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研究生:王盈斌
研究生(外文):Wang Yin-Bin
論文名稱:形狀記憶合金微型致動器之設計製造與應用
論文名稱(外文):Design, Fabrication and Application of Micro-actuators driven by Shape Memory Alloy
指導教授:潘吉祥潘吉祥引用關係
指導教授(外文):Pan Chi Hsiang
學位類別:碩士
校院名稱:國立勤益科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:形狀記憶合金微型致動器脈波頻寬調變
外文關鍵詞:Shape Memory Alloy (SMA)Micro ActuatorCOSMOSWorks
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本文研究目的主要是利用Ti50%-Ni45%-Cu5%的形狀記憶合金製作出微型致動器,並將此致動器應用在微型機構上及動態花藝的應用。本文首先利用線徑0.6mm線狀形狀記憶合金製作兩類形狀之結構,包括V型及螺旋彈簧型,之後針對這些形狀記憶合金結構進行致動位移、回復力、致動電流、加熱溫度、冷卻以及接點方式等相關分析。本文使用V型及螺旋彈簧型記憶合金製作出各類之微型致動機構,包括:關節型、橈性單方向及多方向型,並搭配由單晶片AT89C51輸出脈波頻寬調變(PWM)訊號做為電流控制,以進行形狀記憶合金之加熱驅動,並進一步改善致動的性能。本文同時使用COSMOSWorks軟體對所設計之撓性型致動器進行分析,將分析的數值與量測的數值進行驗證比對,並藉由模擬分析進行機構的改良。 最後,形狀記憶合金致動器亦用在人造花藝的花開及蝴蝶拍翅上。
The purpose of this paper is to develop micro actuators using Ti50%-Ni45%-Cu5% shape memory alloy (SMA) wire, which are applied to micro mechanisms and artificial floricultures. First, the V shape actuator and spring actuator are made of SMA wire with diameter of 0.6mm. Then, the performances of the two types of SMA actuators are investigated, such as the displacement, the restore force, the driving current, the surface temperature, the original shape-making and the adhesion of the joint. After that, linkage-type and compliant-type mechanisms driven by the SMA actuators are developed. The driving circuit system comprising of a pulse width modulation (PWM) control circuit is used to drive the actuators. Experiments demonstrate that control of the SMA actuator using PWM effectively reduces the energy consumption and ensures a short cool down time to guarantee a high frequency of actuating cycles. Finite Element software (COSMOSWorks) is applied to the analysis of the compliant-type mechanism to demonstrate the coincidence between the analysis and experiment, and to improve the performance of the mechanism. Finally, the SMA actuators are also applied to artificial floricultures for flower-blooming and wing-flapping of butterfly.
摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
表目錄 viii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 2
1.4 論文架構 5
第二章 形狀記憶合金原理 8
2.2 形狀記憶之相變態 10
2.3 形狀記憶效應 12
2.3.1 單向形狀記憶效應 12
2.3.2 雙向形狀記憶效應 12
2.3.3 全方向形狀記憶效應 13
2.4 擬彈性效應 14
第三章 V型線狀及螺旋彈簧記憶合金之製造與量測 15
3.1 V型線狀及螺旋彈簧記憶合金製作方法 15
3.1.1 製作方法及設備 18
3.1.2 成品 19
3.2 成品性能量測 20
3.2.1 量測儀器 20
3.2.2 實驗架構流程及量測方法 21
3.3 量測結果 26
第四章 微型機構之設計、製作與性能量測 36
4.1 關節式線狀記憶合金機構之設計製作與量測 36
4.2 關節式螺旋彈簧記憶合金機構之設計製作與量測 41
4.3 撓性多方向螺旋彈簧記憶合金機構之設計製作與量測 47
4.4 撓性單方向螺旋彈簧記憶合金機構之設計製作與量測 53
第五章 微型致動器之模擬分析 58
5.1 有限元素法 58
5.2 撓性多方向螺旋彈簧記憶合金機構之模擬分析 59
5.3 撓性單方向螺旋彈簧記憶合金機構之模擬分析 62
5.4 分析結果討論 70
5.5 撓性單方向螺旋彈簧記憶合金機構之改良與製作 71
第六章 形狀記憶合金之電控電路設計與製作 73
6.1 電路設計 73
6.2 單晶片微電腦控制器及固態計電器介紹 74
6.3 脈波寬度調變訊號 76
6.4 實際應用 77
6.4.1 脈波頻寬調變訊號應用 77
6.4.2 微型控制器應用 82
第七章 形狀記憶合金微型致動器之應用於動態花藝 84
7.1 設計概念 84
7.2 動態花藝機構及作動方式說明 84
7.2.1 蝴蝶機構設計製作及機構作動方式 85
7.2.2 人工花卉機構設計製作及致動方式 89
7.2.3 動態花藝電路控制系統 91
第八章 結論與未來展望 94


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