Este trabalho trata do projeto de um novo modelo de porta ferramenta assistido para ser utilizado em usinagens de ultraprecisão. O projeto conceitual foi concebido utilizando definições e princípios de projeto de maquinas de ultraprecisão. Com o modelamento concluído teve início a fase de simulação em elementos finitos. Simulações estáticas feitas com os materiais utilizados na fabricação do PFA - alumínio AISI 7075 e aço SAE 1020 - vieram comprovar a eficiência deste modelo, no que diz respeito ao deslocamento sob ação da carga aplicada por um atuador piezelétrico com deslocamento de 30m. Simulações dinâmicas também vieram comprovar que o modelo opera com deslocamentos de 30m e frequências de até 700 Hz utilizando o material de construção do PFA Al 7075, com quase nenhuma histerese. Em paralelo, foi projetado um sistema de controle proporcional integral derivativo (PID) para corrigir o posicionamento da ferramenta ao longo de todo o deslocamento. A geração de formas de ondas do tipo senoidal, quadrada, triangular e dente de serra para o deslocamento servem de forma a proporcionar usinagens variadas com alta precisão de deslocamento. A validação consistiu de testes em bancada e usinagens em alumínio AISI 6100, com variação de formas de onda e deslocamentos. Os resultados mostraram que este projeto de PFA em conjunto com o projeto do sistema de controle PID atuou perfeitamente para usinagens até 15m com frequências de até 30Hz / This paper addresses the design of a new model of assisted toolholder to be used in ultraprecision machining. The conceptual design was conceived utilizing definitions and design principles of ultraprecision machines. Finite element was performed once the modeling was completed. Static simulations with the material used to manufacture the PFA (AISI 1020 steel and 7075 aluminum) have proved the efficiency of this model, with regard the displacement of the tool under the action of a load of a piezoelectric actuator. Also dynamic simulations have demonstrated that the model operates with 30m displacements and frequencies of 700Hz using Al 7075 material with almost no hysteresis. In parallel, a proportional integral derivative (PID) control system was designed to correct positioning of the tool throughout the entire range of displacements. Sinusoidal, square, triangular and saw tooth waveforms were generated as a means of validate the displacement of the PFA during the machining of various features using a high precision control system. The validation consisted of tests during the machining of 6100 aluminum, with a range of waveforms and displacements and non-machining tests with the same displacements and frequencies. The results showed that the PFA design together with the control system acted perfectly for amplitudes up to 15m with frequencies up to 30Hz.

Este trabalho trata do projeto de um novo modelo de porta ferramenta assistido para ser utilizado em usinagens de ultraprecisão. O projeto conceitual foi concebido utilizando definições e princípios de projeto de maquinas de ultraprecisão. Com o modelamento concluído teve início a fase de simulação em elementos finitos. Simulações estáticas feitas com os materiais utilizados na fabricação do PFA - alumínio AISI 7075 e aço SAE 1020 - vieram comprovar a eficiência deste modelo, no que diz respeito ao deslocamento sob ação da carga aplicada por um atuador piezelétrico com deslocamento de 30m. Simulações dinâmicas também vieram comprovar que o modelo opera com deslocamentos de 30m e frequências de até 700 Hz utilizando o material de construção do PFA Al 7075, com quase nenhuma histerese. Em paralelo, foi projetado um sistema de controle proporcional integral derivativo (PID) para corrigir o posicionamento da ferramenta ao longo de todo o deslocamento. A geração de formas de ondas do tipo senoidal, quadrada, triangular e dente de serra para o deslocamento servem de forma a proporcionar usinagens variadas com alta precisão de deslocamento. A validação consistiu de testes em bancada e usinagens em alumínio AISI 6100, com variação de formas de onda e deslocamentos. Os resultados mostraram que este projeto de PFA em conjunto com o projeto do sistema de controle PID atuou perfeitamente para usinagens até 15m com frequências de até 30Hz / This paper addresses the design of a new model of assisted toolholder to be used in ultraprecision machining. The conceptual design was conceived utilizing definitions and design principles of ultraprecision machines. Finite element was performed once the modeling was completed. Static simulations with the material used to manufacture the PFA (AISI 1020 steel and 7075 aluminum) have proved the efficiency of this model, with regard the displacement of the tool under the action of a load of a piezoelectric actuator. Also dynamic simulations have demonstrated that the model operates with 30m displacements and frequencies of 700Hz using Al 7075 material with almost no hysteresis. In parallel, a proportional integral derivative (PID) control system was designed to correct positioning of the tool throughout the entire range of displacements. Sinusoidal, square, triangular and saw tooth waveforms were generated as a means of validate the displacement of the PFA during the machining of various features using a high precision control system. The validation consisted of tests during the machining of 6100 aluminum, with a range of waveforms and displacements and non-machining tests with the same displacements and frequencies. The results showed that the PFA design together with the control system acted perfectly for amplitudes up to 15m with frequencies up to 30Hz.

Trata do desenvolvimento de um porta-ferramenta translativo (PFT). Objetiva o microposicionamento relativo ferramenta/peça durante a usinagem de ultraprecisão, para atender à tolerâncias nanométricas. Define esse microposicionamento com o emprego de atuador piezelétrico. Mostra alguns aspectos de projeto aplicados à engenharia de precisão que foram usados no desenvolvimento do PFT. Relata as técnicas de controle aplicadas como PID e compensador por atraso de fase. Realiza uma análise para verificação dos modos de vibrar do PFT, identificando assim as freqüências naturais do sistema. Apresenta um modelo ideal, ou seja, todos os componentes foram fabricados e montados para a realização dos testes. Propõe que a estratégia de controle seja baseada em processar sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da ferramenta para identificar a condição de posicionamento relativo ferramenta/peça e obter informações que foram posteriormente usadas em um controlador PID, para realimentação de posição. Conclui com a avaliação e testes experimentais de deslocamento da ferramenta de corte, até 25 &#956m; com freqüência, até 10 Hz, realizados com o PFT projetado. / This work deals with the development of a tool post (PFT) for the micropositioning of a tool during ultraprecision machining in the nanometric range. Micropositioning employing piezoelectric actuators is defined. Precision engineering designs aspects applied to the development of the PFT are discussed. Control techniques such as PID and phase-lag compensator are addressed. A computer simulation for the verification of the vibrating modes of the PFT, with the simultaneous identification of the natural frequencies is carried out. An ideal model - all components will be manufactured and assembled - is presented. A control strategy based on the processing of signals acquired during the micropositioning of the tool to identify the positioning condition and to obtain information to be used by a PID controller is proposed. Experimental tests are performed with displacement of the tool, up to 25 &#956m, with frequency, up to 10 Hz.

Atuadores piezelétricos são dispositivos que permitem a conversão de energia elétrica em energia mecânica. Dentre os atuadores piezelétricos, destacam-se os bilaminares, que consistem em duas piezocerâmicas de polarização oposta (ou excitadas com cargas de sinal contrário) com um substrato entre elas. Os atuadores piezelétricos também podem ser miniaturizados, alcançando a escala de MEMS (Micro-Electric-Mechanical System). Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT) para o projeto de atuadores piezelétricos com múltiplos graus de liberdade baseados no princípio bilaminar. A fase de projeto consiste na utilização do MOT para a determinação de uma configuração de atuadores que maximizem o deslocamento numa direção e sentido especificados para uma restrição na quantidade de material utilizado em cada camada, considerando a polarização da cerâmica piezelétrica presente nessa configuração e o acoplamento e simetria entre as camadas. Para a simulação do atuador é utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) através de um elemento de placa piezelétrica isoparamétrico de oito nós expandido. O MOT, neste trabalho, utiliza o modelo de material denominado PEMAP-P (Material Piezelétrico com Penalização e Polarização). A técnica de projeção é utilizada junto ao MOT para a obtenção de um resultado com uma geometria bem definida. O problema de otimização é resolvido através de Programação Matemática Sequencial (PMS) através do algoritmo GCMMA (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). Como exemplo é estudado o projeto de um atuador piezelétrico para microespelhos. Dentre as configurações obtidas pelo MOT, uma é fabricada utilizando as técnicas de corte a laser e colagem e, posteriormente, é caracterizada. Finalmente, é realizada a comparação entre os resultados de simulação e experimentais do protótipo. / Piezoelectric actuators are devices that allow the conversion of electric energy to mechanical energy. Among the piezoelectric, the bimorph stands. It consists of two piezoceramic plates with opposite polarization (or excited with opposite sign charges) with a substrate between them. The piezoelectric actuators can also be miniaturized in a MEMS scale. This work aims the design of a methodology using the Topology Optimization Method (TOM) for the design of piezoelectric actuators with multiple degrees of freedom using the bimorph principle. The design phase applies the TOM to determine an optimized configuration of actuators that maximizes the output displacement in a specified direction and orientation for a constraint in the amount of material used at each layer, by considering the polarization of the piezoelectric ceramic present on this configuration and the coupling and symmetry between layers. The Finite Element Method (FEM) is applied for actuator simulation through an extended piezoelectric plate isoparametric element with 8 nodes. The TOM in this work employs a material model called PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization). The projection technique is implemented with TOM to obtain a result with a well-defined geometry. The optimization problem is solved by using Sequential Mathematical Programming (SMP) through the GCMMA algorithm (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). As an example, the design of a piezoelectric actuator for micromirrors is studied. Among the configurations obtained by the TOM, one is manufactured using laser cutting and bonding techniques and it is tested. Finally, a comparison between the simulated and experimental results from prototype is performed.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle para um módulo do instrumento astronômico BTFI (Brazilian Tunable Filter Imager), um filtro óptico sintonizável altamente versátil que está instalado no telescópio SOAR, localizado no Chile. Será empregado neste instrumento um novo interferômetro Fabry-Perot, capaz de realizar observações em uma ampla faixa de resoluções espectrais. Para operar com resolução espectral variável, o Fabry-Perot proposto neste projeto terá uma faixa mais ampla de ajuste do vão entre suas placas refletivas, utilizando atuadores piezelétricos amplificados com grande capacidade de deslocamento e sensores capacitivos de alta precisão. O novo controlador apresenta uma malha de controle totalmente digital, implementada com um DSP (Digital Signal Processor) sintetizado num dispositivo FPGA (Field-programmable Gate Array). Na primeira etapa do desenvolvimento, trabalhou-se com um sistema de posicionamento nanométrico utilizando um protótipo simplificado com um canal composto por um sensor capacitivo de distância e um atuador piezelétrico. A partir dos bons resultados obtidos no sistema de um canal, realizou-se a expansão para um sistema de controle multi-malha de três canais com protótipo do Fabry-Perot, mas sem o uso das placas de vidro refletivas definitivas. O sistema permite controlar o posicionamento para cada canal individualmente ou os três em simultâneo, com desempenho adequado para os requisitos do filtro óptico sintonizável Fabry-Perot. / This work aims the development of a control system for a module of the BTFI astronomical instrument (Brazilian Tunable Filter Imager), a highly versatile optical tunable filter, deployed on the SOAR Telescope. The instrument will employ a new Fabry-Perot interferometer, which is able to provide observations in a wide range of spectral resolutions. In order to achieve variable spectral resolution, the new Fabry- Perot proposed in this project will present a larger range for adjusting the air gap between its reflective plates, using amplified piezoelectric actuators presenting high stroke capability and high precision capacitive sensors. The new controller presents a full digital control loop, implemented in a DSP (Digital Signal Processor) synthesized through a FPGA device (Field-programmable Gate Array). During the first phase of the development, it was used a nanometric positioning system using a single channel prototype comprising one capacitive sensor and one piezoelectric actuator. The good results obtained using the single channel prototype led to the expansion to a 3- channel multi-loop control system on a Fabry-Perot prototype which comprises dummy plates. The system allows controlling the position of each channel separately or simultaneously, presenting performance in accordance with the requirements of a Fabry-Perot optical tunable filter.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle para um módulo do instrumento astronômico BTFI (Brazilian Tunable Filter Imager), um filtro óptico sintonizável altamente versátil que está instalado no telescópio SOAR, localizado no Chile. Será empregado neste instrumento um novo interferômetro Fabry-Perot, capaz de realizar observações em uma ampla faixa de resoluções espectrais. Para operar com resolução espectral variável, o Fabry-Perot proposto neste projeto terá uma faixa mais ampla de ajuste do vão entre suas placas refletivas, utilizando atuadores piezelétricos amplificados com grande capacidade de deslocamento e sensores capacitivos de alta precisão. O novo controlador apresenta uma malha de controle totalmente digital, implementada com um DSP (Digital Signal Processor) sintetizado num dispositivo FPGA (Field-programmable Gate Array). Na primeira etapa do desenvolvimento, trabalhou-se com um sistema de posicionamento nanométrico utilizando um protótipo simplificado com um canal composto por um sensor capacitivo de distância e um atuador piezelétrico. A partir dos bons resultados obtidos no sistema de um canal, realizou-se a expansão para um sistema de controle multi-malha de três canais com protótipo do Fabry-Perot, mas sem o uso das placas de vidro refletivas definitivas. O sistema permite controlar o posicionamento para cada canal individualmente ou os três em simultâneo, com desempenho adequado para os requisitos do filtro óptico sintonizável Fabry-Perot. / This work aims the development of a control system for a module of the BTFI astronomical instrument (Brazilian Tunable Filter Imager), a highly versatile optical tunable filter, deployed on the SOAR Telescope. The instrument will employ a new Fabry-Perot interferometer, which is able to provide observations in a wide range of spectral resolutions. In order to achieve variable spectral resolution, the new Fabry- Perot proposed in this project will present a larger range for adjusting the air gap between its reflective plates, using amplified piezoelectric actuators presenting high stroke capability and high precision capacitive sensors. The new controller presents a full digital control loop, implemented in a DSP (Digital Signal Processor) synthesized through a FPGA device (Field-programmable Gate Array). During the first phase of the development, it was used a nanometric positioning system using a single channel prototype comprising one capacitive sensor and one piezoelectric actuator. The good results obtained using the single channel prototype led to the expansion to a 3- channel multi-loop control system on a Fabry-Perot prototype which comprises dummy plates. The system allows controlling the position of each channel separately or simultaneously, presenting performance in accordance with the requirements of a Fabry-Perot optical tunable filter.

Atuadores piezelétricos são dispositivos que permitem a conversão de energia elétrica em energia mecânica. Dentre os atuadores piezelétricos, destacam-se os bilaminares, que consistem em duas piezocerâmicas de polarização oposta (ou excitadas com cargas de sinal contrário) com um substrato entre elas. Os atuadores piezelétricos também podem ser miniaturizados, alcançando a escala de MEMS (Micro-Electric-Mechanical System). Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT) para o projeto de atuadores piezelétricos com múltiplos graus de liberdade baseados no princípio bilaminar. A fase de projeto consiste na utilização do MOT para a determinação de uma configuração de atuadores que maximizem o deslocamento numa direção e sentido especificados para uma restrição na quantidade de material utilizado em cada camada, considerando a polarização da cerâmica piezelétrica presente nessa configuração e o acoplamento e simetria entre as camadas. Para a simulação do atuador é utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) através de um elemento de placa piezelétrica isoparamétrico de oito nós expandido. O MOT, neste trabalho, utiliza o modelo de material denominado PEMAP-P (Material Piezelétrico com Penalização e Polarização). A técnica de projeção é utilizada junto ao MOT para a obtenção de um resultado com uma geometria bem definida. O problema de otimização é resolvido através de Programação Matemática Sequencial (PMS) através do algoritmo GCMMA (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). Como exemplo é estudado o projeto de um atuador piezelétrico para microespelhos. Dentre as configurações obtidas pelo MOT, uma é fabricada utilizando as técnicas de corte a laser e colagem e, posteriormente, é caracterizada. Finalmente, é realizada a comparação entre os resultados de simulação e experimentais do protótipo. / Piezoelectric actuators are devices that allow the conversion of electric energy to mechanical energy. Among the piezoelectric, the bimorph stands. It consists of two piezoceramic plates with opposite polarization (or excited with opposite sign charges) with a substrate between them. The piezoelectric actuators can also be miniaturized in a MEMS scale. This work aims the design of a methodology using the Topology Optimization Method (TOM) for the design of piezoelectric actuators with multiple degrees of freedom using the bimorph principle. The design phase applies the TOM to determine an optimized configuration of actuators that maximizes the output displacement in a specified direction and orientation for a constraint in the amount of material used at each layer, by considering the polarization of the piezoelectric ceramic present on this configuration and the coupling and symmetry between layers. The Finite Element Method (FEM) is applied for actuator simulation through an extended piezoelectric plate isoparametric element with 8 nodes. The TOM in this work employs a material model called PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization). The projection technique is implemented with TOM to obtain a result with a well-defined geometry. The optimization problem is solved by using Sequential Mathematical Programming (SMP) through the GCMMA algorithm (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). As an example, the design of a piezoelectric actuator for micromirrors is studied. Among the configurations obtained by the TOM, one is manufactured using laser cutting and bonding techniques and it is tested. Finally, a comparison between the simulated and experimental results from prototype is performed.

Trata do desenvolvimento de um porta-ferramenta translativo (PFT). Objetiva o microposicionamento relativo ferramenta/peça durante a usinagem de ultraprecisão, para atender à tolerâncias nanométricas. Define esse microposicionamento com o emprego de atuador piezelétrico. Mostra alguns aspectos de projeto aplicados à engenharia de precisão que foram usados no desenvolvimento do PFT. Relata as técnicas de controle aplicadas como PID e compensador por atraso de fase. Realiza uma análise para verificação dos modos de vibrar do PFT, identificando assim as freqüências naturais do sistema. Apresenta um modelo ideal, ou seja, todos os componentes foram fabricados e montados para a realização dos testes. Propõe que a estratégia de controle seja baseada em processar sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da ferramenta para identificar a condição de posicionamento relativo ferramenta/peça e obter informações que foram posteriormente usadas em um controlador PID, para realimentação de posição. Conclui com a avaliação e testes experimentais de deslocamento da ferramenta de corte, até 25 &#956m; com freqüência, até 10 Hz, realizados com o PFT projetado. / This work deals with the development of a tool post (PFT) for the micropositioning of a tool during ultraprecision machining in the nanometric range. Micropositioning employing piezoelectric actuators is defined. Precision engineering designs aspects applied to the development of the PFT are discussed. Control techniques such as PID and phase-lag compensator are addressed. A computer simulation for the verification of the vibrating modes of the PFT, with the simultaneous identification of the natural frequencies is carried out. An ideal model - all components will be manufactured and assembled - is presented. A control strategy based on the processing of signals acquired during the micropositioning of the tool to identify the positioning condition and to obtain information to be used by a PID controller is proposed. Experimental tests are performed with displacement of the tool, up to 25 &#956m, with frequency, up to 10 Hz.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.