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研究生:楊奕強
論文名稱:具新型磁性扭力限制器之三軸機構及其應用
論文名稱(外文):Three-Axis Mechanical Structure with Novel Magnetic Torque Limiters and Its Application
指導教授:陳財榮陳財榮引用關係
學位類別:博士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:138
中文關鍵詞:扭力限制器光遮斷器三軸機構微處理器
外文關鍵詞:torque limiterphotointerrupter3-axis machinemicroprocessor
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近年來機電整合技術之應用相當廣泛,同時創造龐大產值與商機;由於機電整合的運作必須高度仰賴馬達的傳動,在機電整合之應用中,馬達及其控制佔非常重要比例。但馬達常因負載過重或安裝不平衡等其他不可預期的因素,造成馬達軸心卡死,導致馬達線圈燒毀,甚至造成電線走火釀成火災,因此如何兼具安全與降低成本成為研發的目標。
為解決馬達控制問題,並開發一款兼具安全且可降低成本之馬達控制器,本文以永久磁鐵結合磁鐵座及微處理器進行扭力限制器之研製,利用永久磁鐵產生之磁性力構成扭力限制器,同時連動螺旋桿驅動推桿;當外來阻力大於或等於磁性扭力時,螺旋桿將停止轉動,此時扭力限制器將產生滑動;當螺旋桿停止轉動,光閘檢知盤亦跟著停止轉動,相對紅外線光遮斷器脈波信號停止輸出,此時微處理器會判斷推桿受外力阻擋,而立即停止馬達運轉,使其達到扭力限制之目的。本文研製之扭力限制器具體積小、壽命長、高穩定性、低成本與控制性佳等優點,最後並將其實際運用在研製之三軸機構上,以驗證其性能與實用性。

The mechatronic engineering technique is widely applied in recent years to create enormous productivity and business opportunity. Since the operation of mechatronic highly depends on the motor transmission, the motor and its controller are very important for the application of integrating mechatronic. However, some unpredictable problems, such as over loading or load unbalancing, cause motor stuck and motor coil damage, which might results in fire accident. Therefore, the major object is to develop a both safe and low cost product.
To solve the mentioned problem, the study aims to develop a torque limiter composed of permanent magnet, magnetic base and microprocessor. The torque produced by permanent magnet is used to motivate pusher rod by connecting a spiral screw. While the loading torque is larger than or equal to the input torque, the spiral screw stops operation and the torque limiter starts moving. As the spiral screw stops operation, the optical-grating plate also stops turning and the optical sensor would stop to output signal. At this time, microprocessor will know pusher rod has external force, and immediately stops motor operation to limit the output torque. The characteristics of the proposed torque limiter include small size, long life cycle, high stability, low cost and good controlling. This torque limiter is finally applied on the proposed 3-axis machine to verify the performance and practicability.

摘 要 i
Abstract ii
誌 謝 v
目 錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xvi
第一章 緒論 1
1-1研究背景與動機 1
1-2本論文之貢獻 12
1-3論文章節概述 14
第二章 文獻探討 16
2-1 磁性扭力限制器研究現況 16
2-2 三軸禮品機現況分析 30
2-3 推力式三軸禮品機結構分析 38

第三章 扭力限制器設計 43
3-1 系統設計規劃 43
3-2 機構設計 46
3-3 控制電路設計 48
第四章 三軸禮品機設計 51
4-1 禮品機系統架構 51
4-2 禮品機機構設計 63
4-3 控制電路設計 70
4-4 程式流程設計 81
第五章 實驗結果與討論 89
5-1 推桿輸出扭力強度與磁通密度測試 89
5-1-1扭力強度與φ5磁鐵之關係 90
5-1-2扭力強度與φ8磁鐵量測 91
5-1-3推桿輸出之扭力強度與磁鐵正負極之關係 93
5-2 扭力限制器實測 98
5-3 三軸禮品遊戲機實測 111



第六章 結論與未來研究方向 122
6-1 結論 122
6-2 未來研究方向 124
參考文獻 125
論文著作 136


圖目錄
圖1-1電玩遊戲及相關娛樂產業預估年產值 4
圖1-2推桿式禮品推物機機台外型圖 7
圖1-3推桿式禮品推物機機構剖示圖 8
圖1-4 X軸傳動示意圖 10
圖1-5 Y軸傳動示意圖 10
圖1-6 Z軸傳動示意圖 11
圖2-1機器手臂裝載扭力限制器之表示圖 17
圖2-2 Universal Robot Hand II 機器手扭力限制器機制表示圖 20
圖2-3 (a)摩擦式扭力限制器之實體圖 (b)扭力值與鎖緊螺帽調整關係圖 21
圖2-4聯軸器型扭力限制器之實體圖 21
圖2-5 (a)磁粉式離合器之實體圖 (b)扭力值與激磁電流關係圖 22
圖2-6永磁式扭力控制器之實體圖 24
圖2-7無外加磁場,各個磁域的磁偶極之方向示意圖 25
圖2-8當外加磁場時,各個磁域的磁偶極之方向示意圖 25
圖2-9磁滯現象曲線 26
圖2-10兩個磁棒以平行方式放置且同極相鄰時,其磁力線分布情形 28
圖2-11兩個磁棒以平行方式放置且異極相鄰時,其磁力線分布情形 28
圖2-12 (a) UFO Catcher機台實體圖 (b) UFO Catcher之機構圖 33
圖2-13 UFO Catcher玩法之示意圖 33
圖2-14三爪夾物機機台實體圖 35
圖2-15三爪夾物機主要傳動機構圖 35
圖2-16 (a)舉物禮品自動販賣機機台實體圖(b)舉物禮品自動販賣機機構圖 37
圖2-17舉物禮品自動販賣機玩法之示意圖 37
圖2-18推桿無法順利通過獎品遊戲機軌道示意圖 38
圖2-19推桿順利通過獎品遊戲機軌道示意圖 38
圖2-20電流檢知型之推力式推桿結構圖 40
圖2-21電流檢知型之推力式推桿剖面圖 40
圖2-22彈簧式檢知推桿結構圖 41
圖2-23推桿核心剖視圖 41
圖2-24改良式推桿剖視圖 42
圖3-1系統設計之方塊圖 45
圖3-2扭力限制器外觀示意圖 46
圖3-3扭力限制器機構之力分析圖 47
圖3-4極限開關與光遮斷器之電路圖 48
圖3-5扭力限制器之程式流程圖 50
圖3-6扭力限制器設計圖 50
圖4-1 (a)推桿式禮品推物機之系統方塊圖 (b) MCU控制基板之實體圖 52
圖4-2 (a)X軸馬達驅動與檢知方塊圖(b)馬達正反轉控制基板 53
圖4-3 Y軸馬達與機台遊戲空間之配置圖 54
圖4-4機台遊戲空間之實體圖 55
圖4-5步進馬達驅動方塊圖 55
圖4-6 Z軸馬達驅動與檢知之方塊圖 56
圖4-7投幣器與計數器之產品規格及外型圖 57
圖4-8投幣器偵測與計數器驅動方塊圖 58
圖4-9七段顯示器驅動方塊圖 59
圖4-10七段顯示器驅動實體圖 59
圖4-11禮品出口閘門驅動方塊圖 60
圖4-12禮品出口閘門實體圖 (a)下位 (b)上位 61
圖4-13禮品出口閘門驅動板實體圖 61
圖4-14音效播放聲音放大方塊圖 62
圖4-15三軸之傳動主架構圖 64
圖4-16 X軸之傳動 (a)架構圖 (b)實體圖 65
圖4-17步進馬達驅動器CSD203P外型圖 67
圖4-18 Y軸之傳動 (a)架構圖 (b)實體圖 67
圖4-19 Z軸傳動機構之組成 68
圖4-20 Z軸傳動機構之 (a) 3D圖 (b)實體圖 69
圖4-21 MB85RS64V(SPI介面)&; MB85RC64V(I2C介面)接腳圖 72
圖4-22系統RESET迴路 73
圖4-23系統MCU迴路 73
圖4-24 UART串列迴路 74
圖4-25 SPI介面資料儲存迴路 74
圖4-26 MSM6295 IC接腳圖 76
圖4-27音效整體迴路設計圖 76
圖4-28 CPLD位址解碼器迴路設計圖 77
圖4-29輸入輸出迴路設計圖 78
圖4-30 ULN2003A結構圖 78
圖4-31馬達驅動板迴路圖 79
圖4-32光遮斷器迴路圖 80
圖4-33開機初始化流程圖 84
圖4-34 Y軸校正流程圖 85
圖4-35主遊戲流程圖 86
圖4-36細部遊戲流程圖-1 87
圖4-37細部遊戲流程圖-2 88
圖5-1以高斯計測量φ5磁鐵之磁通密度 89
圖5-2以高斯計測量φ8磁鐵之磁通密度 90
圖5-3量測推桿扭力強度之方法。 90
圖5-4 (a)強力磁鐵裝載不同顆數之φ5磁鐵 (b)扭力v.s.次數作圖 91
圖5-5 (a)強力磁鐵裝載不同顆數之φ8磁鐵 (b)扭力v.s.次數作圖 92
圖5-6 (a)強力磁鐵裝載兩顆φ5磁鐵,上圖兩者皆為N極 ; 下圖兩者為一N極及一S極 (b)扭力v.s.次數作圖 94
圖5-7 (a)強力磁鐵裝載兩顆φ8磁鐵,上圖兩者皆為N極 ; 下圖兩者為一N極及一S極 (b)扭力v.s.次數作圖 95
圖5-8裝載兩顆的φ5磁鐵之磁力線分布狀 95
圖5-9裝載一顆N極向上及一顆S極向上之磁鐵所測得之扭力強度 96
圖5-10 (a)三孔載具裝載三顆φ8磁鐵 (b)扭力v.s.次數作圖 97
圖5-11扭力限制器機構實體圖 99
圖5-12全橋驅動電路之電路圖 100
圖5-13 vCW ON時iCW與v1對應波形圖 100
圖5-14vCW ON時v1與vCE1對應波形圖 101
圖5-15 vCW OFF時v1與vCE1對應波形圖 101
圖5-16 vCW ON時vCE1與vCE2對應波形圖 102
圖5-17 vCW OFF時vCE1與vCE2對應波形圖 102
圖5-18 vCW ON時vCE1與vCE3對應波形圖 103
圖5-19 vCW OFF時vCE1與vCE3對應波形圖 103
圖5-20 vCW ON時vCE1與vM對應波形圖 104
圖5-21 vCW OFF時vCE1與vM對應波形圖 104
圖5-22 vCW ON時vM與iM對應波形圖 105
圖5-23 vCW ON時v24V與iM對應波形圖 105
圖5-24 vCLK輸入端與P32輸出端波形圖 106
圖5-25馬達鎖轉測試之波形圖 107
圖5-26扭力限制器之馬達運轉波形圖 108
圖5-27馬達正轉時受阻擋後停止之放大圖 109
圖5-28光遮斷器停止瞬間馬達運作之放大圖 109
圖5-29馬達運轉停止瞬間之放大圖 110
圖5-30三軸之傳動主架構實體圖 111
圖5-31投幣器之投幣信號波形圖 112
圖5-32放大器輸入端與輸出端之音頻信號波形圖 113
圖5-33 X軸馬達ON之vM與iM對應波形圖 114
圖5-34 X軸馬達ON之vM與iM波形圖(瞬間放大視圖) 114
圖5-35 X軸馬達OFF之vM與iM對應波形圖 115
圖5-36 X軸馬達OFF之vM與iM波形圖(瞬間放大視圖) 115
圖5-37 Z軸推桿轉動 CLOCK 輸出波形(未受阻擋) 117
圖5-38 Z軸推桿轉動 CLOCK 輸出波形(受阻擋) 117
圖5-39電磁閥ON之vMC與iMC對應波形圖 118
圖5-40電磁閥ON之vMC與iMC波形圖(瞬間放大視圖) 118
圖5-41電磁閥OFF之vMC與iMC對應波形圖 119
圖5-42電磁閥OFF之vMC與iMC波形圖(瞬間放大視圖) 119
圖5-43機台性能量測實體圖 120
圖5-44 機台消耗功率之實測圖(待機) 121

表目錄
表2-1一般常見之扭力限制器比較表 29
表2-2本文磁阻式扭力限制器與市購扭力限制器之特性比較 29
表4-1東元DST56EL62A規格 66
表4-2步進馬達驅動器CSD203P特性 66
表4-3步進馬達驅動器CSD203P規格 67
表4-4 MPC89E58AE CPU特性表 71
表4-5 FRAM:MB85RS64V特性表 72
表4-6 MSM6295 IC特性表 75
表5-1磁通量與扭力強度之關係表 93
表5-2待機消耗功率與最大消耗功率比較表 121


參考文獻
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