본 논문에서는 KSR-III 김발엔진 구동장치의 공진현상을 감쇠시키기 위한 서보필터 설계 결과를 제시하였다. 자세제어를 위한 김발엔진 구동장치를 엔진 지지구조물에 부착시켰을 때 저주파 영역에서 구조물과 구동장치 유압 모드간의 공진 현상이 발생하였고 이러한 공진현상을 감쇠시키기 위하여 서보필터의 설계가 요구되었다. 서보필터의 설계 과정으로 김발엔진 구동장치의 동특성 시험을 기반으로 서보필터 형상을 먼저 결정하고 보완 라그랑지안 공진화 기법을 이용하여 필터 파라미터의 최적값을 계산하였으며 최종적으로 비행용으로 적합한 서보필터를 결정하였다.
All over the world, many kinds of micro-actuators were already developed for various applications. The actuators are using various principles such as electromagnetic, piezoelectric and thermopneumatic etc. The most of the micro-actuators have been made using 2D based MEMS technology. In these actuators, it is difficult to drive 3-dimensional motion. This characteristic gives the limit of actuator application. However, micro-stereolithography technology has made it possible to fabricate freeform three-dimensional microstructures. In this technology, 2-dimensional micro-shape layer is cumulated on the other layers. This layer-by-layer process is the main principle to fabricate 3-dimensioal micro-structures. In this research, a micro-bellows actuator that is vertically moving was developed using the micro-stereolithography technology. When pressure was applied into the bellows, a non-contact actuating motion is generated. For actuation experiment, syringe pump and laser interferometer were used for applying pressure and measuring the displacement. Several hundreds micro-scale actuation was observed. And, to demonstrate the feasibility of proposed actuation principle, in this research, a micro-gripper was developed using half-bellows structure.
Daghia, Federica;Inman, Daniel J.;Ubertini, Francesco;Viola, Erasmo
Smart Structures and Systems
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제6권2호
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pp.91-100
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2010
An experimental study was carried out to investigate the shape control of plates via embedded shape memory alloy (SMA) wires. An extensive body of literature proposes the use of SMA wires to actively modify the shape or stiffness of a structure; in most cases, however, the study focuses on modeling and little experimental data is available. In this work, a simple proof of concept specimen was built by attaching four prestrained SMA wires to one side of a carbon fiber laminate plate strip. The specimen was clamped at one end and tested in an environmental chamber, measuring the tip displacement and the SMA temperature. At heating, actuation of the SMA wires bends the plate; at cooling deformation is partially recovered. The specimen was actuated a few times between two fixed temperatures $T_c$ and $T_h$, whereas in the last actuation a temperature $T_f$ > $T_h$ was reached. Contrary to most model predictions, in the first actuation the transformation temperatures are significantly higher than in the following cycles, which are stable. Moreover, if the temperature $T_h$ is exceeded, two separate actuations occur during heating: the first follows the path of the stable cycles; the second, starting at $T_h$, is similar to the first cycle. An interpretation of the phenomenon is given using some differential scanning calorimeter (DSC) measurements. The observed behavior emphasizes the need to build a more comprehensive constitutive model able to include these effects.
In comparison with conventional shape memory actuated structures, antagonistic shape memory alloy (SMA) actuators permits a fully reversible two-way response and higher response frequency. However, excessive internal stress could adversely reduce the stroke of the actuators under repeated use. The two-way shape memory effect might further decrease the range of the recovered strain under actuation of an antagonistic SMA actuator unless additional components (e.g., spring and stopper) are added to regain the overall actuation capability. In this paper, the performance of all four possible types of SMA actuation schemes is investigated in detail with emphasis on five key properties: recovered strain, cyclic degradation, response frequency, self-sensing control accuracy, and controllable maximum output. The testing parameters are chosen based on the maximization of recovered strain. Three types of these actuators are antagonistic SMA actuators, which drive with two active SMA wires in two directions. The antagonistic SMA actuator with an additional pair of springs exhibits wider displacement range, more stable performance under reuse, and faster response, although accurate control cannot be maintained under force interference. With two additional stoppers to prevent the over stretch of the spring, the results showed that the proposed structure could achieve significant improvement on all five properties. It can be concluded that, the last type actuator scheme with additional spring and stopper provide much better applicability than the other three in most conditions. The results of the performance analysis of all four SMA actuators could provide a solid basis for the practical design of SMA actuators.
Numerical investigations are presented, which show that a back-flow flap can improve the dynamic stall characteristics of oscillating airfoils. The flap was able to weaken the stall vortex and therefore to reduce the peak in the pitching moment. This paper gives a brief insight into the method of function of a back-flow flap. Initial wind tunnel experiments were performed to define the structural requirements for a detailed experimental wind tunnel characterization. A structural integration concept and two different actuation mechanisms of a back-flow flap for a helicopter rotor blade are presented. First a piezoelectric actuation system was investigated, but the analytical model to estimate the performance showed that the displacement generated is too low to enable reliable operation. The seond actuation mechanism is based on magnetic forces to generate an impulse that initiates the opening of the flap. A concept based on two permanent magnets is further detailed and characterized, and this mechanism is shown to generate sufficient impulse for reliable operation in the wind tunnel.
Song, Woo-Seog;Lee, Seung-Bae;Shin, Dong-Shin;Na, Yang
Journal of Mechanical Science and Technology
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제20권11호
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pp.1993-2001
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2006
The piezoelectric bimorph film, which, as an actuator, can generate more effective displacement than the usual PVDF film, is used to control the turbulent boundary-layer flow. The change of wall pressures inside the turbulent boundary layer is observed by using the multi-channel microphone array flush-mounted on the surface when actuation at the non-dimensional frequency $f_b^+$:=0.008 and 0.028 is applied to the turbulent boundary layer. The wall pressure characteristics by the actuation to produce local displacement are more dominantly influenced by the size of the actuator module than the actuation frequency. The movement of large-scale turbulent structures to the upper layer is found to be the main mechanism of the reduction in the wall- pressure energy spectrum when the 700$700{\nu}/u_{\tau}$-long bimorph film is periodically actuated at the non- dimensional frequency $f_b^+$:=0.008 and 0.028. The biomorph actuator is triggered with the time delay for the active forcing at a single frequency when a 1/8' pressure-type, pin-holed microphone sensor detects the large-amplitude pressure event by the turbulent spot. The wall-pressure energy in the late-transitional boundary layer is partially reduced near the convection wavenumber by the open-loop control based on the large amplitude event.
Biological and chemical assays(e.g., clinical tests for medical diagnosis) are needed to handle small liquid volume with high accuracy and high reliability. Many micro-dispensing systems using various actuation methods have been developed and applied. In this research, we confirm repeatability of the cartridge-type dispensing system with various measuring methods for guarantee of an acceptable reliability. We systematically examine the dispensed volume variation and dispense rate during 500,000 shots of sequential actuation. Using the same method, we confirm the repeatability of dispensed volume while varying operating conditions and design parameter(i.e., outlet size) of the dispensing system. Also, we examine the consistency of the dispensed volume of droplet while varying the operating pressures. Furthermore, we repeatedly measure differences between an actual dispensed volume and a target volume. According to our results, it is expected that the stable and reliable performance of our dispensing system can effectively be used in various applications containing bio-solutions.
In this work, we present the comparison between $d_{31}\;and\;d_{33}$ mode characterization using the PZT micro-actuator for large displacement. The PZT micro-actuator consisted of Si, PZT, and Pt layer on SOI wafer. The electrode shapes were laminated and interdigitated for $d_{31}\;and\;d_{33}$ mode, respectively. In order to characterize the actuation mode, we measured the displacement using laser interferometer. The maximum displacement of d31 mode was $12.2{\mu}m$ at 10V, the actuation characterization of d31 was better than that of d33 mode. We estimated that displacement of d33 mode would be larger than that of d31 above 30V.
본 논문에서는 피치 및 요 방향의 자세제어를 위하여 액체 연료 김발엔진의 추력벡터제어 방식을 사용하는 3단형 과학로켓의 김발엔진 구동장치 개발을 기술하였다. 김발엔진 구동장치 개발에 필요한 형상 및 성능, 환경 요구조건을 소개하였으며, 부품 및 시스템 개발원리 및 세부 사항을 설명하였다. 개발된 시스템에 대한 자체 성능 및 환경요구조건 평가를 성공적으로 완료하였다. 구동장치와 연계된 타 시스템과의 접속 및 통합 적합성 검증 후, 비행용 하드웨어 시스템으로 KSR-III 로켓에 탑재될 예정이다.
The stiffness of shape memory alloy (SMA) spring while in actuation is represented by an empirical model that is derived from the logistic differential equation. This model correlates the stiffness to the alloy temperature and the functionality of SMA spring as active variable stiffness actuator (VSA) is analyzed based on factors that are the input conditions (activation current, duty cycle and excitation frequency) and operating conditions (pre-stress and mechanical connection). The model parameters are estimated by adopting the nonlinear least square method, henceforth, the model is validated experimentally. The average correlation factor of 0.95 between the model response and experimental results validates the proposed model. In furtherance, the justification is augmented from the comparison with existing stiffness models (logistic curve model and polynomial model). The important distinction from several observations regarding the comparison of the model prediction with the experimental states that it is more superior, flexible and adaptable than the existing. The nature of stiffness variation in the SMA spring is assessed also from the Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA), which as well proves the proposal. This model advances the ability to use SMA integrated mechanism for enhanced variable stiffness actuation. The investigation proves that the stiffness of SMA spring may be altered under controlled conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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