Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.14
no.3
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pp.107-113
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1997
This paper presents the active control of a flexible cantilever beam vibration. The cantilever beam was excitied by a steady-state harmonic and white noise point force and the control was performed by one piezo ceramic actuator bonded to the surface of the beam. An adaptive controller based on filtered-x LMS algorithm was used and the controller was defined by minimizing the square of the response of error sensor. In the experiment, gap sensor was used as an error sensor while the sinusoidal or white noise was applied as a disturbance. In the case of sinusoidal input, more than 20 dB of vibration reduction was achieved over all range of the natural frequencies and it takes 5 seconds to control the vibration at first natural frequency and 1 second at other natural frequencies. In the case of white noise input, 7 dB of vibration reduction was achieved at the first natural frequency and good control performance was achieved in the considered whole frequency range. Results indicate that the vibration of a flexible cantilever beam could be controlled effectively when the piezo ceramic actuator was used with filtered-x LMS algorithm.
Based on the theory of piezoelasticity, the static performance of a piezoelectric bilayer cantilever fully covered with electrodes on the upper and lower surfaces is studied. Three models are considered, i.e., the sensor model, the driving displacement model and the blocking force model. By establishing suitable boundary conditions and proposing an appropriate Airy stress function, the exact solutions for piezoelectric bilayer cantilevers are obtained, and the effect of ambient thermal excitation is taken into account. Since the layer thicknesses and material parameters are distinguished in different layers, this paper gives unified solutions for composite piezoelectric bilayer cantilevers including piezoelectric bimorph and piezoelectric heterogeneous bimorph, etc. For some special cases, the simplifications of the present results are compared with other solutions given by other researches based on one-dimensional constitutive equations, and some amendments have been found. The present investigation shows: (1) for a PZT-4 piezoelectric bimorph, the amendments of tip deflections induced by an end shear force, an end moment or an external voltage are about 19.59%, 23.72% and 7.21%, respectively; (2) for a PZT-4-Al piezoelectric heterogeneous bimorph with constant layer thicknesses, the amendments of tip deflections induced by an end shear force, an end moment or an external voltage are 9.85%, 11.78% and 4.07%, respectively, and the amendments of the electrode charges induced by an end shear force or an end moment are both 1.04%; (3) for a PZT-4-Al piezoelectric heterogeneous bimorph with different layer thicknesses, the maximum amendment of tip deflection approaches 23.72%, and the maximum amendment of electrode charge approaches 31.09%. The present solutions can be used to optimize bilayer devices, and the Airy stress function can be used to study other piezoelectric cantilevers including multi-layered piezoelectric cantilevers under corresponding loads.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.6
no.2
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pp.34-39
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2005
The precision stage is an essential device for optic fiber assembly systems, micro machines and semiconductor equipments. A new piezoelectric inchworm type actuator is proposed to implement an actuator-integrated long-stroke linear stage. An in-and-quadrature phase (I/Q) heterodyne interferometer is developed as a feedback sensor of a servo system, and a synchronized counting method is proposed. The proposed measurement system can measure the accurate position of fast moving object with robustness to external sensing noise from actuator vibration. The developed servo stage will be applied to optic fiber device assembly system.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.16
no.1
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pp.86-91
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2007
A sensor using quartz toning fork is presented for measuring liquid density. It consists of a PZT plate as an actuator for piezoelectric excitation and a quartz tuning fork as a sensor for resonant frequency detection. The resonant frequency is determined from the sensing voltage measured in tuning fork when the excitation frequencies of PZT actuator are swept around the resonant frequencies of tuning fork. The resonant frequency determined the liquid density. The density values of three kinds of organic solvents are measured and compared with the standard values. The experimental results are in agreement with the standard values and the maximum standard deviation is less than 9%.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1995.04b
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pp.320-325
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1995
This study deals with the active vibration control system for an all-clamped rectangular plate with piezoceramic actuators and sensors. A line nonent algorithm (LMA) with the distributed modal sensitivity(DMS) is proposed to reduce the structural vibrations effectively and to select the optimal locations and the optimal directions (skewed angles) of uniform piezoelectric actuators or sensors. Experimental results show that eachmode can attenuated byabout 10 .approx. 13 dB in case a piezoelectric actuator generate the psuedo-random disturbances that excite the plate modes.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.26
no.2
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pp.35-44
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2009
Long stroke Fast Tool Servo (LFTS) with maximum stroke of $432{\mu}m$ is designed, manufactured and tested for fabrication of optical free-form surfaces. The large amount of stroke in LFTS has been realized by utilizing the hinge and lever mechanisms which enable the displacement amplification ratio of 4.3. In this mechanism the peculiar shape was devised for maximizing the displacement of end tip in LFTS and special mechanical spring has been mounted to provide the sufficient preload to the piezoelectric actuator. Also, its longitudinal motion of tool tip can be measured by capacitive type displacement sensor and closed-loop controlled to overcome the nonlinear hysteresis. In order to verify the static and dynamic characteristics of designed LFTS, several features including step response, frequency response and cut-off frequency in closed-loop mode were experimentally examined. Also, basic machining result shows that the proposed LFTS is capable of generating the optical free-form surface as an additional axis in diamond turning machine.
In this study, a new smart beam finite element is proposed for the finite element modeling of beam-type smart structures that are equipped with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered in the formulation. By using a variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived. The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. The proposed smart beam finite element is applied to the free vibration control adopting a constant gain feedback scheme. The electrical force vector, which is obtained in deriving an equation of motion, is the control force equivalent to that in existing literature. Validity of the proposed element is shown through comparing the analytical results of the verification examples with those of other previous researchers. With the use of smart beam finite elements, simulation of free vibration control is demonstrated by sensing the voltage of the piezoelectric sensors and by applying the voltages to the piezoelectric actuators.
The effect of $MnO_{2}$ as a sintering additive on the microstructures and the piezoelectric properties, especially mechanical quality factor, of 0.05 Pb$(Sb_{0.5}Nb_{0.5})O_{3}$-0.95 Pb$(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_{3}$ (PSN-PZT) piezoelectric ceramics was investigated. The samples were sintered at $1250^{\circ}C$ for 2 h. The crystal structure and surface morphology of the sample were examined using XRD and FE-SEM, respectively. A study on the influence of $MnO_{2}$ additives on the dielectric and piezoelectric properties showed that the $MnO_{2}$-added PSN-PZT system exhibited a high mechanical quality factor and well-situated piezoelectric properties. The optimized results of $d_{33}$ (319 pC/N), $k_{p}$ (55 %), and $Q_{m}$ (751.24) were obtained at 0.2 wt% $MnO_{2}$ added PSN-PZT piezoelectrics.
Piezoelectric composite laminates are a powerful material system that offers vast options to improve structural behavior. Successful design of piezoelectric adaptive structures and testing of control laws call for highly accurate, reliable and numerically efficient numerical tools. This paper puts focus onto linear and geometrically nonlinear static and dynamic analysis of smart structures made of such a material system. For this purpose, highly efficient linear 3-node and 4-node finite shell elements are proposed. Both elements employ the Mindlin-Reissner kinematics. The shear locking effect is treated by the discrete shear gap (DSG) technique with the 3-node element and by the assumed natural strain (ANS) approach with the 4-node element. Geometrically nonlinear effects are considered using the co-rotational approach. Static and dynamic examples involving actuator and sensor function of piezoelectric layers are considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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