The performance analysis for piezoelectric driven feeder system

本文主要探討直進型壓電驅動式輸送系統的振動行為及其對工件的輸送效率。首先先建立輸送系統之理論數學模型，透過數值分析，探討系統結構參數對系統第一共階頻率的影響，藉以訂出輸送系統各元件尺寸。透過ANSYS軟體模擬及實體量測比較，以確認理論的可靠性。 輸送效率亦是本文探討的主題之一，對於輸送系統振動行為的了解，更方便於工件理想被輸送模式的建立。系統第一階共振頻率、系統傾斜角度、輸送道振動振幅決定了工件的被輸送效率，在提出理論解的同時亦以實驗量測各種輸送效果，以完整的訂定出，輸送系統之輸送效率。he performance of piezoelectric driven feeder system is discussed and analyzed in this thesis, especially the vibration and the feed rate. First, we established the math model of the feeder system and find out the relationship between dimension parameter and its first resonance frequency by numerical analysis. Then, the dimension of system is determined and can be computed or anticipated its mechanical characteristic. The ANSYS software offers a method to check the correctness of our math model and hypothesis. At last, make a real piezoelectric driven feeder system as we want and measure its mechanical characteristic (e.g. first resonance frequency and vibratory amplitude of track) to compare with result of numerical analysis. The ideal feed model must be set up before figure out the feed rate of the feeder system. Three factors that have the most influence on the feed rate can be found out. They are first resonance frequency, slanting angle and amplitude of track. Finally, we can conclude that the feed rate of the feeder system calculated from the formula we proposed in this thesis can be applied to all materials and dimensions.第一章 緒論 1 1-1研究動機 1 1-2文獻回顧 2 1-3研究目的 3 1-3-1輸送系統之比較 3 1-3-2研究方法 4 第二章 系統運動模型推導 8 2-1壓電理論 8 2-1-1壓電材料之基本性質 8 2-1-2壓電方程式 10 2-1-3壓電材料之機電偶合常數 11 2-1-4壓電驅動式輸送系統簡介 12 2-2靜態變形 14 2-2-1壓電驅動器(Bimorph actuator)之靜態變形 14 2-3動態變形 16 2-3-1壓電驅動器(Bimorph actuator)之動態變形 17 2-3-2壓電驅動器(Bimorph actuator)連結撓性板 (Flexible plate)之動態變形 21 2-3-3壓電驅動式輸送系統之動態變形 28 第三章 系統振動行為分析 34 3-1 結構參數 34 3-1-1結構材料數之訂定 34 3-1-2結構幾何數之訂定 37 3-2 數值分析 42 3-3 ANSYS系統模擬 44 3-4 實體量測比較 51 3-4-1驅動訊號之選擇 52 3-4-2系統振動行為量測 54 3-5 結論 56 第四章 系統輸送效率 58 4-1理想輸送模式 58 4-2 數值分析 65 4-3實體量測比較 75 4-4系統功率分析 4-5結論 79 第五章 結果與討論 81 5-1結論 81 5-2未來展朢 82 參考文獻 83 圖形目錄 頁數 圖1.1 旋轉式工件進料機 3 圖1.2 推上式工件進料機 4 圖1.3直進式壓電驅動型振動進料機 4 圖1.4 Bimorph壓電驅動器 4 圖1.5 第087536號專利之各式撓性板 5 圖2.1 正壓電效應 7 圖2.2 逆壓電效應 8 圖2.3 壓電材料的極化 8 圖2.4 振動板與輸送道、基座組合示意圖 12 圖2.5 (a)對稱型 (b)非對稱型bimorph驅動器 13 圖2.6 壓電驅動器結構 14 圖2.7 固定板(Base plate fixer)、驅動板(Driving plate) 、連結板(Connecting plate)、撓性板(Flexible plate) 結構圖 20 圖2.9.1 實體振動板結構 22 圖2.9.2 理論模擬之振動板結構 22 圖2.10 輸送系統受力自由體圖 29 圖3.1第一階共振頻率與ft及fl關係圖 37 圖3.2第一階共振頻率與ft及fw關係圖 38 圖3.3第一階共振頻率與fl及fw關係圖 38 圖3.4第一階共振頻率與fl及ft關係圖 39 圖3.5第一階共振頻率與fw及fl關係圖 39 圖3.6第一階共振頻率與fw及ft關係圖 40 圖3.7 理論計算α=10O，輸送道水平位移與驅動電壓關係圖 42 圖3.8 理論計算α=20O，輸送道水平位移與驅動電壓關係圖 42 圖3.9 理論計算α=30O，輸送道水平位移與驅動電壓關係圖 43 圖3.10 Set1、α=100ANSYS模擬分析 44 圖3.11 Set1、α=200ANSYS模擬分析 45 圖3.12 Set1、α=300ANSYS模擬分析 45 圖3.13 Set2、α=100ANSYS模擬分析 46 圖3.14 Set2、α=200ANSYS模擬分析 46 圖3.15 Set2、α=300ANSYS模擬分析 47 圖3.16 Set3、α=100ANSYS模擬分析 47 圖3.17 Set3、α=200ANSYS模擬分析 48 圖3.18 Set3、α=300ANSYS模擬分析 48 圖3.19 Set4、α=100ANSYS模擬分析 49 圖3.20 Set4、α=200ANSYS模擬分析 49 圖3.21 Set4、α=300ANSYS模擬分析 50 圖3.22 輸送系統量測架設圖 51 圖3.23 單頻訊號與多頻訊號對輸送系統輸出之影響 52 圖3.24 α=10O，輸送道水平位移與驅動電壓量測圖 54 圖3.25 α=20O，輸送道水平位移與驅動電壓量測圖 54 圖3.26 α=30O，輸送道水平位移與驅動電壓量測圖 55 圖4.1理想工件輸模型示意圖 58 圖4.2理想輸送模式下系統振動頻率與輸送道振幅關係 61 圖4.3不同傾斜角度下，理想輸送速率與系統振動頻率關係 62 圖4.4理想輸送模式下工件單一週期內被輸送水平軌跡 63 圖4.5非理想輸送模式下工件單一週期內被輸送水平軌跡 63 圖4.6計算ft與螺帽於10∘傾斜角之輸送效率比較圖 65 圖4.7計算ft與螺帽於20∘傾斜角之輸送效率比較圖 65 圖4.8計算ft與螺帽於30∘傾斜角之輸送效率比較圖 66 圖4.9 ft與傾斜角對1號螺帽輸送效率影響圖 66 圖4.10 ft與傾斜角對2號螺帽輸送效率影響圖 67 圖4.11 ft與傾斜角對3號螺帽輸送效率影響圖 67 圖4.12 ft與傾斜角對4號螺帽輸送效率影響圖 68 圖4.13計算fw與螺帽於10∘傾斜角之輸送效率比較圖 68 圖4.14計算fw與螺帽於20∘傾斜角之輸送效率比較圖 69 圖4.15計算fw與螺帽於30∘傾斜角之輸送效率比較圖 69 圖4.16 fw與傾斜角對1號螺帽輸送效率影響圖 70 圖4.17 fw與傾斜角對2號螺帽輸送效率影響圖 70 圖4.18 fw與傾斜角對3號螺帽輸送效率影響圖 71 圖4.19 fw與傾斜角對4號螺帽輸送效率影響圖 71 圖4.20 Set1、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 計算結果 72 圖4.21 Set2、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 計算結果 73 圖4.22 Set3、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 計算結果 73 圖4.23 Set4、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 計算結果 74 圖4.24 輸送效率量測架設圖 75 圖4.25 Set1、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 量測結果 75 圖4.26 Set2、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 量測結果 76 圖4.27 Set3、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 量測結果 76 圖4.28 Set4、α=20o工件重量與驅動電壓對輸送效率影響 量測結果 77 表格目錄 頁數 表2.1 對稱型與非對稱型bimorph驅動器性質比較表 13 表3.1 PZT-4各項常數 34表3.2 鋁材料性質表 36 表3.3 系統設計變數 41表3.4 系統第一階共振頻率理論計算擬比較表 41表3.5 系統第一階共振頻率ANSYS模擬比較表 44表3.6 系統第一階共振頻率實體量測比較表 5