Ligas com memória de forma (SMAs) são materiais que têm a capacidade de retornar a uma forma predeterminada quando aquecidos. Quando um SMA está frio (abaixo de uma temperatura chamada de temperatura de transformação), ele tem uma resistência ao escoamento muito baixo e pode ser deformado com bastante facilidade. No entanto, quando o material é aquecido acima de sua temperatura de transformação, ele sofre uma alteração na estrutura do cristal. Essa mudança faz com que ele retorne à sua forma original. Se o SMA estiver acoplado a um sistema que apresente alguma resistência durante essa transformação, ele pode gerar forças extremamente grandes, proporcionando um mecanismo único de acionamento remoto.
Usando um fio de SMA acoplado a um braço mecânico simples, podemos mover o braço aplicando uma corrente elétrica. Movimentos simples podem ser obtidos com apenas algumas peças. O objetivo deste projeto é construir um braço robótico experimental usando um SMA. Claro, o projeto pode ser atualizado para executar mais funções do que um simples movimento e pode até ser controlado por um computador.
Objetivos
• Construa um braço de robô usando um SMA.
• Aprenda como funciona um SMA.
• Faça cálculos para usar corretamente as peças feitas a partir de um SMA em projetos mecatrônicos.
• Calcule a força mecânica fornecida por uma peça feita de um SMA.
• Determinar as características de um SMA.
Como funcionam os SMAs
O material mais comum usado para fazer SMAs é uma liga de níquel e titânio chamada nitinol. Esta liga tem propriedades elétricas e mecânicas muito boas, longa vida à fadiga e alta resistência à corrosão.
Usado em um atuador, um fio de nitinol é capaz de recuperar até 5% de tensão e 50.000 libras por polegada quadrada (psi) de tensão de restauração, retornando à sua forma original muitas vezes. Ele também tem as propriedades de resistência que permitem que seja acionado eletricamente.
Quando aquecido por uma corrente elétrica, pode gerar calor suficiente para causar a transformação de fase. Na maioria dos casos, a temperatura de transição do SMA é escolhida de modo que a temperatura ambiente esteja bem abaixo do ponto de transformação do material.
O nitinol está disponível na forma de arame, haste e barra e em filme fino. Para aplicações em mecatrônica, a forma mais comum usada é o fio.
A Tabela 1 mostra algumas características importantes do SMA, de acordo com o catálogo da Robot Store.
• Multiplique por 0,0098 para encontrar a força em Newtons (N).
• Ciclos por minuto em ar parado a 20 ° C.
• LT = temperatura baixa (70 ° C), HT = temperatura alta (90 ° C).
Histerese
Sob uma força constante, quando o fio aquece, sua contração segue a curva à direita mostrada na Figura 1. Quando a temperatura atinge o ponto As, o fio começa a encurtar. O ponto de contração total é encontrado quando a temperatura atinge Af. À medida que o fio esfria, a curva à esquerda é seguida, começando na parte inferior direita e passando por Ms e Mf. Ms é o ponto onde o fio começa a relaxar novamente e Mf é o ponto onde o fio está quase totalmente relaxado.
Os SMAs podem ser usados em aplicativos em que é necessário puxar ou empurrar rapidamente algo. Eles podem ser considerados músculos de robôs. A Figura.2 dá um exemplo de uma aplicação típica de um fio SMA acionando um braço de robô, como em nosso projeto.
Quando o SMA é ativado por uma corrente, uma força é liberada e o braço se move. A quantidade de força liberada pode ser calculada usando a força inerente da SMA e as características do braço.
É importante ter em mente a força máxima liberada para não quebrar o fio. Portanto, a bitola do fio deve ser escolhida cuidadosamente de acordo com as necessidades da aplicação (ou seja, a força necessária na extremidade do braço).
O projetista de uma aplicação utilizando SMAs deve ter em mente outra característica importante: a fadiga mecânica. Essa característica está relacionada ao número de vezes que o SMA pode contrair e liberar e é importante porque é limitada.
O circuito necessário para acionar o SMA também deve ter características especiais. Corrente em excesso da quantidade necessária para liberar a força pode quebrar o SMA, e corrente menor que a quantidade para gerar o calor apropriado não é suficiente para atingir a temperatura de transição; assim, o fio não mudará seu comprimento. Portanto, é necessário consultar as especificações do fabricante para um determinado fio e, a partir desses dados, pode-se projetar uma corrente precisa para produzir a quantidade correta de corrente necessária para a aplicação.
Em casos simples, conhecendo a tensão da fonte de alimentação e a resistência específica do SMA (ohms / m ou ohms / cm), podemos usar cálculos simples para determinar o comprimento do fio necessário para a corrente de operação. Primeiro, usamos a lei de Ohm para determinar a resistência total necessária no fio a fim de permitir que os requisitos de corrente nominal do SMA sejam usados ??para alterar a forma:
R = V / I
Onde:
R = a resistência em ohms
V = a tensão da fonte de alimentação em volts
I = quantidade de corrente necessária ao funcionamento do SMA em amperes
Em uma segunda etapa, calculamos o comprimento de SMA necessário para ter a resistência calculada (ou resistência elétrica). Em alguns casos críticos, devemos também considerar que a resistência do SMA também muda quando ele é aquecido (a resistência aumenta e assim a quantidade de corrente que flui é reduzida):
L = R / P
Onde:
L = o comprimento final, em m ou cm
R = a resistência total, em ohms
P = a resistividade, em ohms/m ou ohms/cm. As fontes de tensão comumente usadas para alimentar os dispositivos SMA são células e baterias, como as mostradas na Figura 3.
Para fins práticos, devemos testar uma corrente 10 a 20 por cento maior do que a corrente calculada para garantir o desempenho correto e compensar as quedas de tensão na fonte. Se a fonte de tensão for maior do que o necessário para o comprimento / tipo de SMA usado na aplicação, o potenciômetro eletrônico (consulte o Projeto 7) ou o controle de modulação por largura de pulso (PWM) (consulte o Projeto 3) pode ser usado para ajustar a potência aplicada para o SMA.
Fonte de corrente constante
Para o funcionamento ideal de uma aplicação SMA, recomenda-se a utilização de uma fonte de corrente constante. Este tipo de circuito mantém uma corrente constante através de um circuito, independentemente da resistência do circuito ou da tensão de entrada em uma ampla faixa de valores para ambos. A Figura 4 mostra uma fonte de corrente constante simples usando um regulador de tensão de circuito integrado ajustável (IC), como o LM150 / LM317 / LM350T.
Este IC pode fornecer correntes de até 3 amperes para uma carga. R depende da corrente desejada na carga e pode ser calculado pela seguinte fórmula:
R = 1,25 / I
Onde:
R = a resistência a ser usada no circuito em ohms
I = a corrente necessária para conduzir o SMA em amperes
O 1,25 é a tensão de referência interna de ICs como o LM150, LM350 ou LM317. Se outro tipo de IC for usado, sua folha de especificações fornecerá o valor da referência de tensão interna que deve ser usada no lugar de 1,25 na fórmula.
A tensão no SMA depende da resistência do SMA ou da tensão necessária para acioná-lo.
Se conhecermos a resistência do SMA e a corrente através dele, podemos calcular a tensão para acioná-lo usando a lei de Ohm:
V = Rsma X I
Onde:
V = a tensão através do SMA em volts
Rsma = a resistência do SMA em ohms
I = a corrente em amperes
A tensão de entrada (Vin) deve ser pelo menos 2 ou 3 volts superior à tensão do SMA (Vsma).
O projeto
O projeto básico consiste em um braço robótico simples acionado por um SMA. O braço do robô faz apenas um movimento, movendo um pequeno objeto para cima e para baixo, conforme mostrado na Figura 5.
Claro, o montador está livre para atualizar o projeto, adicionando outros elementos como um eletroímã para puxar pequenos objetos metálicos ou até mesmo uma alça acionada por solenoides. Outro recurso pode ser um segundo músculo SMA para criar movimentos horizontais.
A parte mecânica deste projeto é muito simples. A parte eletrônica é formada por uma fonte de corrente constante, pois este é o ponto crítico de acionamento do SMA. A corrente acima do necessário pode queimar o fio, e a corrente abaixo do necessário não aquece o fio o suficiente para encontrar seu ponto de transição. Além disso, como a corrente pode mudar com alterações na tensão da fonte de alimentação, um mecanismo para regular a corrente é necessário. O circuito de regulação atual é feito com um LM350T IC, um componente muito fácil de encontrar e barato.
Como construir
O projeto está dividido em duas partes: (1) o circuito eletrônico e (2) o braço mecânico.
Circuito eletrônico
O circuito eletrônico usado para acionar o SMA é mostrado na Figura 6. O IC deve ser conectado a um dissipador de calor e P1 deve ser do tipo enrolado por fio, porque toda a corrente do SMA fluirá por este componente. P1 ajusta o ponto de transição do SMA.
Como uma fonte de corrente constante é usada, não é necessário calcular o comprimento do fio SMA na aplicação. Isso é importante porque muitos tipos de SMAs podem ser usados e você pode fazer seu braço em uma grande variedade de dimensões.
Claro, a corrente é limitada a 3 amperes, a corrente máxima controlada pelo IC. No entanto, para fins práticos, recomendamos não ultrapassar 2 amperes Hook. Os componentes também são calculados para uma corrente mínima de 120 mA no SMA.
O circuito pode ser montado usando uma pequena régua de terminais como chassi para os componentes pequenos, conforme mostrado na Figura 7. O circuito eletrônico pode ser alojado em uma pequena caixa de plástico ou madeira.
Lista de peças - Circuito eletrônico para um braço robótico
IC-1 L M350T regulador de tensão IC
D1, D2 1N5402 diodos retificadores de silício
T1 Transformador: bobina primária classificada para 117 VAC ou de acordo com a linha de alimentação, bobina secundária classificada para 12 volts x 2 amperes ou de acordo com a corrente SMA
C1 1.000 µF x 25 volts Capacitor eletrolítico
R1 0,56 ? x resistor de fio enrolado de 5 watts
P1 10 ? potenciômetro de fio
SMA Qualquer SMA com uma taxa de corrente de 150 mA a 2 A F1 500 mA fusível e suporte
S1 Botão (normalmente aberto [NÃO]) Fios, barra de terminais, cabo de alimentação, solda, barra de terminais com parafusos, etc.
Braço Mecânico
Podem ser utilizados como base da parte mecânica papelão e uma base de madeira ou plástico, conforme mostrado na Figura 8. O braço possui apenas uma articulação, mas o leitor está livre para fazer atualizações. A articulação pode ser feita com parafuso simples ou outro recurso. Certifique-se de que o movimento do braço é livre.
O SMA é mantido em posição operacional por duas réguas de terminais e parafusos. Observe que os fios do SMA não podem ser soldados; portanto, eles devem ser conectados usando este método.
O comprimento do SMA depende da dimensão do braço. Lembre-se de que o SMA contrai cerca de 10% de seu comprimento quando excitado. Essa mudança determina o caminho total da mão em que a força será liberada para mover o peso.
Testando e usando
Deve-se ter muito cuidado com o SMA ao testar o braço robótico para evitar que queime com excesso de corrente. Antes de conectar o cabo de alimentação na linha de alimentação CA, coloque P1 na posição de resistência máxima, conforme mostrado na Figura.9.
Após este ajuste, você pode conectar o cabo de alimentação na linha de alimentação CA e iniciar os outros ajustes. Enquanto pressiona e solta o Si, volte P1 um pouco de cada vez até o momento em que você observar a contração do SMA. Pare de mover P1 neste momento. O circuito agora está ajustado. Você não deve aumentar a corrente além deste ponto.
Agora o braço está pronto para uso. Selecione cuidadosamente o objeto a ser movido. Não escolha algo pesado porque o fio tem limitações quanto à força que pode liberar.
Temas cruzados
Pode ser interessante explorar o tema da expansão de sólidos quando aquecidos. Use como exemplo as diferenças entre metais comuns e SMAs. O assunto pode ser estudado em física como temas transversais nos seguintes tópicos:
• Como funcionam os SMAs
• Medir a força liberada
• Alavancas
Circuitos e ideias adicionais
Os parágrafos a seguir incluem informações sobre alguns circuitos que podem ser usados para o controle de SMAs.
Fonte de corrente constante usando um transistor
O circuito mostrado na Figura 10 pode controlar SMAs de até 500 mA. É uma fonte de corrente constante usando um transistor.
P1 ajusta a corrente através do SMA. O procedimento para encontrar o ponto operacional correto é o mesmo do projeto básico.
O transistor deve ser instalado em um dissipador de calor. A tensão de entrada pode variar de 6 a 12 volts e a corrente máxima no SMA é de cerca de 1 ampere para este circuito.
Lista de peças - Fonte de corrente constante
Q1 TIP32 transistor de potência positivo-negativo-positivo (PNP) de silício
Z1 3V6 a 4V7 x 400 mW diodo zener
R1 0,1? x 1 watt resistor de fio enrolado
R2 1 k? X resistor de 1/8 watts (marrom, preto, vermelho)
P1 10 ? potenciômetro de fio enrolado
Placa de circuito impresso (PCB) ou tira terminal, dissipador de calor para o transistor, fios, solda, etc.
Fonte de tensão simples
No circuito mostrado na Figura 11, a tensão pode ser ajustada de acordo com a corrente necessária para acionar o SMA, mas não é tão boa quanto uma fonte de corrente. O circuito é igual ao descrito no Projeto 7.
Novamente, P1 deve ser definido inicialmente no ponto de tensão mínimo e os ajustes são feitos a partir daí.
A tensão de entrada pode estar na faixa de 5 a 12 volts e a corrente de saída máxima é de cerca de 1 ampere.
Lista de peças - simplesmente fonte de tensão
Q1 TIP31 transistor de silício de potência negativo-positivo-negativo (NPN)
P1 1 k? Potenciômetro enrolado
R1 220 ? X resistor de 1 watt (vermelho, vermelho, marrom)
Correia de terminal, dissipador de calor para o transistor, fios, solda, etc.
Fonte Pulsada
Usando uma fonte pulsada ou uma fonte com PWM, a corrente média através do SMA pode ser ajustada pelo ciclo de trabalho da tensão na saída. O PWM é menos sensível às mudanças de tensão na fonte de alimentação. Você pode usar o circuito do controle PWM para motores (consulte o Projeto 3) para encontrar o ponto de operação de tensão correto para um SMA. A Figura 12 mostra como um circuito PWM pode ser conectado a um SMA.
Este circuito aplica uma corrente pulsada ao SMA. A duração média dos pulsos determina a corrente e, portanto, o ponto de transição pode ser ajustado. O circuito pode ser usado para conduzir SMAs com correntes de até 1 amp.
Lista de peças - fonte pulsada
IC-1 555 1C cronômetro
Q1 TIP32 poder transistor de silício PNP
R1, R2 2,2 k? x resistores de 1/8 watts (vermelho, vermelho, vermelho)
R3 1 k? x resistor de 1/8 watts (marrom, preto, vermelho)
P1 100 k? linear ou potenciômetro logarítmico
C1 0,1 a 0,47 µF Capacitor de cerâmica ou poliéster
PCB ou placa sem solda, fios, dissipador de calor para o transistor, solda, etc.
A Tecnologia Hoje
SMAs não são usados em aplicativos comuns hoje. Por serem novos e apresentarem algumas limitações, seu uso é limitado a aplicações especiais, como robótica, biônica e outros dispositivos experimentais que usam esse tipo de músculo elétrico. Os exemplos incluem insetos voadores ou robôs ambulantes. Com a evolução da tecnologia SMA, cada vez mais dispositivos serão criados, inclusive eletrodomésticos que utilizam esse tipo de fonte de energia mecânica.
Explorando o Projeto
Ao saber como funcionam os SMAs e como podem ser controlados a partir de um circuito eletrônico, o gênio do mal estará preparado para criar novos projetos baseados nesta fonte de energia mecânica. A seguir está uma pequena lista de ideias para explorar:
• Projete um barco usando remos acionados por SMAs.
• Projete um robô inseto ambulante com músculos feitos de SMAs.
• Crie uma armadilha ou porta automática ativada por um SMA.
Descobrindo as características de um SMIR
Se você tem um comprimento predeterminado de fio SMA, mas não conhece suas características, é fácil descobri-los usando o arranjo do circuito fornecido na Figura 3.18.13. A fonte de alimentação deve ser classificada para pelo menos 2 amperes ou mais de acordo com o SMA testado.
Se você tiver apenas um multímetro, poderá encontrar a corrente colocando-o primeiro na posição A e, depois de encontrar a tensão de transição, colocando-o na posição B.
Procedimento
Para determinar as características do SMA, siga estas etapas:
1. Ajuste a saída da fonte de alimentação (P1) para 0 V.
2. Abra P1 lentamente para aumentar a tensão de saída e, simultaneamente, observe o SMA.
3. Quando a corrente de transição for alcançada, o SMA mudará sua forma e moverá o braço de teste.
4. Aumente a tensão um pouco mais (não mais do que 10 por cento acima do valor anterior). Leia a tensão em A.
5. Leia a corrente em B.
6. Com esses valores, você pode determinar o seguinte:
• A resistência do SMA:
R = V (a) / 1 (b)
Onde:
R = a resistência do SMA em ohms
V (a) = a tensão lida de A I (b) = a corrente lida de b
• A corrente para conduzir o SMA: I (b)
• A resistividade do SMA:
P = R / L
onde: P = a resistividade em ohms / cm
R = a resistência em ohms
L = o comprimento em centímetros
