虎尾科技大學機械與機電工程研究所學位論文
國立虎尾科技大學,正常發行
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本論文使用雷射都普勒測速計(LDV)量測氣膠微粒之沉澱區域流速，證實沉澱區為完全發展之紊流流場。將高壓氮氣導入TSI3475中，使其內的螢光鈉鹽溶液產生霧化，並流經乾燥劑使霧化的螢光鈉鹽溶液能將水分析出，再控制特殊油的加熱溫度使得TSI3475能產生含有螢光鈉鹽成分單一粒徑之氣膠微粒，並將氣膠微粒隨著空氣導入水平方型管中，觀察氣膠微粒在玻璃平板上的沉積狀況；將沉積過後的玻璃平板浸泡於去離子水後，利用Hidex Chameleon儀器測量其螢光讀數，試圖了解氣膠微粒沉積的濃度與粒子數，並探討氣膠微粒在流場中受板塊阻擋之影響。 首先量測氣膠微粒沉積是否會隨著時間的增長而累積增加，依圖形可判斷沉積量將隨著時間增加而增加累積；其次是量測氣膠微粒的粒徑是否會影響沉積效率，其結果是肯定的；接著固定流場中氣膠微粒的空間密度量測在不同速度的情形下，氣膠微粒衝擊於15°斜板的沉積附著狀況；於是我們將上述中個實驗數據情形統計分析，將所有正相關的參數置於分子，反之負相關的置於分母，可以推測，沉積效率應該跟流道中可供流通面積有相關連，所以將衝擊斜板的角度固定，只調整其位於流道中的垂直截面高度，來驗證推測是否正確；緊接著將衝擊斜板的垂直截面高度與流場流速固定，只改變衝擊斜板的角度，觀察因為角度變化而產生的影響；最後，將流場流速與衝擊斜板角度作交叉實驗以觀察流場流速與斜板角度之間的相互關係。
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本研究主要目的在於利用氣體電弧放電設備，以粉末冶金碳棒放電製備之新型碳奈米膠囊，因其特殊石墨結構，使具有熱傳導性、導電性和強度佳與化學穩定性等優點。將其加入潤滑油做為混合液滴來撞擊固體表面以探討其行為。 液滴撞擊表面可分為擴展、回縮及最後穩定階段。本實驗研究將以高速攝影所擷取之瞬間影像深入探討液滴撞擊三維表面，將依不同加工方式、不同表面粗糙度、和不同溫度下，探討碳奈米膠囊潤滑油液滴撞擊金屬表面行為。由實驗結果可得知：(1)不同材料對液滴之擴散也有所不同，其中以鋁材對液滴擴散直徑影響較大，其次為銅和鐵。(2)不同加工表面在相同粗糙度情況下，高度峰度較高會使的液滴擴散直徑變小，實驗結果以端銑加工之擴散直徑較磨削加工大。(4)粗糙度越大，擴散直徑越小；溫度升高使的液滴表面張力降低，因此擴散直徑會變大，溫度越高表面粗糙度越大，液滴擴散形狀會越不規則。(5)新型碳奈米膠囊添加劑潤滑油液滴擴散情況較基礎油好。 關鍵字：碳奈米膠囊、液滴碰撞、三維表面粗糙度、擴散直徑、表面溫度
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高速滾珠螺桿(ball screw)是目前最常被使用的線性傳動元件，但高速化會因內部元件相互運動劇烈導致振動加劇，其成因來自於滾珠撞擊軌道與迴流元件，潤滑不良、滾珠與軌道摩擦，背隙增加與磨耗導致預壓消失。造成定位精度與傳動效率下降等問題。本文在振動量測中藉由實機測試，搭配加速規，將滾珠螺桿振動訊號進行訊號分析，包括時域分析與頻譜分析等，解析振動行為之成因，藉由球通頻率與轉速關聯性驗證滾珠公轉角速度理論，目的是希望能了解滾珠在螺帽內部運動過程中的滾滑動現象。同時，解析此振動訊號得到滾珠螺桿潤滑好壞及失效性。在傳動性能量測中，利用扭力計量測馬達輸入扭矩，找出加減速段振動量與扭矩關係變化。藉此將建立高速滾珠螺桿振動結果與操作條件圖譜提供設計時的減振參考。
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本論文主要探討利用雷射光干涉檢測氧化鋁薄膜特性，實驗利用雷射光干涉實驗結合電鍍薄膜設備與電化學測試儀等設備，來量測氧化鋁薄膜厚度與電化學特性，再依據實驗量測數據來探討應力應變以及抗腐蝕效應。 實驗步驟首先利用電鍍薄膜設備在清潔後的鋁片上電鍍一層氧化鋁薄膜，運用光干涉效應的原理來量測電鍍薄膜的厚度。並利用光學顯微鏡與原子力顯微鏡來觀察薄膜表面形貌。接下來利用表面輪廓儀測試不同薄膜厚度，比較原子力顯微鏡與表面輪廓儀的差異性；之後利用牛頓環實驗，觀察不同薄膜厚度的氧化鋁薄膜之間應力應變狀態。再以實驗量測出的塔弗圖的情況，進一步了解氧化鋁薄膜的抗腐蝕效應。 經由觀察氧化鋁薄膜厚度可知，當電鍍電壓小時，電流密度比較集中，導致電鍍比較均勻。反之當電壓大時，電流密度比較發散，導致電鍍比較不均勻；最後從光學干涉實驗觀察出當厚度越大時，薄膜具有較高的抗腐蝕性；反之當厚度越小時，其抗腐蝕性較低。
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本研究以模組化概念為出發點，設計出擁有即時作業系統之嵌入式行車控制器，具備有CANBus通訊介面模組、基本行駛功能模組與防鎖死煞車(ABS)功能模組等三個模組。本研究針對嵌入式系統、電磁煞車硬體、ABS控制理論與控制器設計進行了系統性的研究，並以Matlab軟體加以模擬分析。 本研究首先介紹嵌入式系統定義與防鎖死煞車系統概論，並介紹本研究之電動車所採用的輪內馬達作為控制煞車力的電磁煞車系統架構。設計一個防鎖死煞車系統的控制器，主要目標是保持一個適當的滑移率，使輪胎於緊急煞車的狀態下避免煞車鎖死，且仍然可以產生橫向控制力和維持轉向操控性，並可獲得更短的煞車距離。 為了控制煞車系統的滑移率，本研究詳細分析四分之一車輛模型動態方程式與計算滑移率公式作為模擬分析的系統模型。透過滑動模態控制器的設計技巧，求出等量控制與切換控制，以獲得滑動模態控制器的輸出，為了消除切換控制律所含之符號函數在其切換控制時會產生強烈的抖顫現象，本文所提出之控制器用飽和函數取代符號函數，以獲得較平滑的控制效果。並利用Matlab軟體模擬本文所提出的滑動模態控制器，結果顯示控制器輸出符合本研究所期望之狀態。 嵌入式行車控制器的實作，以ARM920T為晶片核心的S3C2440嵌入式系統晶片主機板為硬體架構，並以μC/OS II作為即時作業系統，以C程式語言，利用CAN Bus介面通訊技術實現本文所提出之嵌入式行車控制器，除了基本前進、後退、煞車等基本行駛功能外，還擁有CAN Bus通訊功能與ABS煞車功能。
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本論文的主要目的在研製一套影像伺服自走車控制系統。系統利用影像辨識技術追蹤一運動目標物，並結合適應模糊滑動模式控制法則來達成自走車即時追蹤控制。整體架構分為四個系統，分別是人機控制介面系統、嵌入式影像處理系統、微控制器，及馬達驅動系統。人機控制介面系統係由LabVIEW套裝軟體發展而成，且可透過無線通訊網路將影像處理程式藉由個人電腦傳送至嵌入式系統。當系統在執行運動目標追蹤時，自走車上的CCD攝影機所擷取的影像資訊可經由IEEE1394通訊介面傳輸至嵌入式系統，影像資訊經嵌入式影像處理系統處理後可求得到目標物與CCD影像畫面中心點之相對誤差，接著，嵌入式系統將此誤差訊號以並列通訊方式傳給PIC18F252徵控制器。本文運用Lyapunov穩定準則推導出「適應模糊滑動模式控制技術」，將其植入PIC18F252中運算，並送出適當的PWM馬達控制訊號，透過橋式驅動電路控制左右輪馬達，使自走車可以平滑地追隨前方移動中的目標物。 實驗結果，本文所提之AFSMC的控制性能明顯優於傳統PID控制。
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隨著科技的蓬勃發展，使得研發將隨著產品的需求已朝向微小化、精密、可靠與高效率等趨勢發展，而在追求尺寸微小化的同時，必須兼顧精度的要求，以致界面的特性研究與控制技術逐漸在各項產業中受到重視並尋求突破。目前已經有相當多的研究考慮了受單一正向負荷之靜態接觸的表面接處情況，但在實際接觸情況下之兩物體表面，都伴隨著因受切線負荷，而產生兩表面相對滑移的運動，以致其接觸表面上之微粗糙峰，將從靜態接觸轉變為動態滑動接觸，造成此兩相互接觸面積增加，而黏附力、摩擦力、磨耗及潤滑等都與界面的真實接觸面積有很大關係。因此本文藉由微接觸力學試驗台模擬兩物體表面微粗糙峰接觸過程實驗，以深入探討受正向與側向負荷之表面粗糙峰變形行為與接觸模型對接觸界面成長之影響。 本研究使用光學量測方法進行實驗，觀測半圓體及半橢圓體之紅銅金屬於堅硬之石英玻璃平坦面上，先行施加正向預負荷，再施予一滑動負荷後使紅銅試件於平面上產生滑動，並分別探討不同尺寸及形狀之粗糙峰相對於承受各種不同之正向與滑動速度後，接觸界面面積增長大小及幾何形狀變化，以進一步了解黏附力、摩擦力及磨耗在兩不同接觸界面特性的影響。 實驗結果顯示，當相互接觸之兩物體產生滑動時，其界面增長與壓縮變形趨勢皆為非線性，大部分界面增長與壓縮變形都發生於滑動初始階段。此外界面增長與壓縮變形量都與正向負荷、滑動速度成正比關係；但與曲率半徑、橢圓率成反比。對於非等向之橢圓體當滑動角度為45°時其界面增長量較大，上述實驗誤差均在可接受範圍內。
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隨著微機械產業與精密傳動產業的高精密化，尤其在具有相對運動之接觸表面間黏附與摩擦等表面力現象相對於慣性力顯得越來越重要。在具有相對運動之接觸表面間，實際上常存有不同外來粒子，本身磨屑等，而這些因素均會影響接觸面間之黏附、摩擦與磨損。由上述影響接觸表面之重要因子，本文理論分析建構考慮黏附效應與顆粒之三體微接觸模式，並利用所得之彈性、塑性及彈塑性變形接觸面積推導出黏附摩擦係數、波峰變形摩擦係數、顆粒變形摩擦係數與棘輪摩擦係數公式，建立界面間具有黏附效應之完整摩擦特性模式，再由理論分析了解顆粒、表面材料及表面效應在兩接觸界面間摩擦特性。結果顯示，粗糙表面接觸面間在小間隙時，由顆粒尺寸與顆粒密度所主導摩擦係數，而隨著間隙的增加，影響總摩擦係數的主要因子改為表面摩擦係數。在不同塑性指數下，當間隙相同時有一定的變化：(d/σ)Ψ0.5 > (d/σ) Ψ0.7> (d/σ) Ψ1.0> (d/σ) Ψ1.5 > (d/σ) Ψ2.5。較大的顆粒尺寸與顆粒密度在精密機械與微機械的相同運轉條件下，有較高的摩擦係數值與臨界間隙。這些表面摩擦特性變化，可作為精密機械與微機械傳動設計設計之參考。
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大部分的表面粗糙度皆具有加工刀具的運動方向，以致在不同的方向上有不同的曲率半徑，非等向之橢圓波峰較接近實際粗糙表面。許多光學或微機械元件在接觸時，界面波峰已是微米或奈米尺寸，其接觸面積在受壓時，黏附效應成為表面力重要影響因子之ㄧ，並且常以表面塗層以美化表面及抗磨損與摩擦。因此，本文利用表面形貌的碎形特性，並且考慮表面粗度橢圓率、塗層硬度、表面能等因素，建立粗糙表面微接觸模式以研究界面間之接觸行為。 分析結果顯示無因次化真實接觸面積Ar*與摩擦係數受到D值(碎形維度)的影響遠比(γ)橢圓率的影響還要大。無因次化真實接觸面積Ar*與摩擦係數受到D值(碎形維度)的影響遠比黏附功百分比的影響還要大。?γ?與γa*增加均造成無因次化真實接觸面積Ar*、摩擦係數與彈性變形面積增加及塑性變形面積的減少。K值與ψ值的增加卻造成無因次化真實接觸面積Ar*、摩擦係數減少與彈性變形面積的增加。ψ值減少會強化γa*對無因次化真實接觸面積Ar*與摩擦係數之效應。粗度表面之D在小於1.30產生低摩擦係數且不會受到無因次化黏附功與橢圓率的改變而影響。在D=1.6至1.7會產生最大的摩擦係數，且摩擦係數會隨著D值得持續增加而下降，此臨界D值隨著γ值的減少而增加。材料特性ψ與K值在低負荷下，無因次化真實接觸面積Ar*與摩擦係數的最高值D值均會而逐漸增加。
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行車紀錄器分有傳統機械式行車紀錄器及數位式行車紀錄器兩種。傳統機械式行車紀錄器之準確性低且需經過專業訓練人員加以判讀，具有處理時間長及易被竄改等缺點，而數位式行車紀錄器較傳統機械式行車紀錄器具有資料傳輸與管理之方便性，並可減少人為誤判，同時兼具擴充性、整合性及可依不同需求記錄不同組合之資料等多項優點。 本文針對行駛資料記錄系統(行車紀錄器)進行開發，它能記錄完整的車輛行駛與駕駛資訊，包括駕駛法規所規範的資訊(如車速、工作時數)以及其他車輛操作的資訊(如超速)，提供駕駛、車隊管理者及相關單位人員，進行駕駛者行為與車輛狀態分析。 本行車紀錄器以Winbond W78E516B為核心，搭配輸入訊號、LED顯示器、時鐘晶片、晶片卡、微型印表機、蜂鳴器等裝置。系統將頻率轉為車速訊號，並儲存至外部記憶體，進而透過微型印表機列印駕駛報告。