Enquanto os atuadores piezelétricos permitem incrementos controlados (malha fechada) na ordem do nanometro, parafusos diferenciais permitem posicionamentos na ordem do décimo de micrometro ou, em casos especiais, na ordem do centésimo de mm (também em malha fechada).
Da mesma maneira, uma faixa de operação de 1 a 2mm cobre com folga a maioria dos requerimentos que um sistema de micro/nano posicionamento. No entanto, o que é uma faixa facilmente encontrada nos parafusos micrométricos e diferencias, é quase impossível de ser obtida por um atuador piezelétrico operando sozinho.
Assim, a primeira possibilidade é a de se utilizarem sistemas de redução de movimento, fazendo com que um parafuso micrométrico possa ser utilizado para deslocamentos na ordem de milímetros com incrementos submicrométrico.
O primeiro conjunto de possibilidades envolve o uso de elementos combinados em série com o atuador.
4.2.1 Parafusos micrométricos operando em conjunto com outros atuadores
Como alguns exemplos, há aqui opções de parafusos diferenciais construídos em conjunto com outro tipo de atuador, como:
1. Parafusos micrométricos com motores acoplados – Virtualmente existe uma rotação mínima controlável, que se pode imprimir ao tambor e que se reflita em um deslocamento linear da ponta do atuador. A menor divisão impressa no tambor é para o operador o
incremento mínimo controlável que ele pode dar ao atuador – excluindo aqui qualquer forma de medição externa e mais exata.
Partindo do pressuposto de que internamente, o parafuso micrométrico possua uma boa construção (tolerâncias de manufatura, acabamento, etc.), existe toda uma faixa entre uma divisão e outra que poderia ser utilizada, o que é muitas vezes classificado de sensibilidade do atuador.
Um motor que tenha um bom controle seria utilizado como uma forma simples e barata de se possibilitar um deslocamento mais preciso. Como exemplo, podem-se citar motores de micropasso ou motores corrente contínua com algum tipo de realimentação associada (encoder), conforme apresentados na Figura 4.10.
a b
Figura 4.10 – Parafusos micrométricos associados à motores elétricos – a) com motor de passo, b) motor cc com encoder (PI, 2000)
2. Parafusos micrométricos com atuadores piezelétricos – Uma idéia simples, na qual se utiliza um parafuso micrométrico preciso para possibilitar o macro posicionamento e um atuador piezelétrico na extremidade para o ajuste final.
Logicamente essa concepção inclui outro tipo de cerâmicas, como exemplo, as eletroestrictivas ou as magnetoestrictivas.
Como os atuadores piezelétricos possuem uma rigidez alta, por si só não é um problema, por estarem associados em série com o parafuso micrométrico. No entanto, os atuadores piezelétricos devem ser isolados de qualquer outra força que não seja de compressão (especialmente cisalhamento), o que pode tornar o acoplamento entre o atuador e a base uma fonte de problemas relacionados à rigidez.
Na Figura 4.11 há dois modelos comerciais: o primeiro, um modelo da Newport, é um parafuso micrométrico associado a um atuador eletroestrictivo; o segundo , um modelo da PI, está associado a um atuador piezelétrico.
Parafuso
Figura 4.11 – Parafusos micrométricos associados a atuadores piezelétricos (Newport, 2000, PI, 2000)
3. Parafusos micrométricos com sistemas hidráulicos – Aqui basicamente se utiliza o parafuso micrométrico como um atuador hidráulico. O volume de fluido deslocado devido à movimentação do parafuso é transferido para o pistão de área menor para um de área maior. Sendo assim, a variação em altura do pistão maior para acomodar essa transferência de volume será proporcional à razão entre as duas áreas. Quanto maior a diferença entre as áreas, maior será a redução de movimento, desprezando-se aqui a ação do coeficiente de Poisson do material. Atuadores que trabalham com esses princípios podem ser bastante rígidos e facilmente integráveis.
Como exemplo, há os atuadores da Figura 4.12. O primeiro é um atuador comercial da Piezomechanik, com curso de 400mm, sensibilidade de 50nm e que pode suportar uma carga máxima de 40N. O segundo é um sistema de posicionamento no qual o atuador comprime o fluído hidráulico do reservatório menor para o maior. Os reservatórios são do tipo fole, feitos em metal. A vantagem nessa segunda solução é que o atuador está em contato com um conjunto com o qual o fluído está hermeticamente selado, além do sistema de foles metálico não possuir histerese, folgas ou atrito.
Figura 4.12 – Atuadores micrométricos conectados a atuadores hidráulicos (Piezomechanik, 2000, Slocum 1992) Piezo Base móvel Fole metálico Parafuso micrométrico Área menor Área maior Parafuso Micro.
4. Redução por molas – Uma maneira de se aumentar a resolução de um atuador é trabalhando com forças e deslocamentos causados por molas, cujo modelo esquemático é mostrado na Figura 4.13.
Figura 4.13 – Esquema de redução por molas
Se o atuador (parafuso) é deslocado numa distância x1 ao encontro da mola 1, uma força F é
imposta à mola de rigidez k1 e a mesma força é transmitida para deslocar a mola de rigidez
k3. Consequentemente, o deslocamento resultante da mola k3 é:
3 1 1 1 3 3 3 1 1 3 3 ) ( k k k x x k x x k k F x + = \ - = = Equação 4.5
Essa equação é a mesma que descreve o comportamento de um atuador piezelétrico em série com um mecanismo de rigidez conhecida (Figura 4.7).
Como vantagens desse tipo de redutor, pode-se destacar: (Slocum, 1992, Smith ; Chetwynd, 1992)
Ø Mantém-se linear em deslocamentos relativamente longos (dependendo da configuração). Ø Reduções muito grandes são possíveis.
Ø Podem-se usar molas com diferentes configurações (formas) e rigidez, o que pode produzir pequenas forças com um controle preciso.
Ø Podem ser construídos integrados à base móvel.
Como se pôde observar nesses exemplos de uso de um parafuso micrométrico/diferencial como atuador, a combinação deles com outros componentes pode prover um misto de longos deslocamentos com uma boa resolução, uma vez que um sistema de redução de movimento tende a diminuir os problemas associados a eles.
x1,F x3,F
k1 k3
Parte-se do princípio de que esses atuadores estão adequadamente conectados a uma base móvel bem projetada e construída. Nesses casos, para bases que precisam ser deslocadas por vários milímetros, as opções 1 e 2 são as mais indicadas.
Para pequenos deslocamentos, como no caso do uso de guias paralelas de flexão, as opções 3 – parafusos micrométricos com sistemas hidráulicos - e 4 - redução por molas - são boas opções, sendo que a última é a mais fácil de ser construída e a que permite gerar grandes forças, o que a torna apta a deslocar bases de alta rigidez.