Rugalmas elemekkel megoldott egyenes vezetékek

A finommechanikában nagyon gyakran adódnak olyan egyenesbe vezetési feladatok, amelyeknél a súrlódásból adódó veszteségek nem engedhetők meg. Ilyen például, ha valamit nagyon kis sebességgel vagy nagyon kis erővel kell mozgatni. A kis sebességeknél fellépő akadozva csúszás (stick-slip) miatt a feladat ilyenkor csak rugalmas elemekkel megoldott vezetékekkel hajtható végre. Minden rugalmas elemmel megoldott vezetékre

jellemző, hogy súrlódás gyakorlatilag nincs (csak az anyag belső súrlódása, ami több nagyságrenddel kisebb, mint a Coulomb-súrlódás), de ugyanakkor megjelenik egy visszatérítő erő, ami nem mindig kívánatos.

1.4.8.1. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

Az egyik leggyakrabban használt rugalmas vezeték az 1.4.8.1. ábra szerinti két, mindkét végén befogott laprugót tartalmazó vezeték. A konstrukció hátránya, hogy a hasznos f elmozdulás mellett egy keresztirányú e elmozdulás is bekövetkezik. Az összefüggések:

1.6. egyenlet - (1-6)

Laprugók esetére, ha a laprugók szélessége b, és vastagsága h:

1.7. egyenlet - (1-7)

Az e keresztirányú elmozdulás:

1.8. egyenlet - (1-8)

Az elmozduló rész (vezetett test) pályája megközelítően parabola. A vezetés általában akkor mondható jónak, ha

teljesül az arány.

Létezik olyan konstrukció is, aminek nincs keresztirányú elmozdulása. Ennek vázlatát mutatja (kitérített állapotban) az 1.4.8.2. ábra.

1.4.8.2. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

A megoldás lényege, hogy egymással szembe fordítva két laprugókkal kivitelezett rendszert kapcsolunk sorba.

Ennek az lesz az eredménye, hogy az egyik keresztirányú elmozdulását a másikkal kompenzálják. Ennek persze az a feltétele, hogy mind a négy laprugó azonos legyen. Erre a megoldásra példa az 1.4.8.3. ábra, amin egy finompozícionáló asztal szerkezete látható. Az ábrán jól kivehető a 4 db laprugó és a mozgatást szolgáló mikrométerorsó. A szerkezetben súrlódást okozó csapágyazás sincs, a csapágyazásokat szintén rugalmas elemekkel, keresztcsuklókkal oldották meg. A finompozícionáló a mikrométer mozgását kb. a tizedére osztja le, így a mikrométer dobján 1 osztás kb. 1 μm-nek felel meg.

1.4.8.3. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

A rugalmas elemekkel megoldott vezetékeknél különös gondot kell fordítani a keresztirányú merevségre. Ez a fogalom azt jelenti, hogy egy vezeték a keresztirányú erőhatásokra mennyire érzékeny, illetve mennyire nem érzékeny. Bár a fogalom minden vezetékre vonatkoztatható, igazi jelentőséggel csak a rugalmas elemeket tartalmazó vezetékeknél bír. A rugalmas elemek ugyanis gyakran nem csak a főirányokból érkező erőhatásokra deformálódnak, hanem érzékenyek lehetnek a keresztirányú (sokszor aszimmetrikus) erőhatásokra is. Fentiekből következik, hogy konstrukciós szempontból azok a megoldások kedvezőek, amiknek a keresztirányú merevsége nagy, a főirányban pedig minél kisebb a szerkezet merevsége. Keresztirányú merevség tekintetében az egyik legjobb megoldás, amikor rugalmas elemként membránokat alkalmazunk. Ezeknél inkább a főirányban mutatott engedékenységgel van probléma, más szavakkal nem mindegy, hogy milyen típusú membránokat használunk.

Az 1.4.8.4. ábra azt mutatja, hogy jellegüket tekintve a síkmembrán, a koronarugó és a hullámos membrán milyen út-erő karakterisztikákkal rendelkezik.

1.4.8.4. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

A diagramból látható, hogy egyenes vezetékek céljára leginkább a hullámos membránok alkalmasak. Egy ilyen rugalmas vezetéket mutat az 1.4.8.5. ábra.

1.4.8.5. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

A hullámos membránokkal megoldott egyenes vezeték tipikus példája a dinamikus hangszóró lengőrészének felfüggesztése, aminek vázlatát az 1.4.8.6. ábra mutatja.

1.4.8.6. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

A rugalmas elemeket tartalmazó vezetékeknél rendkívül fontos kérdés a rugó deformálódó részének pontos kivitelezése, ebből következően pedig a rugalmas elemek korrekt befogásának megoldása.

1.4.8.7. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

Az 1.4.8.8. ábrán néhány laprugó-befogási megoldás látható. A tervezésnél azzal kell számolni, hogy a befogásnál a laprugó nemcsak elfordulni akar, hanem jelentős húzás is felléphet. Ezért terjedtek el azok a megoldások, amiknél a rugalmas elemet magából a rendelkezésre álló tömbből valamilyen forgácsolási módszerrel (például szikraforgácsolással) alakítják ki.

1.4.8.8. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

Az 1.4.8.8. ábra felső részén láthatjuk azokat a megoldásokat, amik befogási szempontból teljesen korrektek, ugyanis egy tömbből kerülnek megmunkálásra. Az ábra alján egy rugalmas elemekkel megoldott négycsuklós mechanizmus látható. A legyengített keresztmetszetek rugalmas csuklóként működnek. Ilyen szerkezetek tervezésénél valamilyen véges elemes programot kell használni a maximális feszültségek meghatározására, és sok esetben az anyag kifáradását is figyelembe kell venni.

1.4.8.9. ábra Forrás: Physics Instruments

Az 1.4.8.9. ábrán a rugalmas csuklókkal megoldott egyenes vezeték egy finommechanikai-méréstechnikai alkalmazása látható. A szerkezet lényege tulajdonképpen egy közönséges mikrométerorsó, amivel 0,01 mm pontossággal lehet beállítani egy méretet. A házba azonban be van építve egy piezoelektromos elven működő transzlátor (egyenes vonalban működő mozgató), ami a négycsuklós mechanizmust működteti, és aminek segítségével, mégpedig a transzlátorra adott feszültség változtatásával, további finombeállítást lehet végezni. A beállítás érzékenysége: 100 V feszültségre 25 μm (azaz 1 V-ra 250 μnm) elmozdulás. Ezt a feladatot csak rugalmas elemekkel megoldott vezetékkel lehetett megoldani.

Tipikus finommechanikai megoldás található a CD- és DVD-író, -olvasó berendezésekben. Ezeknél az alkalmazásoknál súrlódásmentes mozgatásokkal kell megoldani az állandó fókuszban és sávon tartás követelményét. Mivel a pozícionálás μm nagyságrendű, az elmozdulási tartomány pedig néhányszor 10 μm nagyságú, csak rugalmas elemekkel megvalósított konstrukciók jöhetnek számításba.

1.4.8.10. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

Az 1.4.8.10. ábrán műanyagból kialakított, két irányban elmozduló rugalmas vezeték látható, míg az 1.4.8.11.

ábra a komplett fejegységet mutatja az objektívvel.

1.4.8.11. ábra Forrás: BME MOGI Tsz

Az 1.4.8.12. ábra egy hengeres csavarrugókkal mint rugalmas elemekkel megvalósított CD-olvasófej képét mutatja.

1.4.8.12. ábra Forrás: BME-MOGI Tsz.

Az 1.4.8.13. ábrán négy pálcarugóval felfüggesztett konstrukciót láthatunk, amely az objektív tengelye mentén (fókuszálás, focusing), és az ábrán függőleges irányban (sávon tartás, tracking) teszik lehetővé az elmozdulást.

A mozgatóerőt elektromágneses aktuátorok szolgáltatják.

1.4.8.13. ábra Forrás: repairfaq.cis.upenn.edu