Diseño y caracterización de una micropinza de bajo costo, basada en un arreglo de actuadores piezoeléctricos

RESUMEN Esta tesis presenta el diseño e implementación de una micropinza normalmente abierta, accionada por un arreglo de actuadores piezoeléctricos. Para reducir los costos de fabricación, se utilizan zumbadores piezoeléctricos convencionales que se encuentran fácilmente en el mercado a un costo muy bajo. Se eligió para la fabricación de la micropinza al ácido poliláctico (PLA, por sus siglas en inglés), como material estructural. La elección de este material reduce considerablemente el costo total de implementación. Al utilizar las puntas metálicas se elimina el inconveniente generado por los defectos inherentes a la tecnología de fabricación FDM. Se diseño al arreglo experimental de pruebas de la micropinza. Este arreglo consta básicamente de los bloques de medición y control. La medición en escala micrométrica de forma óptica, no contactiva e invasiva, es compleja, debido que se tiene la restricción de bajo costo. La solución a esto fue el uso de un cabezal lector de unidades de CD ROM conocido como Pick-Up. El rango de medición es de 0 a 650 μm, con una resolución de 0.1 μm. Mientras que, con relación a la etapa de control, uno de los obstáculos mayores fue hallar componentes de bajo costo, que satisficieran las necesidades requeridas por el sistema, tal como alta resolución en la conversión análoga a digital, alta velocidad de operación, múltiples puertos de comunicación serial, entre otros. No obstante, se concluyó esta etapa satisfactoriamente utilizando dispositivos de bajo costo. La originalidad de este trabajo reside en el material utilizado para la fabricación de la micropinza, así como en diseño del actuador piezoeléctrico apilado y su uso. La contribución principal es la demostración de una metodología de diseño que implementa mecanismos flexibles de prototipos a escala II milimétrica para fines de validación, antes de proceder a la fabricación en escala micrométrica. El sistema en escala milimétrica se puede usar para micromanipulación debido al rango máximo de apertura de las mandíbulas, 365 μm, con una fuerza máxima de 8.841 mN. Cabe señalar que, su agarre puede mantenerse durante el lapso que sea necesario. ANSYS ™ se utilizó como herramienta de software para diseño y simulación.

ABSTRACT This thesis presents the design and implementation of a microgripper device, normally open, actuated by a piezoelectric stack. In order to reduce fabrication costs, conventional piezoelectric buzzers are used that are easily found in the market at very low cost. Polylactic Acid (PLA) was chosen as the structural material for the design of the mechanisms of the microgripper. The choice of this material considerably reduces the total implementation cost. Metallic tips were added to the jaws, reducing the inherent defects of the 3D fabrication. The experimental set-up was designed for the microgripper performance tests. This arrange has basically two blocks: measurement and control. The first one is performed using low cost optical device CD ROM pick-up, with a measurement range from 0 up to 650 μm, with a resolution of 0.1 μm. A big outcome in the control stage was again to find low cost components, which satisfy the established requirements, such as: high resolution in the Analog to Digital Conversion (ADC), high operation velocity, several serial ports of communication, etc. All devices were found and successfully implemented. The originality of this work resides in the material used, as well as the design of the stacked piezoelectric actuator and its application. The main contribution is the demonstration of a design methodology that implements prototype compliance mechanisms at millimeter scale for validation purposes before proceeding to the fabrication in micrometric scale. The system in mm scale can also be used for micromanipulation due to the range of its microgripper jaws’ aperture, with a maximum value of 365 μm. The maximum applied force is of 8.841 mN. It is necessary to mention, the object could be hold during the required periods of time. ANSYS™ was used as the software tool for design and simulation.