طراحی، مدلسازی و ساخت شیر پیزوالکتریک نیوماتیک مبتنی بر مکانیزم منعطف جهت کنترل فشار هوا

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1052-ISAV2024 (R1)
نویسندگان
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
چکیده
شیرهای قطع و وصل (دیجیتال) نیوماتیک فرکانس بالا، به طور گسترده در صنایع اتوماسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد. وظیفه این شیرها مانند شیر سروو و شیر تناسبی، تغییر پیوسته نرخ جریان و یا فشار، تابعی از سیگنال ورودی است. در شیرهای قطع و وصل از محرک های سلونوئیدی استفاده می‌شود که میتواند معایبی مانند زمان پاسخ با تاخیر بالا به دلیل تاخیر سیگنال‌ الکتریکی در سیم پیچ و کاهش سرعت پاسخ و همچنین دیجیتال بودن این عملگرها (عملکرد قطع-وصل) اشاره کرد. برای حل این مشکل از عملگر پیزوالکتریک به جای سلونوئید استفاده شده است. به دلیل کم بودن دامنه جابجایی پیزوالکتریک از مکانیزم‌ منعطف نوع لوزی برای تقویت دامنه جابجایی پیزوالکتریک استفاده می‌شود. در ادامه روشی برای تحلیل کینتواستاتیکی و دینامیکی مکانیزم های منعطف ارائه شده که نتایج استاتیکی به دست آمده از این روش با روش المان محدود تا حد خوبی بر یکدیگر منطبق هستند و مکانیزم لوزی در زوایای حدود 2 درجه بیشترین مقدار بزرگنمایی را دارد. همچنین خطای فرکانس های طبیعی به دست آمده کم‌تر از15.5% است. سپس عملکرد شیر پیزوالکتریک بررسی شده است و برای اطمینان از قابلیت کنترل کردن فشارهای مختلف توسط شیر پیزوالکتریک، سه سیگنال مرجع سینوسی با فرکانس ها و دامنه فشارهای مختلف به آن وارد شده که پس از گذشت یک دوره تناوب، فشار خروجی به خوبی می‌تواند سیگنال هدف را دنبال کند. همچنین یک سیگنال پله با دامنه فشار یک بار، به شیر پیزوالکتریک اعمال شد که زمان مورد نیاز برای رسیدن فشار از 10% تا 90% فشار 1 بار 8.3 میلی ثانیه است. این رفتار نشان می دهد سرعت پاسخ عملگر پیزوالکتریک همراه با مکانیزم منعطف برای این شیر می‌تواند بسیار مناسب باشد.
کلیدواژه ها
 
Title
design, modeling, and manufacturing of a piezoelectric pneumatic valve based on a compliant mechanism for air pressure control
Authors
Amir Hossein Moradi, Hamed Ghafarirad, Mohammad Zareinejad, Seyed Mehdi Rezaei
Abstract
High-frequency pneumatic on/off (digital) valves are widely used in industrial automation. Similar to servo and proportional valves, the function of these valves is to continuously adjust the flow rate or pressure as a function of the input signal. On/off valves use solenoid actuators, which may have drawbacks such as high response time delay due to the electrical signal delay in the coil and reduced response speed, as well as the digital nature of these actuators (on/off operation). To solve this issue, piezoelectric actuators are used instead of solenoids. Due to the limited displacement amplitude of piezoelectric actuators, a rhombus-type compliant mechanism is used to amplify the displacement amplitude of the piezoelectric actuator. Next, a method for the kinetostatic and dynamic analysis of compliant mechanisms is presented, where the static results obtained from this method are in good agreement with the finite element method results, and the rhombus mechanism has the highest amplification at angles around 2 degrees. Additionally, the error in the obtained natural frequencies is less than 15.5%. The performance of the piezoelectric valve is then examined. To ensure that the piezoelectric valve can control different pressures, three sinusoidal reference signals with different frequencies and pressure amplitudes were applied to it. After one period, the output pressure can accurately follow the target signal. A step signal with a pressure amplitude of 1 bar was also applied to the piezoelectric valve, where the time required for the pressure to rise from 10% to 90% of 1 bar is 8.3 milliseconds. This behavior indicates that the response speed of the piezoelectric actuator combined with the compliant mechanism can be very suitable for this valve.
Keywords
Piezoelectric actuator, compliant mechanism, Piezoelectric pneumatic valve, Pressure control