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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳英豪
研究生(外文):Ying Hao Chen
論文名稱:超音波滑動平台之設計與研究
論文名稱(外文):Design and development of an ultrasonic sliding stage
指導教授:歐陽敏盛歐陽敏盛引用關係
指導教授(外文):Min-Shen Ouyang
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:74
中文關鍵詞:超音波滑動平台壓電致動器靜摩擦係數有限元素分析
外文關鍵詞:ultrasonic sliding stagepiezoelectric actuatorstatic friction coefficientfinite element analysis
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本研究主要工作為設計一具有單軸移動之超音波滑動平台,其中包括致動系統與滑動系統。彙整許多壓電致動器的相關文獻,分析其原理及缺點作為設計新型壓電致動器及滑動機構的參考依據。在此二系統皆使用厚度僅0.2 mm之鎳合金與壓電陶瓷膠黏而成之圓形壓電陶瓷薄片為驅動元件。其中致動系統係在鎳合金薄片上利用螺釘分割成90º、120º及150º非對稱結構,滑動系統則使用120º之三等分對稱結構。前者採用非對稱結構主要以徑向超音波振動分量以推動平台產生單軸移動為目的,後者則以對稱結構,使產生的軸向振動分量降低與平台間之摩擦力,達到平台滑動效果。
在設計過程中並利用有限元素分析軟體分析致動器的振動模態,找出最佳驅動效果之致動系統的共振頻率為72 kHz及滑動系統的共振頻率為75 kHz。因為超音波高頻振動所產生的熱相當大,探討其溫升效應透過與平台大面積接觸可有效散熱。
本研究所設計出的滑動平台,在滑動系統輸入12V電壓下,平台之靜摩擦係數可由0.37降至0.2。且施與致動系統0.75N的正向預力時,可產生83 mm/s的移動速率。相較之下,在無滑動系統的作用下,同樣的正向預力僅可產生45 mm/s之移動速率。
In this paper, references regarding Langevin vibrators are surveyed. Related principles, their advantages and disadvantages are reviewed. Based on the above mentioned survey and innovative idea in this study, a new single direction motion ultrasonic sliding stage is designed. The novel sliding stage contains two ultrasonic vibration systems. One is actuating system, the other is sliding one. Both systems adopt thin circular nickel alloy sheet (0.1 mm) in which smaller piezoelectric thin-film ceramics (0.1mm) is concentrically adhered at its center. For actuating system, an asymmetric dividing of the nickel plate (90º-120º-150º) is used. On the other hand, for axial sliding, a symmetric dividing (120º-120º-120º) is used. The principle of the asymmetric dividing is used ultrasonic lateral vibrating to actuating stage. Another principle is used ultrasonic axial vibrating to reduced static friction coefficient between sliding system and stage.
During sliding stage designing, finite element software ANSYS is used to simulating the vibration mode in the two systems. The resonant frequencies of the piezoelectric actuators in the two systems are 72 kHz (for actuating system) and 75 kHz (for sliding system) respectively. Since generation heat in this device is quite large, in this paper the heat produced in both systems are dissipated largely from both two actuators to the stage by connecting actuators and the stage.
Under 12V operating voltage on sliding system, the static friction coefficient can reduce from 0.37 to 0.2 in this device. The motion speed of the stage at 0.75N preload applied on actuating system increases from 45 mm/s (without sliding) to 83 mm/s (with sliding).
目 錄
中文摘要…………………………………………………………… I
英文摘要…………………………………………………………… II
誌 謝…………………………………………………………… III
目 錄…………………………………………………………… IV
圖 目 錄…………………………………………………………… VI
表 目 錄………………………………………………………… IX
第一章 緒論 ………………………………………………… 1
1.1前言………………………………………………………….. 1
1.2文獻回顧…………………………………………………….. 2
1.3研究動機…………………………………………………….. 4
1.4本文內容…………………………………………………….. 4
第二章 壓電理論 .................................. 10
2.1壓電效應………………………………………………..... 10
2.2壓電方程式…...………………………….……………….. 11
2.3壓電陶瓷的共振特性及等效電路………………………….. 15
第三章 壓電致動器動態模擬與分析……….…….……….…. 18
3.1有限元素分析理論………………………………………….. 18
3.2動態模擬與分析..………………………………………….. 19
3.2.1壓電片簡介………….…….……………………………... 19
3.2.2 ANSYS模擬分析……..….………....…….…………… 21
第四章 超音波滑動平台設計 ….…..….……….…………… 34
4.1壓電致動器設計….....….…...……………………… 35
4.2滑動機構設計………………………….…….……………… 38
4.3平台系統設計與整合….…….….…..…………..……… 41
4.3.1移動平台及固定底座設計….….……….………………. 41
4.3.2平台系統整合….….…………………………………….. 43
第五章 超音波滑動平台實驗與特性量測….………….…… 45
5.1實驗項目與方法….....….………………………….. 45
5.1.1實驗項目…....…………….…….….………………… 46
5.1.2實驗儀器及設備....….…….………………………… 47
5.1.2.1 阻抗分析儀….….………...…….………….……… 47
5.1.2.2 AD/DA介面卡….………...…….………….……….. 47
5.1.2.3磁性感測器……...……………………..….……….. 48
5.1.2.4其他儀器設備.….….………….………….……….. 49
5.2實驗結果與特性分析.………………….….………………….. 52
5.2.1壓電致動器阻抗量測與分析..……….….….………… 52
5.2.2摩擦係數量測與分析..…….…….….……….………… 55
5.2.3壓電致動器溫度量測………..….….…………………… 59
5.2.4平台特性量測…..………….….….…………………… 65
第六章 結論與建議事項.……….…...………………………. 69
6.1結論…………….…………………………..….…………. 69
6.2建議事項與未來研究方向….….…..……………………… 70
參考文獻……….………………………….……………………… 71
附錄A 壓電矩陣.………………………………………………… 74
參考文獻
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