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研究生:游逸萱
研究生(外文):Yi-HsuanYu
論文名稱:結合3D列印與剪力阻尼於撓性定位平台之設計與控制
論文名稱(外文):Design and Control of a Polymer Compliant Stage with 3D Printing and Rubber Damping
指導教授:陳國聲
指導教授(外文):Kuo-Shen Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系
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:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:154
中文關鍵詞:撓性定位平台3D列印橡膠剪力阻尼
外文關鍵詞:compliant stages3D printingrubbersdamping
相關次數:
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撓性平台一直在精密定位控制上扮演重要的角色,傳統上使用線切割加工製作,雖然以此方式加工得到性能上良好的表現,但仍有兩個問題需解決。一是無法達成輕量化的設計,二是使用的材料多為低阻尼材料,如此一來成為撓性定位平台亟需改善之目標。鑒於上述之問題,本論文以3D列印製作較複雜的幾何外型來達到撓性定位平台之輕量化,為了加強平台的動態表現,引入剪力阻尼的減振策略,對撓性平台之重點部位設計孔隙流道填入橡膠材料,達到提升材料阻尼之性能。進行平台的設計前,先對橡膠剪力阻尼的能力進行測試,掌握如何設計實用的結構以有效的發揮橡膠剪力阻尼的能力,利用測試的經驗與結果對平台設計,將平台與橡膠剪力阻尼結合,進行動態與性能測試。原始平台與橡膠阻尼增強平台的Simulink模擬結果顯示,較高阻尼係數的平台的確可抑制響應時的震盪現象,在控制實驗的響應中也觀察出此現象。在橡膠阻尼增強的平台中,以PID控制法控制之下,系統頻寬由35 Hz增加到80 Hz,安定時間從54.5ms縮減為26.5 ms,證明平台等效阻尼的大小將會影響平台運作的頻寬。本研究設計並實現一3D列印的撓性定位平台,並且應用橡膠剪力阻尼成功提升控制的性能。最後,本研究之終極目標為金屬3D列印印製撓性定位平台,金屬3D列印機可完成輕量化設計、更容易達成定位平台微尺寸的設計,使定位平台擁有好的負載能力,同時應用橡膠剪力阻尼後得到更佳的增強阻尼效果。
Compliant stages are critical subsystems in precision motion control applications. Traditionally, they are usually fabricated by using conventionally machining methods such as wire cutting of metallic structures. Although such an approach could yield excellent performance in many applications, it suffers from two major concerns, i.e., weight concern and low material damping, which represent major bottlenecks for further performance improvements. By incorporating with 3D printing technology, it is possible to carry out light weight design for significantly reducing the weight while maintaining the required stiffness. Meanwhile, by further introducing shear damper-liked concept such as liquid elastomer materials in key locations, it is possible to improve the structural damping capability. In this work, a well-recognized compliant stage, serving as the platform, is designed and realized by using plastic 3D printing and liquid PDMS casting for investigating the feasibility of the above concept. Essential performance and dynamic tests are conducted to examine the functional performance and dynamic characteristics of the stage. The preliminary characterization results indicate that with proper design, the functional performance of the plastic stage can actually be comparable with those of wire cut metallic stages. Meanwhile, the enhancement of damping strongly depends on rubber injected position. Rubbers must be added in the portions where strong elastic deformations are expected for improving the damping capability. Finally, a closed-loop positioning control of the stage comprising an AVM30-15 voice coil motor, an YP05MGVL-P24 laser displacement sensor, and proportional–integral–derivative controller, is investigated for demonstrating the performance of 3D-printed compliant stage under control. Signal- processing for the entire system is performed under an NI cRIO-9014 LabVIEW FPGA real-time controller. In comparison with original compliant stage, the settling time is reduced from 54.5 ms to 26.5 ms, and the bandwidth is increased from 35 Hz to 80 Hz with rubber damping. Although primitive, the study shows promising results for continuing future more comprehensive studies in future stage designs using both plastic and metallic 3D printings.
摘要 I
Abstract II
致謝 XXII
表目錄 XXVII
圖目錄 XXIX
符號說明 XXXIV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 6
1.3 相關研究 8
1.4 研究方法 9
1.5 全文架構 11
第二章 研究背景介紹 13
2.1 本章介紹 13
2.2 振動學之基本理論 15
2.2.1 具阻尼的單自由度系統 15
2.2.2 阻尼相關常數求取 17
2.3 撓性定位平台相關研究 20
2.3.1 撓性機構介紹 20
2.3.2 撓性定位平台 23
2.4 3D列印技術簡介 26
2.5 阻尼器與Shear Damper介紹 30
2.6 相關文獻總結與討論 36
2.7 本章結論 37
第三章 剪力阻尼結合結構實驗設計與測試 38
3.1 本章介紹 38
3.2 概念式展示測試結果 40
3.3 懸臂樑測試結構設計與分析 44
3.4 mck測試結構設計與分析 47
3.5 阻尼測試實驗 49
3.5.1 實驗系統設計與架設 49
3.5.2 實驗設備介紹 53
3.5.3 實驗結果與討論 56
3.6 本章結論 60
第四章 平台等效阻尼增強設計與實驗測試 61
4.1 本章介紹 61
4.2 平台分析與設計 63
4.2.1 定義平台設計目標 65
4.2.2 擬似剛體模型(PRB Model with Beam Bending) 66
4.2.3 平台放大倍率與剛性之分析 70
4.2.4 應用橡膠剪力阻尼的平台設計與概念 71
4.3 實驗系統設計與實現 76
4.4 平台性能與動態測試 80
4.5 平台阻尼參數實驗 83
4.6 本章結論 87
第五章 系統模型建立與控制器設計 88
5.1 本章介紹 88
5.2 實驗系統設計與實現 90
5.3 系統模型建立 92
5.3.1 致動器系統建模 92
5.3.2 平台系統模型建立 94
5.4 PID控制器設計與模擬 96
5.4.1 PID控制器理論 96
5.4.2 PID控制器設定之Zeigler-Nichols參數調整法 97
5.4.3 PID控制器之MATLAB Simulink模擬結果 100
5.5 本章結論 104
第六章 平台控制實驗 105
6.1 本章介紹 105
6.2 步階響應實驗 106
6.2.1 未加入橡膠剪力阻尼之平台步階響應實驗 106
6.2.2 加入橡膠剪力阻尼之平台步階響應實驗 110
6.2.3 小結 114
6.3 弦波軌跡追蹤實驗 118
6.3.1 未加入橡膠剪力阻尼之平台弦波軌跡追蹤實驗 118
6.3.2 加入橡膠剪力阻尼之平台弦波軌跡追蹤實驗 121
6.4 實驗結果討論 124
6.5 本章結論 126
第七章 研究結果與討論 127
7.1 全文歸納 127
7.2 討論 129
7.2.1 橡膠剪力阻尼定位平台建模之討論 129
7.2.2 金屬3D列印印製定位平台之預估 129
7.2.3 與文獻之外加阻尼器定位平台比較 130
7.2.4 與橡膠軸承平台和撓性機構定位平台比較 131
7.3 金屬3D列印平台設計 133
7.4 未來展望與未來工作 135
7.4.1 近程目標 135
7.4.2 中程目標 136
7.4.3 遠程目標 137
7.5 本章結論 139
第八章 結論與未來展望 140
8.1 本文結論 140
8.2 本文貢獻 142
8.3 未來工作 143
參考文獻 144
附錄 147
A. 3D列印之ABS材料性質研究 147
B. 撓性鉸鏈理論公式 149
C. PDMS製作之詳細流程 150
D. Polydimethylsiloxane (PDMS) 材料性質 151
E. Pure Bending模擬 152
F. PID控制系統Simulink模擬程式 153
G. PID控制系統FPGA實驗程式 154
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