Design and modeling of a compliant mechanism

Abstract

Anahtar Kelimeler: Esnek Bağlantılı Mekanizmalar, Paralel Mekanizmalar, KirisDinamiği, Dağınık Parametreli SistemlerEsnek bağlantılı mekanizmalar yüksek hassaslık gerektiren sistemlerde çokyaygın olarak kullanılmaktadır. Çünkü bu tip mekanizmalar yüksek çözünürlülük,sürtünmesiz, düzgün ve sürekli hareket sağlar. Bu tip mekanizmalar aynı zamanda diğeryüksek hassasiyet kazandıran mekanizmalardan maliyeti daha düsük olan sistemlerdir.Bu tip mekanizmaların temel fikri hareketi sağlamak için ilave bağlantı elemanlarıkullanmamaları, istenilen hareketi esnek elemanların eğilmesiyle sağlamalarıdır.Bu tezde, paralel ve düzlemsel olan esnek bağlantılı bir mekanizmanın tasarımıyapılmıstır. Mekanizma XY düzleminde hareket edecek sekilde üç noktasındanpiezomike mikro motorlar kullanılarak tahriki sağlanmıstır. Mekanizmanınmatematiksel modeli, mekanizmada bulunan üç kirisin Euler Bernoulli dinamikdenklemleri kullanılarak olusturulmustur. Değiskenleri ayırma metodu kullanılarak dabu denklemler çözülmüstür. Mekanizmanın merkezinin pozisyonu kirislerin eğilmelericinsinden yazılabilmesi için gerekli transformasyonlar hesaplanmıstır. Matematikselmodel durum denklemlerine çevrilmis ve MATLAB Simulink kullanılarak benzetimiyapılmıstır. Benzetimden çıkan konum sonuçları COMET adı verilen baska birbenzetimle karsılastırılmıstır. Daha sonra sistemin matematiksel modeli, XYdüzleminde pozisyon kontrolü PID kullanılarak yapılabilmesi için iki girisli iki çıkıslısisteme indirgenmistir. Son olarak da, mekanizma lazer kesme ve su jeti kesmeyöntemleriyle üretilmis, piezo motorlar elle ve voltaj sinyali vererek hareketegeçirilerek sistemin açık döngülü deneyleri gerçeklestirilmistir.

Keywords: Compliant Mechanisms, Flexure Based Mechanisms, Beam Dynamics,Distributed Parameter SystemsCompliant mechanisms are widely used in high precision systems, because theyprovide high resolution, frictionless, smooth and continuous motion. These kinds ofmechanisms are also cheaper than the other types of high precision mechanisms. Themain idea of this kind of mechanism is that no additional joints are used for creating themotion, the deflection of the flexible elements are used to create the desired motion.In this thesis, a planar parallel compliant mechanism is designed. The mechanismis actuated from three ends by using piezo mike micromotors to create motion in XYplane. The mathematical model of the mechanism is derived by using Euler Bernoullidynamic equation for the three beams on the mechanism. The separation of variablestechnique is used to solve the dynamic equations. Necessary transformations arecalculated for defining the center position of the stage in terms of the deflections of thebeam. The mathematical model is represented in state space form and it is simulated inMATLAB Simulink. The position results are compared with another simulation calledCOMET. The mathematical model is reduced to two input and two output system inorder to make the XY position control of the mechanism by using PID control. Finally,the mechanism is manufactured by using laser cutting and water jet cutting techniques,open loop experiments of the mechanism are verified by actuating the piezo motorsmanually and by giving voltage signal.