliciu, este foarte bine dezvoltată. Circuitele integrate

microelectronic pot fi considerate drept „creiere” ale sistemelor, Având aceste circuite,

MEMS îşi cresc capacitatea de luare a deciziilor adăugând „ochi” şi „braţe”, respectiv

senzori şi actuatori, pentru a permite detectarea şi controlul mediului. Senzorii dau informaţii

despre mediu prin măsurarea fenomenelor mecanice, termice, biologice, chimice, optice şi

magnetice. Circuitele electronice procesează informaţia furnizată de senzori şi prin luarea

unor decizii permit actuatorilor să răspundă prin mişcare, poziţionare, reglare, pompare,

controlând astfel mediul în obţinerea rezultatelor dorite.

Microprelucrarea mecanică se referă la tehnicile folosite pentru a produce elemente

structurate tridimensional şi mobile ale dispozitivelor micromecanice. Unul din scopurile

principale ale microingineriei MEMS este de integra circuitele microelectronice în structuri

microfabricate pentru a produce sisteme integrate complet sau microsisteme, aşa numitele

systems-on-a-chip. Astfel de sisteme au aceleaşi avantaje de cost scăzut, fiabilitate şi mici

dimensiuni ca şi chip-urile de circuite integrate produse de industria microelectronică.

Schema de fabricaţie a unui produs MEMS prin tehnologie microelectronică este

arătată în fig. 1.

7

Fig. 1. Fabricaţie MEMS cu tehnologie microelectronică.

În cadrul acestei tehnologii se folosesc procesele de prelucrare specifice confecţionării circuitelor integrate: procese bipolare, CMOS etc. Astfel de procese includ operaţii de: oxidare, difuziune, fotolitografie, pulverizare etc.

Componentele micromecanice sunt realizate folosind procese de microfabricaţie care

îndepărtează părţi din stratul de siliciu sau adaugă noi straturi structurale pentru a forma

dispozitive mecanice şi electromecanice. În cadrul proceselor sau tehnologiei de

microfabricaţie, principalele tehnici utilizate sunt: microprelucrarea de volum,

microprelucrarea de suprafaţă şi tehnica LIGA.

La microprelucrarea de volum, structurarea volumului de substrat se face prin:

Corodare umedă, de subţiere a microplăcuţei;

Corodare ionică reactivă în adâncimea microplăcuţei. Microprelucrarea de suprafaţă presupune construirea de structuri din metal sau polisiliciu prin intermediul straturilor de sacrificiu.

LIGA, denumire ce provine din acronimul german al proceselor ce intervin, este o tehnică

complexă care include litografie cu raze X, galvanoplastie şi modelare plastică (reproducere)

prin injecţie (formare prin injecţie) sau profilare la cald. Schema de desfăşurare a proceselor

din tehnica LIGA este ilustrată în figura 2.

8

Fig. 2. Tehnica LIGACel mai important pas în procesul LIGA este litografia cu raze X (Fig. 2a şi 2b).

Datorită capacităţii mari de penetrare, litografia cu raze X este foarte potrivită pentru

fabricarea structurilor tridimensionale cu înălţimi de până la 1mm. Se foloseşte o sursă de

radiaţie sincrotron, de energie înaltă. Imaginea unei măşti este proiectată pe un substrat ce

are depus la suprafaţă un strat de rezist sensibil la radiaţie. Structura măştii este transferată

în rezist, zonele iradiate suferind modificări chimice. Aceste zone sunt apoi dizolvate, lăsând

în urmă o microstructură tridimensională care reprezintă imaginea spaţială a măştii plane.

Structura plastică obţinută astfel este un produs intermediar. Scopul este crearea unei

microstructuri metalice. Următorul pas important în procesul LIGA este depunerea galvanică

a metalului în golurile structurii plastice (Fig. 2c). Pentru aceasta, materialul substratului sau

placa de bază trebuie să fie conducător electric pentru a porni procesul galvanic. După

îndepărtarea plasticului şi a substratului, rămâne o structură metalică replică la structura

primară, care poate reprezenta deja produsul dorit. Scopul principal este însă producerea

unei matriţe metalice pentru producţia de masă a pieselor din plastic de mare precizie,

folosind tehnici de micromodelare. Pentru aceasta, metalul se depune şi peste rezist pentru

a genera matriţa cu placa ei de bază (Fig. 2d).

9

Ultima etapă a tehnicii LIGA este modelarea plastică în vederea obţinerii unei producţii

de masă. Folosind diverse tehnici de micromodelare, cum ar fi tehnicile de turnare şi de

imprimat, poate fi produsă orice cantitate de piese din plastic, copii ale formei primare.

În concluzie, deoarece dispozitivele MEMS sunt realizate utilizând tehnici de fabricaţie

în loturi sau serie, similare cu circuitele integrate, pot fi atinse nivele nemaiîntâlnit de ridicate

de funcţionalitate, fiabilitate şi complexitate pe o pastilă de siliciu, la un cost relativ scăzut.

4. MICROACTUATORI

4.1. Generalităţi despre microactuatori

MSEM şi, în particular, microroboţii solicită dezvoltarea a noi actuatori avansaţi, cu

dimensiuni foarte mici, uşor de construit mecanic şi cu fiabilitate foarte ridicată. În literatură,

termenul microactuatori este folosit pentru dispozitive cu mărimea mergând de la câţiva

microni până la câţiva centimetri, dovedind dificultăţile de clasificare ale acestui nou

domeniu ştiinţific. Un microsistem poate fi înzestrat în vederea îndeplinirii anumitor sarcini,

cu microdispozitive având elemente cum ar fi: pompe, valve, cleşti robot, elemente de

poziţionare liniare şi unghiulare, actuatori simpli de tip consolă şi sisteme complexe de

muşchi artificiali. Micropompele şi microvalvele pentru tratarea la nivel microscopic a

lichidelor şi gazelor pot fi folosite în medicină, unde sunt necesare sisteme implantabile, de

mare acurateţe, pentru dozarea medicaţiei, sau pentru analiza chimică şi biotehnologică,

unde volume exacte de lichid trebuie să fie transportate şi analizate. Ele pot fi, de

asemenea, folosite pentru echipamente tehnice cum ar fi imprimantele cu jet de cerneală.

Microactuatorii folosind principiul consolei pot fi utilizaţi în diverse aplicaţii pentru a genera

mişcări exacte. În optică, astfel de microactuatori pot servi ca oglinzi cu reglare electronică,

în dinamica fluidelor ca valve, iar în microrobotică drept cleşti. Micromotoarele au şi ele o

perspectivă foarte bună, deşi deocamdată dezvoltarea lor nu este foarte avansată. În

micromotoarele actuale, un rotor este mişcat prin forţe electrostatice, electromagnetice sau

piezoelectrice, care sunt aplicate în afara sau în interiorul unui stator.

Dezvoltarea micromotoarelor trece prin cicluri repetate de proiectare, fabricare, testare

şi modificare. Principalele teme de cercetare sunt dimensiunile optime, principiile elementare

de proiectare şi materialele folosite. În cazul celor mai multe aplicaţii, parametrii de

performanţă, cum ar fi momentul de torsiune şi viteza de rotaţie, nu ating încă valorile dorite.

Mulţi cercetători analizează cu atenţie principiile şi proprietăţile actuatorului natural –

structura muşchiului, caracterizat prin flexibilitate, diversitate şi forţă ridicată. Un muşchi

10

artificial este, de obicei, făcut dintr-o serie de actuatori puşi împreună pentru a forma, prin

analogie cu muşchiul natural, un mănunchi cu integrare mare şi mai puternic.

De obicei, actuatorii sunt componente de sistem complexe sau subsisteme

independente. În ceea ce priveşte integrarea sistemului, un actuator conectează partea de

procesare a informaţiei din unitatea de control a sistemului cu procesul care trebuie

influenţat şi este, de aceea, indispensabil pentru un microsistem complet. O reprezentare

schematică a unor actuatori integraţi este prezentată în figura 1. Aici, semnalul de control

generat cu ajutorul informaţiei senzoriale este transformat în mişcare prin intermediul

actuatorilor.

Fluxul de informaţie

Fluxul de energie

Fig. 1. Integrarea microactuarorilor într-un microsistem

În prezent, numărul actuatorilor în funcţionali este mult mai mic decât al senzorilor.

Principalele probleme cu care se confruntă dezvoltarea actuatorilor privesc conceptele de

proiectare, principiile de control, precizia, rezistenţa la influenţele mediului etc. O altă

dificultate practică provine de la frecare, care adesea are consecinţe dezastruoase pentru

sistemul microactuator. Pentru multe sisteme actuator, fabricarea dispozitivului şi a

componentelor de procesare a semnalului se bazează pe aceeaşi tehnologie a siliciului,

rezultând o construcţie monolitică de sistem care salvează timp şi spaţiu. Apoi, pentru

aplicaţii specifice ar putea să se combine diferite tipuri de componente de sistem într-un

microsistem complex. Există multe alte materiale şi efecte care pot conduce la conceperea

11

Transformarea semnalului, procesareainformaţiei şi controlul sistemului

Microsenzori

Componenteelectronice de

putere

Micro-actuator

Micro-actuator

Componenteelectronice de

putere

PROCES

unui sistem microactuator, dar care nu poate fi realizat cu tehnologia actuală pe siliciu.

Metoda LIGA de exemplu, oferă un mod de a structura un sistem dintr-o varietate de

materiale. Metodele de fabricaţie pentru MSEM trebuie să fie accesibile în privinţa costurilor,

mai ales când este vorba de producţia de masă. În contrast cu aceasta, microactuatorii

fabricaţi prin prelucrarea de precizie convenţională sunt scumpi.

5.2. Clasificarea microactuatorilor

Prin folosirea tehnicilor potrivite de transformare a energiei, microactuatorii trebuie să

fie capabili să genereze forţe şi momente sau schimbări de poziţia. Funcţia unui

microactuator se poate baza pe principiile convenţionale de producere a forţelor, precum şi

pe principii noi special găsite pentru MSEM şi potrivite pentru microvolume. Cercetătorii au

găsit multe principii noi de producere a forţelor. În figura 1 este dată o clasificare a

microactuatorilor pe baza acestor principii.

Fig. 1 Clasificarea microactuatorilor

Pe lângă microactuatorii electrostatici, piezoelectrici sau electromagnetici care sunt în

mod curent investigaţi şi folosiţi, alţi microactuatori cu materiale magneto- şi electrostrictive

12

şi aliajele cu memoria formei devin de mare interes. Microactuatorii magnetoreologici şi

electroreologici, hidraulici, pneumatici şi termomecanici sunt, de asemenea, cercetaţi pentru

a li se găsi utilizări convenabile. Mulţi microactuatori se bazează pe principii de funcţionare

complet diferite faţă de actuatorii convenţionali, iar în comparaţie cu aceştia folosesc, în

general, acţionări directe fără elemente de transmisie mecanică.

Efectul piezoelectric, de exemplu, se bazează pe interacţiunile atomice în materiale

ceramice cărora li se aplică o tensiune electrică. Câmpul electric provoacă întinderea

corpurilor ceramice, care poate fi exact controlată şi permite astfel o mişcare în domeniul

nanometric. Expunerea actuatorilor din aliaje magnetostrictive într-un câmp magnetic

determină extinderea sau contracţia aliajului. Mişcările produse sunt într-un domeniu similar

cu cele ale actuatorilor piezoelectrici. De un interes deosebit sunt aliajele cu memorie a

formei. După ce au fost deformate plastic, ele revin la forma iniţială atunci când sunt

încălzite (memorie termică a formei). În actuatorii electroreologici lichidele electroreologice

îşi schimbă vâscozitatea sub influenţa unui câmp electric şi trec din starea lichidă în cea

plastică. Această proprietate poate fi folosită pentru multe aplicaţii cum ar fi cuplaje, valve

sau amortizoare de vibraţii. O comportare sinonimă cu electroreologicele au lichidele

magnetoreologice care îşi cresc vâscozitatea cu câmpul magnetic aplicat. Materialele

menţionate mai sus sunt adesea caracterizate ca inteligente, deoarece ele prezintă, în

acelaşi timp, atât proprietăţi de senzori cât şi de actuatori. Aceste principii ale actuatorilor au

marele avantaj că un curent dat la intrare are drept rezultat o deplasare predictibilă, astfel

încât sistemul actuator poate opera fără senzori de forţă sau de poziţie.

5.3. Microactuatori electrostatici

1. Principiul de mişcare şi proprietăţile microactuatorilor electrostatici

O forţă electrostatică este creată prin aplicarea unei tensiuni pe plăcile unui

condensator care sunt separate de un izolator, de exemplu aer. În felul acesta, cele două

plăci se încarcă cu sarcini opuse, rezultând o forţă de atracţie între cei 2 electrozi (fig. 1).

Această forţă este calculată cu relaţia:

unde: F – forţa electrostatică [N] - constanta dielectrică [ ]S – aria suprafeţei electrodului [ ]d – distanţa dintre electrozi [m].

13

Fig. 1 Generarea unei forţe electrostatice

Prin variaţia tensiunii (de obicei

între 40 V şi 200 V) aplicate electrozilor

special proiectaţi, poate fi obţinută o

deplasare. Deplasarea este de ordinul a

câţiva microni. Cu cât este mai mică

distanţa dintre electrozi cu atât creşte

densitatea energiei câmpului electric şi

în consecinţă, o forţă mai mare a

actuatorului. Tehnicile actuale permit

realizarea de spaţii foarte mici între

electrozi, iar tehnologia siliciului permite proiectarea monolitică a electrozilor pe un

cip.

Actuatorii electrostatici sunt uşor de miniaturizat, deoarece forţa electrostatică

dintre plăcile unui condensator depinde de tensiunea aplicată, de spaţiul dintre plăci şi

de aria plăcilor şi nu de grosimea plăcilor sau de volumul lor. De aceea, forţa

electrostatică mai este cunoscută şi ca forţă de suprafaţă; aceasta este în contrast cu

forţa magnetică care depinde atât de grosimea cât şi de aria elementului şi care este

cunoscută ca forţă de volum.

Pentru electrozi se folosesc materiale uşoare, cum ar fi aluminiul.

Spre comparaţie, actuatorii magnetici sunt făcuţi din aliaje de fier sau cobalt,

actuatorii cu memoria formei folosesc, de obicei, aliaje de nichel-titan, iar piezoactuatorii

bare solide de titanat de bariu.

Ca toate tipurile de actuatori, microactuatorii electrostatici au şi ei dezavantaje.

Tensiunea aplicată trebuie să fie înaltă, de exemplu, pentru o distanţă de 1 m

tensiunea aplicată pentru un actuator de presiune de 1 Kg/ este de aproximativ 150

V. Un alt dezavantaj este că în anumite situaţii actuatorul poate suferi o străpungere

electrostatică provocată de defecte de suprafaţă; de aceea aceste dispozitive necesită

suprafeţe foarte fine în comparaţie cu alţi actuatori. În plus, câmpurile electrice atrag

particule de praf, ceea ce poate fi dăunător funcţionării circuitelor electrice.

Folosind principiul electrostatic se pot realiza atât acţionări liniare cât şi de rotaţie

(fig. 2). Proiectarea se bazează pe faptul că electrozii în mişcare tind să atingă o stare

de capacitate maximă într-o anumită poziţie. În aranjamentul în formă de pieptene din

figura 2a, un element mobil de forma unui pieptene este inserat într-un element fix, de

14

aceeaşi formă, realizând o mişcare liniară verticală, de mică amplitudine. Pieptenele

mobil are de obicei un mecanism de revenire cu arc, arcul furnizând forţa de revenire.

Amplitudinea posibilă a mişcării depinde de forţa de retragere a arcului, adâncimea

dinţilor pieptenului şi tensiunea aplicată. Aranjamentul din figura 2b arată cum poate fi

obţinută o mişcare orizontală faţă de structura pieptenului. Acest aranjament este cel

mai potrivit pentru microacţionări de rotaţie.

Fig. 2. Două tipuri de mişcări care pot fi obţinute prin forţe electrostatice

Principiul funcţional al unui micromotor electrostatic este ilustrat în figura 2b. Dacă

2 electrozi în formă de pieptene încărcaţi cu sarcini opuse se află faţă în faţă, ei sunt

atraşi nu numai pe direcţia normală ci şi pe o direcţie paralelă cu suprafeţele lor datorită

unei forţe tangenţiale, până când plăcile sunt aliniate exact. Pentru a genera un moment

sau o rotaţie, rotorul şi statorul trebuie să fie echipaţi cu electrozi parţial deplasaţi;

aceasta determină o forţă tangenţială în orice poziţie a rotorului. Deoarece forţa

generată este proporţională cu numărul de electrozi, adesea sunt folosiţi mulţi electrozi

în paralel, într-un spaţiu mic. Variatele micromotoare electrostatice dezvoltate în ultimii

ani au un moment motor foarte mic iar durata de viaţă a fost scurtă din cauza frecării

cauzate de contactele mecanice între elementele staţionare şi cele mobile. În prezent se

investighează noi concepte de micromotoare la care rotorul este făcut să plutească

pentru evitarea frecărilor.

Un alt mod de a proiecta actuatori electrostatici este de a folosi o structură cu

membrană. Aici, electrozii plani se află faţă în faţă; ei se apropie unul de altul când este

aplicată o tensiune. Forţa, care acţionează numai vertical pe suprafaţa electrozilor,

creşte pătratic cu descreşterea distanţei dintre ei. Acest principiu de mişcare este folosit

pentru a fabrica valve, pompe şi muşchi artificiali.

15

2. Microobturator electrostatic

În metrologie şi în microoptică aşa numitele microobturatoare au devenit de mare

interes. Principiul unui astfel de obturator se bazează pe deplasarea electrostatică a

unui electrod mobil – microobturator, fabricat din aluminiu, aur sau polisiliciu dopat. În

timpul unei operări, obturatorul se mişcă spre electrodul fix de siliciu, care este

substratul, acesta fiin produs prin corodare umedă anizotropă din siliciu (110) (fig. 1).

Atunci când este aplicată o tensiune, electrozii mobili, microobturatoarele, sunt în

poziţia orizontală de repaus şi obturatorul este complet închis. Dacă se aplică o tensiune

între

Fig. 1. Microobturator electrostatic

microobturatori şi substrat, obturatorii se deschid. Fiecare obturator are ataşată o bară

îngustă de torsiune faţă de care se poate roti. Bara de torsiune este izolată de substratul

de siliciu printr-un strat de oxid. Când obturatorul este complet deschis (90), trece o

cantitate de lumină maximă. Când tensiunea este anulată, obturatoarele revin la poziţia

iniţială datorită acţiunii forţei elastice din barele de torsiune.

Dimensiunile fiecăruia dintre electrozii mobili sunt 0,8 mm x 0,5 mm. Cu o bară de

torsiune de 450 m lungime, 10 m lăţime şi 1 m grosime, o tensiune de 20,2 V poate

deplasa obturatorul în poziţia sa maximă de 90. Microobturatorul are o masă mică, o

tensiune de comandă scăzută, o frecvenţă de tăiere înaltă şi un timp de operare lung.

Toate componentele principale ale structurii sunt monolitic integrate pe un cip, ceea ce

elimină toate procesele îndelungate de ajustare şi montare.

3. Actuator electrostatic cu 2 camere

16

Actuatorul cu 2 camere foloseşte o

membrană pentru a genera o mişcare pe direcţia

normală la suprafaţa membranei. El a fost fabricat

prin tehnica microprelucrării de suprafaţă.

Camerele sunt conectate una cu cealaltă

prin mai multe canale. Dacă se aplică o tensiune

între substrat şi membrana camerei exterioare,

membrana se arcuieşte către substrat şi

presează aerul afară din cameră. Aerul este

împins prin canalele de legătură în camera

interioară şi atunci membrana acesteia se

curbează spre exterior. Având o cameră

exterioară mare şi o cameră interioară

mică, o mică mişcare

electrostatică aplicată membranei exterioare poate fi transformată într-o mişcare mai

mare a membranei interioare. Prototipuri ale acestui actuator au fost făcut din polisiliciu.

Camera interioară are o rază de 100-250 m, iar camera exterioară o rază de 200-750

m. Ele au funcţionat la o tensiune de 50 V atingând deplasări de la 1 m la 4 m.

4. Micropompă electrostatică

Principiul membranei electrostatice este foarte potrivit pentru proiectarea

micropompelor. Schiţa unei pompe cu micromembrană electrostatică este prezentată în

figură.

Dispozitivul constă din 4 cip-uri de siliciu şi a fost produs prin tehnica

microprelucrării în volum. Cele 2 cip-uri din partea de sus a dispozitivului formează

partea de acţionare constând din membrană şi electrod; cel din urmă este parte din

17

exterior. Cip-urile identice din partea de jos formează valvele interioară şi exterioară.

Dacă este aplicată o tensiune între membrană şi electrod, membrana se curbează către

electrod generând astfel o scădere a presiunii în cameră. Aceasta determină

deschiderea valvei interioare şi aspirarea lichidului în camera pompei. La anularea

tensiunii, lichidul este împins prin valva exterioară. Deoarece unitatea de comandă şi

camera pompei sunt separate, lichidul nu este afectat de câmpul electric. Acest lucru

este important când lichidele conţin ioni, aşa cum este cazul soluţiilor de săruri sau a

medicamentelor.

Pompa construită are o dimensiune exterioară de 7 mm x7 mm x 2 mm, iar valvele

o secţiune transversală de 0,16 . Membrana are suprafaţa de 16 şi o grosime

de 50 m. Distanţa dintre membrană şi electrod este de 6,3 m. La o tensiune de 170 V

şi o frecvenţă de 25 Hz, dispozitivul este capabil să pompeze 70 l/min; el poate să

funcţioneze la frecvenţe de până la100 Hz. Deoarece volumul mişcat într-un ciclu este

de aproximativ 10 - 50 nl, cantitatea de lichid care curge poate fi măsurată cu precizie.

Aceasta este de mare importanţă pentru aplicaţiile medicale, de exemplu pentru sisteme

de dozare implantate.

5. Motor electrostatic cu pas linear

Prin procesul LIGA a fost fabricat un motor bidirecţional cu pas linear, acţionat

electrostatic, care foloseşte principiul unei capacităţi variabile. Forţele produse de un

astfel de actuator sunt proporţionale cu înălţimea microstructurii. Procesul LIGA este

foarte potrivit pentru a produce actuatori cu o înălţime de până la 500 m. Schema

actuatorului este prezentată în figură.

Dispozitivul constă din electrozi ficşi şi mobili. Când se aplică o tensiune pe

electrozi, partea mobilă este deplasată faţă de partea fixă. Pentru a creşte performanţa,

18

o mulţime de condensatoare dinţate, având câteva mii de dinţi, sunt aranjate în paralel

unele faţă altele. Dispozitivul are 3 grupe stator montate pe un substrat şi electrozi

mobili (actuatori) care sunt legaţi la structură resort lamelară. Dinţii actuatorului şi

statorului sunt decalaţi astfel încât la aplicarea unei tensiuni este creată o forţă

tangenţială în cel puţin 2 din cele 3 rânduri de electrozi. O comutare a tensiunii dintre

grupurile de electrozi determină o deplasare la stânga sau la dreapta până când este

atinsă poziţia finală. Deplasarea este limitată de structura resort. Mărimea deplasării

obţinute este determinată de structura pieptenului şi a resortului, ca şi de tensiunea de

acţionare. Unul dintre prototipurile realizate are o înălţime de 150 m şi o distanţă între

electrozi de 3 m fiind testat la o tensiune de 200 V; acesta a realizat o deplasare de

aproximativ 100 m şi o forţă maximă de 50 mN.

6. Motoare electrostatice de rotaţie

Motoarele electrostatice de rotaţie se bazează pe aranjamentul a 2 structuri de

electrozi faţă în faţă şi apariţia forţelor tangenţiale de deplasare a structurii mobile în

raport cu cea fixă. O problemă majoră a acestor motoare o constituie forţele de frecare

importante existente între rotor şi axul de sprijin ceea ce reduce mult din cuplul motor

util. Unul dintre aceste motoare este ilustrat în figura 1. El are un rotor cu 56 de dinţi şi o

rază exterioară a rotorului de 267 m; înălţimea motorului este de 100 m. Distanţa

dintre rotor şi ax (jocul lagărului) este de 4,8 m. Motorul este acţionat de o tensiune

decalată în 3 faze cuprinsă între 60 şi 100 V. Viteza de rotaţie poate fi variată de la

funcţionarea pas cu pas la 3400 rpm. Datorită frecării, momentul

19

Fig. 1. Prototip de micromotor electrostatic de Fig. 2. Micromotor electrostatic cu sprijinirea

rotaţie. rotorului pe ace.

motorului este de numai 10 pNm. Această valoare este prea mică pentru majoritatea

aplicaţiilor practice. Din această cauză s-a făcut încercarea de a scădea masa rotorului

pentru a reduce frecarea.

Un micromotor electrostatic folosind o structură cu de sprijin mecanic între

substrat şi rotor, a fost fabricat din nichel prin procesul LIGA (fig. 2). Motorul constă

dintr-un ax fix, un rotor care se roteşte liber şi opt electrozi stator. Tensiunea de operare

este succesiv comutată de la un pol la următorul astfel încât rotorul urmăreşte

întotdeauna polul activ. Jocul între ax şi rotor este de 2 m, ceea ce provoacă o mişcare

cu bătăi. Rotorul constă din 3 inele interconectate. Inelul exterior serveşte drept placă

condensatoare şi se află la 3 m de stator. Sub inelul din mijloc se află mai multe ace de

sprijin, care susţin rotorul în timpul mişcării excentrice.

Procesul de fabricare include mai mulţi paşi, în ultimul rezultând eliberarea

rotorului folosind corodarea cu plasmă a substratului de siliciu (fig. 3). Diametrul

20

rotorului este de 140 m şi cel al axului

de 80 m. Motorul a atins o viteză

maximă de 10 000 rpm la 60 V.

Fig. 3. Ultima fază a fabricării

micromotorului

5.4. Microactuatori piezoelectrici

1. Principiul de mişcare al microactuatorilor piezoelectrici şi proprietăţile lor

Actuatorii bazaţi pe materiale piezoelectrice, cât şi cei pe bază de aliaje

magnetostrictive, sunt caracterizaţi prin mişcările lor precise în domeniul nanometric şi

viteze de reacţie foarte mari, de câteva microsecunde. Principiul de lucru al materialelor

ceramice piezoelectrice face posibilă transformarea semnalelor electrice din domeniul

cuprins între 10 mV până la 1000 V, în mişcare. Pentru MSEM această tehnologie este

de interes deoarece permite realizarea actuatorilor foarte mici care generează mişcare şi

exercită forţe foarte mari.

Atunci când se exercită o presiune asupra unui material piezoelectric, între feţele

cristalului este generată o tensiune. Acesta este efectul piezoelectric direct. Efectul

piezoelectric invers constă în aplicarea unei tensiuni electrice care provoacă o

deformare a materialului pe o anumită direcţie. Din cauza reciprocităţii efectului

piezoelectric, materialele piezoelectrice pot fi folosite pentru a construi actuatori

inteligenţi. Deoarece cauza (tensiunea aplicată) şi efectul (modificarea în lungime) sunt

strict proporţionale, nu sunt necesari senzori suplimentari. Piezoactuatorii sunt cunoscuţi

pentru viteza lor mare de reacţie şi reproductibilitatea distanţei parcurse. Ei sunt foarte

eficienţi: aproximativ 50% din energia electrică aplicată poate fi direct transformată în

energie mecanică. Din această cauză, piezoactuatorii pot exercita forţe foarte mari, ceea

ce este de mare importanţă pentru MSEM. Alte avantaje ale piezomaterialelor sunt:

durabilitatea lor mecanică, ele nu reacţionează cu alte componente electrice care se află

în apropiere şi nu sunt sensibile la praf.

O problemă de bază în privinţa materialelor piezoelectrice cât şi la alţi actuatori

monolitici, este că mişcarea obţinută este relativ mică; ea este de ordinul a câţiva nm/V.

Un singur piezoelement se poate dilata cu aproximativ 0,1-0,2% pe o direcţie. Astfel, el

poate fi folosit în aplicaţii unde sunt necesare deplasări foarte mici, dar foarte precise,

având forţe mari şi timpi de reacţie reduşi. Forma şi dimensiunea componentei ceramice

21

poate fi uşor adaptată la scopul propus. Cel mai adesea sunt folosite construcţii de tip

stive multistrat sau consolă.

Când mai multe elemente piezoelectrice sunt aşezate în stivă, deplasările lor se

adună. Piezodiscurile subţiri acoperite cu electrozi metalici plani sunt principalele

elemente motoare ale acestor actuatori. Actuatorii în stivă au o grosime de aproximativ

10-200 m, sunt puşi în funcţiune de o tensiune cu prinsă între 50 şi 300 V şi pot fi

produşi în masă. Cercetarea curentă este preocupată de reducerea tensiunii de

funcţionare într-un domeniu de 5 până la 15 V. Totuşi, timpul de viaţă al acestor

actuatori poate fi limitat de tensiuni mecanice interne provocate de neomogenităţi

provenite de la electrozi (fig. 1).

Fig. 1. Structură piezoceramică

multistrat.

Fig. 2. Structură piezoceramică

bimorfă

Un alt principiu de funcţionare este acel în consolă. Structurile piezoelectrice care

folosesc acest principiu pot fi de formă tubulară sau plată. Cel mai adesea,

piezoactuatorul în consolă plan este un element bimorf constând din 2 plăci ceramice

piezoelectrice (fig. 2).

Straturile ceramice sunt montate pe ambele părţi ale unei plăci de susţinere.

Fiecare placă este acoperită pe ambele feţe de un strat conductor. Principiul de lucru al

acestui actuator se bazează pe dilatarea şi contracţia coordonată a piezostraturilor.

Materialul ceramic se dilată pe o direcţie perpendiculară pe axa sa de polarizare.

Câmpul electric aplicat este paralel sau opus direcţiei de polarizare a piezostraturilor.

Dacă direcţia de polarizare este aceeaşi cu direcţia câmpului, atunci piezoceramica se

dilată – stratul ceramic de sus, în figură, dacă direcţiile sunt opuse, piezoceramica se

contractă – stratul de jos. Acest lucru provoacă încovoierea actuatorului. Energia

mecanică nu este mare comparabil cu ceea ce poate realiza elementul în stivă, dar

22

structura bimorfă poate obţine o deplasare mai mare. Totuşi, forţa maximă şi frecvenţa

de lucru sunt de câteva ori mai mici decât cele ale unui actuator în stivă.

La selectarea optimă a unui actuator pentru a aplicaţie, trebuie luaţi în considerare

o serie de parametri. Tabelul 1 este o prezentare generală a celor mai imporatnte

principii de proiectare ale actuatorilor piezoelectrici şi a unora dintre parametrii tipici ce

descriu comportarea lor funcţională.

Tabel 1

Tipuri de piezoactuatori şi valorile parametrilor caracteristici.

Tabelul arată că piezoactuatorii funcţionează la tensiuni de până la 1 kV. Tehnicile

noi de producţie permit realizarea de straturi ceramice foarte subţiri (20-40 m), care

sunt acoperite cu un material de electrod foarte subţire, ceea ce face posibilă reducerea

tensiunii necesare la 100 V.

Printre materialele potrivite pentru sistemele integrate de microactuatori

piezoelectrici menţionăm, titanatul-zirconatul de plumb (plumb-zirconium-titanium –

PZT), care este cel mai bun, dar este greu de lucrat cu el şi oxidul de zinc (ZnO).

Microactuatorii piezoelectrici pot fi uşor integraţi în microsisteme. Un alt avantaj

este că pot fi utilizaţi folosind algoritmi de control relativ simpli.

Există multe aplicaţii ale microactorilor piezoelectrici. De exemplu, ei pot să

alinieze cu precizie cabluri de fibre optice, să poziţioneze dispozitive de prindere într-o

maşină de frezat de precizie sau să acţioneze motoare ultrasonice micromecanice. Pot

fi, de asemenea folosiţi pentru a fabrica micropompe şi valve pentru dozarea exactă a

substanţelor în biologie şi medicină. Ei pot să servească şi ca generatoare de unde de

23

şoc pentru pulverizarea calculilor renali sau ca microunelte pentru practicarea chirurgiei

minimal invazive.

În industria de automobile, piezoactuatorii pot fi folosiţi la controlul activ al vibraţiei

şi la atenuarea zgomotului. Deoarece piezoelementele au un timp de răspuns mic, sunt

componente ideale pentru valve automate care trebuie cu repeziciune să iniţieze sau să

întrerupă o anumită funcţie a maşinii, cum ar fi supapele de admisie controlate electronic

sau injectoarele. În prezent sunt realizabili timpi de injecţie între 1,2 şi 2 ms, însă pentru

reducerea consumului ar fi necesari timpi de ordinul 0,2 ms. Se desfăşoară experimente

cu piezoelemente integrate în jiclorul de injecţie pentru a regla presiunea şi volumul de

aer.

2. Microvalvă piezoelectrică

O microvalvă poate avea probleme atunci când presiunea externă este mult mai

mare decât presiunea internă care acţionează valva, astfel încât valva nu mai poate fi

deschisă după ce a fost închisă. O soluţie este folosirea unui microactuator puternic

care poate să învingă presiunea externă. Un prototip al unei astfel de valve normal

închise este prezentat în figura 1.

Fig. 1. Microvalvă piezoelectrică

Valva este clădită pe un substrat de sticlă. O membrană a valvei este realizată din

siliciu prin tehnici de corodare şi este montată pe substratul de sticlă prin lipire anodică.

Sistemul de acţionare constă dintr-o membrană de sticlă şi un disc piezoceramic.

Membrana valvei şi membrana de acţionare sunt legate prin elemente de conectare

prismatice.

Microvalva se deschide şi se închide atunci când membranele actuatorului şi

valvei se ridică sau revin la loc simultan cu ajutorul piezoelementului. Prototipul valvei

are 130 m grosime. La aplicarea unei tensiuni de 50 V se obţine un spaţiu de trecere a

fluidului de 4 m.

24

3. Micro-mână piezoelectrică

Un domeniu de aplicaţie foarte important pentru actuatorii pizoelectrici este

manipularea fină a microobiectelor. Piezoactuatorii pot să poziţioneze astfel de obiecte

cu o precizie de 10 nm. O micro-mână de manipulare conţine 2 degete de forma unui

beţişor acţionate peizoelectric, fiecare având câte 6 grade de libertate, este concepută

să manipuleze micro-obiecte ca o mână umană (fig. 1). Cele 2 degete au fost special

proiectate pentru a lucra în lumea micro, unde gravitaţia şi momentele de inerţie joacă

un rol minor. Din această cauză, două degete sunt suficiente pentru a manipula micro-

obiecte.

Fig. 1. Mână piezoelectrică cu beţişoare. Fig. 2. Două prototipuri de degete

beţişor.

Două prototipuri de degete beţişor au fost realizate şi ele sunt prezentate în figura

2. S-a folosit un mecanism de articulaţie paralel alcătuit din 6 piezo-elemente prismatice

de legătură care sunt conectate la placa de bază şi la efectorul (mânuitorul) terminal. La

primul prototip au fost adăugate arcuri pentru a permite degetelor să se mişte continuu

şi pentru a menţine stabilitatea mâinii. Degetele sunt făcute din ace de 50 mm lungime

având o rază la vârf de 30 m. Cel de-al doilea prototip are articulaţii sferice flexibile,

făcute din oţel. Acestea măresc rigiditatea, în felul acesta crescând precizia.

Ambele prototipuri de deget sunt acţionate de 6 elemente piezoelectrice cu

dimensiunea de 2 mm x 3 mm x 8 mm. Diametrul plăcii de bază este de 56 mm, cel al

efectorului terminal de 20 mm şi distanţa dintre plăci este de 6,4 mm. Mişcarea vârfului

degetului a fost 8 m la o tensiune de 150 V. Pentru a compensa efectul de histerezis al

elementelor piezoelectrice, a fost adăugat fiecăruia dintre cele 6 elemente de conectare

25

un regulator PI. Această micro-mână are în vedere manipularea fină a celulelor

biologice, asamblarea microsistemelor şi diferite operaţiuni în microchirurgie.

5.5. Microactuatori magnetostrictivi

1. Principiul funcţionării microactuatorilor magnetostrictivi

În materialele magnetostrictive energia electrică se transformă în energie

mecanică în mod similar materialelor piezoceramice. Magnetostricţiunea înseamnă

modificarea unei dimensiuni a unui material feromagnetic la aplicarea unui câmp

magnetic. Pe direcţia de magnetizare un astfel de material este alungit sau contractat,

schimbarea relativă a lungimii fiind la unele materiale de circa 0,1%. Până în prezent au

fost elaborate materiale speciale, cum sunt aliajele de tip Terfenol-D, cu proprietăţi

magnetostrictive excelente şi modificări relative în lungime de 0,15-0,2, similare cu cele

ale materialelor piezoceramice. Aceste aliaje prezintă o densitate energetică înaltă, de

aproximativ 20 de ori mai mare ca a ceramicelor. În plus, actuatorii magnetostrictivi sunt

comandaţi în curent şi nu în tensiune precum actuatorii piezoelectrici. De aceea ,

tensiunile pot fi menţinute la valori joase, reducând numărul circuitelor de comandă.

Principalul dezavantaj al actuatorilor magnetostrictivi este, ca şi în cazul celor

piezoceramici, deplasarea foarte mică produsă. De asemenea, prezintă pierderi ohmice

căci curentul de magnetizare trebuie aplicat permanent. Spre deosebire de efectul

piezoelectric, efectul magnetostrictiv nu poate fi inversat în mod direct.

În momentul de faţă este greu de produs componente magnetostrictive la scară

microscopică. De aceea, au fost fabricaţi puţini microactuatori magnetostrictivi.

Materialul Terfenol-D prezintă un potenţial ridicat pentru microactuatori deoarece el

asigură forţe mari datorită densităţii energetice ridicate. Actuatorii magnetostrictivi pot fi

folosiţi în aplicaţii unde sunt cerute forţe mari, un răspuns dinamic rapid şi distanţe de

control scurte cu precizie de poziţionare foarte bună, precum şi în aplicaţii în care

actuatorul este expus la o temperatură de mediu ridicată. Ei nu au nevoie nici de

electrozi mobili şi nici de tensiuni electrice înalte. Aceşti actuatori sunt folosiţi ca

elemente de comandă pentru motoare liniare, ca amortizoare active de vibraţii, ca

elemente de poziţionare etc.

Actuatorii din Terfenol-D sunt, în general, făcuţi dintr-o tijă care este introdusă într-

o bobină de magnetizare. În tija de Terfenol-D este generat astfel un câmp magnetic

puternic, iar pentru utilizarea eficientă a dispozitivului se aplică o pretensionare pe

26

direcţia axei tijei, cu un resort, de pildă. Deoarece rezistenţa la întindere a Terfenol-ului-

D este foarte mică, tija trebuie să fie sub compresie. Principiile tipice de proiectare ale

actuatorilor magnetostrictivi cu tijă sunt prezentate în figura 1.

Fig. 1. Model de actuatori cu tijă din Terfenol-D. Fig. 2. Consolă magnetostrictivă

27

Există 2 posibilităţi: 1) tija poate fi magnetizată cu o bobină (stânga) şi 2) poate fi

adăugat un magnet permanent (dreapta), care premagnetizează tija. A doua variantă este

mai avantajoasă, deoarece premagnetizarea tijei determină o relaţia aproape liniară între

curentul de comandă şi variaţia de lungime rezultată.

Actuatorii magnetostrictivi multistrat devin tot mai interesenţi, căci sunt foarte potriviţi

ca elemente de conversie pentru microsenzori şi actuatori. Faţă de tijele de Terfenol-D,

dispozitivele ce pot fi construite sunt mult mai uşoare şi oferă deplasări mai mari la costuri

mai mici.

Actuatorii magnetostrictivi bimorfi încep să aibă un rol important, deoarece o variaţie

a lungimii uneia dintre componentele structurii bimorfe, poate fi transformată în mişcări

mari ale unei membrane sau console (fig. 2). De exemplu, o consolă de siliciu poate fi

folosită ca substrat elastic într-o structură bimorfă. Într-o structură tip consolă, în

comparaţie cu straturile piezoelectrice, materialele magnetostrictive prezintă o variaţie

relativ mare a lungimii şi nu necesită contacte electrice directe.

Filmele subţiri magnetostrictive prezintă un mare interes pentru microactuatori. În

comparaţie cu tijele convenţionale din Terfenol-D, filmele pot fi mai uşor integrate în

dispozitive electromecanice, iar costurile sunt mai mici. În continuare se dau 2 exemple de

aplicaţie ale acestor filme.

2. Microcomutator magnetostrictiv pentru fluide

Un film din aliajul Terfenol-D este folosit pentru a realiza un schimbător de cale sau

un comutator bistabil pentru fluide, din siliciu. Acesta constă dintr-o bobină exterioară, un

braţ consolă bimorfic, un orificiu de intrare şi două de ieşire (figură).

Dacă este aplicat un câmp magnetic extern, braţul consolă este curbat în jos şi jetul

de lichid este comutat de la orificiul de ieşire din partea de sus la cel din partea de jos.

Pentru fabricarea acestui comutator s-a folosit tehnica de prelucrare în volum. Braţul

consolă are o lungime de 2 mm, 1 mm lăţime, are un strat de siliciu de 20 m şi un strat de

Terfenol-D de 5m. Deplasarea este de 13 m cu o frecvenţă de 1 kHz şi la o intensitate

de câmp magnetic de 20 mT. Avantajul acestui model este că presiunea lichidului

deasupra şi dedesubtul braţului consolă este aceeaşi. Aceasta permite controlul unor

volume mari de lichid, de până la 500 ml/s.

2. Microvalvă magnetostrictivă tip membrană

Microvalvă magnetostrictivă

Figura prezintă schema unei microvalve de amestecare de tip membrană, ale cărei

părţi pasive pot fi fabricate prin metoda LIGA. Valva constă dintr-o bobină exterioară, un

actuator bimorfic magnetostrictiv cu membrană, 2 orificii de intrare şi un scaun de valvă.

Prin alimentarea bobinelor magnetice, datorită filmelor magnetostrictive membrana

actuator se deformează în jos şi închide valva.

5.6. Microactuatori pe bază de aliaje cu memoria formei

Atunci când un aliaj cu memoria formei (shape memory alloy – SMA) este deformat sub o

temperatură critică şi apoi încălzit peste aceasta, el îşi va aminti forma originară şi va reveni la

aceasta. Acest efect poate fi folosit pentru generarea de forţe şi mişcări. Caracteristic pentru

actuatorii care folosesc SMA sunt complexitatea lor scăzută, greutatea şi dimensiunile mici şi

deplasările mari; de exemplu, componentele SMA sunt folosite de ani buni drept conectori activi

pentru conducte. Aceste aliaje au o bună perspectivă şi pentru MSEM.

Pornind de la o stare austenitică stabilă şi rigidă, SMA se transformă în stare martensitică

pe măsură ce temperatura scade sub o temperatură critică; din acest motiv forma SMA poate fi

deformată cu până la 8%, aşa cum este cazul aliajelor Ni-Ti. În starea de temperatură joasă, SMA

păstrează forma deformată dorită până când este expus unei temperaturi mai ridicate. Când este

încălzit peste temperatura de prag, martensita deformată este transformată înapoi în austenită şi

SMA revine la forma sa originară, efectul de memorie termică a formei. Cu această proprietate pot

fi obţinute deplasări mari în comparaţie cu alte principii de acţionare.

Efectul de memoria formei a fost observat la mai multe aliaje şi chiar la unele materiale

ceramice. Aliajele de nichel-titan prezintă un interes deosebit pentru actuatori, deoarece au o

memorie a formei şi proprietăţi mecanice excelente. Problema principală o constituie temperatura

critică de transformare destul de scăzută, cuprinsă între -100C şi +100C. Din această cauză, un

material mai potrivit pentru microactuatori sunt aliajele de tip Ni-Ti-Pd (Praseodim?), care au o

temperatură de transformare mai ridicată, de aproximativ 200C.

Cel mai mare dezavantaj al actuatorilor termici SMA este timpul lor de răspuns relativ lung,

cea ce limitează în multe cazuri aplicaţiilor practice. Încălzirea poate fi destul de uşor controlată

prin ajustarea curentului aplicat, însă ciclul de răcire este foarte dificil de controlat. Pentru

aplicaţiile în care timpul nu este un factor hotărâtor sau critic, temperatura de comutare poate fi cu

uşurinţă atinsă schimbând temperatura mediului ambiant în care se află dispozitivul. În acest caz,

actuatorul funcţionează ca un termostat folosind proprietatea senzorială a SMA, ceea ce este

caracteristic pentru aşa-numitele materiale inteligente.

Cu ajutorul unui actuator SMA mic pot fi generate forţe mari din pricina unui raport putere-

greutate ridicat. Datorită construcţiei sale simple şi a sistemului său de acţionare, acesta poate fi

cu uşurinţă aplicat într-un sistem de control. De aceea este posibilă integrarea unui actuator SMA

într-un microsistem complet. Materialele SMA prezintă un interes particular ca actuatori termici cu

funcţie senzorială integrată şi ca actuatori capabili să realizeze mişcări complexe într-un spaţiu

mic. Un SMA poate funcţiona cu o tensiune de acelaşi nivel cu cea a circuitului său integrat de

control. Cum masa microactuatorului SMA este de obicei mică, pot fi atinşi timpi de răspuns relativ

mici, ceea ce face posibilă construirea în anumite limite a actuatorilor cu dinamică acceptabilă.

Aplicaţii interesante ale materialelor SMA sunt microrobotica şi aplicaţii medicale speciale.

Un actuator SMA poate fi folosit ca o legătură a unui braţ robotic miniaturizat sau ca efector

(mânuitor, mână artificială) final al unui instrument biomedical, cum ar fi un cateter sau un

endoscop. O altă aplicaţie ar putea fi o legătură miniaturizată pentru proteza unei mâini. Trebuie

însă găsite soluţiile cele mai potrivite care să permită un bun control al actuatorului şi răcirea lui.

Un alt domeniu de interes o reprezintă aplicaţiile subacvatice, deoarece ar creşte efectul de răcire

datorită mediului natural. În prezent comportarea dinamică este mult inferioară faţă de cea a

microactuatorilor electrostatici sau electromagnetici. Un alt dezavantaj al unui microactuator SMA

este capacitatea slabă de microstructurare a componentelor sale, dar cercetările sunt promiţătoare

şi se aşteaptă un punct de cotitură.

Pentru aplicaţiile tehnice ale microactuatorilor SMA există mai multe principii de proiectare.

Cele mai obişnuite sunt destinderea şi compresia arcurilor elicoidale şi a arcurilor consolă.

Dependent de aplicaţie, efectul SMA poate fi folosit în diferite moduri. Într-o multitudine de aplicaţii,

actuatorul SMA este mecanic îngrădit să revină la poziţia iniţială atunci când este încălzit. Forţele

mari produse pot fi folosite să facă un anumit lucru. O posibilă aplicaţie este descrisă în figura 1.

Fig. 1 Principiul de lucru al unui arc construit din SMA (TMf-

-temperatura de formare a martensitei; TAf- temperaturaaustenitică de terminare, TMf < TAf).

Un resort din SMA poate fi deformat în faza martensitică, de exemplu cu o greutate. Atunci

când este încălzit şi transformat în structură austenitică, acesta ridică greutatea până la o anumită

înălţime. Răcind resortul din SMA sub punctul de comutare, greutatea deformează din nou resortul

în stare martensitică moale, în aşa fel reaşezând mecanismul. În locul resortului poate fi folosit

pentru aplicaţii similare un fir drept din SMA.

Pentru ca actuatorii SMA să poată fi folosiţi pe scară largă trebuie cercetate unele probleme

fundamentale pentru a se obţine stabilitate ridicată, temperatură înaltă de lucru, îmbunătăţirea

comportării dinamice şi a controlului specific pentru SMA.

Printre realizările de prototipuri experimentate de actuatori pe bază de SMA se pot

menţiona microendescoape şi microcatetere destinate chirurgiei minimal invazive şi microcleşti din

Ni-Ti pentru microbraţe flexibile de microroboţi.

5.7. Microactuatori termomecanici

1. Generalităţi

Microactuatorii termomecanici se bazează pe principiul schimbării formei sau volumului unui

material la încălzirea sau răcirea acestuia. Cei mai cunoscuţi sunt actuatorii bimetalici. Ei sunt

fabricaţi din straturi de materiale diferite care au coeficienţi de dilatare termică diferiţi. Un alt tip de

actuator termomecanic foloseşte dilatatrea termică a gazelor sau transformarea lichid-gaz pentru

producerea unei mişcări. Pentru actuatori extrem de mici, dilatarea şi contracţia termică pot fi

induse de energia optică; adesea aceste sisteme necesită o cantitate foarte mică de energie.

Microactuatorii fabricaţi din straturi bimateriale funcţionează în cea mai mare parte pe

principiul consolei şi sunt folosiţi ca microîntrerupătoare sau microvalve ale sistemelor de reglare a

temperaturii. Ei sunt activaţi de temperatura mediului ambiant sau de o sursă artificială de căldură.

Pot fi folosiţi, de asemenea, pentru realizarea cleştilor microrobot sau pentru instrumente

medicale. Pentru a fabrica un actuator cu bimaterial, trebuie să fie combinate materiale cu

coeficienţi termici diferiţi pentru a forma o structură sandwich bimorfică. Actuatorii sunt activaţi

printr-o schimbare forţată a temperaturii actuatorului, prin încălzire electrică sau prin iradiere

optică. Prima metodă este mai des folosită, dar structura actuatorului este complexă. Tensiunile de

acţionare sunt reduse, ceea ce face uşoară integrarea actuatorului într-un alt sistem. Cu toate

acestea, actuatorii miniaturizaţi pe bază de bimateriale prezintă un mare dezavantaj. O reducere a

masei materialului reduce, de asemenea, cantitatea de energie electrică sau optică necesară

funcţionării şi prin aceasta se obţin timpi de răspuns mici. Totuşi, cu aceasta se reduce forţa

exercitată de dispozitiv.

2. Microactuator termomecanic bistabil de tip consolă

Actuatorul a fost fabricat prin metode de microprelucrare de suprafaţă dintr-un substrat de

siliciu (100). Această microstructură constă dintr-o tijă în consolă în formă de U făcută din film

subţire cu 3 straturi (siliciu policristalin – dioxid de siliciu – siliciu policristalin), o bandă de

tensionare (nitrură de siliciu) şi o structură de ancorare făcută din 3 straturi. Banda de tensionare

este montată în mijlocul structurii de ancorare. Lungimea totală a actuatorului este de 187 m;

lungimea consolei este de 82 m, grosimea sa de 30 m, iar spaţiul dintre cele 2 braţe ale tijei în

U fixată în consolă este de 30 m.

Tija în consolă poate fi îndoită în sus sau în jos de către forţele create de banda de

tensionare, provocând o mişcare de vibraţie. Aceasta poate fi controlată prin alternarea ciclurilor

de încălzire-răcire aplicate tijei şi structurii de ancorare. Căldura este obţinută prin aplicarea de

impulsuri scurte de 7 mA, la tensiunea de 24 V, tijei în consolă şi 3 mA, tensiune 7,5 V, structurii

de ancorare.

Principiul de funcţionare al unui microactuator bistabil

Există 3 curenţi care pot fi stabiliţi sau opriţi

selectiv pentru a pune în funcţiune

microactuatorul. Un curent, I1 poate fi aplicat

ancorei, iar curenţii I2 şi I3 straturilor superior

şi, respectiv, inferior de polisiliciu. În starea

iniţială nu este aplicată nici o energie şi tija în

consolă este împinsă în sus de banda de

tensionare. În pasul al doilea, straturile de

polisiliciu din structura de ancorare sunt

încălzite de curentul I1. Rezultă o dilatare

termică a ancorei, determinând o descreştere

a forţei exercitate asupra benzii de

tensionare şi cu aceasta a deformării tijei în

consolă.

Mai departe, tija în consolă este deformată prin aplicarea simultană şi a curentului I2

care trece prin stratul superior de polisiliciu – pasul al treilea. Acum capătul articulaţiei este

îndoit în jos sub planul de bază al actuatorului. În pasul al 4-lea ambii curenţi sunt întrerupţi;

straturile de material se răcesc şi tija în consolă este adusă în a 2-a stare stabilă de către

banda de tensionare. Actuatorul revine la starea iniţială prin paşii consecutivi al cincilea, al

şaselea şi întâi. În pasul 6 curentul I3 trece prin stratul de polisiliciu inferior al tijei în consolă.

3. Sistem microactuator termomecanic ciliar pentru locomoţie

Un sistem de locomoţie ciliar constă dintr-o multitudine de microactuatori plaţi cu

bimaterial, formând o matrice actuator care se mişcă lin, conform cu un principiu al mişcării

coordonate. Această matrice actuator imită mişcarea cililor pentru a genera locomoţie.

Principiul a fost adoptat din biologie; el poate fi întâlnit şi la traiectul respirator uman. Cînd

mulţi dintre aceşti cili vibrează sincronizat, ei pot mişca obiecte sau lichide. Deoarece un

singur actuator poate face o mişcare simplă, trebuie combinaţi mai mulţi actuatori, ca în

figura 1, pentru cazul transportării unei plăci.

Pasul individual al unui cil este foarte mic, dar când mulţi cili sunt aranjaţi secvenţial,

pot fi acoperite distanţe mari. Prin distribuirea unor sarcini grele pe mai mulţi actuatori slabi,

se poate obţine un mecanism flexibil care poate fi uşor extins şi care este insensibil la

defectele elementelor individuale.

Fig. 1. Principiul microactuatorului bimaterial

ciliar pentru locomoţie.Fig. 2. Fotografia unui sistem microactuatorcu cili folosit pentru deplasare.

Un interes deosebit îl reprezintă frecarea scăzută a acestui sistem actuator. Frecarea

este una dintre problemele de bază ale lumii micro; aceasta adesea face imposibilă proiectarea

unei transmisii sau a unor îmbinări.

Pentru acţionarea microactuatorului cu cili, un element de microîncălzire este înglobat

între 2 straturi de poliamidă, care au coeficienţi de dilatare diferiţi. Când elementului de încălzire

i se aplică o tensiune, temperatura lui creşte şi microactuatorul se curbează. Prin încălzirea

alternativă a cililor învecinaţi, un obiect care se află aşezat pe sistemul actuator poate fi

deplasat. Fiecare microactuator cil are o lungime de 500 m, o lăţime de 100 m şi o grosime

de 6 m. Pe suprafaţa de 1 a unui substrat au fost aranjate 512 astfel de elemente (fig. 2).

Prototipul unui astfel de microactuator a fost capabil să transporte plăci mici de siliciu cu

greutatea de 2,4 mg, cu o viteză de 27 m/s şi la o frecvenţă de operare de 1 Hz. Sursa de

curent a fost de 22,5 mA, puterea consumată de 3 mW, iar temperatura de 200C. Sarcini de

transport şi de poziţionare mult mai complexe pot fi imaginate cu o schemă de comandă

corespunzătoare.

6. MICROSENZORI

6.1. Generalităţi despre microsenzori

Un senzor este un element vital pentru un sistem tehnic, formând interfaţa dintre mediu şi

elementul de control. Senzorii pot simţi, vedea, mirosi şi gusta prin măsurarea parametrilor

mecanici, termici, magnetici, biochimici şi radianţi. Ei sunt clasificaţi, de obicei, după semnalele

pe care le măsoară (tabelul 1).

Tabelul 1

Clasificarea senzorilor

Natura semnalului Mărimi măsurate

Mecanic Deplasare, viteză, acceleraţie, forţă, presiune, debit, amplitudine şi

lungime de undă acustică etc.

Magnetic Câmp magnetic, flux, moment magnetic, magnetizare, permeabilitate

magnetică etc.

Termic Temperatură, căldură, flux termic, entropie, capacitate calorică etc.

Radiant Raze gama, raze X, ultraviolete, lumină vizibilă şi infraroşie, microunde,

unde radio etc.

Chimic Umiditate, nivelul pH-ului şi ioni, concentraţie gaz, materiale toxice şi

inflamabile, concentraţie de vapori şi mirosuri, poluanţi etc.

Biologic Zaharuri, proteine, hormoni, antigene etc.

Tendinţa actuală este de a fabrica senzori din ce în ce mai mici. Evoluţia este de la un

singur senzor la un sistem inteligent de senzori cu dimensiuni extrem de mici, realizat prin

MSEM. Aşa-numitele sisteme inteligente sau integrate pot fi dezvoltate prin integrarea

componentelor senzor cu cele de procesare a semnalului. Această integrare micşorează şi

zgomotul care este adesea creat la transmiterea semnalelor către o unitate exterioară de

procesare. Tendinţa este de a integra întregul sistem senzorial pe un singur cip. Este posibil

astfel să se măsoare toţi parametrii de interes într-un singur loc şi la un anumit moment. Un pas

important pentru dezvoltarea microsenzorilor este conceperea şi proiectarea

microprocesoarelor adecvate acestora. Sistemul uman de procesare a semnalului este foarte

avansat; semnalele senzoriale sunt primite de sistemul nervos şi transferate creierului, care le

evaluează cu siguranţă prin intermediul unui sistem de calcul paralel natural. Oamenii de ştiinţă

încearcă să copieze sistemul folosind abordări ingenioase de prelucrare a informaţiei bazate pe

reţelele neuronale sau logica fuzzy (vagă); ambele tehnici fiind foarte promiţătoare pentru

aceste aplicaţii.

Azi se produc anual în lume câteva sute de milioane de microsenzori cu o creştere

anuală de circa 20%. Microsenzorii ce au succes de piaţă trebuie să prezinte o încredere

ridicată, volum şi masă mici şi costuri de producţie în masă scăzute. Aplicaţiile prezente şi

viitoare ale acestora sunt legate în special de industria de automobile, protecţia mediului,

procesul de producţie şi sectorul militar. Cerinţele cerute microsenzorilor sunt: precizie înaltă,

siguranţă mare şi capacitatea de a furniza rezultate de încredere în timp real.

6.2. Microsenzori de forţă şi presiune

6.2.1. Principii de funcţionare a microsenzorilor de forţă şi presiune

Datorită construcţiei simple şi largii lor aplicabilităţi, S mecanici joacă un rol important în

MSEM. S de presiune au fost cei dintâi dezvoltaţi şi folosiţi în industrie. Aceştia trebuie să fie

ieftini, să aibă o rezoluţie bună, precizie, liniaritate şi stabilitate. În prezent, cei mai folosiţi sunt

S de presiune bazaţi pe siliciu; ei pot fi uşor integraţi cu electronica pentru procesarea

semnalului într-un singur cip.

Cel mai des, presiunea este măsurată prin intermediul unei membrane subţiri care se

curbează la aplicarea presiunii. Fie că se măsoară curbarea membranei fie modificarea

frecvenţei sale de rezonanţă, ambele mărimi sunt direct proporţionale cu presiunea aplicată.

Aceste schimbări mecanice sunt transformate în semnale electrice folosind principii de

conversie piezorezistive sau capacitive. Membranele pot fi fabricate prin microprelucrare în

volum a unui substrat de siliciu, folosind una din tehnicile de corodare selectivă.

Figura 1 prezintă modelul unui S de presiune piezorezistiv. Piezorezistorii sunt integraţi

în membrană; ei îşi modifică rezistenţa proporţional cu presiunea aplicată. Modificarea

rezistenţelor (2 sau 4 piezorezistenţe) este măsurată într-un circuit cu punte Wheatstone.

Fig. 1. Principiul unui S de presiune piezorezistiv

S capacitivi folosesc modificarea capacităţii unui sistem format din 2 plăci metalice. La

aplicarea presiunii membrana se curbează, ceea ce modifică distanţa dintre cei 2 electrozi. Prin

aceasta capacitatea se măreşte sau se micşorează. Variaţia de capacitate este măsura

presiunii aplicate. Un S capacitiv de presiune integrat, bazat pe siliciu, conţine componente

CMOS integrate (circuite integrate MOS cu simetrie complementară) incluzând senzorul,

circuitele de conversie semnal, amplificatorul şi compensatorul de temperatură (fig. 2).

Pentru a produce acest dispozitiv, un substrat pătrat de siliciu a fost corodat anizotrop cu

o soluţie de KOH. Cip-ul rezultat, conţinând membrana, a fost intercalat între 2 cip-uri de pyrex

prin lipire anodică. Condensatorii senzorului au fost fixaţi de membrană şi cip-ul de pyrex

superior, iar condensatorii de referinţă au fost localizaţi în afara ariei sensibile la presiune. Cip-

ul senzor are dimensiunile de 8,4 mm x 6,2 mm.

Fig. 2. Senzor de presiune capacitiv

În comparaţie cu senzorii de presiune piezorezistivi, senzorii capacitivi nu prezintă

histerezis, au o stabilitate mai bună în timp şi o sensibilitate mai bună. Ultima caracteristică

depinde în mod special de distanţa care poate fi realizată între electrozi. Totuşi, costurile de

producţie ale senzorilor de presiune capacitivi sunt mai ridicate.

În cazul ambelor principii de detectare a presiunii, semnalul senzorial este generat ca

urmare a deformării şi curbării membranei. Este, de asemenea, posibilă obţinerea unui semnal

din modificarea frecvenţei de rezonanţă a membranei, provocată de forţă sau presiune. Prin

aplicarea ciclică de energie termică dispozitivului, membrana începe să vibreze la rezonanţă.

Principalul avantaj al acestui principiu de măsură este că transmisia valorii măsurate sub forma

unei frecvenţe este practic lipsită de zgomot, iar semnalele pot fi procesate digital.

6.2.2. Microsenzor de forţă capacitiv

Un senzor de forţă capacitiv este prezentat în figură.

Fig. Senzor de forţă capacitiv fabricat din siliciu

Electrozii sunt alcătuiţi dintr-o structură planară în formă de pieptene. Forţa aplicată este

paralelă cu suprafaţa senzorului, spre deosebire de senzorii de presiune cu membrane, la care

forţa de presiune este aplicată perpendicular pe suprafaţă. Aici, neliniaritate şi sensibilitatea

transversală ar putea crea probleme. În dispozitivul descris, elementul senzor constă în

principal din două părţi: prima, o structură elastică mobilă care transformă forţa într-o deplasare

şi a doua, o unitate de transformare constând din electrozi care convertesc deplasarea într-o

variaţie măsurabilă a capacităţii. Revenirea la poziţia iniţială este realizată de o traversă elastică

de suspensie. Condensatoarele constau din 2 electrozi subţiri, izolaţi electric, având între ei un

spaţiu foarte îngust, aproximativ 10 m. Configuraţia este astfel concepută încât se produce

creşterea capacităţii unui grup de condensatori şi scăderea capacităţii celuilalt grup. Prin

măsurarea diferenţială de capacitate a celor 2 grupuri se obţine o liniaritate şi o sensibilitate

ridicate. Unitate senzor este fabricată prin corodare anizotropică din siliciu (110) şi apoi este

fixată pe un substrat de pyrex prin lipire anodică.

Prototipul microsenzorului capacitiv a avut o capacitate de 1 pF. În acest domeniu,

măsurătorile pot fi cu uşurinţă realizate folosind dispozitive de măsură microelectronice

disponibile comercial. Au fost măsurate forţe foarte mici în domeniul 0,01-10 N. Aceeaşi

structură poate fi folosită ca unitate de poziţionare pentru microroboţi.

6.2.3. Microsenzor tactil capacitiv

Microsenzorii tactili joacă un rol important în microrobotică, deoarece ei sunt folosiţi

pentru a recunoaşte obiecte, pentru a le detecta poziţia şi orientarea şi pentru ale măsura.

Senzorii pot fi produşi în masă cu tehnologiile siliciului în combinaţie cu materiale clasice, cum

ar fi foiţele de plastic sau cauciuc. Există un efort continuu pentru a dezvolta un simţ tactil

artificial asemănător celui uman, care necesită senzori cu integrare înaltă, cu o bună flexibilitate

şi stabilitate. Un astfel de senzor foloseşte ca „piele” poliamida care este foarte flexibilă şi are

proprietăţi electrice, mecanice şi chimice excelente. Structura unui astfel de senzor este

prezentată în figură.

Fig. Microsenzor tactil capacitiv

Senzorul constă dintr-o bază de poliamidă pe care este depus un electrod interior de 4

. Peste acesta se află un electrod exterior separat de cel interior printr-un spaţiu de aer de

25 m. Foiţa de poliamidă supusă la presiune este localizată deasupra. Aceasta este ataşată

printr-un strat de poliamidă la electrodul exterior. Când este aplicată o forţă, capacitatea

condensatorului format din cei 2 electrozi se modifică permiţând localizarea forţei. Este posibilă

integrarea întregului circuit de procesare a semnalului pe un substrat.

6.3. Microsenzori de poziţie şi viteză

Microsenzorii de poziţie şi viteză sunt esenţiali pentru multe aplicaţii, în special în

domeniul automobilelor, roboţilor şi instrumentelor medicale. Controlul poziţiei şi vitezei este, de

asemenea, de mare importanţă în microrobotică cu scopul, de exemplu, de a determina poziţia

exactă a unui efector final în orice moment. Principalele principii folosite pentru aceste

măsurători sunt: metodele fără contact, optice şi cele magnetice.

În robotică este necesar controlul exact al mişcării braţelor şi picioarelor robotului sau a

altor componente cu articulaţii. Un microsenzor magnetic pentru măsurarea deplasării

unghiulare care poate măsura foarte exact deplasarea unghiulară, folosind efectul Hall, este

arătat în figura 1. Senzorul constă dintr-un rotor care are un rând de dinţi pe partea de jos.

Rotorul se află faţă în faţă cu un stator care conţine mai mulţi senzori Hall şi circuite electronice.

Un magnet permanent este localizat dedesubtul senzorilor Hall, producând un câmp magnetic.

Atunci când rotorul se mişcă, dinţii care trec pe deasupra senzorilor Hall produc o modificare a

câmpului magnetic. Această variaţie a câmpului magnetic este detectată de senzorii Hall care

produc semnale de tensiune.

Fig. 1. Microsenzor pentru măsurarea unghiurilor.

Procedeul de măsurare este sugerat sub forma unei diagrame de semnale în figura 2.

Câmpul senzorului acoperă exact o tăietură şi un dinte al rotorului. Un multiplexor baleiază

constant cele n elemente Hall, ceea ce creează o funcţie treaptă reprezentând distribuţia

câmpului magnetic. Acest semnal este apoi trecut printr-un filtru şi netezit pentru a forma o

curbă sinus. Rotorul senzorului este conectat la articulaţia la care se determină deplasarea

unghiulară. O deplasare unghiulară determină u defazaj al curbei, care este determinat de un

comparator. Acest procedeu este relativ independent de distanţa de la rotor la matricea de

senzori, ceea ce face sistemul insensibil la vibraţii. Sistemul este, de asemenea şi foarte stabil.

Fig. 2. Diagrama semnalelor pentru procedeul de măsurare.

Prototipul matricei de senzori a fost produs pe un substrat de Ga-As având un strat de

dioxid de siliciu cu o grosime de 1 m. Prototipul are o lungime de circa 4 mm şi poate măsura

unghiuri de rotaţie cu o precizie de 0,028 la temperaturi cuprinse între -10C şi +80C.

6.3.1. Microsenzor capacitiv pentru viteză unghiulară (Nu 2004)

În multe sisteme tehnice, cum ar fi cele pentru navigaţie sau pentru controlul trenului de

aterizare, sunt senzori compacţi şi ieftini pentru determinarea vitezei unghiulare. Senzorii

convenţionali, care folosesc rezonatori piezoelectrici sau fibre optice din sticlă, sunt foarte

sensibili, dar scumpi de obicei. În figură se prezintă un microsenzor din siliciu, la producerea

căruia s-a folosit metoda de fabricaţie în loturi, care foloseşte un principiu de funcţionare

rezonant.

Fig. Principiul de funcţionare al unui microsenzor pentru viteza de rotaţie.

Un aranjament în formă de furcă cu o grosime de 200 m făcut din siliciu (110) este

folosit ca rezonator. Acesta este poziţionat de 2 bare de torsiune care servesc şi ca terminale

electrice. Când rezonatorul este introdus într-un câmp magnetic şi este aplicat un curent

alternativ, rezonatorul începe să oscileze datorită forţelor Lorenz. Dacă senzorul se roteşte cu

grade în jurul axei sale longitudinale, forţele Coriolis induc o mişcare de rotaţie în sens opus;

această mişcare este proporţională cu viteza unghiulară =d/dt. Deviaţia faţă de planul furcii a

celor 2 dinţi ai furcii este detectată prin schimbarea capacităţii dintre cei 2 dinţi ai furcii (electrozi

mobili) şi electrozii de detecţie ficşi, care nu sunt prezentaţi în figură. Cei din urmă sunt integraţi

într-un înveliş de sticlă constând din 2 straturi de sticlă pyrex, fiecare cu o grosime de 250 m.

A fost construit un prototip al senzorului cu o arie a bazei de 2 cm x 2 cm; el a avut o

sensibilitate de 0,5 mV/(grad/sec) la o frecvenţă de excitare de 470 Hz.

6.4. Microsenzori de acceleraţie

6.4.1. Principii de funcţionare a microsenzorilor de acceleraţie

Principiul capacitiv

Senzorii miniaturizaţi de acceleraţie îşi găsesc locul mai ales în industria automobilului.

Ei prezintă, de asemenea, interes pentru industria aeronautică şi spaţială şi pentru multe alte

aplicaţii.

Ca şi în cazul presiunii, acceleraţia este de obicei detectată şi transformată în semnal

util, prin metode piezorezistive sau capacitive. Cel mai adesea este folosită o consolă elastică la

care este ataşată o masă seismică. Când senzorul este accelerat, masa fixată în consolă se

deplasează, deplasarea fiind detectată de un senzor. Un astfel de senzor de acceleraţii cu

consolă şi detecţie capacitivă a deviaţilor masei seismice este prezentat în figura 1. Din

semnalul corespunzător deplasării masei se obţine acceleraţia, de exemplu, prin derivare de 2

ori.

Fig. 1. Microsenzor capacitiv de acceleraţii.

Principiul piezorezistiv

Pentru a măsura efectiv acceleraţia cu acest principiu, piezorezistorii sunt plasaţi în

puncte ale consolei unde se produce deformarea sau tensionarea maximă. Stabilitatea şi

precizia senzorului se îmbunătăţesc cu creşterea numărului de piezoelemente. Dacă o masă se

mişcă accelerat, aceasta determină deformarea piezorezistorilor, modificându-se astfel

rezistenţa lor. Acceleraţia este determinată din variaţia rezistenţei (fig. 2).

Fig. 2. Microsenzor piezorezistiv de acceleraţii.

Prin creşterea masei mobile se va îmbunătăţi sensibilitatea senzorului. Centrul de

greutate a masei trebuie să fie cât mai aproape de capătul consolei. Microsenzorii piezorezistivi

pentru acceleraţie sunt de obicei fabricaţi prin tehnologia siliciului. Aceasta permite ca unitatea

microelectronică de procesare să fie integrată pe cip-ul senzor, făcând sistemul compact şi

robust.

6.4.2. Accelerometru capacitiv complet integrat

Acest senzor capacitiv pentru acceleraţie a intrat în producţia de masă la începutul anilor

90. Cip-ul senzor cu un diametru de aproximativ 9 mm a fost făcut din polisiliciu prin

microprelucrare de suprafaţă. Circuitele microelectronice pentru preamplificarea semnalului,

compensarea temperaturii şi scopuri de autotestare a sistemului au fost integrate în senzor (fig.

1). Un condensator diferenţial serveşte ca element sensibil al dispozitivului. Acesta constă din

plăci fixe independente şi o microstructură mobilă în formă de pieptene; cea din urmă îşi

modifică poziţia ca răspuns la o schimbare a mişcării relative (fig. 1b).

Fig. 1 Microsenzor pentru acceleraţie ADXL50: a) cip-ul senzor integrat; b) suprafaţa condensatorului diferenţial microprelucrat făcut din polisiliciu.

Acest senzor a fost unul din primele exemple de transfer cu succes al unui dispozitiv

MSEM din cercetare în industrie, după cum a fost şi primul accelerometru complet integrat,

produs în masă. Cu acest dispozitiv pot fi măsurate acceleraţii de până la 50 g cu o precizie

de 19 mV/g. Dispozitivul este curent folosit pentru sistemele airbag ale mai multor modele de

automobile. Domeniul de măsurare al celui mai nou senzor este 5 g, el poate detecta

schimbări foarte mici ale acceleraţiei cu o precizie de 0,005 g.

6.4.3. Microsenzor de acceleratie capacitiv cu consolă

Senzorul este produs prin tehnica microprelucrării de suprafaţă şi constă din una sau mai

multe console care acţionează ca un electrod; ele sunt suspendate liber deasupra unui electrod

opus şi a unei benzi de contact. Între electrod şi consolă există un spaţiu foarte mic pentru a

maximiza forţele electrostatice şi pentru a menţine tensiunile mecanice cât mai mici (fig. 1).

Fig. 1. Desenul accelerometrului capacitiv.

Fig. 2. Microstructura senzorului capacitiv.

Spre deosebire de ce se întâmplă în senzorii capacitivi convenţionali, o aşa-numită

tensiune de prag este aplicată pentru a compensa forţele provocate de acceleraţie, iar aceasta

va da o indicaţie asupra acceleraţiei curente. O tensiune dinte de ferăstrău este aplicată în paşi

definiţi între consolă şi electrod, ceea ce creşte gradat forţa electrostatică ce acţionează pe

consolă. Când este atinsă tensiunea critică, sistemul devine instabil şi consola se curbează

spre contacte pe care în final le atinge. Tensiunea scade la zero şi procesul este reluat din nou

prin aplicarea tensiunii dinte de ferăstrău. Valoarea efectivă a tensiunii de prag care trebuie

aplicată depinde de mărimea acceleraţiei. Acceleraţia este indirect determinată prin măsurarea

timpului din momentul aplicării tensiunii dinte de ferăstrău şi momentul contactului.

Consola, electrodul opus şi banda de contact sunt făcute din polisiliciu prin procesul de

corodare uscată. Înălţimea microstructurii (fig. 2) este de 2,2 m (strat de polisiliciu), iar spaţiul

dintre consolă şi banda de contact este de 1,5 m. Pentru o lungime a consolei de 120 – 150

m, sensibilitatea este cuprinsă în domeniul 0,6-100 mV/g.

6.4.4. Microsenzor de acceleraţie piezorezistiv

Microsenzorul este integrat şi prevăzut cu amortizare cu ulei. Cip-ul senzor a fost fabricat

dintr-un substrat de siliciu (100) şi conţine o masă seismică suspendată pe o consolă subţire şi,

de asemenea, un circuit integrat pentru procesarea semnalului (figură).

Fig. Schema microsenzorului de acceleraţie piezorezistiv.

Circuitul constă dintr-o punte piezorezistoare şi amplificatoare. Uleiul este folosit pentru

amortizarea oscilaţiilor masei suspendate. În comparaţie cu un mecanism cu amortizare cu aer,

acest dispozitiv nu necesită o etapă suplimentară de fabricaţie. Totuşi, amortizarea este

influenţată de vâscozitatea uleiului, de dimensiunile senzorului şi de temperatura dispozitivului.

Pentru a fabrica acest senzor au fost folosite diferite tehnici pe siliciu. Părţile

micromecanice ale senzorului, care sunt masa mobilă şi consolele, au fost fabricate prin

corodare în soluţie a substratului de siliciu. Consola are 480 m lungime, 200 m lăţime şi

12m grosime; greutatea masei seismice este de 2 mg. Intervalul de măsurare al dispozitivului

este între 20 şi 50 g, ceea ce îl face foarte folositor pentru multe aplicaţii industriale de

automatizare.

7. MICROROBOTICĂ

7.1. Introducere în microrobotică

Cuvântul robot îşi are originea în cuvântul ceh robota, care înseamnă muncitor. Roboţii

au capacităţi superioare operatorilor umani în ceea ce priveşte forţa, viteza, reproductibilitatea

şi rezistenţa. Roboţii au îmbunătăţit multe procese de producţie. Există, de asemenea, alţi roboţi

care, spre deosebire de roboţii industriali, furnizează funcţii avansate şi sunt capabili să

îndeplinească sarcinile unui servitor. Aceşti roboţi sunt cunoscuţi sub numele de roboţi de

servicii. Conceptul de serviciu cuprinde o multitudine de activităţi, cum ar fi serviciu în medicină,

control, întreţinere, munci casnice, distracţii, etc. Pentru a oferi servicii, roboţii trebuie să fie

mobili, uşor de manevrat de utilizator şi adaptabil; toate acestea necesită un anumit grad de

inteligenţă. Pe termen lung se urmăreşte dezvoltarea unui robot cu anumite capacităţi umane.

Ca şi roboţii convenţionali, microroboţii sunt sisteme foarte complexe care folosesc

diferite tipuri de microactuatori şi microsenzori. Ei sunt dotaţi cu algoritmi pentru procesarea

semnalelor inteligente şi a informaţiei. Microroboţii, de asemenea, se mişcă, aplică forţe,

manipulează obiecte etc. Unele principii de acţionare ale lumii macro pot fi aplicate şi celei

mocro, dar trebuie luat în considerare efectul reducerii la scară; în caz contrar, pentru o

micromaşină calculată la scară, pot fi calculate caracteristici de funcţionare nerealiste. Cu

excepţia problemelor specifice lumii micro şi ale diferenţei de mărime, criteriile de proiectare şi

etapele construirii micro- şi macroroboţilor pot fi în multe cazuri identice. Analog proiectării şi

fabricării unui macromecanism, mai întâi trebuie produse componentele funcţionale ale

microrobotului cu dimensiunile şi structurile interne dorite şi apoi acestea trebuie asamblate şi

reglate fin. În final sunt efectuate teste care să dovedească funcţionarea corectă a robotului.

De obicei, microroboţii au cerinţe specifice pentru a-i face folositori la manevrarea

pieselor de prelucrat cu dimensiuni foarte mici. O mare importanţă este acordată capacităţii

microroboţilor de a se deplasa pe distanţe mari cu viteze adecvate, de a manevra diferite tipuri

de obiecte, de a fi rezistenţi şi capabili să opereze într-un mediu riscant şi să funcţioneze fără

întreţinere perioade lungi de timp. Studiile efectuate în Europa (NEXUS), Statele Unite ale

Americei (NSF) şi Japonia (MITI), pe problemele MSEM curente, au arătat că în viitorul apropiat

microroboţii vor juca un rol important în industrie, iar piaţa pentru astfel de sisteme va creşte.

Criteriile importante pentru folosirea microroboţilor sunt siguranţa ridicată în funcţionare

şi costul scăzut. Motivul costului ridicat al microroboţilor existenţi este determinat de eforturile

speciale necesare proiectării componentelor, cum ar fi actuatorii, senzorii şi unităţile de

procesare a semnalului. Costurile ridicate sunt o problemă generală a MSEM, care poate fi

eliminată numai prin dezvoltarea standardelor hardware şi software ce pot fi folosite de mai

multe sisteme microrobot.

Datorită progreselor roboticei convenţionale şi a tehnicilor de microproducţie potrivite, azi

pot fi dezvoltaţi microroboţi mobili cu dimensiuni mai mici de 1 . Pentru multe aplicaţii, un

microrobot trebuie să fie mobil şi să posede capacităţi excelente de micromanevrare pentru a

mânui într-un spaţiu de lucru obiecte foarte mici cu dimensiuni micrometrice sau nanometrice,

ca în cazul asamblării microsistemelor sau a manipulării celulelor biologice. Deşi mâna umană

este un instrument foarte flexibil şi posedă o dexteritate aproape neîntrecută, ea are limitări

atunci când lucrează în lumea micro.

7.2. Aplicaţiile microroboticii

Este greu de prevăzut deocamdată cât de mare influenţă vor avea în viitor microroboţii

asupra vieţii oamenilor. Sunt multe domenii însă în care se poate observa o influenţă

semnificativă, aşa cum sugerează figura următoare.

Multe aplicaţii vor fi în medicină, producţie, biologie şi metrologie.

În industrie şi, în special în producţie şi metrologie prezintă un interes crescut sistemele

de testare foarte sensibile cu microdimensiuni. O aplicaţie importantă este testarea microcip-

urilor unde mai multe puncte de contact de pe o plachetă trebuie atinse cu senzori de

temperatură sau tensiune. Pentru a automatiza această operaţie dificilă şi adesea efectuată

manual, sunt necesare sisteme robot, ca echipamente de control ale plachetelor cu sonde, care

pot fi manipulate cu precizie şi care se pot mişca pe anumite distanţe.

Aplicaţii potenţiale ale microroboţilor.

MICROROBOTICĂ

Tehnicămedicală

Tehnologiamediuluiînconjurător

Obiectecasnice

Micro-asamblare

Automatizare

Bioinginerie

Producţie

Metrologie

Pentru întreţinere şi control sunt necesari microroboţi inteligenţi, care să ajungă în zone

greu accesibile, de exemplu, sistemele de conducte, schimbătoarele de căldură sau turbinele

avioanelor, sau în medii periculoase, pentru a detecta scurgeri de fluid sau părţi defecte şi dacă

se poate, să efectueze reparaţii.

Microasamblarea este una dintre cele mai importante aplicaţii de viitor ale microroboţilor.

Producţia în masă a microsistemelor prezintă probleme particulare. La fabricarea microsistemelor

complexe, procesele în loturi sunt rareori aplicabile. Astfel de sisteme conţin mai multe mai multe

microcomponente făcute din materiale diferite şi fabricate prin diferite microtehnici. Componentele

trebuie să fie foarte exact asamblate pentru a forma microsistemul dorit. Adesea este necesară

combinarea componentelor convenţionale cu microcomponente, ceea ce necesită o reglare fină precisă

şi o mare flexibilitate din partea sistemului de asamblare. Sistemele convenţionale prezintă acţionări cu

elemente mecanice de transfer, care frecvent sunt supuse uzurii mecanice şi necesită întreţinere, făcând

aceste sisteme costisitoare. Considerând progresul rapid realizat în MSEM, este evident că asamblarea

microsistemelor, adică transportarea ne-distructivă, manipularea precisă şi poziţionarea exactă a

microcomponentelor, devine una dintre cele mai importante aplicaţii ale microroboţilor,

O aplicaţie medicală foarte importantă este chirurgia minimal invazivă. Sunt necesare

endoscoape active, mai mici şi mai flexibile, care să-l ajute pe chirurg şi care pot reacţiona la instrucţiuni

în timp real. Ele pot pătrunde în corp prin incizii mici sau prin căile naturale de intrare, să înainteze prin

vasele de sânge şi să ajungă în diverse cavităţi, prin telecomandă, unde să desfăşoare măsurători şi

manipulări complexe: fixare, aplicare de bandaje pentru vasele de sânge, incizii şi operaţii de absorbţie

şi clătire. Pentru a satisface aceste cerinţe, un endoscop inteligent trebuie să aibă un microprocesor, mai

mulţi senzori şi actuatori, o sursă de lumină şi pe cât posibil, integrată, o unitate de procesare a imaginii.

Aceste dispozitive microrobot vor revoluţiona chirurgia clasică, dar dezvoltarea lor este încă o problemă

din cauza frecării, dificultăţii în orientare, biocompatibilităţii etc; de asemenea, ele nu sunt încă destul de

mici.

În biotehnologie, sunt necesare unelte microstructurate care să permită realizarea diverselor

manipulări, cum ar fi sortarea şi combinarea celulelor, măsurarea profilelor în ţesuturi sau injectarea de

substanţe străine într-o celulă folosind un microscop. De exemplu, adesea este necesară găsirea

anumitor celule într-un ţesut şi transportul lor la locul de testare, sau plasarea precisă într-o arie

restrânsă a ţesutului a unei microsonde echipate cu senzori biologici, de oxigen sau glucoză, de

exemplu.

În cercetarea genetică şi tehnologia mediului înconjurător în care celulele sunt folosite pentru a

indica prezenţa unor substanţe periculoase, este necesară manipularea precisă, ne-distructivă a

celulelor individuale.

7.3. Clasificarea microroboţilor

Termenul de microrobot nu este deocamdată bine definit. Primele cercetări sistematice

asupra microroboţilor au fost făcute în Japonia. În timp ce termenul de microsistem este potrivit

pentru toate tipurile de microdispozitive, inclusiv microuneltele şi microroboţii, între acestea din

urmă există o diferenţă conceptuală. O microunealtă este un dispozitiv care poate efectua un

lucru mecanic fără să fie nevoie de un control direct, de la un panou de comandă, de exemplu.

Un micromotor sau o valvă, de pildă, este o microunealtă, care poate fi alcătuită din mai multe

componente pentru a fi capabilă să efectueze o mişcare complexă. În esenţă, o microunealtă

este un sistem pasiv care este o parte operantă a unui sistem mai complex.

Definirea microrobotului derivă din lumea macro; un microrobot este caracterizat de

caracteristicile sale de programare, senzorii şi actuatorii pentru sarcini specifice şi, în general,

de mobilitatea sa neîngrădită. Ca şi roboţii convenţionali, microroboţi constau, de obicei, din

două sub-sisteme autonome care determină agilitatea generală a microrobotului; ei sunt

actuatori pentru manipularea obiectelor (braţele şi mâinile robotului) şi actuatori pentru mişcarea

platformei robotului, acţionarea robotului. Primul subsistem determină capacităţile de

manipulare, iar cel de al doilea mobilitatea microrobotului. Elementele de manipulare şi unitatea

de acţionare pot fi cu succes integrate într-un sistem microrobot flexibil.

1. Clasificarea după mărime

La clasificarea microroboţilor este important să facem deosebirea între minimecanisme,

micromecanisme şi nanomecanisme. Minimecanismele sunt din ce în ce mai des folosite în

practică. Micromecanismele abia au depăşit limita dintre conceptele teoretice şi prototipuri, în

timp ce nanomecanismele nu vor fi realizate în viitorul prea apropiat. În mod obişnuit, roboţii

miniaturizaţi au dimensiuni de câţiva centimetri cubi şi sunt făcuţi din componente convenţionale

miniaturizate şi microunelte. Ei pot genera forţe comparabile cu operatorului uman la efectuarea

manipulărilor fine. Pot fi controlaţi de la distanţă, sau, pentru a putea lucra singuri, au un anumit

grad de inteligenţă şi o sursă de energie ataşată. Un robot miniatură este de fapt un sistem

robot complex, foarte mic ca mărime şi destinat aplicaţiilor specifice MESM.

Microroboţii au dimensiuni de la câţiva micrometri cubi până la câţiva milimetri cubi. Ei

sunt structuraţi pe un cip constând dintr-un microactuator, un microsenzor şi o unitate de

procesare a semnalului şi pot fi produşi prin tehnologii de fabricaţie micromecanice, cum ar fi

microprelucrarea de suprafaţă şi în volum şi metoda LIGA. Un microrobot trebuie să fie

programabil şi trebuie să fie capabil să reacţioneze la evenimente neprevăzute. Dacă este

necesar, el va putea fi controlat de la distanţă.

Conform acestei scheme de clasificare, singura diferenţă dintre semnificativă între roboţii

din lumea macro şi cei din lumea micro este mărimea spaţiului lucru în care ei operează. Un

spaţiu de lucru mic poate conduce la dificultăţi deoarece operaţiile microrobotului pot fi

observate numai cu un microscop optic cu lumină sau un microscop electronic cu baleiere.

Adesea, miniaturizarea modifică semnificativ proprietăţile fizice ale materialului de fabricaţie.

Aceasta poate avea efect asupra forţelor şi momentelor care pot fi transmise. Problema trebuie

considerată de cercetători care ar trebui să folosească principii noi pentru microroboţi, specifice

MSEM. Aici sunt ceruţi actuatori care au dimensiuni extrem de mici, o proiectare mecanică

simplă, angrenaje de acţionare directă şi o fiabilitate ridicată; astfel de actuatori au fost descrişi

în prelegerile trecute.

Nanotehnologia se ocupă de obiectele sau mecanismele din domeniul micrometric sau

chiar mai mic. Principiile mecanice convenţionale nu pot fi aplicate aici, spre deosebire de

microroboţi. Multe organisme biologice produse de natură pot servi ca exemple pentru

nanoroboţi; ele sunt eficiente şi simple şi pot fi considerate ca excelente modele pentru acţionări

electrochimice. S-a demonstrat, în timpul dezvoltării tehnicilor nanofabricaţiei, că tehnologia

stării solide nu este potrivită pentru manipularea moleculelor şi atomilor. Se pun speranţe în

noile tehnici ale polimerilor. Aceste tehnici sunt abia în faza cercetărilor fundamentale.

2. Clasificarea după funcţiune

Un microrobot are, de obicei, senzori, actuatori, o unitate de control şi o sursă de

energie, care determină capacităţile şi performanţele sale. Alegând diferite combinaţii ale

acestor componente, pot fi construite diferite tipuri de roboţi (figură). Abrevierile reprezintă: CU

– unitate de control; PS – sursă de putere; AP – actuatori pentru poziţionare şi AO – Actuatori

pentru operare.

Clasificarea funcţională a microroboţilor.

Folosind această clasificare, pentru microroboţi trebuie luate în considerare 3 criterii

importante, şi anume: mobilitatea (da sau nu), autonomia (sursa de energie încorporată sau

neîncorporată) şi tipul de control (cu cablu sau fără cablu). Microroboţii din partea stângă a

figurii sunt controlaţi de la distanţă prin cablu ombilical. Separarea sursei de putere şi a

controlului de unitatea de manipulare simplifică construcţia şi realizarea sistemului. Tipul (a)

este similar cu roboţii convenţionali miniaturizaţi. Microroboţii de tipurile (b) şi (c) au actuatori

integraţi şi sunt conectaţi la elementele de control şi sursa de energie prin mijloace electrice,

hidraulice sau pneumatice. Tipul (c) este şi mobil, spre deosebire de (b), cea ce îi creşte

posibilităţile aplicative, dar asta implică un număr de dificultăţi. Spre deosebire de roboţii

convenţionali, mobilitatea unui microrobot poate fi realizată prin deplasarea acestuia prin

mijloace externe, de exemplu, prin deplasarea printr-o arteră de către curentul de sânge; aceşti

microroboţi sunt însă dificil de controlat. Pentru alimentarea microroboţilor nu există încă surse

de energie încorporate, în ciuda eforturilor pentru realizarea acestora. Actuatorii eficienţi au de

obicei nevoie de atâta energie încât sursele încorporate nu o pot furniza pentru un interval lung

de timp. Transmiterea informaţiei pentru controlul microrobotului poate fi uşor realizată fără

cabluri, prin interfeţe acustice, optice, electromagnetice sau termice. Sun căutate soluţii pentru

folosirea acestor interfeţe şi la transferul energiei. Este evident că dezvoltarea şi controlul

microroboţilor (d), (e) şi (f) vor necesita timp şi bani, dar o dată puse la punct vor găsi

numeroase aplicaţii noi.

3. Clasificarea după sarcina specifică

Clasificarea microroboţilor după sarcina specifică se bazează pe raportul C dintre

dimensiunile fizice ale robotului şi domeniul său de operare realizabil. La un capăt al scării de

clasificare, C>>1, se află sistemele staţionare pentru micromanevrare, care au mărimea de

câţiva decimetri, dar pot duce la îndeplinire manipulări foarte precise, de ordinul micrometrilor

sau nanometrilor. La celălalt capăt al scalei, C<<1, sunt sistemele robot mobile de mărime

microscopică, care pot fi folosite, de exemplu, pentru transport, control sau asamblare. Între

aceste extreme se află roboţii industriali miniaturizaţi ale căror dimensiuni sunt similare

domeniului de operare, C1.

Un microrobot universal flexibil ar trebui să posede caracteristicile primei şi celei de a

treia clase, adică să fie capabil să manipuleze foarte precis cu efectorii săi obiecte microscopice

şi, de asemenea, să se poată deplasa pe distanţe mari. Pentru a combina aceste trăsături

conflictuale într-un singur sistem robot, trebuie dezvoltate principiile de acţionare potrivite. Până

acum există puţine prototipuri care să îndeplinească cerinţele unui astfel de microrobot flexibil.

7.4. Principii de acţionare a microroboţilor

Cele mai interesante concepte de acţionare pentru microroboţii mobili au apărut în

Japonia. Programul japonez de cercetare Tehnologia micromaşinilor, care a început în 1991 şi

care a implicat numeroase universităţi de prestigiu, institute de cercetare şi firme industriale, a

produs mai multe dispozitive microrobotice promiţătoare. Scopul proiectului a fost dezvoltarea

sistemelor inteligente foarte mici pentru aplicaţii industriale şi medicale. Aici a fost introdus

conceptul de sistem robot multi-agent, pentru controlul şi întreţinerea interiorului obiectelor

inaccesibile sau periculoase. Acesta constă din 4 subsisteme: o microcapsulă, o navetă-mamă,

un modul de operare şi un modul de inspecţie fără cablu. Naveta-mamă asigură transportul

modulelor, furnizându-le energie şi transferând date între module şi unitatea de control

exterioară. Microcapsula, care are propria ei sursă de energie, are misiunea să cerceteze

locurile inaccesibile care ar putea fi distruse şi să raporteze apoi defectele către unitatea de

control exterioară. După aceasta, modulul de control va efectua o analiză precisă a zonelor cu

defecte şi va transmite, de asemenea, informaţiile adunate la unitatea de control. În final,

modulul de operare, care este conectat la unitatea-mamă printr-un cablu de comunicare şi

putere, va efectua reparaţiile necesare bazându-se pe rezultatele inspecţiei. Câteva dintre

exemplele următoare au fost dezvoltate în cadrul acestui concept.

7.4.1. Microactuator cibernetic liniar silenţios

Aşa-numitul microactuator cibernetic liniar silenţios valorifică excelentele proprietăţi de

răspuns în timp real ale actuatorilor piezoelectrici folosind un nou principiu de acţionare (figură).

Dispozitivul constă dintr-un element piezoelectric realizat din straturi multiple aşezate în

stivă. O greutate aşezată la unul din capete serveşte ca acţionare prin forţa de inerţie. Un

element de poziţionare electromagnetic având integrată o bobină magnetică, prin care

actuatorul poate fi fixat de un ghidaj făcut din oţel, este prins la celălalt capăt al stivei.

Microactuator cibernetic liniar silenţios: a) desen schematic; b) principiul de mişcare.

Principiul de funcţionare este descris în figura b. În prima fază, piezoelementul este

excitat şi se dilată rapid. Greutatea este atunci la distanţa maximă faţă de elementul de

poziţionare. Apoi, elementul de poziţionare este fixat de trenul de ghidare prin activarea

electromagnetului. După aceea, piezoelementul se contractă rapid prin aplicarea unei tensiuni

pe el; această acţiune accelerează greutatea către elementul de poziţionare. Când elementul s-

a contractat complet, electromagnetul este decuplat şi inerţia greutăţii deplasează dispozitivul în

direcţia acceleraţiei. Distanţa parcursă în timpul unui pas depinde de forţa de inerţie şi de forţele

de frecare la alunecare prezente. Parametrii unui astfel de prototip actuator construit sunt

5x5x12 ; el are greutatea de 1g. Piezoelementul de acţionare este de 1x2x5 . La o

frecvenţă de operare de 35 kHz, microactuatorul se poate deplasa cu o viteză de 35 mm/s.

Acest microactuator poate fi folosit pentru multe funcţii de deplasare liniară, de exemplu

poziţionarea precisă a unei piese de lucru cu un aranjament de 4 actuatori.

7.4.2. Maşina micro-târâtoare

În cadrul unui program de cercetare derulat în Elveţia, a fost dezvoltată o aşa numită

maşină micro-târâtoare care poate efectua mişcări precise asemănătoare mişcării unui vierme

şi poate fi folosită la acţionarea unei mese de poziţionare la o staţie de microasamblare sau ca

o mică platformă mobilă a unui robot. Dispozitivul are aproximativ 60 mm x 60 mm şi constă din

2 picioare triunghiulare (fig. 1). Piciorul interior este conectat la cel exterior prin 3 piezoelemente

multistrat. În toate cele 3 colţuri ale triunghiului exterior şi în centrul piciorului interior sunt

încorporaţi electromagneţi.

Fig. 1. Maşină micro-târâtoare cu electromagneţi: a) desen schematic;

b) prototipul dispozitivului.

Dispozitivul se poate târî înainte ţinându-se de un suport feromagnetic cu un picior şi

mutându-l pe celălalt. Secvenţa de mişcare este următoarea: în starea iniţială, piciorul exterior

este fixat pe bază prin cei 3 magneţi (alimentaţi cu curent), iar piciorul exterior este liber

(curentul este întrerupt în bobina magnetică interioară). Dacă piezoelementele sunt apoi

activate de o tensiune electrică, piciorul interior se mişcă într-o poziţie nouă în planul x-y

dependent de interacţiunea piezoactuatorilor. La acest moment, piciorul interior este fixat în

noua sa poziţie prin alimentarea cu curent a bobinei sale magnetice. În acelaşi timp, piciorul

exterior este lăsat liber prin întreruperea curentului din electromagneţi şi dispozitivul mai face un

pas, etc. Platforma poate fi mişcată precis într-un mod omnidirecţional. Piezoactuatorii ating

dilatarea sau contractarea maximă de 5 m la o tensiune de 150 V. Rezoluţia mişcării este de

aproximativ 10 nm.

Cu acest principiu se poate obţine o prindere bună de suport şi ca urmare poate fi folosit

pentru împingerea greutăţilor, urcarea pereţilor sau chiar deplasarea pe un tavan feromagnetic.

Totuşi, din cauza câmpurilor magnetice produse, acest dispozitiv nu este potrivit pentru

folosirea în interiorul unui microscop electronic cu baleiere. Din acest motiv a fost proiectată o

altă platformă mobilă, care se bazează pe principiul mişcării inerţiale şi al frecării neliniare (fig.

2).

Fig.2. Maşină micro-târâtoare fără electromagneţi: a) desenul schematic;b) un prototip, în comparaţie cu prima maşină micro-târâtoare.

Dispozitivul este similar cu prima maşină micro-târâtoare, dar nu are electromagneţi; de

aceea a fost posibilă reducerea dimensiunilor sale la 38 x 35 x 9 . Deoarece componenta

exterioară nu are nici un fel de contact cu baza de deplasare, ea nu trebuie să acţioneze ca un

picior, ci ca o masă suspendată care să genereze forţa de inerţie şi momentul de inerţie

necesare mişcării. 3 sfere de rubin sunt fixate pe componenta interioară; ele sunt în contact cu

suprafaţa de lucru şi acţionează ca un picior. Cele 2 componente ale platformei sunt

interconectate prin intermediul a 3 actuatori piezoelectrici multistrat. Dispozitivul este acţionat

prin dilatarea sau contractarea elementelor piezoelectrice în conformitate cu o strategie definită.

De exemplu, dacă piezoelementele se dilată rapid, platforma alunecă într-o parte faţă de centrul

de greutate din cauza forţei de inerţie create şi a frecării mici dintre rubine şi suport. Apoi,

piezoelementele sunt contractate lent, astfel încât forţele lor de inerţie sunt mici, iar forţele de

frecare sunt suficient de mari ca să prevină alunecarea platformei înapoi. La o tensiune de

alimentare de 100 V, deplasarea rezultată într-un pas este de 2 m. Pentru o frecvenţă de

operare de 400 Hz, viteza atinsă de platformă poate fi până la 1 mm/s. Platforma poate atinge

aceeaşi viteză de poziţionare de 10 nm ca şi prima maşină micro-târâtoare, dar pentru acest

principiu de mişcare problemele legate de controlul deplasării sunt mai dificile.

7.4.3. Principiul de mişcare bazat pe peri

Un alt exemplu de platformă mobilă este dispozitivul acţionat pe peri, care poate servi ca

unitate de transport acţionată electromagnetic pentru microroboţi. Au fost construite 2 modele

diferite (fig. 1). Unitatea 1 se poate mişca numai înainte, în timp ce unitatea 2 se poate întoarce

la stânga şi la dreapta. Principiul de mişcare este acelaşi, aşa că îl vom descrie numai pe cel al

unităţii 1.

Fig. 1. Reprezentarea schematică a unui microrobot acţionat pe peri.

Robotul constă dintr-un corp făcut din

aluminiu, o bobină solenoid, un magnet

permanent ca parte a piciorului, un picior din

tablă subţire în formă de L, la care în partea

de jos este ataşată o pânză de nailon cu

peri şi un opritor făcut din cupru. Bobina

magnetică este făcută dintr-un miez de fier

şi o înfăşurare de sârmă emailată având

600 de spire. Bobina şi magnetul permanent

formează actuatorul electromagnetic (fig. 2).

Fig. 2. Structura actuatorului electromagnetic

al microrobotului

Pe miez este prins un strat izolator care garantează o distanţă fixă de 0,5 mm între

magnetul permanent şi fier. Când bobina nu este alimentată cu curent, între magnetul

permanent şi fier se exercită o forţă de atracţie de 0,018 N. Când bobinei i se aplică o tensiune,

asupra părţii superioare a piciorului este exercitată o forţă de respingere de 0,054 N şi piciorul

începe să se mişte (fig. 3).

Prin pornirea şi întreruperea succesivă a curentului se obţine o mişcare de alunecare în

paşi discreţi. Forţa de impact exercitată şi inerţia generată valorifică diferitele forţe de frecare cu

care perii de nailon se cuplează la podea. Deoarece perii sunt îndoiţi la un unghi de 45,

actuatorul se poate deplasa mai bine înainte de cât înapoi. Astfel mişcările înainte şi înapoi ale

bobinei determină deplasarea dispozitivului. Microrobotul poate urca o pantă cu înclinaţia de 25

cărând o sarcină de 5 g.

SEEA

Fig. 3. Principiul de mişcare al robotului.

7.4.4. Microrobot piezoelectric înotător

Noul concept de microrobot înotător poate fi folosit la realizarea de roboţi pentru platforme

mobile în aplicaţii industriale, de exemplu, la inspecţia conductelor sau ca dispozitiv miniaturizat

pentru scopuri medicale la controlul vaselor de sânge. Mişcarea robotului este obţinută folosind

piezoactuatori, prin vibraţia aripioarelor (figură).

Principiul de operare al microrobotului înotător: schiţa robotului (stânga) şiprincipiul de mişcare al aripioarelor.

Piezoelementele multistrat în stivă exercită forţe mari, dar deplasarea lor este mică. Totuşi,

ele pot acţiona cu uşurinţă un mecanism pârghie. La acest microrobot o cursă mică de 8 m a

piezoelementelor este mărită de 250 ori pentru a genera o mişcare secundară de 2 mm. Mişcarea

de înot este realizată de 2 aripioare lungi de 32 mm şi un mecanism pârghie. Forţa de propulsie

rezultantă a fost de N pentru mişcările înainte şi de 2x N pentru mişcările înapoi. Robotul

56

SEEA

are o lungime de 34 mm şi o lăţime de 19 mm. Aripioarele conferă robotului un grad de libertate de

rotaţie şi unul de translaţie, permiţându-i să se mişte înainte şi să evite obstacolele din calea sa.

Robotul a fost capabil să se deplaseze cu o viteză de 30 mm/s la o frecvenţă de operare a

piezoelementelor de 100 – 300 Hz şi o tensiune de 150 V.

57

SEEA

2. SISTEME MECATRONICE

2.1. Definirea mecatronicii

Sistemele tehnologice de fabricaţie şi multe produse obţinute în cadrul acestor sisteme

reprezintă un ansamblu de componente mecanice şi electrice interdependente, fiind deci

sisteme electromecanice. Aceste sisteme au devenit tot mai complexe şi performante după

apariţia şi introducerea circuitelor integrate şi a calculatoarelor. Obiectivul tradiţional al

electromecanicii s-a lărgit şi a apărut un nou domeniu ingineresc – Mecatronica.

Mecatronica este un domeniu ingineresc interdisciplinar care se ocupă de proiectarea şi

dezvoltarea de sisteme complexe ce combină principii electrice, mecanice şi ale

calculatoarelor. Mecatronica este disciplina care studiază, prin tehnici de analiză, sinteză,

modelare şi simulare, sisteme ce combină componente mecanice şi electrice cu tehnici de

control moderne şi cu microprocesoare.

Mecatronica se ocupă deci de combinarea ingineriei mecanice de precizie, ingineriei

electrice şi electronice, tehnologiei calculatoarelor şi a informaticii industriale la proiectarea

de produse şi procese de fabricaţie de înaltă performanţă.

Sistemele mecatronice sunt constituite în mod tipic din componente tradiţionale

mecanice şi electrice la care se adaugă dispozitive şi sisteme moderne de tipul senzorilor,

actuatorilor şi sistemelor de control pe bază de calculator. Această combinaţie face posibilă

realizarea de produse mai simple, economice, fiabile şi versatile.

Cuvântul Mecatronica este o combinare lingvistică de Mecanică şi Electronica.

Termenul a fost folosit prima dată de Tetsuro Mori, în 1969, inginer al Companiei Japoneze

Yaskawa. Mecatronica mai are semnificaţia de sisteme electromecanice inteligente.

Mecatronica mai semnifică o tehnologie integrată pentru realizarea produselor ce

prezintă performanţe de rapiditate şi precizie.

Printr-o completă colaborare, modulele mecatronice îndeplinesc sarcini de producţie şi

asigură proprietăţi flexibile în schemele de fabricaţie. Echipamentele de producţie moderne

constă din module ce sunt integrate conform unei arhitecturi de control. Cele mai cunoscute

arhitecturi sunt de tip ierarhic, poli-ierarhic, eterogen (amestecat) şi hibrid. Metodele pentru

obţinerea unui efect tehnic sunt descrise prin algoritmi de control.

2.2. Concepte în mecatronică

58

SEEA

2.2.1. Conceptul interdisciplinar al mecatronicii

Disciplina Mecatronica cuprinde o arie largă de tematici din domeniile ingineriei electrice,

mecanice şi calculatoarelor. Aceasta se ocupă, de asemenea, cu metodele şi tehnicile de

concepere şi proiectare care încearcă să facă o punte peste tradiţionalele diferenţe ale acestor

discipline şi de a crea produse complet integrate, de natură sinergetică. (sinergie – acţiunea

coordonată a mai multor componente pentru îndeplinirea unei funcţii comune)

.

Fig. 1. Conceptul interdisciplinar al Mecatronicii

După cum este ilustrat conceptul interdisciplinar al Mecatronicii (Fig. 1), aceasta se

află la confluenţa a 4 mari domenii inginereşti: Sisteme mecanice, Sisteme electrice

(electronice), Calculatoare şi Sisteme de control. Figura ilustrează şi rezultatele confluenţei a

două câte două pentru cele 4 domenii, rezultând următoarele subdomenii: Electromecanică

(Mecanica şi Ingineria electrică), Proiectarea asistată de calculator (Mecanica şi

Calculatoarele), Sisteme de control digital (Sisteme de control şi Calculatoare) şi Electronica

de control (Sisteme de control şi Electronică). La confluenţa a câte 3 domenii, sau a câte 2

subdomenii menţionate anterior, se găsesc alte diviziuni de domenii sau de discipline

cunoscute: Analiza sistemelor, Senzori şi actuatori, Simularea sistemelor, Microcontrolere şi

microprocesoare.

59

SISTEM MECANIC - model de sistem - răspuns dinamic

SEEA

Fig. 1. Arhitectura generală şi componentele unui sistem mecatronic.

Schema bloc din figura 1 reprezintă arhitectura generală a unui sistem mecatronic, care

pune în evidenţă principalele sale componente şi legăturile dintre acestea. În structura unui

sistem mecanic există actuatori şi senzori, primii fiind dispozitive motoare generatoare de

forţe şi cupluri pentru asigurarea mişcării şi poziţionării, iar ultimii fiind dispozitive

detectoare a mărimilor şi parametrilor finali sau intermediari ai sistemului mecanic.

Semnalele electrice furnizate de senzori sunt condiţionate şi aduse în forma convenabilă

aplicării unui centru de comandă al sistemului mecatronic, prevăzut cu o anumită arhitectură

de control digital ce asigură îndeplinirea algoritmului de control implementat. În baza acestui

algoritm şi pe baza informaţiilor de la senzori, se emit semnale de comandă, prin intermediul

unui bloc de condiţionare ieşiri şi interfaţare către actuatori pentru corecţii în procesul din

sistemul mecanic şi desfăşurarea lui în sensul dorit. Semnalizări şi valori utile ale unor

mărimi din proces sunt afişate grafic prin LED-uri, afişoare numerice, cristale lichide sau

tuburi catodice.

2.2.2. Componentele de bază ale unui sistem mecatronic

În cele ce urmează vom prezenta componentele principale ce concură la realizarea

unui sistem mecatronic, categorisite pe 4 grupe de discipline: electric, software, mecanic şi

concepţie şi proiectare.

A. Componente electrice

60

ACTUATORI- electromagneţi- cu bobină mobilă- motoare c.c.- motoare pas cu pas- servomotoare electrice, hidraulice şi pneumatice

SENZORI- limitatoare - mărci tensom- potenţiometre - termocupluri- fotoelectrici - accelerometre- cu ieşire codată - MEMS

CONDIŢIONARE SEMNALE DE INTRARE

ŞI INTERFAŢARE

-circuite discrete -filtre-amplificatoare -A/D, D/A

AFIŞĂRI GRAFICE

-LEDuri -LCD-digital -CRT

CONDIŢIONARE SEMNALE DE IEŞIRE ŞI

INTERFAŢARE

- D/A, A/D -tranzist. de putere- amplificat. -amplif. op. de putere- PWM

ARHITECTURI DE CONTROL DIGITAL

- circuite logice -secvenţare şi temporiz.- microcontroler -logică şi aritmetică- PLC -algoritmi de control- comunicaţii

SEEA

Acest grup de componente din domeniul ingineriei electrice cuprinde senzori,

controlere şi motoare, cât şi alte dispozitive electrice şi electromecanice.

A1. Senzori. Senzorii şi traductoarele joacă un rol cheie în interacţiunea unui

controler, sau unitate de comandă cu mecanismele sistemului şi mediul acestuia. Asemenea

organismelor vii, unitatea de comandă a sistemului se bazează pe senzori pentru colectarea

datelor la intrarea sa şi a lua decizii de conducere a proceselor. Aceste date sau informaţii ale

senzorilor pot include monitorizarea presiunii, poziţiei, intensităţii luminoase sau a altor

parametri ce afectează comportarea sistemului mecatronic. În mod tipic, informaţia de la

senzori se prezintă sub forme variate de tensiuni electrice ce depind de parametrii măsuraţi.

Semnalele analogice de tensiune necesită de obicei unele tipuri de condiţionări sau procesări

înainte de a fi transmise unor dispozitive de control digital, cum sunt microcontrolerele. O

listă uzuală de senzori şi traductoare pentru sisteme mecatronice este dată mai jos:

Senzori de lumină

Fotorezistori (sau fotocelule): rezistenţa electrică variază cu lumina

Fototranzistori: curentul din tranzistor variază cu lumina

Fotodiode: joncţiunea semiconductoare produce curent în funcţie de intensitatea

luminoasă

Mini- şi microcamere video: produc semnale analogice ca funcţii de intensitatea

luminii şi culoarea sa pe o grilă cu pixeli.

Senzori de forţă

Microîntrerupătoare: limitatoare mecanice de poziţie

Mărci tensometrice: rezistenţa electrică filamentului mărcii variază cu alungirea şi

comprimarea filamentului

Piezorezistenţe: rezistenţa electrică variază cu tensiunea mecanică

Senzori de sunet si vibratii

Microfoane: produc semnale analogice de amplitudine şi frecvenţă variind ca funcţie

de volumul şi tonalitatea sunetului

Senzori cu film piezoelectric: produc tensiuni electrice când sunt supuşi unor vibraţii

sau schimbări de forţe.

Sonare: generează şi primesc unde sonore la intervale constante de timp pentru

măsurarea distanţei.

61

SEEA

Cel mai precis şi avantajos mijloc de măsurare a vitezei şi poziţiei unui ax de motor

este un encoder optic. Principiul de funcţionare a unui encoder se poate deduce din

funcţionarea unui disc crestat cu întrerupător optic din Fig. 1, care poate fi folosit pentru a

detecta o poziţie unghiulară particulară a maşinii, viteza de rotaţie a acesteia, sau câte rotaţii

a efectuat.

Fig. 1. Disc crestat şi opto-întrerupător.

O mică fantă radială este taiată în disc, uzual metalic, montat pe axul maşinii. La

rotirea discului, lumina va trece prin fantă la fototranzistor când discul are o poziţia

unghiulară particulară, astfel că se obţine un puls electric pe rotaţie.

Pentru măsurarea precisă a poziţiilor unghiulare mai mici de 360º sunt necesare

encodere optice incrementale şi absolute. Encoderul incremental are un disc din sticlă

prevăzut cu o un număr de segmente formând o succesiune alternativă de segmente opace şi

transparente pentru fasciculul de lumină. Numărul de impulsuri electrice generat de

fototranzistor este proporţional cu unghiul de rotaţie a axului maşinii. Rezoluţia encoderului

este raportul dintre numărul de impulsuri pe rotaţie şi unghiul de 360º. De exemplu, pentru

1000 de impulsuri (1000 de segmente negre şi albe), rezoluţia de detectare a unghiului este

de 360 grade / 1000 = 0,36 grade.

Encoderul absolut prevede valori digitale ca semnal de ieşire, în cod binar de 4 ranguri

BCD (Fig. 2) sau/şi în cod Gray (Fig. 3).

62

SEEA

Fig. 2. Disc de encoder optic absolut în cod BCD.

Fig. 3. Encoder absolut cu ieşiri în codurile BCD şi Gray.

A2. Controlere

Termenul de controler, în sensul de concept pentru mecatronică, poate fi definit ca o unitate

sau un dispozitiv prevăzut cu un mijloc de calcul electronic, capabil să execute un set de

instrucţiuni ce definesc funcţionalitatea unui sistem mecatronic. Controlerul constituie singur

sau face parte din unitatea de comandă a sistemului.

63

SEEA

Sistemele mecatronice timpurii, dezvoltate pentru largi aplicaţii de automatizări

industriale, utilizau controlere cu logică programabilă, aşa numitele PLC –uri (PLC –

acronim de la Programmable Logic Controller), sau în terminologia românească, automate

programabile.

Extinderea mecatronicii la produsele electromecanice de consum, de genul electro-

casnice, precum şi progresele microelectronicii au condus la o nouă formă de controlere

integrate numite microcontrolere. Acestea sunt de fapt calculatoare simplificate de mici

dimensiuni, un calculator pe un singur cip. Prin programare, un microcontroler poate

monitoriza un proces primind la intrare informaţii de la o varietate de senzori.

Microcontrolerul utilizează linii de intrare şi ieşire cu semnale digitale sau convertoare

intrare/iesire A/D si D/A. Un microcontroler este dezvoltat în jurul unui microprocesor-

unitatea sa centrală de calcul.

Cerinţele industriale şi dezvoltarea rapidă a circuitelor integrate cu mare putere de

calcul au condus la o creştere puternică a numărului de fabricanţi de microcontrolere de

variate capacităţi şi destinaţii. Un mare fabricant, de pildă, este Motorola, iar familia sa de

microcontrolere MC68HC11 stă la baza proiectării şi realizării multor sisteme mecatronice.

A3. Motoare/Actuatori

Motoarele, care convertesc puterea electrică în cea mecanică, pot fi considerate ca cele mai

numeroase dispozitive electromecanice. De regulă, variate tipuri de motoare de c.a. sunt

folosite în aplicaţii de echipamente mari ca gabarit şi putere, în timp ce variate tipuri de

motoare de c.c. se întâlnesc în aplicaţii de mici dimensiuni, unde sunt cerinţe speciale de

control precis al vitezei şi cuplului. Viteza motoarelor convenţionale de c.c. poate fi

controlată prin simpla variaţie a tensiunii ori prin alimentarea motorului cu tensiuni în formă

de impulsuri variabile în lăţime (convertoare PWM – Pulse Width Modulation).

Cele mai specializate tipuri de motoare de c.c. sunt motoarele pas cu pas şi diversele

varietăţi de servomotoare. Motoarele pas cu pas oferă avantajul controlului mai simplu a

mişcării, în buclă deschisă, utilizând câteva înfăşurări ce pot fi activate secvenţial pentru a

determina atât viteza cât şi poziţia axului rotorului. Configuraţiile tipice includ 4 înfăşurări

separate ce produs paşi cuprinşi între 3 şi 8 grade.

Servomotoarele (motoare comandate) de c.c. au şi ele o largă utilizare în mecatronică,

fiind componentele principale ale servomecanismelor destinate poziţionării precise, în cadrul

unei bucle închise de reglare, a unor organe mecanice. Aceste motoare, care încorporează

64

SEEA

limitatoare mecanice de poziţie, nu sunt destinate rotaţiilor continue, ci în special deplasărilor

unghiulare limitate, oferă costuri scăzute şi soluţii optime de cuplu mecanic pentru anumite

aplicaţii.

Mulţi actuatori operează pe aceleaşi principii electromagnetice precum motoarele de

c.a. şi c.c. discutate mai sus. Electromagneţii, care constă dintr-o bobină străbătută de un

curent electric, un miez magnetic fix şi un miez magnetic mobil, sunt exemple uzuale de

actuatori folosiţi în sisteme mecatronice. De asemenea, de mare interes, mai ales în sistemele

mecatronice ce asigură deplasări şi poziţionări precise şi de înaltă rezoluţie (de ordinul

micronilor sau chiar submicronilor), sunt actuatorii sau motoarele liniare electromagnetice cu

bobină mobilă (lucrarea L4 de laborator).

B. Software

Softul pentru sistemele mecatronice trebuie să conţină instrucţiuni pentru interpretarea

informaţiei senzoriale şi pentru controlul dispozitivelor electromecanice în acord cu funcţiile

stabilite ale sistemului. Abordările pentru satisfacerea acestor cerinţe, variază de la

codificarea simplă şi directă a semnalelor, la procesarea complexă a semnalelor şi până la

rutine sau subprograme de inteligenţă artificială. În timp ce majoritatea automatelor

programabile sunt programate folosind scheme de logică în scară, cele mai moderne

microcontrolere interfaţează cu compilatoare (translatoare de program, din pr. sursă în pr.

obiect) în limbaj C sau de asamblare. O excepţie o constituie o serie de controlere care

suportă o versiune a limbajului BASIC:

Un mod de abordare radical diferit a fost utilizat cu succes de compania americană

National Instruments, cu produsul soft LabVIEW. Programarea în LabVIEW presupune

scheme folosind iconuri (simboluri grafice) funcţionale, asemenea organigramelor realizate

din blocuri. Acest program este cel mai frecvent utilizat acolo unde o staţie de lucru sau un

calculator personal funcţionează drept controler.

C. Componente mecanice

Componentele mecanice din sistemele mecatronice sunt diverse, unele fiind chiar unice

pentru anumite aplicaţii. În plus, faţă de componentele structurale convenţionale, o serie de

elemente mecanice trebuie să asigure asamblarea părţilor electrice şi electronice în structura

mecanică proiectată. Aceasta implică asigurarea unui spaţiu suficient componentelor

electrice pentru eliminarea interferenţelor şi pentru rezolvarea problemelor de protecţie,

ventilaţie şi întreţinere ale componentelor. Deoarece, prin natura lor, majoritatea sistemelor

65

SEEA

mecatronice interacţionează cu mediul, multe componente mecanice sunt asociate mişcării şi

transferului de putere, cum sunt: roţi dinţate, lagăre, pistoane etc. După cum se ştie,

simplificat vorbind, un sistem mecatronic se poate obţine prin utilizarea şi includerea unui

controler într-un sistem electromecanic. Cum utilizarea de controlere încorporate într-un

sistem electromecanic este tot mai răspândită, lista de sisteme tehnice incluse ca aplicaţii

mecatronice creşte rapid şi în consecinţă, mecanica şi specialiştii săi trebuie să abordeze un

spectru nou de componente pentru aceste aplicaţii.

D. Probleme de concepţie şi proiectare

Orice produs ce poate fi îmbunătăţit prin încorporarea unui controler ar putea deveni un

produs mecatronic. Un astfel de exemplu sunt sistemele de ghidare ale avioanelor şi altor

vehicule de zbor spaţiale. Totuşi, înlocuirea circuitelor electronice analogice şi a

dispozitivelor mecanice şi electromecanice pentru temporizări (relee de timp, de exemplu),

prin microcontrolere în produsele de consum, implică o examinare atentă. Un bun proiectant

poate fi constrâns de dezavantajele cât şi de dezavantajele încorporării unei tehnologii mai

complexe într-un produs. Un exemplu ar putea fi afluxul de microcontrolere în industria de

automobile. Costurile de înlocuire prin microcontrolere în cadrul sistemelor de control al

suspensiei şi sistemelor de frânare antiblocare sofisticate, de exemplu, pot avea un impact

sau efect important asupra mentenanţei maşinii şi asupra cumpărătorului.

Problemele de siguranţă sunt un alt aspect de luat în considerare în conceperea şi

proiectarea unui sistem mecatronic. Compania Boeing, de exemplu, un operator de marcă pe

piaţa constructorilor de avioane, a refuzat pe motive de securitate introducerea unui sistem

modern de limitare automată a factorului de încărcare a avionului, rămânând la vechiul

sistem de limitare fly-by-wire.

Consideraţiile de mai sus nu implică o nouă procedură de proiectare, ci reprezintă doar

idei conceptuale pentru aplicaţii mecatronice. Provocarea cercetătorilor şi proiectanţilor

constă în îmbunătăţirea integrării cu succes a domeniilor multidisciplinare într-un adevărat

produs sinergetic. Conceptul proiectării mecatronice pune accentul pe o interacţiune

dinamică dintre colaboratorii disciplinelor principale concurente în mecatronică, pentru

îndeplinirea cerinţelor produsului. Scopul este de a defini cel mai bun curs al acţiunii, al

procesului de proiectare, începând cu stadiul de concepere sau definire a produsului, trecând

prin analizele de fiabilitate şi până la implementarea sa industrială.

2.3. Aplicaţii ale mecatronicii

66

SEEA

Mai multe sisteme mecatronice au devenit obişnuite în viaţa oamenilor. Reglarea automată a

vitezei (cruise control), spre exemplu, schimbă un automobil într-o maşină mecatronică.

Calculatoarele personale şi maşinile moderne de spălat sunt alte 2 exemple ce conţin module

sau sisteme mecatronice. Alte sisteme mecatronice cu impact asupra societăţii actuale sunt:

roboţii, sistemele de lagăre magnetice, bancomatele, echipamentele de exerciţii fizice, o serie

de echipamente medicale şi sisteme de fabricaţie industriale.

Două interesante şi recente exemple sunt date în continuare.

Este vorba mai întâi de un proiect în care un ecran LCD transparent optic este folosit

ca vizieră sau parasolar de soare activ pentru aplicaţii în automobile. Prin urmărirea poziţiei

soarelui, microcontrolerul poate calcula care pixeli trebuie să fie întunecaţi sau închişi la

culoare în scopul de a bloca transmiterea luminii solare la ochii şoferului.

O a doua soluţie mecatronică deosebită aparţine Companiei National Instruments.

După cum se ştie, NI a devenit unul dintre liderii automatizărilor industriale, furnizând

numeroase produse software şi sisteme de achiziţii date. În acest caz, este vorba de un sistem

ce utilizează un microcontroler şi un sistem de achiziţii date pentru monitorizarea şi controlul

amestecului de boabe de cafea în acord cu cerinţele unei reţete stricte. Sistemul prevede, de

asemenea, o continuă legătură de reacţie din proces către operator şi inventarierea

rezultatelor şi operaţiilor anterioare.

Aplicaţiile medicale sunt zone extrem de promiţătoare pentru sistemele mecatronice,

cum sunt roboţii. Roboţii medicali şi de chirurgie asistată de calculator pot asigura proceduri

medicale mai bine decât orice chirurg sau maşină.

Un produs mecatronic de mare popularitate este tranportorul uman cu 2 roţi, Segway

('zeg-uei) PT. Numele este prescurtarea de la expresia engleză Segway Personal

Transporter, care este o bicicletă specială electrică cu auto-echilibru, inventată de inginerul

american Dean Kamen. Este produsă de compania Segway Inc. din statul federal american

New Hampshire. Iniţial vehicolul se numea Segway HT, de la Segway Human Transporter.

Segway este constituit dintr-o mică platformă joasă pe care te urci, avînd în dreapta şi

în stânga câte o roată de mărime mijlocie, şi în mijloc un ghidon (tijă) subţire şi înalt ca de

trotinetă, cu mânere. Segway este ţinut în picioare în echilibru static sau dinamic de către un

computer şi motoare electrice plasate discret sub platformă.

Pentru a detecta aplecările ghidonului, prin care se dau comenzile, se folosesc senzori

giroscopici. Aceştia livrează computerului poziţia şi viteza momentană. La rândul lui,

67

SEEA

computerul prelucrează continuu datele şi calculează ce comenzi anume trebuie date

motoarelor, în aşa fel ca acestea să restabilească echilibrul în mod automat (fără intervenţia

utilizatorului).

68

SEEA

Pentru a demara şi înainta utilizatorul trebuie doar să aplece ghidonul puţin spre în

faţă; pentru a coti ghidonul trebuie aplecat uşor spre dreapta sau stânga (asemănător unui

joystick). Viteza maximă este de circa 20 km/h (5,6 m/s). Încetinirea deplasării se obţine prin

tragerea ghidonului înapoi (spre sine), fără să fie nevoie de frâne propriu-zise ca la bicicletă.

Avantajele unui Segway (în comparaţie cu o bicicletă sau motoretă obişnuită) sunt:

ocupă loc puţin, este uşor de învăţat şi condus, nedepunându-se nici un efort, lipsa poluării,

posibilitatea de a opri fără a pierde echilibrul, manevrabilitatea mare atât în oraş, chiar în

zone pietonale înguste, cât şi în zone accidentate naturale, viteza relativ mare în comparaţie

cu mersul pe jos.

Dezavantajele sunt: nu constituie un antrenament sportiv, folosinţa e limitată de

acumulatorul electric, este încă scump drept care şi puţin răspândit în public, are o situaţie

legală încă nedefinită, de exemplu cu privire la dreptul de a circula pe trotuar sau pe partea

carosabilă a străzii, obligativitatea (sau lipsa ei) de a avea frâne şi faruri etc.

Din aceste cauze are succese deocamdată numai în domenii speciale (nişe), cum ar fi

la poliţie, în baze militare extinse, la personalul de pază în magazine generale mari, la firme

şi şcoli cu un campus de mare extindere.

Max Speed:

20 km/h

Range on a single charge:

17 - 25 km

The measure forrange is as follows:

perfect conditions: 25km (15 mi)normal conditions: 16 km (10 mi)rough terrain: 8 km (5 mi)

Max weight of Passenger

110 kg (250 lbs)

Weight of vehicle(incl. batteries)

38 kg (83 lbs)

Weight of batteries approx. 9 kg

Diameter of wheels 48 cm

Table 5.1 Segway Human Transporter

69

8. SISTEME DE LEVITAŢIE MAGNETICĂ

8.1. Levitaţia magnetică

Sistemele de levitaţie magnetică sau maglev sunt sisteme electromecanice care

sustentează sau suspendă obiecte feromagnetice utilizând fenomene electromagnetice.

Tehnologia maglev prezintă o atenţie deosebită deoarece elimină pierderile datorate frecărilor.

Centrat pe reducerea frecării, sistemele maglev au o serie largă de aplicaţii cum ar fi lagărele

magnetice, platforme de poziţionare de înaltă precizie şi trenurile de mare viteză.

Levitaţia magnetică (maglev, de la magnetic levitation) este fenomenul de plutire sau

suspendare a unui corp sub efectul câmpului magnetic. Principiul de bază al maglev constă în

faptul că 2 poli magnetici de nume diferite, N şi S, se atrag în timp ce 2 poli cu acelaşi nume se

resping. Astfel, pe acest principiu, un magnet ar putea fi levitat deasupra unui alt magnet (Fig. 1).

Fig.1 Levitarea unui magnet deasupra altuia.

Totuşi, este uşor de înţeles că magnetul superior din această configuraţie nu va sta fix

deasupra celuilalt, având tendinţa de a se înclina faţă de axa sa verticală.

Sistemul este instabil deoarece forţa este

repulsivă, iar energia magnetică potenţială nu are un punct de minim ca o funcţie fie de distanţa

verticală fie de cea orizontală dintre magneti.. De altfel, încă din 1842 există teorema lui Earnshaw

conform căreia, în general, nici un aranjament static de magneţi nu poate fi stabil, separat sau în

prezenţa gravitaţiei. Teorema este valabilă pentru toate tipurile de forţe, gravitaţionale, electrice şi

magnetice, aşa cum de altfel a enunţat-o iniţial Earnshaw: nici un obiect staţionar, constituit din

sarcini, magneţi sau mase nu poate fi păstrat în spaţiu printr-o combinaţie fixată de forţe electrice,

magnetice şi gravitaţionale.

Teoretic, toate obiectele pot fi levitate sau sustentate în câmp magnetic, deoarece toate

substanţele sunt influenţate de câmpul magnetic aplicat. Din punct de vedere magnetic

substanţele se divid în 3 categorii: a) Feromagnetice, cum sunt fierul, oţelul, cobaltul şi nichelul,

53

capabile să se magnetizeze puternic în câmpuri magnetice, care au permeabilitatea relativă r>>1;

b) Paramagnetice, cum sunt oxigenul lichid şi ferofluidele, care se magnetizează cu ceva mai mult

decât vidul, r>1, dar mult mai puţin decât fierul; c) Diamagnetice, cum sunt substanţele alcaline,

halogenii şi gazele nobile, cu r<1, care sunt respinse de magneţi şi tind să se auto-poziţioneze la

unghiuri drepte faţă de liniile de câmp magnetic.

Pentru a obţine o levitaţie stabilă există câteva căi de a evita presupunerile sau ipotezele

teoremei lui Earnshow:

1. Controlul levitaţiei: Dacă se detectează poziţia unui obiect în spaţiu şi se introduce această

informaţie în reacţia negativă a unui sistem de control, se poate varia intensitatea câmpului

magnetic care acţionează asupra obiectului, obţinându-se o levitaţie stabilă. Un astfel de sistem în

buclă închisă, ce include electromagneţi, senzori şi un circuit de reacţie negativă, asigură o

compensare activă a mişcărilor de dezechilibru ale magnetului sau piesei magnetice în levitaţie.

Astfel de sisteme sunt pe larg utilizate în industrie în lagărele magnetice active.

2. Efectul giroscopic: Se poate obţine un sistem de levitaţie stabil cu magneţi permanenţi prin

rotirea magnetului levitat în jurul axei verticale. Magnetul rotit (giroscop magnetic) se află deasupra

unei baze cu un aranjament de magneţi staţionari ce asigură repulsia magnetică a giroscopului.

Stabilitatea este dată de forţa giroscopică care previne înclinarea magnetului superior faţă de axa

verticală, obţinându-se un răspuns dinamic al giroscopului la câmpul magnetic al magneţilor de

bază. Materializarea acestei idei simple s-a făcut prin realizarea levitronului - o jucărie

comercializată cu mare succes. O dată magnetul rotitor pus în mişcare rapidă de rotaţie, levitronul

rămâne stabil levitat, de la 5 minute până la câteva zeci de ore, atât timp cât viteza de rotaţie se

păstrată între anumite limite. Pentru evitarea disipărilor de energie prin curenţi induşi, magneţii

sunt confecţionaţi din materiale magnetice ceramice.

3. Diamagnetismul: Materialele diamagnetice prezintă o magnetizaţie de sens opus câmpului

magnetic extern. Ca urmare diamagneticele sunt respinse de câmpul magnetic şi tind să se

stabilească în regiuni cu câmpuri locale minime. Deoarece magnetizarea diamagneticelor depinde

de câmpul extern, acestea răspund în mod dinamic la schimbările câmpului. Astfel, dacă

diamagnetul în levitaţie este deplasat din minimul local de câmp, magnetizaţia sa negativă creşte

şi determină mărirea forţei de revenire, care reţine diamagnetul pe loc. Practic orice obiect din

material diamagnetic poate fi levitat stabil dacă se pot obţine câmpuri magnetice extrem de intense

care să permită crearea de forţe magnetice suficiente să învingă greutatea obiectului. Câmpuri de

10 T sunt suficiente de a levita orice substanţă diamagnetică. În laboratoare s-a obţinut levitarea

picăturilor de apă şi a unor substanţe organice. În urmă cu câţiva ani, un grup de cercetători de la

o universitate din Olanda a raportat că a reuşit să leviteze, cu un magnet de 20 T, aproape tot ce

le-a căzut la mână: de la bucăţi de brânză şi pizza la creaturi vii, inclusiv broaşte şi un şoarece.

54

Broasca levitată nu a prezentat nici un fel de reacţii adverse ca urmare a expunerii la câmpul

magnetic.

În contrast cu diamagneticele, materialele paramagnetice nu pot fi levitate stabil fără

folosirea reacţiei negative într-un sistem de control.

4. Supraconductibilitatea: Supraconductibilitatea este un fenomen caracterizat prin dispariţia

rezistivităţii electrice la unele substanţe răcite la temperaturi foarte joase, sub cea de tranziţie sau

critică Tc, care poate fi de câteva grade Kelvin sau câteva zeci de grade K. Au fost descoperiţi şi

supraconductori cu temperaturi ridicate Tc, în jur de 100K (-173º C). Materialele supraconductoare

expulzează câmpul magnetic din interior, efectul Meissner, fiind astfel perfect diamagnetice.

Comportându-e precum diamagneticele, obiectele din materiale supraconductoare pot fi levitate

stabil în câmp magnetic staţionar într-un mediu răcit sub temperatura critică (Fig. 2).

Fig. 2a. Magnet cu linii de câmp Fig. 2b. Magnet şi supraconductor cu linii de câmp

8.2. Lagăre magnetice

Un lagăr magnetic asigură levitarea unui ax sau rotor în câmp magnetic. Câmpul magnetic

poate fi generat în principal pe 2 căi: fie folosind un magnet permanent fie folosind un

electromagnet. Vom avea 2 tipuri principale de lagăre magnetice: 1) Lagăre magnetice pasive, cu

magneţi permanenţi şi 2) Lagăre magnetice active, cu electromagneţi. În prezent există tendinţa

dezvoltării unor lagăre magnetice combinate, care să prezinte avantajele ambelor tipuri de lagăre.

Lagărele magnetice sunt mult mai eficiente decât lagărele mecanice, deoarece reduc

drastic frecarea, ceea ce conduce la reducerea pierderilor de energie şi la o durată de viaţă mult

mai mare decât în cazul lagărelor convenţionale. Exemple de sisteme care pot beneficia de lagăre

magnetice sunt: instalaţii industriale (turbine mai eficiente), roţi volante (pierderi reduse de energie

cinetică) şi vehicule (frecare de rotaţie scăzută la axe sau osii).

8.2.1. Lagăre magnetice pasive (LMP)

Lagărele magnetice pasive exploatează forţele de respingere ale magneţilor permanenţi

pentru crearea forţelor radiale dintre stator şi rotor. După cum se ştie, este imposibilă obţinerea

unui echilibru stabil utilizând numai magneţi şi atunci lagărul va trebui stabilizat pe cel puţin o

direcţie folosind un lagăr secundar, de tip mecanic sau magnetic activ. Lagărele pasive operează

fără consum de energie electrică dar prezintă, ca dezavantaje, rigiditate şi amortizare scăzute.

55

Un exemplu de lagăr magnetic pasiv pentru un ax poziţionat vertical este dat in figura 1. Cei

2 magneţi permanenţi, stator şi rotor, au forma inelară şi sunt magnetizaţi radial, prezentând poli

de acelaşi nume fază în faţă pentru crearea forţelor magnetice de respingere. Magnetul rotor este

fixat de axul care se roteşte. Instabilitatea sistemului este pe direcţia axială. Această instabilitate

poate fi eliminată printr-un dispozitiv-stop, cum s-a folosit la primele lagăre pasive, sau chiar printr-

un lagăr magnetic activ.

Stabilitate Stabilitate

Instabilitate

Fig. 1. Lagăr magnetic pasiv pentru un ax vertical.

Stabilitate

Instabilitate

Fig. 2. Lagăr magnetic pasiv pentru un ax orizontal.

Un lagăr magnetic pasiv pentru susţinerea unui ax orizontal se poate obţine tot cu 2 inele de

magneţi permanenţi, care sunt magnetizaţi fie axial, ca în figura 2, fie radial, ca în figura 3a. În ambele

cazuri, inelele rotor şi stator sunt dispuse cu polii magnetici de acelaşi nume faţă în faţă pentru dezvoltarea

forţelor magnetice de repulsie. Tot în ambele situaţii, stabilitatea lagărului este pe direcţia radială, iar

instabilitatea pe direcţia axială. O posibilitate de a elimina instabilitatea axială o constituie folosirea unui

ferofluid. Un disc magnetizat axial şi imersat într-un ferofluid, levitează stabil în acesta, cu condiţia ca

diametrul interior al rezervorului să fie doar cu puţin mai mare decât diametrul discului magnetic (Fig. 3b).

Ferofluidul este un lichid magnetic care deşi este un coloid bifazic (lichid + particule magnetice solide), se

comportă ca un lichid omogen paramagnetic, atras de zonele cu densitatea mai mare a liniilor de câmp

magnetic. În aceste zone cresc presiunea magnetică şi vâscozitatea ferofluidului, aşa încât stratul de

ferofluid din jurul discului împiedică atingerea acestuia de pereţii vasului. O configuraţie posibilă de ax

orizontal echipat cu lagăr magnetic şi stabilizator ferofluidic este arătată în figura 4. Pentru a obţine forţe

axiale de restaurare a echilibrului suficient de mari, cavitatea trebuie să fie doar cu puţin mai mare decât

56

N S

N S

N S

discul magnetic, acesta din urmă având o geometrie optimizată pentru creşterea forţelor de revenire axiale.

O altă calitate a unui astfel de lagăr este amortizarea vibraţiilor prin intermediul ferofluidului.

LEVITATIA STABILA A UNUI MAGNET PERMANENT INTR-UN FEROFLUID

Fig. 3. Lagăr magnetic prevăzut cu stabilitate radială, dar instabilitate axială (a); Un magnet imersat într-un ferofluid este levitat stabil în 3 dimensiuni (b).

Fig. 4. Un ax cu lagăre magnetice şi stabilizator ferofluidic este levitat stabil în toate direcţiile.

8.2.2. Lagăre magnetice active (LMA)

57

Lagărele magnetice active exploatează forţele atractive, de tip electromagnetic, dezvoltate

în întrefierul dintre axul sau rotorul din material feromagnetic şi electromagneţii statorului, care

asigură suspendarea axului în rotaţie în aer, fără nici un punct de contact. Este necesar un sistem

de control în buclă închisă care stabilizează rotorul într-o poziţie specificată. Fiecare lagăr are, 3

sau mai mulţi electromagneţi. Poziţia rotorului este măsurată cu senzori, ale căror semnale sunt

trimise unor controlere, de multe ori de tip PID, semnalul de comandă al acestora este furnizat

unor amplificatoare de putere, iar curentul de ieşire alimentează electromagneţii care acţionează

asupra rotorului, stabilizându-i poziţia. Importantul avantaj al LMA, în comparaţie cu LMP, este

posibilitatea de a adapta rigiditatea (inflexibilitatea) şi amortizarea lagărului în coordonate radiale

în acord cu condiţiile de lucru sau de operare. În plus, LMA pot influenţa activ şi pozitiv

comportarea unei maşini.

Fig. 1. Lagăr magnetic activ cu 8 poli

În figura 1 este ilustrat un lagăr tipic cu 8 poli şi 4 electromagneţi. Înfăşurările a 2 poli

perechi adiacenţi, care formează un electromagnet, sunt în serie. Electromagnetul de sus şi cel de

jos generează forţe verticale, de compensare a gravitaţiei, în timp ce electromagneţii dispuşi în

stânga şi în dreapta împiedică sau restricţionează deplasările orizontale ale axului rotor. Cea mai

mare parte a fluxului magnetic Φ generat de curentul prin bobinele unui electromagnet este

concentrată pe traseul format de cei 2 poli, aşa încât nu există cuplaj magnetic între direcţia

verticală şi cea orizontală, cu alte cuvinte orice comandă de variaţie a poziţiei pe verticală nu

influenţează poziţia rotorului pe orizontală.

Figura 2 arată componentele unui sistem tipic de lagăr magnetic activ (LMA).

Amplificator

Electromagnet

58

Controler

(Actuator)

Fm

s

Senzor de poziţie Fg

Fig. 2. Schema de principiu a unui sistem de LMA.Electromagnetul este elementul actuator (de acţionare), care, la trecerea prin bobina sa a

unui curent i, produce forţa magnetică de atracţie, Fm, asupra obiectului feromagnetic suspendat,

respectiv axul unei maşini, forţă ce echilibrează pe cea gravitaţională, Fg, în vederea levitării axului

ce formează cu miezul electromagnetului întrefierul de lungime s. Forţa magnetică are expresia:

= k (1)

unde, =4π H/m este permeabilitatea magnetică a vidului, A este aria secţiunii miezului

magnetic al electromagnetului, n este numărul de înfăşurări, iar k = este un factor de

proporţionalitate.

Se constată că forţa este proporţională cu pătratul curentului şi invers proporţională cu

pătratul întrefierului s.

Amplificatorul converteşte semnalele de mică putere de la ieşirea controlerului în semnale

de mare putere, curenţi, necesari electromagnetului.

Senzorul de poziţie măsoară continuu poziţia axului levitat, semnalul furnizat fiind preluat de

controler în vederea elaborării comenzii corespunzătoare. Senzorul este fără contact şi poate fi de

exemplu, de tip senzor Hall sau cu laser.

În figura 3 se prezintă schema bloc a sistemului de control în buclă închisă pentru un LMA.

Fiecare electromagnet este prevăzut separat cu controler şi o buclă de reglare ca cea din figură.

Reacţia locală indicată între ieşirea rotorului (ieşirea sistemului) şi electromagnet arată

dependenţa comportării electromagnetului şi de întrefierul s, aşa cum rezultă din ecuaţia

funcţionării sale (1).

s0 Δs c i(A) s(m)

+-

smas

Lagăr magnetic

59

Obiect suspendat

Controler Fm(N)

Electro-magnet

RotorAmplific.

Fig. 3. Sistem de control al LMA

Controlerul este destinat să asigure păstrarea constantă a distanţei s dintre rotor sau ax şi

polii electromagnetului. Problema proiectării unui controler nu este simplă, datorită neliniarităţilor

existente şi asociate cu dinamica sistemului electromecanic. Multe controlere se bazează pe

strategia de reglare PID (proporţional-integral-derivativ), în particular de obicei de tip PD. Marea

popularitate a acestora se bazează pe faptul că sunt simple şi destul de robuste. Teoria modernă

a controlului automat prevede posibilitatea proiectării unor controlere avansate pentru sisteme de

LMA de înaltă performanţă. Caracteristica principală a acestora este robusteţea faţă de

schimbarea valorilor parametrilor sistemului în timpul funcţionării sale. Exemple de astfel de

controlere prevăzuţi cu algoritmi avansaţi sunt: adaptive, , fuzzy şi aşa numitele controlerele de

tip „sliding” (glisor, alunecător, cursor) sau ajustabile.

8.3. Sisteme de levitaţie magnetică în transporturi

Răspunzând unor necesităţi privind transportul călătorilor în condiţii de viteză şi confort

sporite, cercetătorii au găsit o nouă tehnică pentru trenuri şi calea de rulare, care utilizează

sisteme electromagnetice pentru suspensie şi propulsie, bazate pe levitaţia magnetică sau

maglev. Maglev asigură vehiculelor suspendarea şi ghidarea prin forţe magnetice. În loc de

motoare, vehiculele maglev utilizează electromagnetismul pentru a levita sau sustenta vehiculul

cât şi pentru propulsia sa. Vehiculul se poate deplasa astfel cu viteză foarte mare şi fără contact

de-a lungul unei structuri-suport, denumită cale de ghidare.

Există 2 tipuri de bază de maglev: suspensia electrodinamică (EDS-electrodynamic

suspension) şi suspensia electromagnetică (EMS-electromagnetic suspension). Principiile

implementării acestora sunt ilustrate în figura 1.

60

Senzor depoziţie

Fig. 1. Două sisteme de vehicule maglev: EDS şi EMS.

EDS se bazează pe forţe repulsive. Vehiculul conţine magneţi supraconductori ce induc

forţe repulsive în bobinele conductoare fixate de-a lungul căii de ghidare. Electromagneţii

supraconductori sunt mult mai puternici decât cei obişnuiţi care funcţionează la temperaturi

obişnuite. Sistemul EDS este dezvoltat de japonezi. Pe de altă parte, sistemul EMS se bazează pe

forţe atractive. Electromagneţii de pe vehicul sunt atraşi către o pereche de şine din oţel fixate pe

calea de ghidare. Acest sistem a fost pus la punct de Germania (Transrapid).

Reducerea drastică a frecării la un tren cu sistem maglev asigură confort, mers lin, elimină

zgomotul şi poate reduce costurile de întreţinere. Cel mai important avantaj este obţinerea unor

viteze de călătorie de peste 500 Km/h. Un avantaj este legat de siguranţă pentru că un astfel de

tren nu poate deraia datorită faptului că vehiculul este legat de calea de ghidare şi nu poate fi

desprins de aceasta. O problemă de sănătate a oamenilor este ecranarea necesară împotriva

radiaţiilor câmpului magnetic. Principalul impediment în introducerea în circulaţie a unor astfel de

trenuri este costul extrem de ridicat al investiţiei iniţiale: estacadele cu calea de ghidare şi trenul

propriu-zis. În acest moment, China este prima ţară din lume care utilizează comercial un tren

maglev (inaugurat la 31 dec. 2002), ce face legătura dintre aeroportul internaţional Shanghai şi

centrul comercial al aceluiaşi oraş, tehnologia fiind luată din Germania, trenul maglev denumit

Transrapid. Distanţa de 30 Km este străbătută in aproape 8 minute, faţă de 45 cu trenul

convenţional, atingând o viteză maximă de 430 Km/h.

În prezent recordul de viteză este deţinut de trenul japonez cu 550 Km/h, fără oameni la

bord, pe o linie de 18,4 Km.

61

Alte aplicaţii ale levitaţiei magnetice au în vedere atât industria (levitarea unor table din oţel

pentru manipulare în vederea efectuării unor operaţii de curăţire sau de alte tratamente) cât şi

echipamentele din armată (lansatoare electromagnetice în spaţiu pentru diverse obiecte).

SISTEME CONDUSE CU AUTOMATE PROGRAMABILE

1. Introducere în automate programabile

1.1. Prezentarea generală a automatelor programabile

Un automat programabil (AP) sau un controler cu logică programabilă (Programable Logic

Cotroller - PLC) este un calculator numeric utilizat pentru controlul automat al proceselor şi

maşinilor industriale, precum controlul masinilor de pe liniile de asamblare din fabrici. Spre

deosebire de calculatoarele obisnuite, automatele programabile (APe) sunt proiectate pentru

diferite configuratii ale intrarilor si iesirilor, domenii de temperatura extinse, imunitate la

perturbaţiile electrice si rezistenta la vibratii si impact. Programele pentru controlul

operatiilor masinii sunt stocate într-o memorie volatilă de tip RAM.

Automatele programabile (APe) au fost dezvoltate iniţial pentru a prevedea înlocuirea

unei mari părţi din releele electromecanice ale sistemelor de comandă electrice. APe

înlocuiesc circuitele electrice cu un program de calculator. APe fac parte din familia

calculatoarelor, capabile de stocarea instrucţiunilor pentru funcţii de comandă cum ar fi,

comanda secvenţială, temporizarea, contorizarea (numărarea), cu care se comandă o maşină

sau un proces. AP primeşte semnale de intrare ce vin de la maşină şi prin programul său

intern furnizează semnale de comandă la ieşire care se întorc la maşină. Figura 1 arată

conexiunile unui AP cu dispozitivele unei instalaţii controlate de acesta.

62

Fig. 1. Conexiuni la un AP.

În zilele mai vechi ale electrotehnicii (cum sunt cele de înaintea anului 1980)

conducerea unei maşini sau sistem tehnic se implementa cu ajutorul releelor. Releele sunt

robuste electric, termic şi mecanic, uşor de proiectat cu ele, ieftine şi capabile de a comanda

curenţi foarte mari prin contactele lor de ieşire.

Când au apărut microprocesoarele (la sfârşitul anilor 60) s-a realizat că acestea nu

puteau asigura baza componentelor necesare pentru o formă mai flexibilă de conducere a

instalaţiilor industriale. Aşa s-au născut APe. Bedford Associates, fondate de Richard

Morley, au realizat primul PLC în anul 1968, cunoscut cu denumirea Modular Digital

Controller, de la care compania MODICON şi-a desemnat numele. De menţionat că, APe s-

au născut ca urmare a solicitării emise de General Motors (GM) către furnizorii de sisteme de

conducere industriale. GM se săturase cu înlocuirea şi refacerea conexiunilor dulapurilor şi

panourilor complexe cu relee, ajustându-le mereu să devină puţin mai mari sau puţin mai

mici. În 1969 GM a fost primul care a folosit un AP la înlocuirea logicei cu relee pe liniile

sale de asamblare.

În general APe sunt destinate automatizării proceselor secvenţiale. Ele realizează prin

logica programată următoarele funcţii:

- detectarea schimbărilor de stare ale semnalelor aplicate pe intrări;

- prelucrează logic pas cu pas informaţiile primite conform programului stocat în

memoria program;

- emite semnale de comandă corespunzătoare programului stocat în memorie;

- semnalizează optic valorile semnalelor de pe intrări şi ieşiri(valoare logică 1, LED

aprins);

63

APe au câştigat o bună popularitate în sectoarele industriale din ţările dezvoltate

economic şi vor rămâne probabil predominante pentru ceva timp încolo. În ţara noastră, în

măsura în care se produce modernizarea tehnologiilor, APe sunt tot mai prezente. Toate

acestea sunt datorită principalelor avantaje pe care le oferă APe:

Consum redus de energie electrică;

Gabarit redus.

Costuri reduse la conducerea sistemelor complexe;

Flexibilitate şi pot fi re-aplicabile la controlul altor sisteme, repede şi uşor;

Abilităţi de calcul ce permit o conducere mai sofisticată;

Fiabilitate înaltă ce face ca AP să opereze mulţi ani fără defecte;

Robusteţe faţă de acţiunea vibraţiilor, temperaturii şi umidităţii;

1.2. Clasificări ale APe

Mărimea unui AP poate fi apreciată în funcţie de numărul total de I/O (intrări/ieşiri). Pe acest

criteriu, APe pot fi împărţite în 5 grupe:

1. APe Micro: <32 I/O

2. APe Mici: 32-128 I/O

3. APe Medii: 128-1024 I/O

4. APe Mari: 1024-4096 I/O

5. APe Foarte Mari: 4096-8192 I/O

Un alt criteriu de clasificare este cel al dimensiunii magistralei de date. După acest

criteriu, APe se clasifică în:

- APe cu programare la nivel de bit, la care magistrala are capacitatea de un bit, iar

prelucrarea se efectuează asupra unor operanzi de un bit;

- APe cu prelucrare a informaţiei la nivel de cuvânt, care efectuează prelucrări logice

şi aritmetice asupra unor operanzi de n biţi, unde 8. Magistrala de date e

dimensionată corespunzător;

- APe mixte, care conţin două unităţi aritmetico-logice ce pot lucra cu operanzi de un

bit sau de un cuvânt (n biţi).

În sfârşit, sub aspectul modului de asamblare sau de configurare, APe se împart în:

- APe asamblate (care pot fi compacte sau modulare);

64

- APe pe o singură placă de circuit, încorporate în sisteme dedicate (embedded

systems).

Exemple de sisteme dedicate cu PLC:

- Sistem antifurt la automobile;

- Sistem de comandă a geamurilor la automobile;

- Sistem de direcţie la automobile;

- Maşini de spălat;

- Cuptoare cu microunde:

- Standurile din laborator de aplicaţii PLC (Semaforizarea şi Benzile transportoare).

2. Structura generală şi funcţionarea unui automat programabil (AP)

APe îndeplinesc sarcini de conducere proprii echipamentelor de comandă discretă a

proceselor industriale, permiţând detectarea schimbării valorilor unor semnale furnizate de

elemente de tipul: butoane cu menţinere, butoane cu autorevenire, comutatoare basculante,

limitatoare de cursă, etc. şi prelucrarea informaţiei furnizate de aceste elemente pe baza unui

program înscris într-o memorie în vederea emiterii semnalelor de ieşire care comandă

elemente de tipul: contactoare, relee, electroventile, elemente de semnalizare, etc.

Structura de bază a unui AP cuprinde două grupe de componente (Fig. 1):

Unitatea centrală de procesare (CPU);

Sistemul de intrări/ieşiri (I/O)

Fig. 1. Componentele principale ale unui AP.

Unitatea centrală de procesare (CPU) este partea automatului programabil care

recuperează, decodează, stochează şi procesează informaţii. Acesta execută, de asemenea,

65

programul de comandă stocat în memoria AP. În esenţă, CPU este „creierul” unui AP.

Acesta funcţionează aproape în acelaşi mod ca un calculator pentru conducerea unui proces,

cu excepţia faptului că utilizează instrucţiuni şi coduri speciale pentru îndeplinirea funcţiilor

sale. CPU are trei părţi principale (Fig.2):

Procesorul logic;

Sistemul de memorie;

Sursa de energie.

Fig. 2. Părţile unui CPU

Procesorul logic este componenta care codează, decodează şi face calcule cu date.

Sistemul de memorie este componenta unităţii care stochează atât programul de comandă

cât şi datele de la echipamentul conectat la AP. Sursa de energie prevede alimentarea AP cu

tensiunile şi curenţii necesari funcţionării.

Avantajul conexiunilor electrice prin soft prevăzut de AP este extrem de important. De

fapt, acesta este cea mai importantă caracteristică a APe. Realizarea circuitelor electrice prin

programare soft permite schimbări uşoare şi ieftine în sistemul de comandă. Dacă se doreşte

ca un dispozitiv al sistemului AP să se comporte altfel sau de a comanda în mod diferit un

element al procesului, tot ce este de făcut este schimbarea programului de comandă. Într-un

sistem tradiţional, o astfel de schimbare presupune modificări fizice de conexiuni dintre

dispozitive ce implică eforturi costisitoare şi consumatoare de timp.

Sistemul de intrări/ieşiri (I/O) al AP prevede conexiunile fizice între echipamentul de

proces şi procesor. Acesta constă din rack-uri şi module I/O. Un rack este o ramă sau o

montură cu nişe şi conectori în care sunt instalate modulele I/O. Modulele I/O sunt

dispozitive la care se conectează dispozitivele din instalaţia industrială care constituie

66

dispozitivele de proces I/O ale AP. Împreună, rack-ul şi modulele I/O formează interfaţa

dintre dispozitivele de proces şi AP. Fiecare modul I/O este conectat electric în siguranţă la

dispozitivele de proces corespondente, dar este de asemenea fixat în siguranţă într-o

deschidere a rack-ului. Aceasta asigură legătura fizică dintre echipamentul industrial şi AP.

Automatele programabile mici sunt livrate ca o unitate asamblată, fără rack, cu intrări şi ieşiri

încorporate în această unitate. APe medii şi mari folosesc un sistem rack. Aici sunt fixate

locaţiile pentru alimentarea cu energie, procesor şi cartelele de comunicaţii, iar nişele ce

rămân pot fi completate cu module I/O.

Toate dispozitivele instalaţiei industriale conectate la AP sunt clasificate în una din

categoriile: intrări sau ieşiri.

Dispozitivele de intrare furnizează sistemului I/O al AP semnale/date din proces.

Exemple tipice sunt întrerupătoarele cu buton de apăsare, comutatoarele şi dispozitivele de

măsurare.

Dispozitivele de ieşire primesc semnale/date de la AP pentru îndeplinirea funcţiilor de

conducere.

Dispozitivele de intrare şi de ieşire pot fi discrete sau analogice.

Dispozitivele discrete sunt intrări şi ieşiri ce au numai două stări de funcţionare, de

exemplu, închis şi deschis. Tabelul 1 prezintă exemple de astfel de dispozitive.

Tabelul 1. Dispozitive I/O discrete.

Dispozitive de intrare Dispozitive de ieşireÎntrerupătoare basculante Relee de comandăÎntrerupătoare cu buton de apăsare Porţi logiceÎntrerupătoare de poziţie AlarmePorţi logice Contactoare pentru motoareÎntrerupătoare ale traductoarelor din proces (nivel, presiune, debit, etc.)

Electroventile

Întrerupătoare ale senzorilor de proximitate

Dispozitivele analogice sunt intrări şi ieşiri ce pot avea un număr infinit de stări.

Aceste dispozitive trimit/primesc semnale complexe la/de la un AP. Exemple de astfel de

dispozitive sunt arătate în tabelul 2.

Tabelul 2. Dispozitive I/O continue.

Dispozitive de intrare Dispozitive de ieşire

67

Traductoare de debit Echipamente de comandă

pentru acţionările cu maşini

electrice

Traductoare de presiune Electroventile

Traductoare de nivel Servomotoare

Traductoare de presiune

Potenţiometre

Procesarea semnalelor în unitatea centrală este în acord cu cu programul stocat în

memorie.

Automatul programabil functioneaza doar daca are o secventa de instructiuni salvata in

memorie. Aceasta secventa de instructiuni constituie programul. PLC-ul executa programul

incepand de la prima linie pana la ultima si apoi se reia acest ciclu. Ciclul se numeste

“scanare” (Fig. 3).

Fig. 3. Reprezentarea scanării în AP.

În timpul operării sale, unitatea centrală (CPU) parcurge 3 procese: citeşte sau acceptă,

datele de intrare de la dispozitivele de intrare din proces prin intermediul interfeţei de intrare;

execută, sau îndeplineşte, programul de conducere stocat în memoria sistemului; şi în final

scrie, sau actualizează ieşirile, respectiv dispozitivele de ieşire prin intermediul interfeţei de

ieşire.

68

Ciclul incepe prin citirea intrarilor si apoi urmează executarea programul. Se incheie

prin modificarea iesirilor. Inainte de a se incheia un ciclu de scanare, PLC-ul mai realizeaza

sarcini interne, cum ar fi diagnoza. Un ciclu complet de scanare se numeşte timp de scanare

şi este de circa o milisecundă. Intrările AP sunt citite la intervale bine stabilite de timp.

Fiecare citire se face pe rând dar, având în vedere că timpul dintre citirile a două intrări

diferite este foarte mic (de ordinul microsecundelor), se poate considera că citirile se fac

simultan pentru toate intrările. De asemenea, fiecare ieşire este comandată pe rând dar, având

în vedere că timpul dintre comenzile a două ieşiri diferite este foarte mic (de ordinul

microsecundelor), se poate considera că toate ieşirile sunt comandate simultan.

Programul principal contine subrutine si intreruperi de program. Spre exemplu, daca

dorim ca instalatia sa realizeze o anumita sarcina la pornire, putem folosi o subrutina.

Intreruperile de program sunt dictate de anumite evenimente ce au loc la anumite momente.

3. Module de intrare/iesire

Modulele de intrare/ieşire realizează o adaptare cu izolare galvanică a semnalelor vehiculate

de APe la canalele informaţionale asociate procesului condus şi sunt echipate, în general, cu

elemente optoelectronice de vizualizare a stării acestor canale.

Modulele de intrare/ieşire acceptă, respectiv generează, semnale de curent continuu

sau curent alternativ standardizate în funcţie de, nivelul de tensiune (5, 24, 110 V în curent

continuu sau 110 şi 220 V în curent alternativ), curentul asociat fiecărui canal (treptele fiind

de: 6 mA, 0,15 A, 0,5 A, 1 A, 2,5 A) şi de numărul de canale de intrare sau ieşire (8, 16, 24,

32). În structura acestor module pot exista şi circuite specializate ce permit schimbări de

formate de date, conversii serie-paralel, afişări alfa-numerice etc.

Modulele de intrare transformă semnalele referitoare la starea procesului condus şi

comenzile operatorului în semnale logice (nivele TTL), filtrează aceste semnale şi

efectuează, dacă este cazul, conversii de tip serie-paralel sau paralel-serie.

Modulele de ieşire convertesc semnalele logice binare în nivele de tensiune cuprinse,

în general, între 24-220 V şi efectuează, la rândul lor, dacă este cazul, conversie de tip serie-

paralel.

Figura 1 ilustrează componenţa generală a unui sistem de interfaţă I/O din APe

moderne, în care intră o gamă variată de blocuri şi module analogice şi digitale specializate.

69

Fig. 1. Sistemul de interfaţă I/O al APe.

Există o mare varietate de module intrare/ieşire ce pot intra în componenţa unui AP, ce

pot fi grupate în două mari categorii:

1. Module I/O analogice: semnalul pe care îl transmit sau îl recepţionează are o valoare

analogică;

2. Module I/O digitale: semnalul este de tip digital, având doar două valori.

3.1. Module de intrare/iesire analogice

Având în vedere că APe sunt dispozitive numerice, modulele analogice trebuie să

realizeze o corespondenţă între mărimi analogice (curenţi sau tensiuni) şi valori numerice.

Rezoluţia (cea mai mică valoare de curent sau tensiune) este dată de numărul de biţi utilizaţi

pentru codificarea numerică. O altă caracteristică a unui astfel de modul este viteza de

conversie.

Module de intrare analogice

Există două tipuri de module de intrare analogice:

– Module de intrare analogice cu detecţie de prag care realizează detectarea depăşirii unui

prag de tensiune sau curent (Fig. 2);

70

– Module de intrare analogice de măsură (Fig. 3).

Fig. 2. Schema bloc a căii de semnal pentru o intrare analogică cu detecţie de prag

Fig. 3. Schema bloc a căii de semnal pentru o intrare analogică de măsură

Module de intrare analogice de măsură au caracteristicele generale:

Modulele sunt prevăzute cu circuite de conversie analog numerică (A/N);

Modulele de intrare analogice de măsură de tensiune pot fi:

–unipolare (primesc la intrare numai tensiuni pozitive în general0÷10V)

71

–bipolare (primesc la intrare tensiuni negative şi pozitive în general -10÷+10V).

Modulele de curent sunt unipolare şi primesc la intrare curenţi în general în gama

4÷20mA;

Există posibilitatea reglării atenuării sau amplificării semnalului de intrare ceea ce

permite mărirea domeniului de msură;

Un astfel de modul poate sau nu să efectueze o serie de operaţiuni de liniarizare a

semnalului.

Modulele de ieşire analogice

Fig. 4. Schema bloc a căii de semnal pentru o ieşire analogică

Modulele de iesire analogice se caracterizeaza prin:

Fiecare ieşire este imaginea analogică a valorilor numerice codificate pe un grup de

biţi (8 sau 12) definit de program.

Modulele analogice de ieşire permit conectarea AP la elemente de preacţionare

(variatoare de putere, variatoare de viteză,...) pentru a realiza funcţii de comandă şi de

reglare.

Fiecare ieşire este definită prin natura semnalului furnizat şi prin limitele sale (0-10V,

4-20 mA).

72

2. Module de intrare/ieşire digitale

Aceste module primesc, respectiv furnizează, semnale de tip logic, cu valorile tipice:

- 0 logic = 0 V;

- 1 logic = 5Vc.c.; 12Vc.c.; 24Vc.c.; 48Vc.c.; 12Vc.a.; 24Vc.a.; 120Vc.a.; 220Vc.a.

Module de intrare digitale

Permit unităţii centrale a AP să efectueze o citire a stării logice a traductoarelor sau

senzorilor care le sunt asociaţi;

Modulele au în general 4, 8, 16 sau 32 de intrări;

Fiecărei intrări îi corespunde o cale care prelucrează semnalul electric pentru a

elabora o informaţie binară, bitul de intrare care este memorat;

Ansamblul de biţi de intrare formează cuvântul de intrare. Periodic, procesorul

automatului adresează (citeşte modulul), conţinutul cuvântului de intrare este astfel

copiat în zona de date ale automatului;

Fiecare cale este filtrată împotriva paraziţilor şi a contactelor imperfecte şi izolate

electric pentru a mări fiabilitatea şi securitatea sistemului (izolare galvanică);

Un modul de intrare este definit în principal prin numărul de intrări pe care le are şi

caracteristicile electrice acceptate (tensiune, tipul curentului etc.).

Module de iesire digitale

Un modul de ieşire permite automatului programabil să acţioneze asupra elementelor

de executie si acţionare din proves;

Realizează corespondenţa: stare logică - semnal electric;

Periodic, procesorul adresează modulul de ieşire şi realizează înscrierea biţilor unui

cuvânt de memorie pe căile de ieşire ale modulului;

Elementele de comutaţie ale modulului sunt:

–electronice ( tranzistoare şi triacuri)

–electromecanice (contacte de relee interne modulului).

Ieşirile cu tranzistoare sunt utilizate în cazul comenzii dispozitivelor de c.c.;

Ieşirile cu triacuri sunt folosite pentru comanda dispozitivelor de c.a.;

Ieşirile cu relee pot fi utilizate atât pentru comanda dispozitivelor de c.c. cât şi a celor

de c.a.

73

Ieşirile cele mai obişnuite sunt cele cu relee (Fig. 5). Releele pot fi folosite atât cu

sarcină de curent continuu, cât şi alternativ. Metoda standard de conectare a sarcinii la ieşirile

AP presupune folosirea unei surse de c.a., însă poate fi folosit şi curentul continuu.

Releele se află în interiorul AP. Atunci când programul care rulează în automat indică

ieşirii să devină activă (adevărată), AP va aplica o tensiune bobinei releului, care va închide

contactul corespunzător. La închiderea contactului începe să circule curent prin circuitul

extern, activând de exemplu un contactor sau un releu din procesul condus. Atunci când

programul indică dezactivarea ieşirii, AP va întrerupe tensiune aplicată bobinei releului, iar

circuitul extern va fi deschis, deci inactiv.

Fig. 5. Ieşire digitală electromecanică

Fig. 6. Ieşiri digitale de tip static

74

4. Limbaje de programare

Standardul IEC 61131-3 prevede următoarele modele pentru programarea APe

(limbaje de programare):

1. LD (Ladder Diagram) – Diagrama scară, schemă desfăşurată cu contacte şi relee;

2. FBD (Function Block) – Schema bloc;

3. IL (Instruction List) – Lista de instrucţiuni, un program de tip asembler;

4. ST (Structured Text) – Text structurat, program de tip Pascal;

5. SFC (Secquential Function Chart) – Harta secvenţială a funcţiilor, grafcet.

La ora actuală, majoritatea producătorilor de AP dau utilizatorilor posibilitatea de a

scrie programele de aplicaţie pentru AP utilizând diverse modele şi limbaje de programare

dinte cele standardizate mai sus. Unele limbaje sunt mai apropiate de schemele clasice cu

relee, cum este diagrama scară, în timp ce altele sunt mai apropiate de limbajele de

programare.

Programarea constă dintr-o scriere directă a unor secvenţe de instrucţiuni sau de

ecuaţii plecând de la o diagramă, digrame de stări, expresii logice, etc. Un AP poate fi

programat prin intermediul unui calculator (calea uzuală), dacă există softul respectiv de

programare, dar şi manual printr-o consolă.

4.1. Limbajul LD bazat pe scheme cu contacte

Schema sau diagrama scară (ladder diagram-LD) este un limbaj grafic bazat pe logica

scară (logica în trepte sau treptată) a circuitelor electrice cu relee. Este cel mai utilizat limbaj

de programare pentru comanda maşinilor cu APe. Programarea APe a fost la început strict

Booleeană. Logica scară a releelor, reprezentată grafic prin schema sau diagrama scară, a fost

găsită ca o exprimare ideală a funcţiilor logice Booleene. Când programatorul are nevoie de

funcţii speciale, cum sunt cele matematice, sau are nevoie de intrări şi ieşiri continue, se

folosesc blocuri funcţionale anume prevăzute. Editorii de programe LD au creat o bibliotecă

de blocuri funcţionale speciale pentru temporizatoare (timers), numărătoare (counters),

matematică, transfer informaţional şi funcţii de complexitate crescută, asemenea conducerii

automate PID.

75

Diagrama scară este constituită din linii orizontale plasate între liniile verticale ce

simbolizează tensiunea de alimentare. Pe fiecare treaptă orizontală regăsim 3 tipuri de

simboluri:

- Contacte normal deschise şi normal închise;

- Bobine de releu activate de conductivitatea treptei şi circulaţia curentului;

- Casete ce pot reprezenta relee de timp sau relee numărătoare.

Scrierea unui program în limbajul LD presupune desenarea unei diagrame (diagramă

LD) similare unei scheme electrice cu contacte. Elementele componente ale diagramei LD

modelează funcţionarea elementelor unei scheme cu contacte. Interpretarea funcţionării

diagramei LD este similară interpretării schemelor electrice cu contacte.

Elementele de bază utilizate pentru scrierea unui program în limbaj LD sunt:

–contactele;

–bobinele;

–temporizatoarele;

–numărătoarele şi

–blocurile funcţionale (funcţiile).

Contacte. Contactele sunt elemente de programare care modelează contactele aparatelor

electrice de comutaţie. Sunt cunoscute ca intrari. Fiecare intrare a unui modul de intrari este

recunoscut de catre unitatea centrala in cazul folosirii diagramelor ladder ca un contact.

Adresele prin care prin care putem face deosebirea între diverse inrtrări sunt notate de obicei

cu litera I urmată de două sau 3 cifre. Contactele pot fi normal deschise sau normal inchise ca

cele din figura:

Tipuri de contacte

Prin aranjarea contactelor în serie sau în paralel pot fi realizate operaţii logice asupra

stării semnalelor. Cele normal deschise sunt testate pentru valoarea ‚1’ a semnalului

76

respectiv, iar cele nomal închise pentru valoarea ‚0’. În al treilea caz din figura sunt

reprezentate contacte care nu sunt numai citite, asupra lor se execută şi anumite

modificări/reiniţializări.

Bobine. Bobinele sunt elemente de programare care modelează funcţionarea bobinelor

contactoarelor şi releelor electromagnetice. Ele pot fi asociate ieşirilor automatului dar şi

unor variabile interne modelând astfel releele auxiliare din cadrul schemelor electrice cu

contacte.. Ca şi în cazul bobinelor din schemele electrice, bobinele din programele LD pot

avea două stări: alimentate sau nealimentate. Fiecărei ieşiri i se asociază o singură bobină şi

unul sau mai multe contacte ce pot fi utilizate în schemă în mod asemănător contactelor

auxiliare ale contactoarelor şi releelor. La aceste ieşiri pot fi conectate dispozitive care au

două stări de funcţionare cum ar fi:

–bobinele contactoarelor sau releelor,

–elemente de semnalizare acustică sau luminoasă,

–sarcini de putere mică,

–intrările digitale ale unor aparate de măsură, protecţie sau comandă,

–intrările digitale ale altor AP sau sisteme de comandă etc.

Ca notaţie, cea mai utilizată este litera Q. Ca şi în cazul contactelor sunt folosite 2 sau

3 cifre pentru notarea unei anumite ieşiri. Înscrierea de litere sau simboluri indică o

funcţionare adiţională (salt într-un anume loc în program, controlul timerului, funcţii de

numărare).

Tipuri de bobine

Exemple:

Scrierea unui program pentru comanda unui led cu ajutorul unui întrerupător:

77

Scrierea unui program pentru implementarea funcţiei SI:

Scrierea unui program pentru implementarea funcţiei SAU:

Scrierea unui program pentru următoarea relaţie logică: Q0.0 = I0.0 + ·I0.2

Timere (Temporizatoare, Relee de timp).

Elementele cele mai utilizate după contacte şi bobine, în cazul programării folosind

diagrama scară, sunt timerele respectiv temporizatoarele sau releele de timp. Situaţia nu se

schimbă nici în cazul altor variante de programare, folosirea acestora fiind foarte importantă

pentru programele de conducere cu APe. Temporizatoarele sunt elemente de programare care

modelează funcţionarea releelor de timp şi a contactelor temporizate. Sunt utilizate pentru a

realiza acţiuni întârziate sau care durează un anumit interval de timp. Un timer este utilizat de

pildă pentru a schimba durata de comutare sau timpul cât un contact este închis sau deschis.

Timpii de întârziere pot fi reglaţi de obicei în intervalul 2 ms la 99 h 59 min., depinzând de

tipul AP folosit. Timerele sunt localizate în memoria unităţii centrale. Numărul acestora

I0.0 Q0.0

I0.0 Q0.0 I0.1

I0.0 Q0.0

I0.1

I0.0 Q0.0

I0.1 I0.2

78

depinde de tipul de unitate centrală. Practic reprezintă dispozitive care lucrează cu unităţi de

timp.

Tipurile de aplicaţii care impun folsirea timerelor sunt destul de diverse şi constau în

necesitatea trecerii unui interval de timp pentru a fi schimbate anumite ieşiri ale automatului.

Unul dintre exemplele cele mai tipice este utilizarea unui timer pentru conducerea

semaforului. Astfel, pe fiecare culoare se stă un anumit interval de timp, după care este

activată următoarea şi dezactivată cea care fusese aprinsă iniţial.

Temporizatoarele utilizate în programele LD au o flexibilitate şi o funcţionalitate mult

mai mare decât temporizatoarele utilizate în schemele electrice. Temporizatoarele simple

permit realizarea unei acţiuni întârziate cu un anumit interval de timp ce poate fi programat.

Temporizatoarele complexe au în vedere obţinerea unor temporizări variabile, funcţie

de anumite condiţii care apar la un moment dat.

Temporizatoarele au cel puţin o intrare de iniţializare, la activarea căreia începe

temporizarea şi o ieşire. În unele variante, temporizatoarele sunt prevăzute şi cu o intrare de

validare şi încă o ieşire care reprezintă negata primei ieşiri (Fig. 1).

Fig. 1. Forma de principiu a unui timer.

Un timer este pornit pe frontul semnalului şi poate fi apoi controlat prin intermediul

unor semnale. Pentru o aplicaţie foarte simplă realizată cu un automat S7-200 (Siemens)

procesul este reprezentat în figura 2.a şi este reprezentat de un întrerupător şi un bec. Becul

este aprins la 15 secunde după acţionarea întrerupătorului. În figura 2..b este reprezentat

programul în LD. La intrarea I0.3 este pus întrerupătorul, iar pentru valoarea timerului s-a

ales 150 (incrementul este 0,1 secunde).

79

a)

b)

Fig. 2.

Numărătoare.

Numaratoarele utilizate de catre automatele programabile au aceeasi functionare ca si

cele cunoscute (numărătoarele integrate). Controlul aplicatiilor care utilizeaza numaratoare

poate fi realizat prin incrementarea pana la o anumita valoare dupa care cauzeaza aparitia

unui eveniment sau provoaca aparitia evenimentului pana cand numaratorul atinge valoarea

presetata.

La numărător se precizează valoarea prestabilită, aceasta reprezentând valoarea

maximă pe care o va număra numărătorul după care va activa ieşirea. Un numărător are cel

puţin 2 intrări, una de numărare şi una de iniţializare (la activarea careia numărătorul începe

să numere impulsurile sosite la intrarea de numărare) şi o ieşire. Alte variante de

numărătoare sunt prevăzute şi cu o intrarea de validare şi o ieşire ce reprezintă negata primei

ieşiri (Fig. 3).

80

Fig. 3. Numărător cu 2 ieşiri.

Un numarator este setat sau resetat in functie de semnalele prezente la intrarile sale.

Frecventa de numarare depinde de timpul de procesare al programului. Numararea se poate

face crescator prin aplicarea unui impuls pe intrarea respectiva (Count up - CU) sau in sens

descrescator pentru intrarea de ‘Count down’ (CD). Diferenta intre numaratoare consta in

tipul de numarare care poate fi efectuat: in sens crescator (CU), in sens descrescator (CD) si

in ambele sensuri (CUD).

Fig. 4. Programarea unui numerator de tipul CUD.

Numaratorul prezent in aplicatia din figura 4. este unul care insumeaza ambele tipuri

de numarare. Prin activarea intrarii I0.2 este setat, adica este inscrisa valoarea 20 data de

formatul C#20, iar prin activarea intrarii I0.3 este resetat, aceasta valoare urmand sa fie

stearsa. Pentru incrementare este folosita intrarea I0.0 iar pentru decrementare intrarea I0.1.

Valoarea care se gaseste in numarator poate fi citita prin folosirea variabilei de memorie C1

sau direct pe cele doua iesiri in valoare binara sau in cod BCD.

4.2. Limbajul SFC (Secquential Function Chart)

81

Utilizarea SFC - Harta secvenţială a funcţiilor – se refera la scrierea programelor

pornind de la diagramele de functionare ale acestora numite diagrame de stari. Astfel, fiecare

stare are caracteristic anumite iesiri iar intre stari se executa tranzitiile in momentul aparitiei

anumitor intrari. Modul acesta de programare este oferit doar de anumite firme si este mult

mai facil in cazul aplicatiilor care presupun o rezolvare rapida, fara interventia unui

programator specializat, in acest caz fiind mai utila o persoana care cunoaste foarte bine

procesul, a semnalelor care trebuie sa vina din process si respectiv a modului de raspuns al

acestuia. Datorita faptului ca este un mod special de programare in general este livrat separat

de pachetul principal de software furnizat pentru un anumit automat programabil (bineinteles

numai daca firma producatoare a prevazut o astfel de posibilitate). O formă particulară de

SFC este limbajul de automatizare GRAFCET.

Limbajul de automatizare GRAFCET este un instrument util in descrierea functionarii

unui sistem automat de productie(SAP). De asemenea putem proiecta mai usor un automat

secvential si se poate transpune direct intr-un limbaj caracteristic unui automat programabil

(PLC).

Elementele grafice de baza sunt:

- etapele

- tranzitiile

- legaturi orientate

Fiecarei etape i se asociaza o actiune si fiecarei tranzitii i se asociaza o receptivitate.

GRAFCET este o diagrama constituita din alternarea unor etape si tranzitii ce sunt conectate

intre ele prin legaturi orientate (Fig. 1).

Etapele caracterizeaza comportamentul invariant al unui sistem la un moment dat,

tinand cont de intrarile si iesirile acestuia.

Fiecarei etape i se asociaza o actiune. Starile posibile ale unei etape sunt:

- activa, adica actiunea poate fi executata

- inactiva

Putem sa asociem un punct unei etape active la un moment dat.

82

Fig. 1. Diagramă GRAFCET

In reprezentarea grafica exista doua tipuri de etape:

- etapa initiala ce iese in evidenta printr-un dreptunghi dublu

- etapa normala

Fiecare etapa, notata generic cu i, poseda o variabila de stare a etapei, notata cu Xi.

Aceasta variabila este de tip boolean si poate lua valoarea 0 logic daca etapa este inactiva,

sau 1 logic daca este activa.

Tranzitiile indica posibilitatea evolutiei de la o etapa la alta, sau succesiunea actiunilor

desfasurate intr-un sistem automat de productie. Fiecare tranzitie are asociata o conditie

logica, numita receptivitate, ce exprima de fapt conditia ce trebuie indeplinita pentru a trece

dintr-o etapa in alta.

83

Schimbarea starii intr-o diagrama GRAFCET se face prin parcurgerea unei tranzitii, ce

implica desfasurarea unor evenimente in blocul operativ sau in blocul de comanda al unui

sistem de automatizare.

Legaturile orientate(arce orientate) conecteaza etapele de tranzitii si tranzitiile de etape.

Ele arata caile de evolutie ale sistemului automat, prin conventie de sus in jos.

Receptivitatile sunt conditiile asociate tranzitiilor. Ele sunt implementate cu ajutorul

functiilor logice si poat lua doar doua valori: 1 sau 0. Functiile logice depind de:

- variabile de intrare logice ce traduc starile senzorilor, ale butoanelor, ale limitatorilor de

84

cursa etc.;

- starea curenta a etapelor din diagrama;

- timp (temporizari).

85