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Disegno di meccanismi articolati attraverso cerniere flessionali

Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata – Ciclo XXI

Presentazione generale dell’attività svolta

Università degli Studi di Brescia

Facoltà di IngegneriaDottorato di Ricerca in Meccanica Applicata – Ciclo XXI

Luca Dassa1 di 23

Tutor:prof. Danilo Cambiaghi

Studente:ing. Luca Dassa

IntroduzioneOggetto

dello studio



Luca Dassa2 di 23

meccanismi “compliant” e meccanismi con cerniere flessionali…

… definizione univoca???

Introduzione

Fondamenti teorici

• definizione dei g.d.l.

Schema

Applicazioni (scala mini)

• macchina di trazione per

Applicazioni (scala micro)

• dispositivo MEMS per



Luca Dassa3 di 23

• macchina di trazione per microdiffrattometro

• giunto cardanico• meccanismo per LISA

• dispositivo MEMS per applicazioni ottiche

modellizzazione

Fondamenti teoriciArticolazioni flessibilielementari (Henein)

h

l

b

lama: 3 g.d.l.

cerniera circolare: 3 g.d.l.b>10h, l>10h

S. Henein, “Conception des guidages flexibles”, PPUR,

Lausanne, 2001



Luca Dassa4 di 23

filo: 5 g.d.l.

barra di torsione: 1 g.d.l.(con la sezione corretta)

membrana: 3 g.d.l. (con questa forma)

soffietto: 5 g.d.l.

Il grado di libertà è considerato vincolato se il rapporto tra rigidezze

è almeno 100

Fondamenti teoriciSistemi di guida ad 1 g.d.l. (Henein)

g. prismatico a 2 lame

parallele

g. prismatico iperstatico

a 4 lame parallele

g. rotoidale a 2 lame

incrociate e separateg. rotoidale a 4

cerniere incrociate

S. Henein, “Conception des guidages flexibles”, PPUR, Lausanne, 2001



Luca Dassa5 di 23

g. prismatico a 4 lame g. prismatico a 4

cerniere circolari

g. rotoidale a 2 lame

incrociate non separate

g. rotoidale RCC

a 2 lame

g. rotoidale RCC

a 4 cerniere

g. rotoidale

iperstatico

Quanti g.d.l.?

•1 volta iperstatico

•1 g.d.l.

APPLICAZIONI IN SCALA MINI



Luca Dassa6 di 23

APPLICAZIONI IN SCALA MINI

Carico: ± 100 N

Corsa: ±2 mm

telecamera

collimatore

area sensibile

sistema di posizionamento

portacampioni

Macchina di trazione BYDLO



Luca Dassa7 di 23

goniometro

MicrodiffractometeroD-MAX Rapid Rigaku

Laboratorio di Chimica per le Tecnologie

(Università di Brescia)

Modellizzazione

σMAX=150 MPa

Macchina di trazione

Verifica: elementi finiti

“Pseudo-rigid-body model”



Luca Dassa8 di 23

σMAX=180 MPa

σMAX=150 MPa

Calcolo analitico della cedevolezza/rigidezza dell’articolazione flessibile

compression test

250.00

Validazione e calibrazione di modelli

test

quasi-statico

test di fatica

Materiale:

Alluminio 7075 T651

Macchina di trazione Modelli parziali



Luca Dassa9 di 23

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

displacement (mm)

Lo

ad (

N) test

model

frequency test

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-10.00 10.00 30.00 50.00 70.00 90.00 110.00 130.00 150.00

frequency (Hz)

Y/X test

model

Macchina di trazione Immagini



Luca Dassa10 di 23

la macchina Bydlo nel diffrattometro durante i testposizione di montaggio (0°) posizione per misure in trasmissione (150°)

α1α2

19

Il primo test: la poliammide

campione di poliammide prima del test

La distribuzione di intensità lungo l’anello di Debey per il

picco a2 è mostrata in funzione del carico

Macchina di trazione Prime misure (1)



Luca Dassa11 di 23

α1 α2y = -0.0813x + 18.54

R2 = 0.997

13

14

15

16

17

18

19

0 10 20 30 40 50 60

Load (N)

FW

HM

in b

eta

dir

ecti

on

(d

eg)

orientazione preferenziale lungo l’asse della fibra

Il cambiamento nell’orientazione

preferenziale indotto ldal carico

meccanico è evidente

111200220311

222400331

420

y = -2.86E+02x - 1.35E-02

0.14

0.16

0.18

sig

ma

(GP

a)

Campione di rame prima dell’applicazione del carico

Macchina di trazione Prime misure (2)

Il primo test: il rame



Luca Dassa12 di 23

y = -2.86E+02x - 1.35E-02

R2 = 9.99E-01

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

-0.0007 -0.0006 -0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002

εεεεsi

gm

a (G

Pa)

E420=100 Gpa

ssss: imposta dal dispositivo

eeee: calcolata dallo spostamento del picco

Solo la porzione dell’anello di Debye nel piano equatoriale per la riflessione

420 è stato considerato.

Giunto cardanicoL’idea

robot a cinematica parallela a 3 g.d.l.

rigidezza assiale



Luca Dassa13 di 23

rigidezza assiale + rigidezza torsionalerigidezza torsionale

Giunto cardanicoLa modellizzazione

Verifica: elementi

finiti

“Pseudo-rigid-body model”



Luca Dassa14 di 23

Calcolo analitico della cedevolezza/rigidezza dell’articolazione flessibile

5 g.d.l.!!!

Giunto cardanicoAnalisi con l’approccio

di Mr. Henein



Luca Dassa15 di 23

2 g.d.l.!!! (Henein)S. Henein, “Conception des guidages flexibles”, PPUR, Lausanne, 2001

PAAM LISAConcezione (Henein)

Specifica ESA: rotazione attorno un asse (1 g.d.l), SENZA “ALCUN” MOVIMENTO PARASSITA nel piano dello specchio

Piezo inchworm Piezolegs



Luca Dassa16 di 23

attuatore nominale

(B)

attuatore ridondante

(A)

38 mm

18 mm

PAAM LISASviluppo

Richiesta ESA: raddoppiare il pivot flessibile

il pivot diventa iperstatico

Materiali



Luca Dassa17 di 23

Materiali

• CuBeC17200 TM04

• Al 6061-T6

• Ti-6Al-4VVolume:

40x60x60 mm3

APPLICAZIONI IN SCALA MICRO



Luca Dassa18 di 23

APPLICAZIONI IN SCALA MICRO

TugonVersioni precedenti



Luca Dassa19 di 23

TugonIV generazione



Luca Dassa20 di 23

TugonRisultati



Luca Dassa21 di 23

Conclusioni

Attività di ricerca

• adozione dell’approccio di Mr. Henein, consolidato dal periodo di studio trascorso presso lo CSEM: definizione dei g.d.l. di un’articolazione flessibile, definizione di strutture a 1 g.d.l.

• definizione delle modalità di modellizzazione di un meccanismo con articolazioni flessibili



Luca Dassa22 di 23

con articolazioni flessibili

• approccio progettuale adottato: ampio spettro di applicazioni, con sperimentazione

• ampia raccolta di esempi di dispositivi basati su articolazioni flessibili

RingraziamentiUniversità degli Studi di Brescia

prof. Danilo Cambiaghi, ing. Valerio Villa, ing. Gabriele Baronio, ing. Stefano Uberti, ing. Riccardo Metraglia, prof. Emilio Chirone

prof. Laura De Pero, prof. Elza Bontempi, personale del Laboratorio Chem4Tech

e tutti i colleghi del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Industriale



Luca Dassa23 di 23

CSEM di Neuchâtel

Mr. Simon Henein, Mr. Jean-Marc Breguet, Mr. Peter Spanoudakis, Mr. Ivar Kjelberg, Mr. Philippe Schwabb, Mr. Laurent Giriens, Mr. Mario El-Kourry, Mr. Maurizio Tormen

e tutti i colleghi della Sezione “System Engineering” dello CSEM

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