이 논문은 형상기억합금 선재를 이용한 굽힘 작동기의 실험적인 설계방법을 다루고 있다. 제안된 굽힘 작동기는 유리섬유프리프레그를 이용하여 만든 스트립, 스프링 그리고 형상기억합금 선재로 구성된다. 굽힘 작동기에서 스트립은 초기에 형상기억합금 선재에 초기하중을 가하기 위하여 굽힘 형태로 정되며, 스프링은 형상기억합금 선재가 작동 후 빠른 시간내에 초기 형상으로 돌아오기 위한 보조수단으로 사용된다. 먼저 형상기억합금 선재의 특성을 알아보기 위하여 시차주사열량계(DSC)를 이용한 실험, 여러 종류의 초기 하중을 가한 후 작동 성능 실험, 인장 시험, 온도 변화에 따른 기계적 거동을 조사하였다 이를 바탕으로 스트립, 스프링, 인가 전압에 의한 영향을 관찰하고 소모전력을 분석하여 굽힘 작동기를 설계하였다. 특정 조건을 갖는 굽힘 작동기는 낮은 소모전력으로 빠른 응답성능을 나다내었다.
이 논문은 형상기억합금 선재를 이용한 굽힘 작동기의 실험적인 설계방법을 다루고 있다. 제안된 굽힘 작동기는 유리섬유 프리프레그를 이용하여 만든 스트립, 스프링 그리고 형상기억합금 선재로 구성된다. 굽힘 작동기에서 스트립은 초기에 형상기억합금 선재에 초기하중을 가하기 위하여 굽힘 형태로 정되며, 스프링은 형상기억합금 선재가 작동 후 빠른 시간내에 초기 형상으로 돌아오기 위한 보조수단으로 사용된다. 먼저 형상기억합금 선재의 특성을 알아보기 위하여 시차주사열량계(DSC)를 이용한 실험, 여러 종류의 초기 하중을 가한 후 작동 성능 실험, 인장 시험, 온도 변화에 따른 기계적 거동을 조사하였다 이를 바탕으로 스트립, 스프링, 인가 전압에 의한 영향을 관찰하고 소모전력을 분석하여 굽힘 작동기를 설계하였다. 특정 조건을 갖는 굽힘 작동기는 낮은 소모전력으로 빠른 응답성능을 나다내었다.
This paper presents an experimental approach to design a bending-type actuator by using a shape memory alloy wire (SMA), composite strip, and spring. The SMA wire is attached to two edges of the bent strip to apply pre-stress to the SMA wire. The spring is used to provide recovery force right after ...
This paper presents an experimental approach to design a bending-type actuator by using a shape memory alloy wire (SMA), composite strip, and spring. The SMA wire is attached to two edges of the bent strip to apply pre-stress to the SMA wire. The spring is used to provide recovery force right after actuation of the SMA wire. To investigate thermo-mechanical characteristics of the SMA wire, a series of DSC tests have been conducted and tensile tests under various levels of pre-stress and input power have been performed. Based on the measured properties of the SMA wire, bending-type actuators are designed and tested for different combination of strip, number of springs, and input power. It has been found that a bending-type actuator with a proper combination shows fast actuation performance and low power consumption.
This paper presents an experimental approach to design a bending-type actuator by using a shape memory alloy wire (SMA), composite strip, and spring. The SMA wire is attached to two edges of the bent strip to apply pre-stress to the SMA wire. The spring is used to provide recovery force right after actuation of the SMA wire. To investigate thermo-mechanical characteristics of the SMA wire, a series of DSC tests have been conducted and tensile tests under various levels of pre-stress and input power have been performed. Based on the measured properties of the SMA wire, bending-type actuators are designed and tested for different combination of strip, number of springs, and input power. It has been found that a bending-type actuator with a proper combination shows fast actuation performance and low power consumption.
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문제 정의
전력 소모량 때문이다. 본 연구에서는 형상기억합금 선재를 유리섬유적층판(스트립) 및 스프링과 조합하여 작동속도가 빠르고 전력 소모를 낮출 수 있는 작동기를 설계 제작하고 작동 성능을 검토하였다. Fig.
대한 대략적인 특성을 파악하였다. 이러한 결과들을 토대로, 이 절에서는 4층(4ply)과 6층(6ply)의 유리섬유가 적층된 적층판이 형상기억합금 선재와 연결되는 축의 초기 양단길이를 결정하기 위하여, 세 가지의 설정길이를 정하고 인가전력에 따른 작동변위를 관찰하여서 적절한 적층판 축의 초기 양단길이를 구하였다.
제안 방법
Fig. 3의 실험에 사용된 형싱"]억합금 선재의 지름과 길이는 0.1mm, 100mm이고, 각각의 하중이 인가된 상태로 반복적인 실험에 따른 온도 상승으로 인한 선재의 길이 변형이 발생하지 않는 상태에서 레이저센서를 이용하여 작동 변위를 계측하였다.
또한, 여러 종류의 하중을 형상기억합금 선재에 인가하여줄 가열(Joule heating)에 의한 작동성능을 계측하였다. 이러한 결과를 바탕으로 굽힘 작동기의 설계를 위한 유리섬유 적층 판의 두께, 형상기억합금의 갈이, 스프링의 효과 등을 관찰하고 인가전력에 대한 작동성능을 비교하여 보다 효율적인 조합을 찾아 최종적인 굽힘 작동기를 설계하였다.
힘을 확인할 필요가 있다. 로드셀을 이용하여 형상기억합금 선재가 부착되지 않은 순수 스트립이 발생시키는 반력 (reaction force)를 측정하였다. 축간거리는 95mm로 설정하였으며 스트립은 4층~8층을 사용하였다.
먼저, 사용하고자 하는 형상기억합금 선재의 성능을 알아보기 위하여 다양한 하중과 인가전력을 이용하여 작동변위를 계측하였다. Fig.
비 응력하에서 형상기억합금 선재의 상변이 온도를 관찰하기 위하여 시차주사열량계 (differential scanning calorimeter, 2010 DSC V4.4E, TA Instrument, USA)를 이용하였다. 실험에 사용된 형상기억합금의 중량은 4.
8에 사용된 스프링은 형상기억합금 선재가 수축된 후 초기위치로 돌아갈 때 스트립과 스프링의 회복력이 함께 작용하고, 스트립만을 사용할 때 보다 빠른 회복속도를 얻기 위함이다. 스프링상수 k=3Q g/mm이고 인가된 전압과 전류는 3V, 0.27A이며 두께가 다른 스트립(4층(4ply)~7층(7ply))을 사용하여 스프링의 개수에 따른 반복작동변위를 계측하였다. 실험 방법은 1초간 전력을 인가하고 1초간 끊는 방법으로 수행하였다.
27A이며 두께가 다른 스트립(4층(4ply)~7층(7ply))을 사용하여 스프링의 개수에 따른 반복작동변위를 계측하였다. 실험 방법은 1초간 전력을 인가하고 1초간 끊는 방법으로 수행하였다.
5의 두 축사 이의 갈이는 A=85mm, B=90mm, C=95mm이다. 실험 방법은 형상기억합금 선재에 2.5, 3, 3.5, 4V의 서로 다른 전압을 1초 동안 인가하고 1초간 끊는 방법으로 25초 동안 반복 시험을 통하여 얻은 작동변위를 구하였다. 여기서, 작동 변위는 반복적인 곡선을 보이는 위와 아래의 차이 값으로 정의한다.
외부에 연결된 형상기억합금 선재의 거동은 유리섬유적층판의 내부에 위치하는 것보다 작동력이 우수하고, 자연적인 대류 작용에 의해 형상기억합금 선재의 cooing에도 도움이 된다. 이 연구에서는 초기에 잔류 응력을 유리섬유적층판과 스프링을 사용하여 일방향 형상기억합금 선재에 부가하여 굽힘 작동기를 설계하기 위한 몇 가지 실험적인 방법을 통하여 설계변수를 찾은 뒤 그 성능을 작동력과 소모전력을 통하여 비교평가 하였다. 개발된 굽힘 작동기는 물고기 로봇의 작동기로 사용할 예정이다.
가열(Joule heating)에 의한 작동성능을 계측하였다. 이러한 결과를 바탕으로 굽힘 작동기의 설계를 위한 유리섬유 적층 판의 두께, 형상기억합금의 갈이, 스프링의 효과 등을 관찰하고 인가전력에 대한 작동성능을 비교하여 보다 효율적인 조합을 찾아 최종적인 굽힘 작동기를 설계하였다.
작동기 의 설계를 위하여 우선 비 응력하에서 형상기억합금 선재의 상변이 온도를 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 관찰하였고, 인장시험을 수행하여 형상기억효과와 초탄성 거동을 계측하였으며, 주변 온도 변화에 따른 형상기억합금 선재의 변형률을 관찰하였다.
반사판과 연결하여 자유단으로 만들었다. 작동방법은 형상 기억합금 선재에 전기적인 저항으로 인한 줄 가열이 발생하는 동안 내부온도가 상승하여 추를 들어올리면서 길이가 수축하고, 냉각시에는 인가전력을 차단한 뒤에 주위온도에 의한 자연적인 온도감소와 추의 무게에 의한 초기위치 회복을 이루도록 하였다. 이 실험으로부터 부가된 추에 따른 초기 잔류 응력과 인가된 전력에 대한 형상기억합금 선재의 작동변위를 확인할 수 있다.
제안된 굽힘 작동기는 유리섬유적층판을 사용하여 끝부분에 형상기억합금 선재를 고정시키고, 보의 구속조건을 고정-자유로 만든 뒤 자유단에 스프링을 걸어서 형상기억합금 선재에 초기 응력 조건을 부가하였다. 따라서, heating/ cooling 시에 유리섬유 적층 판의 중앙지점이 상하로 움직이는 거동을 보여주게 된다.
형상기억합금 선재의 응력 하 또는 비응력 하에서의 거동에 대한 대략적인 특성을 파악하였다. 이러한 결과들을 토대로, 이 절에서는 4층(4ply)과 6층(6ply)의 유리섬유가 적층된 적층판이 형상기억합금 선재와 연결되는 축의 초기 양단길이를 결정하기 위하여, 세 가지의 설정길이를 정하고 인가전력에 따른 작동변위를 관찰하여서 적절한 적층판 축의 초기 양단길이를 구하였다.
대상 데이터
4는 서로 다른 부가하중이 작용할 때 인가전력에 대한 형상 기억 합금 선재의 작동변위를 보여준다. 부가하중과 인가전력이 바뀔 때 마다 새로운 형상기억합금 선재를 사용하였다. 주목할 점은 부가하중이 100g인 경우 모든 인가전력에 따른 작동변위가 다른 부가하중들에 비하여 작다는 점이다.
또한 형상기억합금 선재에 초기 응력을 부여할 최적의 유리섬유 적층 판을 찾기 위함이다. 사용된 유리 프리-프레그는 SK 사lemical의 GEP108로서 두께 0.07mm이다. 제작된 스트립은 4층과 6층이며 크기는 10cmx2.
4E, TA Instrument, USA)를 이용하였다. 실험에 사용된 형상기억합금의 중량은 4.44mg이며 -20℃에서 80℃의 범위를 5, C/min의 온도변화율로 형상기억합금 선재에 가열과 냉각을 2회 수행하였다. 오스테나이트 시작온도(4)와 오스테나이트 끝온도(4)사이의 상변태 에너지는 10.
이 연구에서는 일방향 효과를 갖는 형상기억합금 선재를 사용하였다. 일방향 효과의 특성은 형상기억요소가 열을 받을 때만 형상회복이 발생한다는 점이다.
07mm이다. 제작된 스트립은 4층과 6층이며 크기는 10cmx2.5cm이다. Fig.
로드셀을 이용하여 형상기억합금 선재가 부착되지 않은 순수 스트립이 발생시키는 반력 (reaction force)를 측정하였다. 축간거리는 95mm로 설정하였으며 스트립은 4층~8층을 사용하였다. Fig.
성능/효과
(3) 5층의 유리섬유적층판을 양단거리가 95mm인 형상기억합금 선재에 연결하고 1개의 스프링을 사용하여 굽힘 작동기를 구성하였을 때, 인가전력이 O.81W(3V, 0.27A)인 경우 약 90&의 막힘 하중을 나타내었으며 64%의 증가된 효율을 나타냈다.
(c)의 결과와 비교할 때 사용된 판이 형상기억합금 선재에 과도한 초기 응력을 가해주어 반복작동변위가 매우 작은 것을 알 수 있다. (c)에서 4층(왼쪽)의 결과는6층(오른쪽)의 결과에 비하여 충분한 작동변위를 보여주지 못하며, 각각의 인가 전압에 대하여 비교적 균일한 거동을 보이는 것은 6층을 사용한 경우이다.
4=35℃, ^./=55℃, M,=27℃ Mf=13℃C을 가짐을 확인하였고, 150g의 인가하중을 가할 때 최대 6mm의 작동 변위를 보였다.
실험결과로부터, 형상기억합금 선재에 적용할 초기 응력의 중요성과 적절한 인가전력에 대한 영향을 알 수 있다.
후속연구
이 연구에서는 초기에 잔류 응력을 유리섬유적층판과 스프링을 사용하여 일방향 형상기억합금 선재에 부가하여 굽힘 작동기를 설계하기 위한 몇 가지 실험적인 방법을 통하여 설계변수를 찾은 뒤 그 성능을 작동력과 소모전력을 통하여 비교평가 하였다. 개발된 굽힘 작동기는 물고기 로봇의 작동기로 사용할 예정이다.
주목할 점은 부가하중이 100g인 경우 모든 인가전력에 따른 작동변위가 다른 부가하중들에 비하여 작다는 점이다. 그 이유를 알기 위해 밀폐된 heat chamber안에서 형상 기억 합금의 주변 온도를 상승시켜 응력을 부가하는 방법을 이용하여 차후 실험을 통하여 주위환경 온도에 따른 형상기억합금 선재의 응력-변형률 관계를 알아볼 계획이다.
이러한 결과로부터, 유리섬유적층판이 형상기 억합금 선재에 가하는 힘을 확인할 필요가 있다. 로드셀을 이용하여 형상기억합금 선재가 부착되지 않은 순수 스트립이 발생시키는 반력 (reaction force)를 측정하였다.
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