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系統識別號 U0002-2208200917352500
中文論文名稱 應用精密模造技術於微飛行器套件組之設計與製造
英文論文名稱 The Kit Development of Flapping Micro Aerial Vehicles by Precision Molding Manufacturing
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 高崇瑜
研究生英文姓名 Chung-Yu Kao
學號 696370054
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-09
論文頁數 152頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-苗志銘
委員-黃進光
委員-蕭富元
委員-沈永康
中文關鍵字 拍翼式微飛行器  精密射出成型  模流分析 
英文關鍵字 Micro Aerial Vehicles  Precision Injection Molding  Moldflow Analysis 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究製作21.6公分翼展拍翼式飛行器,模仿鳥類拍翼運動及外型設計拍翼式飛行器,結合塑膠模具量產技術,實現了可量產、質輕且高強度之全塑膠飛行套件的拍翼機構。對拍翼四連桿機構建立數學模型,分析左右拍翼行程的相位差。並設計出十個輕量且機構運轉順暢的塑膠零件。然後針對一模多穴的模具進行精密射出成型實驗與探討。經組裝之後實地測試飛行,已可持續飛行367秒。接著採用仿生的鳥型機身設計,設計機體長度19.5公分的拍翼式微飛行器。鳥型機殼從外型工業設計到機殼內部配置拍翼機構齒輪組、電池及接收板的機構設計。然後再設計水平尾翼與垂直尾翼來配合機殼,使得拍翼式飛行器整體造型交織著鳥類仿生設計與高傾角的飛行姿態,機殼利用發泡成型達到量產的目標。微飛行器最後進行整體的組裝,經實地測試飛行,鳥型拍翼式飛行器已可持續飛行230秒,驗證仿生拍翼式飛行器設計的可行性。
英文摘要 The authors investigate the fabrication of components of MAVs (micro aerial vehicles) with 21.6 cm wingspan by using precision injection molding. In this study. a bio-mimicking flapping MAV was shaped like birds. The author also analyzes the degree of asymmetry flapping mechanism, designs ten different plastic components (for the gear transmission module) which are as light as possible, and guarantees the smooth flapping motion as well. Thereafter the injection flow analysis in the multi-mold cavity and the fabrication parameters of the molding process according to these data has been done. The finished MAV components finally verify the design and process flow of the precision injection molding. After the MAV was assembled and tested with the fore-mentioned plastic components, a successful flight record of 367 sec was created.
Additionally we designed a bird-like fuselage with 19.5cm in length, for horizontal tail, and for vertical airfoil. After the bird-like MAV was assembled and tested, it sustains a successful flight for 230 sec as well.
In summary, the design methodology of a polymeric bird-like MAV is proved, and the
precision injection molding technique still shows its feasibility in real application to flapping MAVs herein.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 III
英文摘要 IV
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XVII
第一章 緒論 1
1-1研究背景 1
1-2 文獻回顧 3
1-3 研究目的與架構 7
第二章 拍翼機構的設計與分析 9
2-1 拍翼機構的仿生設計原則 9
2-2四連桿拍翼機構的設計 11
2-3四連桿拍翼機構數學模型的建立與分析 14
2-3-1 左右拍翼行程數學模型的建立與分析 14
2-3-2 位置、角速度與角加速度數學模型的建立與分析 18
第三章 塑膠套件的設計與製造 23
3-1塑膠套件的設計概念 23
3-2塑膠套件構型的最佳化 28
3-2-1 基座的應力分析及模流分析 28
3-2-2 公差配合的探討 36
3-3塑膠套件的製造 37
3-3-1 套件的模流分析 37
3-3-2 套件的材料選擇 39
3-3-3 塑膠套件的精密射出成型 43
3-3-4 塑膠套件的量測 47
第四章 拍翼式飛行器的機殼及尾翼的設計與製造 58
4-1 機殼的設計流程 58
4-2 機殼造型的工業設計 58
4-3 機殼內部的機構設計 59
4-4 機殼落下測試分析 64
4-5 尾翼設計 69
4-6 機殼發泡成型 77
第五章 結果應用與討論 80
5-1飛行塑膠套件的開發結果討論 80
5-2 機殼及尾翼的開發結果討論 81
5-3 流場現象觀察 91
5-4 飛行套件於前後對翼拍翼機的應用與分析 93
5-4-1 飛行套件於前後對翼拍翼機的應用 93
5-4-2 前後對翼拍翼機的設計與分析 94
第六章 結論與未來展望 101
6-1 結論 101
6-2 未來研究發展方向 103
參考文獻 107
論文著述目錄 110
附錄A、零件設計圖 111
附錄B、模具組立圖 117
附錄C、Matlab程式碼 123
C-1 拍翼行程角及相位角之差的程式碼 123
C-2 求位置角速度角加速度的程式碼 126
C-3 前後對翼四連桿機構分析的程式碼 129
C-4 可變相位差機構之左右翼相位差的程式碼 134
附錄D、左右翼翅相位差對升推力影響的風洞實驗 138
D-1 可變相位差拍翼機構的實驗設計 138
D-2 可變相位差拍翼機構的風洞實驗 144
D-3 風洞實驗相位差對氣動力數據的結果討論 152

圖目錄

圖 1 1 達文西手稿中的飛行器 2
圖 1 2 開羅博物館裡收藏古埃及的木鳥 2
圖 1 3 微型蒼蠅機器人原型機 6
圖 1 4 美國Delaware大學製作的蜻蜓MAV原型機 6
圖 1 5 美國Delaware大學MAV原型機升力數據曲線 6
圖 1 6 韓國首爾大學研製三種原型機 7
圖 1 7 論文研究架構圖 8
圖 2 1 仿生拍翼機構設計流程圖 10
圖 2 2 四連桿拍翼機構簡圖 12
圖 2 3 減速齒輪組 12
圖 2 4 四連桿拍翼機構的簡化圖 14
圖 2 5 左右翼相位差程式設計流程圖 16
圖 2 6 拍翼四連桿機構設計圖 17
圖 2 7 參數曲線圖:(a) 左右拍翼行程角;(b)左右拍翼行程角之差;(c) 左右拍翼傳動角 18
圖 2 8 四連桿機構拍翼簡化圖 19
圖 2 9 位置、角速度與角加速度程式設計流程圖 21
圖 2 10 參數曲線圖:(a)拍翼行程角;(b)拍翼行程角速度 22
圖 3 1 拍翼機構尺寸標示圖 23
圖 3 2 拍翼機構設計圖 23
圖 3 3 拍翼機構設計的相位差 24
圖 3 4 微飛行器拍翼機構零組件爆炸圖 26
圖 3 5 基座支架的剖面圖 27
圖 3 6 四種不同設計樣式的基座 29
圖 3 7 COSMOSWorks分析之操作程序 30
圖 3 8 基座在COSMOSWorks的設定 31
圖 3 9 模擬基座懸臂樑受力時的應力分佈圖 32
圖 3 10 模擬基座懸臂樑受力時的位移分佈圖 32
圖 3 11 網格化的基座、進澆點位置及節點位置 33
圖 3 12 Moldflow分析流程圖 34
圖 3 13 基座模流分析翹曲量的結果 35
圖 3 14 流道加裝調節閥:(a) 料頭上有加裝調節閥的流道痕跡;(b) 在Moldflow裡流道加裝調節閥的位置 38
圖 3 15 齒輪模波前流動溫度模擬 39
圖 3 16 塑料PVT曲線圖:(a)POM;(b)PA66 41
圖 3 17 POM與PA66在三副模具的翹曲量比較 42
圖 3 18 Arburg 220S射出成型機 44
圖 3 19 微飛行器零件的三副模具 45
圖 3 20 射出成型的成型週期圖 46
圖 3 21 組裝完成全塑膠套件的拍翼機構 46
圖 3 22 裝置全塑膠套件的拍翼式飛行器實體,翼展21.6 cm,總重7 .72g 47
圖 3 23 寬20mm基座測量位置 48
圖 3 24 小齒輪測量位置 49
圖 3 25 中齒輪測量位置 50
圖 3 26 第一桿4mm大齒輪測量位置 51
圖 3 27 20.3mm之2nd Rod測量位置 52
圖 3 28 9mm之3rd Rod測量位置 53
圖 3 29 寬16mm基座測量位置 54
圖 3 30 第一桿3mm大齒輪測量位置 55
圖 3 31 20mm之2nd Rod測量位置 56
圖 3 32 7mm之3rd Rod測量位置 57
圖 4 1 燕子機殼製作流程圖 58
圖 4 2 燕子外型的導引曲線 59
圖 4 3 燕子外型的輪廓曲線 59
圖 4 4 配置各個模組示意圖 60
圖 4 5 各個模組配置設計圖 61
圖 4 6 基座固定示意圖 61
圖 4 7 電池模組配置設計圖 62
圖 4 8 接收板模組配置設計圖 62
圖 4 9 快速成型加工程序 63
圖 4 10 燕子機殼快速成型的模型 64
圖 4 11 不同機殼的設計樣式:(a) Case 1;(b) Case 2;(c) Case 3 65
圖 4 12 落下測試應力分佈圖:(a) Case 1;(b) Case 2;(c) Case 3 66
圖 4 13 應力量測圖元及曲線分析:(a)量測位置;(b) Case 2的應力曲線分析圖;(c)Case 3的應力曲線分析圖 67
圖 4 14 落下測試位移分佈圖:(a) Case 1;(b) Case 2;(c) Case 3 68
圖 4 15機殼設計圖:(a)機殼外觀設計圖;(b)機殼剖視圖 69
圖 4 16 尾翼與整體機身示意圖:(a)右視圖;(b)等角視圖 70
圖 4 17 尾翼設計成能立起來的拍翼式飛行器 70
圖 4 18 尾翼重心配置:(a)重心較前;(b)重心較後 71
圖 4 19 拍翼式飛行器飛行姿態拍攝 71
圖 4 20 跳水式起飛連續拍攝圖 72
圖 4 21 跳水式起飛示意圖 73
圖 4 22 水平尾翼工程視圖 73
圖 4 23 垂直尾翼工程視圖 74
圖 4 24 (a)水平尾翼刀模;(b)垂直尾翼刀模 74
圖 4 25 水平尾翼成型過程:(a)珍珠板置入底部墊板;(b)水平尾翼刀模裁切珍珠板;(c)水平尾翼成型完成 75
圖 4 26 垂直尾翼成型過程:(a)珍珠板置入底部墊板;(b)垂直尾翼刀模裁切珍珠板;(c)垂直尾翼成型完成 76
圖 4 27 尾翼完成品及組裝圖:(a)垂直尾翼;(b)水平尾翼;(c)垂直尾翼與水平尾翼組裝圖;(d)尾翼與機殼組裝圖 77
圖 4 28 發泡成型機 78
圖 4 29 保麗龍機殼模具:(a)公模;(b)母模 78
圖 4 30 保麗龍機殼發泡成型及其重量:(a)機殼表面;(b)機殼內部構造 79
圖 5 1 全塑膠零件開發流程圖 80
圖 5 2 拍翼式飛行器整體設計圖 81
圖 5 3 拍翼式飛行器套件爆炸圖 82
圖 5 4 本研究拍翼式飛行器跟i-Bird的比較:(a)本研究傳動組;(b) i-Bird傳動組;(c)本研究機殼重量;(d) i-Bird機殼重量;(e)本研究尾翼;(f) i-Bird傳動組 84
圖 5 5 本研究拍翼式飛行器的機體長度=19.48公分 84
圖 5 6 機體完成組裝的總重量 85
圖 5 7 內部模組的組裝 87
圖 5 8 翼膜詳細尺寸圖 88
圖 5 9 紅外線遙控傳輸模組 88
圖 5 10 彩色塗裝機殼機翼的造型 89
圖 5 11 飛行記錄3分50秒的拍攝(2009年6月10日) 89
圖 5 12 淡江大學溜冰場上空飛行的照片:(a) 剛手擲出去的拍翼式飛行器;(b)拍翼式飛行器在上空盤旋飛行。(2009年6月12日) 90
圖 5 13 大自然界的蜻蜓 90
圖 5 14 渦流軌跡觀察:(a)煙線通過機腹上升;(b)煙線在尾翼上端逆時針形成渦流 92
圖 5 15 本研究組裝的前後對翼拍翼機:(a)右視圖;(b)前視圖 94
圖 5 16 前後對翼拍翼機的秤重 94
圖 5 17 前後翼同相位的仿蜻蜓機構設計 97
圖 5 18 前後翼相位差180度仿蜻蜓的機構設計 98
圖 5 19 前後對翼簡化圖:(a)前翼四連桿;(b)後翼四連桿 99
圖 5 20 前後對翼四連桿機構程式設計流程圖 99
圖 5 21 前後拍對翼分析圖例一 100
圖 5 22 前後拍對翼分析圖例二 100
圖 6 1 增加彈簧的拍翼機構 104
圖 6 2 橫擺90°的拍翼機構 104
圖 6 3 鳥類拍翼示意圖 105
圖 6 4 可折疊式拍翼設計圖:(a)Downstroke;(b)Upstroke 105
圖 6 5 可動式機翼初步設計。 106
圖 A 1 寬20mm基座工程視圖 111
圖 A 2 小齒輪工程視圖 112
圖 A 3 中齒輪工程視圖 112
圖 A 4 第一桿4mm大齒輪工程視圖 113
圖 A 5 20.3mm之2nd Rod工程視圖 113
圖 A 6 9mm之3rd Rod工程視圖 114
圖 A 7 寬16mm寬基座工程視圖 114
圖 A 8 第一桿3mm大齒輪工程視圖 115
圖 A 9 20mm之2nd Rod工程視圖 115
圖 A 10 7mm之3rd Rod工程視圖 116
圖 B 1 齒輪模具上視圖 117
圖 B 2 齒輪模具側視圖 118
圖 B 3 基座模具上視圖 119
圖 B 4 基座模具側視圖 120
圖 B 5 連桿模具上視圖 121
圖 B 6 連桿模具側視圖 122
圖 D 1 (a)單曲柄雙搖桿機構; (b)雙曲柄雙搖桿機構 139
圖 D 2 風洞實驗用的雙曲柄雙搖桿機構 139
圖 D 3 雙曲柄雙搖桿簡圖 140
圖 D 4 左右翼相位差程式設計流程 143
圖 D 5 左右翼相位差分佈圖 143
圖 D 6 風洞測試系統:(a)淡江大學拍翼式飛行器所用之低速風洞;(b)精密六軸力規 144
圖 D 7 改裝的可變相位差拍翼機 145
圖 D 8 可變相位差拍翼機風洞實驗數據曲線圖 147
圖 D 9 可變相位差拍翼機左右翼 148

表目錄
表 2 1 MAV拍翼過程動態模擬 13
表 3 1塑膠零件編號表 27
表 3 2四種Case設計樣式的基座比較表 36
表 3 3 POM與PA66的材料性質比較表 41
表 3 4翹曲量分析結果 43
表 3 5寬20mm基座測量尺寸及重量 48
表 3 6小齒輪測量尺寸及重量 49
表 3 7中齒輪測量尺寸及重量 50
表 3 8第一桿4mm大齒輪測量尺寸及重量 51
表 3 9 20.3mm之2nd Rod測量尺寸及重量 52
表 3 10 9mm之3rd Rod測量尺寸及重量 53
表 3 11寬16mm基座測量尺寸及重量 54
表 3 12第一桿3mm大齒輪測量尺寸及重量 55
表 3 13 20mm之2nd Rod測量尺寸及重量 56
表 3 14 7mm之3rd Rod測量尺寸及重量 57
表 4 1落下測試分析應力、位移量表 68
表 5 1拍翼式飛行器套件零件表 82
表 5 2本研究拍翼式飛行器與市售i-Bird比較表 85
表 D 1齒數改變與左右翼翅相位差表 142
表 D 2風洞實驗設定參數 146
表 D 3風洞實驗升推力的數據 148
表 D 4 相位差對於左右翼拍翼行程分析圖表 149
參考文獻 王讚源,王冬珍校注,墨子(下),國立編譯館主編出版,p.9340,2001年。
[2] 達文西手稿:
http://img381.imageshack.us/img381/6046/projektmaszynylataj261ce jok148.jpg
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[34] 高敏維,「微拍翼機可撓翼之氣動特性實驗」,碩士論文,機械與機電工程學系,淡江大學,2008年。
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