در این مطلب به بررسی نوعی از طراحی مکانیکی خواهیم پرداخت که به جای تکیه بر قطعات صلبی چون مفصلهای کلاسیک، اتصالات و یاتاقان، از خم شدن و انعطاف کنترلشده استفاده میکند. این ماشین آلات در بسیاری از کاربردها از سیستمهای مکانیکی بهتر عمل میکنند. شیوهی طراحی آنها اصطلاحا مکانیسم تطبیقپذیر یا سازگار خوانده میشود: Compliant Mechanisms. و در این نگارش این متن از منابع مختلف، منجمله ویدیوی یوتیوب کانال وریتاسیوم بهره برده شده است.
در مهندسی کلاسیک، تقریبا تمامی ماشین آلات از اجزای صلبی تشکیل شده که به وسیلهی اتصالات مختلف از جمله پیچ و مهره، بلبرینگ یا لغزندهها به هم متصل میشوند. در این سیستم حرکت از مجاری چرخش یا لغزش بین این قطعات منتقل میشود. چنین سیستمی برای طراحی، علیرغم معایب، قرنهاست جواب داده و مزایای فراوانی داشته است. از جمله معایب آن میتوان به استهلاک و اصطکاک، لقی، نیاز به روانکاری مرتب، مونتاژ پیچیده، تعدد قطعات و احتمال خرابی بالاتر نام برد. اما چرا این روش قرنها دوام داشته و طراحی با مکانیسم تطبیقپذیر چگونه است؟
مکانیسم تطبیقپذیر یا سازگار سیستمی است که حرکت و انتقال نیرو را از طریق تغییر شکل الاستیک مادهی یکپارچه منتقل میکند. در طراحی سنتی این انتقال از طریق حرکت نسبی قطعات جدا از هم منتقل میشد. در مکانیسم سازگار قطعه به گونهای طراحی میشود که نقاط مشخصی خم شده، کش آمده یا تغییر شکل دهد و همچنان در محدودهی الاستیک باقی بماند و سپس به حالت اولیه باز گردد. در این سیستمها همان بدنهای که نقش سازه را ایفا میکند، نقشهای فنر، لولا و مکانیزم انتقال حرکت را نیز بر عهده دارد.
در طراحی یکپارچه تعداد قطعات به شدت کاهش می یابد. کاهش جدی قطعات یعنی هزینهی تولید کمتر و اجازهی استفادهی بهینه از پرینتر سه بعدی، مونتاژ سادهتر و احتمال خرابی پایینتر. در این طراحی دیگر خبری از پیچهایی که لق میشود، بلبرینگهایی که مستهلک شده و یا روغنی که آلوده یا خشک شود نیست. این مکانیسمهای بای کاربردهایی که دسترسی برای تعمیر دشوار است، همچون تجهیزات فضایی یا میکروسکوپی، ایدهآل است و امروزه نیز به کار میرود.
غیاب لغزش و تماس اصطکاکی مزیت غیرعمد دیگری نیز به همراه خود میاورد: در این طراحی لقی مکانیکی یا اصطلاحا Backlash صفر است. در سیستمهای مکانیکی سنتی هر بار که حرکتی را تکرار کنید تضمینی نیست که دقیقا همان حرکت نوبت قبل انجام شده است. دقت تکرار بسیار دقیق برای تجهیزات اپتیکی، ابزارهای اندازهگیری و میکروسیستمها مزیتی فوق العاده است. در چنین حالتی حرکت کاملا قابل پیشبینی است و به خواص الاستیک ماده وابسته است.
اساس کار: تغییر شکل الاستیک
از نظر فیزیکی اساس کار این مکانیزمها تغییر شکل الاستیک است. نیرویی که به قطعه وارد میشود در بخشهای نازک یا طراحی شده انعطاف، انحنا و خمیدگی ایجاد میکند و خمشدگی به حرکت تبدیل میشود. خمیدگیها در این سیستم نقش لولاهای انعطافپذیر را بازی میکند با این تفاوت که برخلاف لولای فلزی که میچرخد، این لولاها خم شده و نتیجهی حرکتی مشابه خلق میکند.
یکی از مزایای مهم دیگر در این سیستمها آزادی در ساخت است. چاپ سهبعدی، تزریق پلاستیک و برش لیزری روشهایی است که برای تولید قطعات یکپارچه و یکتکه مناسب است و امکان خلق فرمهایی وجود دارد که با روشهای سنتی غیرممکن بود. این حوزه ارتباط نزدیکی با طراحی پارامتریک و بهینهسازی عددی دارد.
اما محدودیتهای طراحی با مکانیسم الاستیک چیست؟
مکانیسمهای تطبیقپذیر، سازگار، الاستیک یا هر آنچه که ماشین آلات متکی بر خم شدن را نام بگذاریم ایرادهایی هم دارند. این ماشینآلات دامنهی حرکتی محدودی دارند، چون تغییر شکل حد دارد و فراتر از حد مشخصی به نقطهی تسلیم یا شکست ماده ختم خواهد شد. همچنین این طراحی برای بارهای بسیار سنگین مناسب نبوده و در کاربردهای سبک یا متوسط خوب کار میکند. در این طراحی تمرکز تنش بر نواحی انعطافپذیر بوده و خستگی ماده در طول زمان از عوارض محتمل است. بنابراین طراحی دقیق و تحلیل تنش اهمیت زیادی دارد.
دشواریها چیست؟
مدلسازی این مکانیسمهای نسبت به مکانیسمهای صلب پیچیدهتر است. در این طراحیها تغییر شکل بزرگ، رفتار غیرخطی و اثرات الاستیک نقش اساسی دارد که اغلب نیازمند تحلیل اجزای محدود و شبیهسازی دقیق هستند. پیشرفت نرمافزارها و ابزارهای محاسباتی به مرور چالشها را کاسته است و در سالهای پیش رو بیشتر از این نوع طراحی خواهیم شنید.
پایانبندی
در زندگی روزمره متوجه نیستیم، ولی با مکانیسمهای تطبیقپذیر زیادی سر و کار داریم. گیرهی کاغذ، در بطرحیهای پلاستیکی، کلیپسها و بسیاری از قطعات پلاستیکی مصرفی بر اساس همین منطق طراحی شده اند. در مقایس پیشرفته هم سیستمهای MEMS، ابزارهای پزشکی، گیرههای رباتیک دقیق و سازههای فضایی از این مکانیسم بهره میبرند.
