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Konstruktion eines Festkörpergelenkgreifers mit bistabiler Formgedächtnisaktorik

Authors:
  • ZeMA - Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH
Conference Paper

Konstruktion eines Festkörpergelenkgreifers mit bistabiler Formgedächtnisaktorik

Abstract

In der industriellen Fertigung sind die meisten Bearbeitungsschritte mit dem Transportieren und Positionieren von Werkstücken verbunden. Die aktiven Schnittstellen zwischen Handhabungssystem und Werkstück sind industrielle Greifer, die vor allem im kleinteiligen Bereich oft pneumatisch angetrieben werden. Auf dem Weg zu höherer Energieeffizienz und digitalen Fabriken sind Unternehmen auf der Suche nach neuen Antriebstechnologien mit mehr Sensorintegration und besseren Wirkungsgraden. Gängige Aktoren wie Magnete und Elektromotoren sind in vielen Fällen zu schwer und groß für eine direkte Integration in das Greifsystem. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind Formgedächtnislegierungen (FGL) geeignet, diese Nachteile herkömmlicher Aktuatoren zu überwinden. Zusätzlich verfügen sie über sogenannte Self-Sensing Fähigkeiten, die zu einer sensorlosen Überwachung und Steuerung des Antriebssystems führen. Ein weiterer Nachteil konventioneller Greifer ist ihr Aufbau, der auf beweglichen Teilen, die besonders in abrasiven Umgebungen schnell verschleißen. Dies kann durch Festkörpergelenke, die konventionelle Gelenke ersetzen, vermieden werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess eines Funktionsprototyps für einen elastischen Greifer, der von einer bistabilen FGL-Antriebseinheit angetrieben wird, für industrielle Anwendungen umrissen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung des FGL-Antriebs, während ein erster Designansatz für den nachgiebigen Greifmechanismus mit Festkörpergelenken vorgestellt wird. Das Ergebnis ist ein funktionierender Greifer-Prototyp, der hauptsächlich aus 3D-gedruckten Teilen besteht. Erste Ergebnisse von Validierungsversuchen werden diskutiert. Abstract Within industrial manufacturing most processing steps are accompanied by transporting and positioning of workpieces. The active interfaces between handling system and workpiece are industrial grippers, which often are driven by pneumatics, especially in small scale areas. On the way to higher energy efficiency and digital factories, companies are looking for new actuation technologies with more sensor integration and better efficiencies. Commonly used actuators like solenoids and electric engines are in many cases too heavy and large for direct integration into the gripping system. Due to their high energy density shape memory alloys (SMA) are suited to overcome those drawbacks of conventional actuators. Additionally, they feature self-sensing abilities that lead to sensor-less monitoring and control of the actuation system. Another drawback of conventional grippers is their design, which is based on moving parts, are prone to wear, especially in abrasive environments. This can be overcome by flexure hinges that dispense with bearings and guides. In the presented work, the development process of a functional prototype for a compliant gripper driven by a bistable SMA actuation unit for industrial applications is outlined. The focus lies on the development of the SMA actuator, while the first design approach for the compliant gripper mechanism with solid state joints is proposed. The result is a working gripper-prototype which is mainly made of 3D-printed parts. First results of validation experiments are discussed.
Konstruktion eines Festkörpergelenkgreifers mit bistabiler
Formgedächtnisaktorik
Dominik Scholtes 1, Stefan Seelecke 2, Paul Motzki 1,2
1Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA gGmbH), Saarbrücken
2Fachbereich Systems Engineering, Fachbereich Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, Universität des
Saarlandes, Saarbrücken
Kurzfassung
In der industriellen Fertigung sind die meisten Bearbeitungsschritte mit dem Transportieren und Positionieren von
Werkstücken verbunden. Die aktiven Schnittstellen zwischen Handhabungssystem und Werkstück sind industrielle
Greifer, die vor allem im kleinteiligen Bereich oft pneumatisch angetrieben werden. Auf dem Weg zu höherer
Energieeffizienz und digitalen Fabriken sind Unternehmen auf der Suche nach neuen Antriebstechnologien mit mehr
Sensorintegration und besseren Wirkungsgraden.
Gängige Aktoren wie Magnete und Elektromotoren sind in vielen Fällen zu schwer und groß für eine direkte Integration
in das Greifsystem. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind Formgedächtnislegierungen (FGL) geeignet, diese
Nachteile herkömmlicher Aktuatoren zu überwinden. Zusätzlich verfügen sie über sogenannte Self-Sensing Fähigkeiten,
die zu einer sensorlosen Überwachung und Steuerung des Antriebssystems führen. Ein weiterer Nachteil konventioneller
Greifer ist ihr Aufbau, der auf beweglichen Teilen, die besonders in abrasiven Umgebungen schnell verschleißen. Dies
kann durch Festkörpergelenke, die konventionelle Gelenke ersetzen, vermieden werden. In der vorliegenden Arbeit wird
der Entwicklungsprozess eines Funktionsprototyps für einen elastischen Greifer, der von einer bistabilen FGL-
Antriebseinheit angetrieben wird, für industrielle Anwendungen umrissen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung
des FGL-Antriebs, während ein erster Designansatz für den nachgiebigen Greifmechanismus mit Festkörpergelenken
vorgestellt wird. Das Ergebnis ist ein funktionierender Greifer-Prototyp, der hauptsächlich aus 3D-gedruckten Teilen
besteht. Erste Ergebnisse von Validierungsversuchen werden diskutiert.
Abstract
Within industrial manufacturing most processing steps are accompanied by transporting and positioning of workpieces.
The active interfaces between handling system and workpiece are industrial grippers, which often are driven by
pneumatics, especially in small scale areas. On the way to higher energy efficiency and digital factories, companies are
looking for new actuation technologies with more sensor integration and better efficiencies.
Commonly used actuators like solenoids and electric engines are in many cases too heavy and large for direct integration
into the gripping system. Due to their high energy density shape memory alloys (SMA) are suited to overcome those
drawbacks of conventional actuators. Additionally, they feature self-sensing abilities that lead to sensor-less monitoring
and control of the actuation system. Another drawback of conventional grippers is their design, which is based on
moving parts, are prone to wear, especially in abrasive environments. This can be overcome by flexure hinges that
dispense with bearings and guides.
In the presented work, the development process of a functional prototype for a compliant gripper driven by a bistable
SMA actuation unit for industrial applications is outlined. The focus lies on the development of the SMA actuator, while
the first design approach for the compliant gripper mechanism with solid state joints is proposed. The result is a working
gripper-prototype which is mainly made of 3D-printed parts. First results of validation experiments are discussed.
1 Motivation und Einleitung
Die globale Bewegung zur Senkung des
Energieverbrauchs und Steigerung der Effizienz ist auch
im industriellen Umfeld ein großes Thema. Parallel dazu
hält mit der Entwicklung von Industrie 4.0 mehr
Digitalisierung Einzug in alle großen Unternehmen. Dazu
gehört der Bedarf an intelligenteren Maschinen mit mehr
Sensorintegration und intelligenter
Zustandsüberwachung.
Neben Magnetaktoren und Elektromotoren ist die
Pneumatik in den meisten Unternehmen immer noch die
verbreitetste Antriebstechnologie. Obwohl sie viele
Vorteile hat, ist die Pneumatik dafür bekannt, dass sie vor
allem aufgrund von Verlusten in den Rohrleitungen,
Ventilen und Anschlüssen ineffizient ist. Besonders in
sauberen Produktionen bringt die Druckluft zusätzlich
Partikel und Öl in den Prozess. Die Überwachung und
Steuerung von pneumatischen Systemen basiert auf
externen Sensoren, die nur grundlegende Daten liefern.
Besonders in Montagelinien wird eine große Anzahl
dieser pneumatischen Greifer zum Positionieren,
Handhaben und Transportieren von Werkstücken
eingesetzt. Ziel der vorgestellten Arbeit ist es, einen
funktionsfähigen Prototyp zu entwickeln, der das
Potenzial aufweist, diese Greifer in Zukunft zu ersetzen.
Der entwickelte Greifer soll eine energieeffiziente,
intelligente und leichte Alternative sein, die komplett auf
pneumatische Systeme und Komponenten verzichtet, aber
eine ähnliche Funktionalität wie heutige Standardgreifer
aufweist.
Auf dem Weg zu neuen Lösungen, die höhere Effizienz
als auch bessere Digitalisierung ermöglichen, können
intelligente Materialien eine große Rolle spielen. Neben
ihren aktorischen Eigenschaften können sie gleichzeitig
als Sensor genutzt werden. Dies führt zu sensorlosen
Aktuator Systemen, die leicht, kompakt und
energieeffizient sind. Während Dielektrische Elastomere
(DEs) für ihre hohe Energieeffizienz und schnelle
Betätigungsfrequenzen bekannt sind [1], weisen
Formgedächtnislegierungen (FGL) die höchste bekannte
Energiedichte auf [2]. Da die Ansteuerung auf einem
thermischen Effekt beruht, sind die Frequenz und der
Wirkungsgrad einer FGL ans sich begrenzt. Daher
wurden intelligente Steuerungs- und Designstrategien
entwickelt, die diese Nachteile ausgleichen. Neuere
Forschungen zeigen verschiedene Ansätze für
energieeffiziente FGL-basierte Antriebssysteme [3], [4].
Darüber hinaus basiert das Design traditioneller
industrieller Greifer auf einem Zusammenbau von
beweglichen Teilen mit Linearführungen, Lagern und
Scharnieren [5]. Der Bedarf an Präzisionsteilen in
Verbindung mit dem hohen Montageaufwand macht
herkömmliche Greifer teuer und komplex. Alle
Führungen und Lager sind anfällig für Verschleiß,
insbesondere in Prozessumgebungen mit abrasiven
Medien. Bei elastischen Mechanismen (compliant
mechanisms) hingegen, die bereits von Mikrogreifern
bekannt sind, werden alle Gelenke und Führungen durch
flexible Teile ersetzt. Die gesamte Greiferkinematik kann
als ein einziges Teil gefertigt werden, was heutzutage mit
einer Vielzahl von 3D-Druckverfahren realisiert werden
kann. Durch das Fehlen von Toleranzen, die
mechanischen Führungen und Lagern aufweisen, wird die
Präzision und Wiederholgenauigkeit durch den Einsatz
von Festkörpergelenken erhöht [6].
2 Grundlagen
FGL-Aktuatoren werden in den meisten Anwendungen in
Form dünner Drähte verwendet. Sie lassen sich bei
niedrigen Temperaturen leicht verformen und kehren bei
Erwärmung über ihre Übergangstemperatur in ihre
ursprüngliche Form zurück. Dieses Verhalten wird als
Zwei-Weg-Formgedächtnis-Effekt (ZWE) bezeichnet und
basiert auf einer Phasenumwandlung von Martensit
(niedrige Temperatur) zu Austenit (hohe Temperatur) [7].
Die heute am besten untersuchte und am häufigsten
verwendete Legierung ist Nickel-Titan (NiTi) mit einer
Übergangstemperatur von ca. 90 °C und einem
maximalen Hub von ca. 5 %. Es gibt bereits eine Reihe
von Anwendungen für FGL-basierte Aktuatoren in der
Automobilindustrie und in Elektronikartikeln. Beispiele
sind Pneumatikventile und Verriegelungsmechanismen
[8], [9]. In neueren Forschungskonzepten wurden FGL-
getriebene Pick-and-Place Systeme, Roboteranwendungen
und medizinische Geräte entwickelt [10]-[13]. In diesen
Konzepten werden die Vorteile von FGL-Aktoren wie
hohe Energiedichte, geringes Gewicht, geräuschlose
Betätigung, hohe Kräfte und kurze Aktivierungszeiten
gezeigt. Die Dynamik eines FGL-Aktors hängt von der
Abkühlzeit des Drahtes ab, die direkt mit dem Verhältnis
von Oberfläche zu Querschnittsfläche des Drahtes
zusammenhängt. Aus diesem Grund führt die Bündelung
vieler dünner Drähte zu einer ähnlichen Kraftabgabe wie
ein äquivalenter Draht mit großem Durchmesser, kann
aber Frequenzen von bis zu 35 Hz erreichen [14], [15].
Um energieeffiziente Systeme zu schaffen, die von FGL
angetrieben werden, muss der Wärmeübergang vom FGL-
Draht auf seine Umgebung minimiert werden. Dies kann
z. B. auf zwei verschiedene Arten erreicht werden: mit
einer schnellen Aktivierung und einem energiefreien
Positionshalten [3], [4], [11]. Bei einer schnellen
Aktivierung ist der Strom zum Aufheizen des Drahtes ein
kurzer Impuls mit großer Amplitude, was zu einem
adiabatischen Aufheizverhalten des Drahtes führt.
Verschiedene Regelstrategien können dann angewendet
werden, um eine Überhitzung des FGL zu verhindern. Ein
energieloses Halten der Position kann mit einem
bistabilen Mechanismus erreicht werden. Der
Mechanismus führt des Weiteren zu einem
Übersetzungsverhältnis des FGL-Hubs und hoher
Haltekräfte am Abtrieb. Die Kombination eines bistabilen
FGL-Aktors mit einer Hochgeschwindigkeitsansteuerung
reduziert den Energieverbrauch des Systems auf ein
Minimum.
In der industriellen Fertigung sind Greifer die aktive
Schnittstelle zwischen Handhabungssystem und
Werkstück. Ihre Funktionen können sein, eine bestimmte
Position und Orientierung des Werkstücks temporär
beizubehalten, aber auch zu verändern, Prozesskräfte und
-momente zu halten und bestimmte technische Abläufe zu
erfüllen [16]. Die für diese Arbeit relevantesten
Greifertypen sind die so genannten Backengreifer. Das
Greifen eines Objekts oder Werkstücks mit diesen
Greifern kann in drei Gruppen eingeteilt werden: reiner
Formschluss, partieller Formschluss kombiniert mit
Kraftschluss und reiner Kraftschluss [16]. Die
Backenbewegung selbst lässt sich im Wesentlichen in
zwei Formen einteilen, die in Abbildung 1 dargestellt
sind: winklige Backenbewegung a) und parallele
Backenbewegung b). Beide können innen- und
außengreifend sein.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Greifbackenbeweg
ung bei herkömmlichen Industriegreifern [16]
Das Antriebssystem, das die Greifbacken bewegt, ist in
den meisten Fällen pneumatisch angetrieben. Auch
elektrische Antriebe und Elektromagnete werden als
Aktoren eingesetzt. Bislang konnten sich intelligente
Materialien als Aktoren für Makrogreifer noch nicht
etablieren, obwohl auf diesem Gebiet geforscht wird. Im
Bereich der Mikrogreifer gibt es mehrere Beispiele, die
die Vorteile von piezoelektrischen Elementen und
Formgedächtnislegierungen zeigen [17], [18].
Das Gleiche gilt für Kinematiken, die auf
Festkörpergelenken basieren. Elastische Mechanismen
sind in Mikrogreifern gut etabliert, da die vorhandenen
Lager und Führungen zu groß sind zu großes Spiel
aufweisen. Es gibt aber bereits Ansätze, Festkörpergelenk
basierte Kinematiken in Industriegreifern zu etablieren
[19]. Vorteile wie kleinere Toleranzen, bessere Präzision,
weniger Einzelteile stehen Nachteilen wie elastischen
Gegenkräften und höherem Entwicklungsaufwand
gegenüber.
Die Kombination aus einer Antriebseinheit auf Basis von
FGL-Drähten und einer nachgiebigen Greiferkinematik ist
ein vielversprechender neuer Ansatz für intelligente und
innovative Greifsysteme.
3 Entwicklung der elastischen
Kinematik
Als erster Schritt in der Entwicklung des
Funktionsprototyps wird ein Konzept der nachgiebigen
Kinematik erstellt. Ziel ist es, eine erste funktionstüchtige
Version zu erhalten, zu diesem Zeitpunkt ohne
Bauraumbedarf. Der Grundaufbau des nachgiebigen
Mechanismus ist in Abbildung 2 dargestellt. Sie besteht
aus zwei trapezförmigen Gelenken (3) und zwei
Blattfedergelenken (2), die im Wesentlichen als
Schubstangen arbeiten und mit der Antriebseinheit
verbunden sind. Der gesamte Prototyp wird mittels FDM-
Druck hergestellt. Als Material wurde PETG gewählt, da
es eine hohe Flexibilität und Zähigkeit bei gleichzeitig
guten Druckergebnissen aufweist. Das beispielhafte
Werkstück (1) hat einen Durchmesser von 15,9 mm, eine
Dicke von 2,9 mm und eine Masse von 0,005 kg. Das
Konzept zeigt eine winklige Backenbewegung und hat
kein großes Übersetzungsverhältnis von Antrieb zu
Abtrieb. Nachdem der Prototyp manuell getestet wurde
und das gewünschte Hubverhalten zeigt, folgen mehrere
Iterationsschleifen. Der Entwurf wird modifiziert, um die
Federkräfte der Biegescharniere zu reduzieren, eine flache
Betätigungseinheit und austauschbare Greifbacken zu
ermöglichen. Das Ergebnis wird in Kapitel 5 beschrieben
und dargestellt.
Abbildung 2: Erstest 3D gedrucktes Konzept der
Greiferkinematik auf Basis von Festkörpergelenken
4 Entwicklung des bistabilen FGL-
Aktuators
Das Patent von Motzki und Seelecke, auf dem der
entwickelte FGL-Aktuator basiert, enthält eine Vielzahl
von Grundkonstruktionen für einen bistabilen FGL
Aktuator [20]. Um relativ kompakte Außenmaße für den
Greiferantrieb zu erreichen, werden die FGL-Drähte
parallel zur Blattfeder gesetzt, wie in Abbildung 3
dargestellt.
Abbildung 3: Skizze eines FGL Aktors mit einer bistabilen,
drehbar gelagerten Blattfeder in parallal dazu angeordneten FGL
Drähten [20]
Nummer 41 und 42 in der Abbildung sind die FGL-
Drähte, 2 die Blattfeder und 8 die Hebelarme, an denen
die FGL-Drähte in den Punkten 51 und 52 befestigt sind.
Wesentliche Merkmale der Antriebsmechanik sind die
Übertragung des FGL-Hubs auf den Antriebshub in 4
über die Länge der Hebelarme und vor allem die beiden
stabilen energielosen Positionen des Systems. Die
Ausgangskraft des Aktors wird durch die Parameter der
Blattfeder bestimmt. Hier ist vor allem deren Dicke
relevant. Obwohl die genaue Kraft für diesen ersten
Funktionsprototyp nicht wichtig ist, muss sie stark genug
sein, um die Gegenkraft der nachgiebigen Mechanik zu
überwinden und das Werkstück in den Greifbacken zu
sichern. Ein Greifzyklus (Backen schließen und wieder
öffnen) sollte etwa 1 Sekunde dauern. Da diese Frequenz
nur vom Drahtdurchmesser abhängig ist, liegt der
maximal mögliche Drahtdurchmesser bei 100 µm, wenn
keine zusätzlichen Kühlmedien berücksichtigt werden
[21]. Um eine ausreichende Ausgangskraft zu erreichen,
müssen mehrere NiTi-Drähte mechanisch parallel
gebündelt werden.
Sechs 100 µm NiTi-Drähte werden mit 5 mm breiten
Edelstahlblechen verbunden. Dies wird mit einem
Widerstandsschweißprozess und einem kontrollierten
Vorspannverfahren für jeden einzelnen Draht realisiert.
Die hohe Verbindungsfestigkeit beim
Widerstandsschweißen von dünnen NiTi-Drähten mit
Edelstahl wurde von Scholtes et al. gezeigt [22]. Die
Länge dieser Bündel hängt vom Hub ab, der benötigt
wird, um die Blattfeder von einer Position in die andere
schnappen zu lassen. Mit dem gewünschten Hub in der
Mitte des bistabilen Elements und dessen Länge kann der
Winkel in den Drehpunkten mit Hilfe einer Spline-
Funktion im CAD modelliert werden. Der vorgestellte
Aktor hat einen Hub der bistabilen Feder von 4 mm. Der
Abstand zwischen den Drehpunktaufnahmen beträgt
39 mm. Bei einem Hebel von 1,5 mm und einem FGL-
Hub von 3,5 % ergibt sich eine Drahtlänge von 35 mm. In
Abbildung 4 ist die endgültige CAD-Baugruppe des
Aktors dargestellt.
Abbildung 4: CAD-Modell des bistabilen FGL-aktors: 1:
Blattfeder mit Gewindestange als Abtrieb; 2: FGL-Drahtbündel;
3. Passstifte als Welle; 4. Rahmen mit Buchsen; 5: Federklemme
mit Befestigungspunkten für FGL-Aktoren
Alle Teile, mit Ausnahme der Blattfeder und der
Drahtbündel, werden aufgrund der besseren Auflösung
und Präzision mit einem SLA-Drucker hergestellt. Die
Klemmen (5) sind auf Passstiften (3) montiert, die in
Buchsen im Rahmen (4) gelagert sind. Die elektrische
Verbindung der FGL-Drähte wird mit selbstklebender
Kupferfolie realisiert, die auf den Klemmen angebracht
ist. Die Bündel auf jeder Seite der Feder sind elektrisch in
Reihe geschaltet, während sie vom gegenüberliegenden
Bündelpaar isoliert sind.
Zur Versorgung und Ansteuerung des Aktors wird eine
mikrocontrollerbasierte Elektronik entwickelt. Sie
verarbeitet auch das Widerstandssignal. Als
Eingangssignal dient ein 24-Volt-Signal, wie es z. B. von
einer SPS-Steuerung erzeugt wird. Ein
Hochspannungsimpuls versorgt die FGL-Drähte mit einer
bestimmten Energiemenge. Die Einschaltdauer beträgt ca.
100 ms. Je nach Umgebungstemperatur werden 1400 -
1800 mJ an Energie benötigt, damit das bistabile Element
in die entgegengesetzte Position schnappt. Die
Widerstandsänderung der NiTi-Drähte wird gemessen
und als Positionsrückmeldung des Aktors an die SPS-
Steuerung zurückgesendet.
5 Zusammenbau des Greifers und
erste Validierung
Zur Befestigung des Aktors an der Greiferkinematik ist
ein Klemmsystem vorgesehen. Es ermöglicht die einfache
Demontage des Greifers und erleichtert die Wartung und
Feinabstimmung des Systems. In Abbildung 5 ist eine
Explosionszeichnung der Greiferbaugruppe in CAD
dargestellt. Die Befestigungsteile sind mit dem
Greiferkörper mit integrierter Kinematik verschraubt und
ficxieren die Aktorik.
Abbildung 5: CAD-Modell des Greifer Zusammenbaus als
Explosionsansicht: In grün die elastische Kinematik, blau die
Befestigungsteile für die Aktorik
In Abbildung 6 ist der fertig montierte Greifer mit
elektrischen Anschlüssen dargestellt. Die Greifbacken
sind austauschbar, um zu verschiedene Werkstücken zu
passen und auch den Abstand einzustellen. Der gesamte
Greifer wiegt etwa 150 g.
Abbildung 6: Foto des komplett zusammengebauten Festkörper-
Greifers mit bistabilem FGL-Antrieb, der ein Beispiel-
Werkstück greift
Für erste Validierungstests des Greifers wird ein
Versuchsaufbau konzipiert. Ziel ist es, die Bewegung
einer Greifbacke über die Zeit im Vergleich zum
Eingangssignal zu messen. Die Positionsmessung erfolgt
mit einem Keyence LK-G37 Laser-Triangulationssensor,
während der Greifer auf einem Breadboard befestigt ist.
Die Datenerfassung erfolgt mit Hilfe von NI LabVIEW.
Abbildung 7 zeigt ein beispielhaftes Ergebnis der
Messungen. Das 24-V-Eingangssignal von der SPS-
Steuerung, das einer logischen 1 entspricht, ist in rot und
sichtbar.
Abbildung 7: Grafische Darstellung der Messung von zwei
Aktivierungszyklen des FGL-Greifers
Das Eingangssignal schaltet für 1,2 s auf 1 und dann
wieder auf 0. Dieser Zyklus wird dann nach ca. 4 s
manuell wiederholt. Die Bewegung der Greifbacke folgt
dem Eingangssignal. Der maximale Hub beträgt 3,4 mm,
stabilisiert sich aber bei 3,2 mm. Da nur eine Backe
beobachtet wird und da sie sich parallel bewegen, wird
ein Gesamthub der Backen von 6,4 mm erreicht. Das
Überschwingen, das beim Öffnen und Schließen zu
beobachten ist, ist auf einen FGL-Hub zurückzuführen,
der größer als nötig ist und die bistabile Feder weiter als
ihre eigene stabile Position biegt. Mit reduziertem
Energieeintrag oder einer optimierten Steuerelektronik
kann dieses Verhalten reduziert werden. Die Messungen
zeigen, dass das Umschalten zwischen geöffnetem und
geschlossenem Zustand weniger als 100 ms dauert. Eine
Abkühlzeit für die Drahtbündel von 1,2 s ist ausreichend
und kann durch eine weiter optimierte Ansteuerung des
Ansteuerstroms sogar noch reduziert werden.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Mittels relativ neuer Entwicklungen und
Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der FGL Aktorik
wird ein fortgeschrittenes neues Greifkonzept für das
industrielle Umfeld vorgestellt. Die Machbarkeit und
Funktionalität eines FGL-angetriebenen bistabilen
Greifers auf Basis einer elastischen Kinematik wird in der
vorgestellten Arbeit aufgezeigt. Der Greifer erreicht eine
Greiffrequenz von 0,8 Hz bei einem Backenöffnungshub
von 6,4 mm. Die Schaltzeit selbst liegt unter 100 ms. Er
kann ein kleines Werkstück sicher greifen und
transportieren. Das System ist leicht, hat einen geringen
Energieverbrauch, ist geräuschlos und arbeitet ohne
zusätzliche Medien außer Elektrizität. Die Self-Sensing
Eigenschaften der NiTi-Drähte ermöglichen eine
Positionserkennung des Greifers sowie eine
Zustandsüberwachung ohne zusätzliche externe Sensoren.
Das Widerstandssignal der Aktordrähte wird in Zukunft
auch für eine Regelung des Aktivierungsimpulses genutzt.
Dazu wird der Schnapppunkt der Feder als
charakteristisches Verhalten des Drahtwiderstandes
erkannt. Im Moment der Erkennung wird die Stromzufuhr
abgeschaltet. Dies führt zu einem noch weiter reduzierten
Energieverbrauch, schnelleren Betätigungs- und
Zykluszeiten sowie der Fähigkeit, sich an wechselnde
Umgebungsbedingungen anzupassen. Ein erster Vergleich
zu einem pneumatischen Standardgreifer verspricht eine
Energieeinsparung von bis zu 80 %.
Danksagung
Die Autoren danken der Robert Bosch GmbH für die
Finanzierung des Forschungsprojekts.
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Chapter
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The high energy density of shape memory alloy actuators in combination with their self-sensing ability and their unique form factors allow for the design of miniaturized and compact but yet powerful actuator-sensor-systems. These properties as well as their noise and emission free operation make them attractive actuator solutions for industrial applications. Specifically in the fields of material handling, soft robotics and continuum robotics, there have been several developments of SMA based grippers, end-effectors and robotic structures.
Patent
Full-text available
The invention relates to an actuator device (1) for providing at least two actuator positions, comprising an elastic bending element (2), which at at least one fastening point (31, 32, 34) is held such that by exerting a switching torque at the fastening point (31, 32, 34), an elastic deformation of the bending (2) leads to a change from a first actuator position into a second actuator position, and comprising at least one actuator element (41, 42) having a shape memory wire, wherein by heating, the shape memory wire generates a tractive force, and is thus coupled to a section of the bending element (2) at the fastening point (31, 32, 34), such that the tractive force causes the switching moment to be brought about at the fastening point (31, 32, 34) in order to move the bending element (2) from the first actuator position into the second actuator position.
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Thermal shape memory alloy (SMA) actuators are known for their superior energy density (force-volume-ratio) compared to other actuation principles, allowing the construction of lightweight and compact systems. Furthermore, SMA actuators can be used as sensors, as their electrical resistance changes during activation. Using this multifunctionality, this work aims at presenting the development, fabrication and validation of an SMA driven robotic end-effector. The end-effector prototype is designed in a modular concept and consists of four independent arms with two degrees of freedom (DOF). Each arm can rotate in-plane and also tilt out-of-plane to allow gripping of various workpiece geometries. Both DOF actuator components consist of an SMA wire working against a tension spring. The tilting joint has an additional mechanism that creates two energy-free rest positions to improve energy-efficiency. The end-effector is designed to carry a maximum load of 10 kg. In a test bench for the validation of the SMA driven end-effector joints, hall sensors are used to measure the gripping arm displacement. In addition, the resistance of the SMA wires is monitored during activation. The dynamic system performance is analyzed using different activation current levels. Finally, a PI control with Hall sensor feedback is implemented to position the first DOF at arbitrary angles within its 90° rotation radius.
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Dielectric elastomers represent a relatively new technology with high potentials for actuators’ applications. Thanks to their lightweight, fast operations, energy efficiency, low power consumption, large deformations, and high scalability, dielectric elastomers permit to develop novel mechatronic systems capable of overperforming standard actuation technologies, such as solenoid valves, in several applications. This article presents a novel design for a dielectric elastomer– driven actuator system which enables closing and opening of a contactor. The design is based on a combination between circular out-of-plane dielectric elastomer membranes and a bi-stable biasing system which allows to increase the out-ofplane stroke. Characterization of the contactor is initially performed in order to establish the actuator requirements in terms of force and stroke. Then, systematic design and manufacturing are carried out for both dielectric elastomer membranes and biasing mechanism. Finally, the effectiveness of the actuator in closing and opening the contactor is validated experimentally. The results show comparable dynamic performance to a conventional electromagnetic drive, with the additional advantage of a significantly lower energy consumption.
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Shape Memory Alloy (SMA) wires are a promising actuator technology, especially for designing lightweight and small systems, due to their high energy density. Their working principle is based on the fact that they contract when heated, which is typically done via an electrical current. State-of-the-art bonding technologies of SMA wires are crimping and clamping. Miniaturizing actuator systems and the complexity of the crimping process are two problematic fields for these technologies. Other possible methods are gluing, soldering and laser welding. None of these have established in the industrial field until now. To add another alternative to these joining mechanisms, the presented work focuses on resistance welding of NiTi actuator wires to stainless steel. The examined SMA wires have diameters of 25 to 100 µm. The welding parameters, the strength of the weld seam and the thermomechanical behavior of the welded samples are part of the investigation. The results show promising breaking loads of the welded samples and no obvious effect on the actuator behavior.
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Commercially available SMA actuated devices usually integrate only a single wire, which dimensions are determined by the force necessary to achieve a desired actuation. Usually, if higher forces are requested, a wire with a bigger diameter is chosen since bigger diameters correspond to higher forces, but, on the other hand, also to a smaller surface-per-volume ratio, which limits system dynamics. The use of bundle of small diameter SMA wires enables to achieve high forces depending on the number of wires in the bundle ensuring a high surface-per-volume ratio and thus a high bundle reactivity.
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When standard voltage levels commonly adopted in industry are used to activate thermal shape memory alloy (SMA) wire actuators, they often result in very high electrical currents which may eventually damage or destroy the actuators. To improve performance of SMA wire actuators operating in industrial environments, in this paper we investigate a novel, fast and energy-efficient actuation strategy based on short pulses in the millisecond range. The use of higher voltages leads to a highly dynamic activation process, in contrast to commonly used quasi-static activation based on low voltage. A test setup is designed to examine the effects of the control parameters (i.e., supply voltage, activation pulse duration, SMA wire pre-tension and wire diameter) on the measured displacement and force output of the SMA wire. It is shown that actuation times in the range of 20 ms and strokes of more than 10 % of the SMA wire length can be reached. Additionally, energy savings of up to 80 % with respect to conventional quasi-static actuation are achieved. Possible applications for this activation method are release mechanisms, switches or safety applications.
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Shape Memory Alloy (SMA) actuators like SMA wires are already present in a few commercially available products, like valves or locking mechanisms. In these actuator systems, the SMA wires are always coupled with an additional biasing mechanism, such as a restoring coil spring. Other possible restoring forces are, for example, the gravitational force of a mass or the pulling force of a second SMA actuator. One drawback of an SMA actuator wire system, such as when coupled with a coil spring, is the continuous energy needed to remain in the contracted position. In this paper, a new SMA actuator design is presented that addresses and solves this drawback. In this actuator, a bi-stable snap mechanism is combined with a protagonist-antagonist SMA wire configuration. In this way, the actuator has two defined stable and energy-free positions. The SMA wires are only activated to switch between these two positions.
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Shape Memory Alloy (SMA) materials are widely used as an actuating source for bending actuators due to their high power density. However, due to the slow actuation speed of SMAs, there are limitations in their range of possible applications. This paper proposes a smart soft composite (SSC) actuator capable of fast bending actuation with large deformations. To increase the actuation speed of SMA actuator, multiple thin SMA wires are used to increase the heat dissipation for faster cooling. The actuation characteristics of the actuator at different frequencies are measured with different actuator lengths and results show that resonance can be used to realize large deformations up to 35 Hz. The actuation characteristics of the actuator can be modified by changing the design of the layered reinforcement structure embedded in the actuator, thus the natural frequency and length of an actuator can be optimized for a specific actuation speed. A model is used to compare with the experimental results of actuators with different layered reinforcement structure designs. Also, a bend-twist coupled motion using an anisotropic layered reinforcement structure at a speed of 10 Hz is also realized. By increasing their range of actuation characteristics, the proposed actuator extends the range of application of SMA bending actuators.
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Shape memory alloys (SMAs) belong to a class of shape memory materials (SMMs), which have the ability to ‘memorise’ or retain their previous form when subjected to certain stimulus such as thermomechanical or magnetic variations. SMAs have drawn significant attention and interest in recent years in a broad range of commercial applications, due to their unique and superior properties; this commercial development has been supported by fundamental and applied research studies. This work describes the attributes of SMAs that make them ideally suited to actuators in various applications, and addresses their associated limitations to clarify the design challenges faced by SMA developers. This work provides a timely review of recent SMA research and commercial applications, with over 100 state-of-the-art patents; which are categorised against relevant commercial domains and rated according to design objectives of relevance to these domains (particularly automotive, aerospace, robotic and biomedical). Although this work presents an extensive review of SMAs, other categories of SMMs are also discussed; including a historical overview, summary of recent advances and new application opportunities.