Basit öğe kaydını göster

dc.contributor.advisorBaşlamışlı, S. Çağlar
dc.contributor.authorÖnder, Eray Teoman
dc.date.accessioned2023-06-06T05:53:28Z
dc.date.issued2023
dc.date.submitted2023-01-19
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11655/33372
dc.description.abstractSoft actuators are frequently seen in many design areas. They can adapt to the desired motion and do not harm the material they touch. These features give many ideas to designers. In this thesis, such a soft composite actuator, a spiral, has been designed. It is a novel design with its geometry, functionality and actuation stroke; providing automatic movement in its gripper-type implementation. In the process leading to the design, first of all, the phenomena about material behavior of the shape memory alloy (SMA), which is the main component and provides the actuation, are discussed. In this study, the SMA wire is used as an actuator. SMA materials exhibit thermomechanical properties. In other words, the mechanical actuation is provided by the heating of the wire. The phase transitions of the SMA material follow different curves during heating (from the martensite phase to the austenite phase) and cooling (from the austenite phase to the martensite phase) due to hysteresis behaviour. Therefore, the model is separately constructed for both states. Transition start and finish temperatures are needed to model the phase changes. Another feature of SMA materials is that the phase transition temperatures also change according to the load hanging from the wire. Therefore, in the study, the characterization of the wire is carried out. A thermal model is the first for the constitutive equations modeling the thermomechanical property of SMAs. In this study, it is shown that the specific heat coefficient, latent heat coefficient and convection coefficient of the heat conduction model can be estimated by the recursive least squares (RLS) method. It is particularly important that convection coefficient is predictable and considers relatively complex mathematics in its determination, since the convection coefficient varies with the environment. Additionally, the specific heat and the latent heat coefficient are not always available from the material supplier. In the study, the functionality of the method is shown for two different wires. It is also understood that by adding the latent heat term to the heat transfer equation, there can be a 28\% improvement of the model for one wire and a 35\% improvement in the model for the other. The control of SMA wire under axial loading is studied. Reference tracking is provided with the PI controller. The performance of the controller is separately tested for the regions where phase transition exists or does not exist and with regard to increasing reference frequency. In addition, it is shown that the controller exhibits a robust performance under varying load. In this study, the material used while creating the soft composite structure is thermoplastic polyurethane (TPU). The main structure, the spiral's geometry is obtained with a 3D printer. If compared to harder equivalent composite production methods such as curing and molding, this method makes the production much easier. The spiral exhibits an elastic effect because of its circumvoluted structure. With the adding of the flexibility of the TPU, the composite can be achieved to return to its initial position after the actuation. In other words, a two-way actuator is obtained by means of the novel geometry. The spiral has curvilinear motion. Moreover, it can be predicted that the composite structure will produce a highly non-linear response when TPU flexibility and SMA hysteresis are combined. However, the control of the free end of the spiral is provided by PID controller. The feedback here is displacement data taken from the one direction in the plane. A load-bearing gripper is presented as an implementation in which two spirals are used. In similar designs, the actuator system that grasps the load is moved upwards by the user. After the grip, a 6.5gr load can be automatically lifted up by 6.5mm with the double spiral application. Accordingly, the heat transfer equation for the spiral takes the natural convection as the only energy loss. The equation gives results that match the measured temperatures, thanks to the parameters estimated by RLS. Therefore, firstly, it is inferred from the comparison of the model results with the measurements that the model is suitable for the spiral. Secondly, it is shown that the RLS method is effective when estimated parameters are taken into account.tr_TR
dc.language.isoentr_TR
dc.publisherFen Bilimleri Enstitüsütr_TR
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccesstr_TR
dc.subjectShape Memory Alloy Wiretr_TR
dc.subjectParameter Estimationtr_TR
dc.subjectRecursive Least Square Methodtr_TR
dc.subjectSoft Composite Actuatortr_TR
dc.subjectSpiral Actuator, Actuator Controltr_TR
dc.subjectActuator Controltr_TR
dc.titleDesign, Fabrication and Control of A Novel Shape Memory Alloy (SMA)-Wire-Based Flexible Composite Actuatortr_TR
dc.title.alternativeÖzgün Bir Şekil Bellek Alaşım (ŞBA) Tabanlı Esnek Kompozit Eyleyicinin Tasarımı, Üretimi ve Denetimitr_TR
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesistr_TR
dc.description.ozetYumuşak eyleyicilerle pek çok alanda, sıklıkla karşılaşılmaktadır. İstenen harekete uyum sağlayabilen, değdiği materiyale zarar vermeyen özellikleri tasarımcılara birçok fikir vermektedir. Bu tezde, bu nevi yumuşak kompozit bir eyleyici, spiral, ortaya çıkarılmıştır. Tasarım, geometrisi, işlevselliği, tahrik mesafesi ve kıskaç tipi eyleyici tasarımında otomatik hareket sağlaması ile özgündür. Tasarıma giden süreçte, öncelikle, tasarımın temel bileşeni olan, tahriki sağlayan şekil bellek alaşımın (ŞBA) bir malzeme olarak davranışına dair olgular ele alınmaktadır. Bu çalışmada, eyleyici olarak ŞBA tel kullanılmaktadır. ŞBA malzemeler termomekanik özellik göstermektedir. Yani, mekanik tahrik, telin ısınması ile sağlanmaktadır. ŞBA malzemenin faz geçişi ısınırken ve soğurken farklı eğriler takip etmektedir; yani, davranış histeriktir. Bu nedenle, model her iki durum için ayrı ayrı oluşturulmaktadır. Martensitten östenite, östenitten martensite faz değişimlerini modellemek için değişimlerin başladığı bittiği sıcaklıklara ihityaç duyulmaktadır. ŞBA malzemelerin bir diğer özelliği ise faz değişim sıcaklıklarının tele asılan yüke göre de değişmesidir. Dolayısıyla, çalışmada, telin karekterizasyonu yapılmaktadır. Termomekanik özelliğini modelleyen bünye denklemlerinin de ilk basamağı termal modeldir. Bu çalışmada ısı iletim modelinin öz ısısının, faz değiştirme sabitinin ve ısı yayım sabitinin yinelemeli en küçük kareler (YEK) yöntemi ile kestirilebileceği gösterilmektedir. Isı yayım sabiti, ortama göre değiştiği için belirlenmesindeki nipeten karmaşık matematik yerine, kestirliebilir oluşu özellikle önemlidir. Yine, öz ısı ve faz değiştirme sabiti de malzeme sağlayıcıdan her zaman ulaşılabilen sabitler değildir. Çalışmada, iki farklı tel için yöntemin işlevselliği gösterilmektedir. Ayrıca, ısı iletimi denkliğine, faz değiştirme ısısı teriminin eklenmesi ile bir telde \%28, diğerinde \%35 kadar model iyileşmesi olabildiği de anlaşılmaktadır. ŞBA telin axial yükleme altında denetimi üzerinde çalışılmıştır. PI denetleyici ile referans takibi sağlanmaktadır. Artan referans frekansı ve faz değişimi olan/olmayan bölgelerde denetleticinin başarımı ayrı ayrı sınanmıştır. Ayrıca, denetleyicinin, değişen yük altında da gürbüz bir başarım sergilediği görülmektedir. Bu çalışmada, yumuşak kompozit yapı oluşturulurken kullanılan malzeme termoplastik poliüretandır (TPU). Spiral geometri 3B yazıcı ile elde edilmektedir. Kürleme, kalıplama gibi külfetli, muadil kompozit üretim yöntemlerine göre, bu teknik, üretimi hayli kolaylaştırılmaktadır. Spiralin içe katlı yapısı elastik bir özellik sağlamaktadır. Yumuşak ana yapıda kullanılan TPU esnekliğiyle de birlikte, tahrikinin ardından kompozit yapı başlangıç konumuna geri dönebilmektedir. Başka bir deyişle, bu özgün geometri sayesinde çift yönlü bir eyleyici elde edilebilmektedir. Spiral, düzlemde eğrisel hareket etmektedir. Ayrıca, TPU esnekliği ile ŞBA histerisi birleştiğinde, kompozit yapının fazlasıyla doğrusal olmayan bir tepki üreteceği ön görülebilmektedir. Buna rağmen, düzlemde, tek eksen yönünde alınan mesafe verisi geri beslemesi olmak üzere, spiralin serbest ucunun kontrolü PID ile sağlanmaktadır. İki adet spiral kullanılarak, yük taşıyıcı kıskaç uygulaması önerilmektedir. Benzer tasarımlarda, tutunma sonrası, yükü kavrayan eyleyici sistemi kullanıcı tarafından yukarı doğru hareket ettirilmekteyken, çift spiral ile 6.5gr’lık bir yük otomatik olarak 6.5mm kadar yükseltilebilmektedir. Son olarak, YEK yöntemi spiral için de uygulanmaktadır. Buna göre, spiral için ısı iletimi denkliği, doğal ısı yayımını tek kayıp olarak almaktadır. Denklik, YEK ile kestirilen parametreler sayesinde, ölçülen sıcalıklarla örtüşen sonuçlar vermektedir. Dolayısıyla, hem kestirilen parametrelerle YEK’nin etkinliği, hem de, model ile ölçüm karşılaştırılarak, ısı iletim modelinin spiral için uygunluğu gösterilmektedir.tr_TR
dc.contributor.departmentMakine Mühendisliğitr_TR
dc.embargo.lift2023-12-09T05:53:28Z
dc.fundingYoktr_TR


Bu öğenin dosyaları:

Bu öğe aşağıdaki koleksiyon(lar)da görünmektedir.

Basit öğe kaydını göster