簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 沈毓珊
Yu-shan Shen
論文名稱: 微小水下載具之製作
Fabrication of Meso-scale Underwater Vehicle
指導教授: 鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
口試委員: 林顯群
Shain-chiun Lin
郭振華
Jen-hwa Guo
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 70
中文關鍵詞: SDM螺槳meso-scale水下載具
外文關鍵詞: SDM, propeller, underwater vehicle, meso-scale
相關次數: 點閱:246下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

目前水下載具的研究現況都朝尺寸小且具有海底影像偵測和管路探測等功能邁進。本研究主要是發展微小水下載具,著重在探討微小水下載具製作的可行性及載具的系統整合,包括馬達挑選、螺槳的設計、製作和推力測試、腔體設計與製作、載體組裝。首先為了使微小螺槳特徵顯著,及腔體流線外型可順利製作出來,考慮到材料和製程的配合,從非傳統加工法和材料特性中選出最合適的SDM(Shape Deposition Manufacturing)製程。
挑選適合馬達尺寸與性能,並設計腔體大小,接著依據軸流風扇設計概念,配合NACA的葉形,產生出所須螺槳。運用CAD/CAM軟體實行模型設計、製程規劃與刀具路徑模擬,以聚合材料和三軸CNC加工機配合的SDM製程將螺槳和腔體製作出來。因為螺槳和中間圓柱的黏結面積最大僅有0.9㎜,經測試在切削路徑選擇「螺旋式」,可減少切削力集中導致螺槳斷裂的問題。
將螺槳搭載於馬達後,利用虎克定律F=kx,載具於轉速1500 rpm時,由彈簧拉伸的距離計算出推力。與數值模擬軟體得到的理論推力,其誤差值為2.8﹪,可作為未來螺槳設計或製程改進的重點;將載具組裝完成後,調整腔體重量使之可平順前進,並依據載具在水中的運動情況,討論設計改善的重點。


Presently, the state of research of underwater vehicle is striding forward to small size and with functions of underwater image detection and piping probe. This study focuses mainly on developing the meso-scale underwater vehicle and exploring the practicability of manufacturing meso-scale underwater vehicle and integrating systems of vehicle, including motor selection, propeller design, manufacturing and thrust testing, hull design and manufacturing, and last carrier fabrication. In order to highlight the feature of the meso propellers, successfully manufacture the streamlined hull, and take both material and process into consideration, this study chooses the most suitable process, SDM(Shape Deposition Manufacturing), based on nontraditional machining and material qualities.
First of all, this study chooses the appropriate size and properties for the motor, and then designs the hull. The propeller for the meso-scale underwater vehicle is designed based on the theory of axial-flow fan and with the aids of NACA airfoil. Besides, CAD/CAM software is applied to carry out the model constructing, the process planning and the tool path simulation. Regarding the propeller and hull manufacture, SDM process is utilized of polymer material and three axis CNC machine. The maximum of contact area between the airfoil and the hub is 0.9㎜, this causes the problem that the concentration of the cutting force results in the break in the airfoil. After testing, this problem can be solved by selecting spiral pattern in the menu of cutting path.
After installing the propeller on the motor, the thrust can be calculated with the Hooke’s law(F=kx)based on the stretch distance of the spring pulled by the vehicle at the rotation rate of 1500 rpm. The value difference 2.8﹪derived from the numerical simulation software can be seen as the focus for future propeller design or process improvement. Moreover, this study also suggests that after assembling the vehicle, adjusting weight can make the vehicle operate more smoothly; and improving the design based on the underwater operation condition of the vehicle is necessary.

目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄X 符號表 XI 第一章緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 論文架構 4 第二章文獻探討 5 2.1 水下載具發展現況 5 2.2 非傳統加工法 8 2.2.1 微細加工法 8 2.2.2 層加工法 12 第三章馬達選擇與螺槳設計 17 3.1 馬達選擇 17 3.2 螺槳設計 18 3.2.1 二維葉形產生 18 3.2.2 NACA翼剖面設計 19 3.23. 螺旋葉片設計 22 第四章螺槳製作與實驗 25 4.1 製程選擇 25 4.2 螺槳3D模型建構 29 4.3 SDM製程 31 4.4 實驗設備與材料 32 4.4.1 實驗設備 32 4.4.2 SDM建構材料 37 4.5 SDM螺槳製作流程 40 4.6 螺槳加工參數與模擬 41 4.6.1 螺槳加工參數 41 4.6.2 加工路徑模擬 44 4.7 螺槳切削路徑比較 45 4.8 螺槳推力實驗 48 4.9 螺槳理論推力 50 第五章腔體組裝與實驗 55 5.1 腔體設計 55 5.2 腔體製作 56 5.3 載具組裝 58 5.4 載具實驗 61 第六章結論與未來研方向 64 6.1 結論 64 6.2 未來研究方向 65 參考文獻 67 附錄A 馬達性能 69 作者簡介 70 圖目錄 圖1.1 螺槳外型 2 圖1.2 腔體外型 2 圖1.3 研究流程圖 3 圖2.1 鯖魚級核子攻擊潛艇 5 圖2.2 OdysseyⅡ 5 圖2.3 Doty’s小型潛水艇 6 圖2.4 Hobson’s小型潛水艇 7 圖2.5 仿生型水下載具 7 圖2.6 薄膜沉積五個步驟分解圖 9 圖2.7 化學氣相沉積五個反應機構 10 圖2.8 濕蝕刻反應機構 11 圖2.9 電漿産生器 11 圖2.10 SLA工作原理 12 圖2.11 FDM工作原理 13 圖2.12 SLS工作原理 14 圖2.13 Mold SDM工作原理 15 圖2.14 Mold SDM方法製作的渦輪螺槳 15 圖2.15 RMPD工作原理 16 圖2.16 RMPD方法製作微小工件 16 圖3.1 馬達與馬達控制器 18 圖3.2 NACA翼剖面參數定義圖 21 圖3.3 中心線及最大厚度位置圖 21 圖3.4 最大厚度示意圖 21 圖3.5 葉輪旋轉平面及其進出口速度三角形圖 23 圖3.6 扇葉設計流程 24 圖4.1 螺槳實體外型 25 圖4.2 階梯問題 25 圖4.3 階梯覆蓋問題 27 圖4.4 等向性蝕刻 28 圖4.5 取得螺槳的IBL檔案 30 圖4.6 建構3D螺槳 30 圖4.7 長出中心圓柱 31 圖4.8 螺槳實體建構 31 圖4.9 SDM製作流程 32 圖4.10 MEM 560A工作母機 33 圖4.11 MITSUBISHI MELDAS M64/65/66控制裝置 34 圖4.12 實驗用冷卻設備 35 圖4.13 實驗用濾水器 35 圖4.14 氣動式夾治裝置 36 圖4.15 抽真空機 36 圖4.16 FC52A/52B 38 圖4.17 蠟支撐材料 39 圖4.18 Bioact 280 40 圖4.19 SDM製作流程 41 圖4.20 加工流程圖 42 圖4.21 螺槳切削路徑模擬 44 圖4.22 平行式切削路徑 46 圖4.23 斷裂螺槳 47 圖4.24 螺旋式切削路徑 47 圖4.25 完整螺槳 48 圖4.26 推力實驗平台 49 圖4.27 彈簧傾斜示意圖 50 圖4.28 控制體積示意圖 51 圖4.29 控制體積上之作用力 52 圖5.1 腔體外型 55 圖5.2 上下腔體設計 57 圖5.3 腔體切削路徑模擬 58 圖5.4 置放馬達於腔體內 59 圖5.5 馬達軸心裝置緊迫型油封 59 圖5.6 馬達控制器軟體操作介面 61 圖5.7 載體配重圖 62 圖5.8 載具於水中運轉情況 62 表目錄 表3.1 以NACA 為例的幾何意義說明 22 表4.1 各種材質的密度與重量 26 表4.2 Polyurethane和Epoxy材料特性 37 表4.3 FC52A/52B材料特性 38 表4.4 螺槳加工參數 43 表4.5 彈簧係數實驗數據 48 表4.6 彈簧伸長量 49 表5.1 腔體加工參數 57

1.Keith L. Doty, A. Antonio Arroyo, Carl Crane Scott Jantz, David Novick, Robert Pitzer, and Aamir Qaiyumi,“An Autonomous Micro-Submarine Swarm and Miniature Submarine Delivery System Concept”, Florida Conference on Recent Advances in Robotics, FIT, March 26-27, 1998.
2.Brett Hobson, Bryan Schulz, Jason Janet, Mathieu Kemp, Ryan Moody , Chuck Pell, and Heather Pinnix ,“Development of a Micro Autonomous Underwater Vehicle For Complex 3-D Sensing ”, IEEE Conference and Exhibition, Volume 4, 5-8 Nov. 2001.
3.Shuxuang Guo, Toshio Fukuda, and Kinji Asaka“Fish-like Underwater Microrobot with 3 DOF”, International Conference on Robotics & Automation , May 2002, pp.11-15.
4.莊達人,“VLSI製造技術”,高立圖書,2000年。
5.Groover P. Mikell, “Fundamentals of Modern Manufacturing”, JOHN WILEY & SONS, INC. 2002.Merz, R., Prinz, F.B., Ramaswami, K., Terk, M., Weiss, L.E.,
6.“Shape Deposition Manufacturing”, Solid Freeform Fabrication Symposium, August 8-10, 1994.
7.John Kietzman, “Rapid Prototyping Polymer Parts Via Shape Deposition Manufacturing ”, PhD Thesis, Stanford University, February, 1999.
8.Alexander G. Cooper, “Fabrication of Ceramic Components Using Mold Shape Deposition Manufacturing ”, PhD Thesis ,Stanford University, August 1999.
9.Sangkyun Kang, James P. Johnston, Toshiyuki Arima, Minoru Matsunaga, Hideaki Tsuru, and Fritz B. Prinz, “Micro-Scale Radial-Flow Compressor Impeller Made of Silicon Nitride Manufacturing and Performance ”, ASME June 2003, pp.16-19.
10.http://www.microtec-d.com/,microtec公司。
11.林鴻志,“Pentium 4 處理器冷卻風扇之製造與實驗研究”,台灣科技大學機械工程研究所碩士論文,2001年。
12.顧哲安,“筆記型電腦之風扇設計與振動分析”成功大學機械工程研究所碩士論文,2001年。
13.楊榮顯,“工程材料學”,全華圖書,2003年。
14.蔡明雄,“材料科學與工程”,全華圖書,1996年。
15.Marc Madou, “Fundamentals of Microfabrication”, CRC, 1997.
16.行政院國家科學委員會,“微機電系統技術與應用”,精密儀器發展中心,2003年。
17.詹福賜,“精密陶瓷加工法”,全華圖書,1994年。
18.黃忠良,“新陶瓷超精密工學”,復漢出版社,1984年。
19.鄭智中,“流體力學導論”,全華圖書,1987年。
20.http://www.faulhaber-group.com/,Faulhaber馬達廠商。

無法下載圖示 全文公開日期 2006/06/22 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
QR CODE