دانشگاه تربیت مدرس مهندسی مکانیک مدرس 2476-6909 24 10 2024 09 22 Evolution of The Conventional Rotary Forging Machines to Six-DoF Parallel Kinematics Machines تحول ماشین‌های آهنگری‌دورانی متداول به ماشین‌هایی با سینماتیک موازی شش درجه آزادی 611 619 11422 10.48311/mme.24.10.611 FA علیرضا زرهون دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس محمد جواد ناطق دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس داوود منافی دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس Journal Article 1970 01 01 Rotary forging is an incremental bulk forming process, possessing salient advantages compared with the conventional forging, including reduced force, smoothness of operation, lower investment, apt for near net shaping and producing workpieces with intricate profiles. However, the conventional rotary forging machines suffer serious limitation in their kinematics, which originates from their simple eccentric mechanism of the actuating device. The parallel-kinematics hexapod mechanism with six degrees of freedom can circumvent this limitation. The theory and practice of this concept has been successfully implemented in the present study. The inverse kinematics of hexapod has been adapted to the kinematics of the rotary forging processes. This could yield a proper method to generate the orbitally rocking motion prevailing in the process. In order to investigate the material flow in the lower die, physical modeling was carried out by the use of plasticine and several experiments were conducted in a hexapod machine. The final shapes of the workpieces, the degrees of die filling, and the forging forces were compared with the conventional forging, indicating improved results. It was observed that the motion pattern in the rotary forging influences the time and the force required for forming. The maximum forces required for rotary forging using the circular and planetary motion patterns were 32 N and 38 N respectively. In comparison, conventional forging required a significantly higher force, approximately 200 N. The time required to form a bevel gear using planetary motion was almost half of the time needed for circular motion آهنگری دورانی یک فرآیند شکل‌دهی حجمی تدریجی است که در مقایسه با آهنگری سنتی مزایای قابل‌توجهی ازجمله نیاز به نیروی کمتر، عملیات روان‌تر، هزینه سرمایه‌گذاری کمتر و امکان شکل‌دهی نزدیک به شکل‌نهایی و تولید قطعات با طراحی‌های پیچیده دارد. بااین‌حال، ماشین‌های آهنگری دورانی متداول به دلیل محدودیت‌های سینماتیکی ناشی از سازوکار ساده خروج از مرکزیت، با محدودیت‌های قابل‌توجهی مواجه هستند. سازوکار سینماتیک موازی با شش درجه آزادی (هگزاپاد) راه‌حلی مؤثر برای برطرف کردن این محدودیت‌ها ارائه می‌دهد. در این مطالعه، نظریه و کاربرد این سازوکار با موفقیت اجراشده است. سینماتیک معکوس هگزاپاد برای فرآیند آهنگری دورانی تطبیق داده و روشی مناسب برای ایجاد حرکت نوسانی مداری، ارائه‌شده است. برای بررسی جریان مواد در قالب پایینی، مدل‌سازی فیزیکی با استفاده از پلاستیسین انجام شد و آزمایش‌های تجربی متعددی با یک ماشین هگزاپاد صورت گرفت. شکل نهایی قطعه‌کار، میزان پرشدگی قالب و نیروهای آهنگری با روش‌ آهنگری سنتی مقایسه شد که نتایج بهبودیافته‌ای را نشان داد. مشاهده شد که الگوی حرکت در آهنگری دورانی تأثیر زیادی بر زمان و نیروی موردنیاز برای شکل‌دهی دارد. نیروی موردنیاز برای آهنگری دورانی با الگوی حرکت دایره‌ای 32 نیوتن و با الگوی حرکت سیاره‌ای 38 نیوتن بود، درحالی‌که در روش آهنگری سنتی نیروی بسیار بیشتری، حدود 200 نیوتن، نیاز است. همچنین مشخص شد که زمان لازم برای شکل‌دهی چرخ‌دنده مخروطی با استفاده از الگوی حرکت سیاره‌ای تقریباً نصف زمان موردنیاز با استفاده از الگوی حرکت دایره‌ای است.

https://mme.modares.ac.ir/article_11422_f39fd0e38564affec2f1038cb4bd56fe.pdf

دانشگاه تربیت مدرس مهندسی مکانیک مدرس 2476-6909 24 10 2024 09 22 Nonlinear tracking control of wheeled mobile robots with input constraints کنترل غیرخطی تعقیب مسیر ربات‌های متحرک چرخ دار با ورودی‌های مقید 621 630 11423 10.48311/mme.24.10.621 FA هادی سازگار پژوهشکده مهندسی مکانیک، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران علی کیماسی خلجی دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی Journal Article 1970 01 01 In many wheeled robot applications, in addition to accurate position control, dimensional and weight limitations are also important. The limitation of weight and dimensions means that it is not possible to use arbitrarily large actuators. On the other hand, accurate and fast tracking usually requires high control gains and, as a result, large control inputs. If the control input exceeds the saturation limit of the operator, in addition to increasing the tracking error, it may lead to robot instability in some cases. Therefore, it will be precious to provide a control method that can simultaneously provide high control accuracy and guarantee the robot's stability, taking into account the saturation limit of the actuators (speed and torque) in a predetermined manner. This issue has been addressed in the present study. The proposed control includes two parts: a kinematic controller and a dynamic controller. The kinematic control design is based on the Lyapunov approach, which can adjust the speed saturation limit of the actuators. For dynamic control, the robot velocity components are considered as control reference values and the robot wheel torque is considered as control inputs. In the dynamic control design, the torque saturation limit of the actuators is included in a predetermined way. To evaluate the performance of the proposed nonlinear control, various analyses were performed on the wheeled robot. The results showed that the proposed control algorithm while guaranteeing stability and following the path with high accuracy, has also fully met the requirements of the actuators’ saturation limits در بسیاری از کاربردهای ربات چرخ‌دار در کنار الزام کنترل دقیق موقعیت، محدودیت‌های ابعادی و وزن نیز حائز اهمیت می‌باشند. محدودیت وزن و ابعاد به این معناست که نمی‌توان از عملگرهای به دلخواه بزرگ استفاده نمود. از طرفی کنترل دقیق و سریع معمولاً نیازمند بهره‌های کنترلی بالا و در نتیجه ورودی‌های کنترلی بزرگ می‌باشد. چنانچه ورودی کنترلی از حد اشباع عملگر بیشتر باشد، علاوه بر افزایش خطای تعقیب، ممکن است در مواردی منجر به ناپایداری شود. بنابراین ارائه یک روش کنترلی که بتواند همزمان با تامین دقت کنترلی بالا و تضمین پایداری ربات، به صورت از پیش تعیین شده حد اشباع عملگرها (سرعت و گشتاور) را در نظر بگیرد، بسیار ارزشمند خواهد بود. کنترل پیشنهادی شامل دو بخش سینماتیکی و دینامیکی می‌باشد. کنترل سینماتیک بر مبنای رویکرد لیاپانوف بوده که قابلیت تنظیم حد اشباع سرعتی عملگرها را دارا میباشد. برای کنترل دینامیکی مولفه‌های سرعت به عنوان مقادیر مرجع کنترل و گشتاور چرخ‌های ربات نیز به عنوان ورودیهای کنترلی در نظر گرفته شده‌اند. همچنین حد اشباع گشتاور عملگرها، به صورت از پیش تعیین شده لحاظ شده است. به منظور ارزیابی عملکرد کنترل پیشنهادی تحلیلهای متنوعی بر روی ربات چرخ‌دار انجام و با روش خطی‌سازی فیدبک مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهد که در کنترل پیشنهادی، ماکزیمم ورودی کنترلی حدود 25% ماکزیمم ورودی خطی‌سازی فیدبک می‌باشد. همچنین همگرایی پاسخ نیز سریع‌تر از روش خطی‌سازی فیدبک می‌باشد. بنابراین الگوریتم کنترلی پیشنهادی ضمن تضمین پایداری و تعقیب مسیر با دقت بالا، الزامات حد اشباع عملگرها را نیز به صورت کامل برآورده نموده است

https://mme.modares.ac.ir/article_11423_4793db902bf3f6e97069337540625c11.pdf

دانشگاه تربیت مدرس مهندسی مکانیک مدرس 2476-6909 24 10 2024 09 22 Design, Manufacturing, and Comprehensive Dynamic Modeling of a Piezoelectric Pneumatic Servo Valve Based on Compliant Mechanisms طراحی، ساخت و مدلسازی دینامیک جامع شیر سروو نیوماتیک پیزوالکتریک مبتنی بر مکانیزم‌های منعطف 631 641 11424 10.48311/mme.24.10.631 FA امیرحسین مرادی دانشگاه صنعتی امیرکبیر حامد غفاری راد دانشگاه صنعتی امیرکبیر سید مهدی رضاعی دانشگاه صنعتی امیرکبیر محمد زارعی نژاد دانشگاه صنعتی امیرکبیر پویا فیروزی راد دانشگاه صنعتی امیرکبیر Journal Article 1970 01 01 This article focuses on the design, manufacturing, and dynamic modeling of a piezoelectric pneumatic servo valve based on a compliant mechanism. The use of piezoelectric actuators in these valves, due to their fast dynamic response and high precision, significantly improves the speed of pressure control. To this end, the structure of the pneumatic servo valve and the function of its components were initially investigated. To enhance the valve's orifice opening, a rhombus type compliant mechanism was designed to amplify the displacement range of the piezoelectric actuator. Subsequently, a comprehensive dynamic model of the system was presented. After identification and validating the proposed dynamics, the results of air pressure control for both steady and time-varying reference inputs were provided. Experimental results indicate that the proposed dynamic model for the manufactured valve has a maximum error of 25%. Additionally, frequency analysis results show that the valve has a dynamic bandwidth of 90 Hz and a natural frequency of 56 Hz, highlighting its applicability for high-frequency operations. The results of pressure control demonstrate a step response time of approximately 21 milliseconds at a pressure of 2 bar, indicating its capability to respond to rapid pressure changes. Furthermore, the ability to track input pressures with varying frequencies and amplitudes was also evaluated در این مقاله، به طراحی، ساخت و مدل‌سازی دینامیکی شیر سرونیوماتیک پیزوالکتریک مبتنی بر مکانیزم منعطف پرداخته‌شده است. استفاده از عملگرهای پیزوالکتریک در این شیرها، به‌دلیل پاسخ دینامیکی سریع و دقت بالا، منجر به بهبود قابل توجه سرعت کنترل فشار توسط این شیرها می‌گردد. به همین منظور، ابتدا ساختار شیر سرونیوماتیک و عملکرد اجزای آن مورد بررسی قرار‌گرفته ‌است. جهت افزایش میزان گشودگی دریچه شیر طراحی شده، یک مکانیزم منعطف لوزی‌شکل برای تقویت دامنه جابجایی عملگر پیزوالکتریک طراحی‌گردیده است. در ادامه، به ارائه مدل دینامیک جامع سامانه پرداخته‌شده است. پس از شناسایی و صحه گذاری دینامیک پیشنهادی، نتایج کنترل فشار هوا به ازای ورودی‌های مرجع ثابت و متغیر با زمان ارائه‌گردیده است. نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که مدل دینامیکی پیشنهادی برای شیر ساخته ‌شده دارای حداکثر خطای 25 درصد می‌باشد. همچنین نتایج تحلیل فرکانسی نشان می‌دهد که شیر موردنظر دارای پهنای باند دینامیکی 90 هرتز و فرکانس طبیعی 56 هرتز است، که نشان‌دهنده قابلیت استفاده در فرکانس‌های بالا می‌باشد. همچنین نتایج کنترل فشار زمان پاسخ پله‌ای حدود 21 میلی‌ثانیه در فشار 2 بار را نشان می‌دهد، که بیانگر توانایی آن در پاسخگویی به تغییرات سریع فشار است. علاوه بر این، قابلیت دنبال‌کردن فشارهای ورودی با فرکانس‌ها و دامنه‌های مختلف نیز مورد بررسی قرار‌گرفت. https://mme.modares.ac.ir/article_11424_15d0beeeeaa7f86a5f2c6b493c29776f.pdf

دانشگاه تربیت مدرس مهندسی مکانیک مدرس 2476-6909 24 10 2024 09 22 Passive Vibration Control of a Nonlinear Rotating Beam Using a Nonlinear Vibration Absorber and Stability Analysis کنترل ارتعاشات غیرفعال یک تیر دوار غیرخطی با استفاده از جاذب ارتعاشات غیرخطی و تحلیل پایداری 643 655 11425 10.48311/mme.24.10.643 FA علی تنگسیری دانشگاه تربیت مدرس مرتضی کارآموز مهدی آبادی دانشگاه تربیت مدرس سعید باب پژوهشگاه نیرو Journal Article 1970 01 01 Passive vibration control of rotating nonlinear beams is crucial due to its potential to mitigate harmful vibrations in various engineering applications, including aerospace and industrial sectors. This study examines how different system parameters and inherent nonlinearities influence the vibrations of a nonlinear rotating beam subjected to periodic external forces. A nonlinear energy sink (NES) is attached to the beam's tip to attenuate vibrations. The system is modeled using the Euler-Bernoulli beam theory and von Kármán strain-displacement relations, with equations of motion derived via Hamilton’s principle. Complexification Averaging and Runge-Kutta methods are applied for analytical and numerical solutions, respectively. The findings reveal that increasing the stiffness reduces vibration amplitude, while a rise in the nonlinear coefficient induces hardening behavior. The system exhibits saddle-node and Hopf bifurcations under certain conditions, indicating complex dynamic transitions. These phenomena, driven by the beam's nonlinearity and the NES, effectively diminish the vibration amplitude, highlighting the system's complex dynamic responses and the NES's efficacy in vibration mitigation کنترل ارتعاشات غیرفعال تیرهای غیرخطی چرخان به دلیل پتانسیل آن در کاهش ارتعاشات مضر در کاربردهای مختلف مهندسی، از جمله بخش‌های هوافضا و صنعتی، بسیار مهم است. این مطالعه بررسی می‌کند که چگونه پارامترهای مختلف سیستم و غیرخطی‌های ذاتی بر ارتعاشات یک تیر چرخان غیرخطی که تحت نیروهای خارجی متناوب قرار دارد، تأثیر می‌گذارند. یک جاذب انرژی غیرخطی (NES) به نوک تیر متصل شده تا ارتعاشات را کاهش دهد. سیستم با استفاده از نظریه تیر اویلر-برنولی و روابط کرنش-جابجایی فون کارمان مدل‌سازی شده و معادلات حرکت از طریق اصل همیلتون استخراج شده‌اند. روش‌ میانگینگیری مختلط و رانگ-کوتا برای حل‌های تحلیلی و عددی به ترتیب اعمال شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که افزایش سختی، دامنه ارتعاش را کاهش می‌دهد، در حالی که افزایش ضریب غیرخطی رفتار سخت‌شوندگی را ایجاد می‌کند. سیستم تحت شرایط خاصی، انشعابات زینی و هاپف را نشان می‌دهد که نشان‌دهنده تاثیرات دینامیکی پیچیده است. این پدیده‌ها که توسط غیرخطی بودن تیر و NES هدایت می‌شوند، به طور مؤثری دامنه ارتعاش را کاهش می‌دهند و پاسخ‌های دینامیکی پیچیده سیستم و کارایی NES در کاهش ارتعاشات را برجسته می‌کنند.

https://mme.modares.ac.ir/article_11425_b651cae8df57ba4f067380ea9ea6ae73.pdf

دانشگاه تربیت مدرس مهندسی مکانیک مدرس 2476-6909 24 10 2024 09 22 Design, Fabrication, and Experimental Modeling of a Piezoelectric-Based Droplet Injection System Using Statistical Methods طراحی، ساخت و مدل‌سازی تجربی سامانه تزریق قطره مبتنی بر پیزوالکتریک با استفاده از روش آماری 657 666 11426 10.48311/mme.24.10.657 FA پویا فیروزی‌راد دانشگاه صنعتی امیرکبیر حامد غفاری راد دانشگاه صنعتی امیرکبیر سید مهدی رضاعی دانشگاه صنعتی امیرکبیر Journal Article 1970 01 01 In this study, a droplet injection system based on a piezoelectric actuator was designed and built to evaluate the system's performance in producing droplets of varying volumes. Droplet injection systems are crucial in many biological and biomedical applications. These systems contain numerous adjustable parameters, making it challenging to predict the resulting droplet volume. To analyze the influence of different input parameters and predict droplet volume, a statistical design of experiments approach was employed using response Surface methodology. Five main factors were investigated in this research, including three parameters related to the input signal (rise time, fall time, open time, and signal amplitude), back pressure, and nozzle diameter. Different levels were considered for each parameter, and their independent and interactive effects on droplet volume were analyzed. The results indicated that all factors had a p-value of less than 0.05, confirming their significant impact on the output volume. The regression model obtained, with R2 of 0.98, showed strong predictive capability for droplet volume. Furthermore, the inverse performance of the regression model was analyzed using parameter optimization, and a comparison with the experimental setup demonstrated an error of less than 5%. This model enables the optimization of design parameters and enhances the system's performance, significantly improving the accuracy and efficiency of such devices in targeted applications در این پژوهش، دستگاه تزریق قطره سیال مبتنی بر عملگر پیزوالکتریک طراحی و ساخته شده است، تا عملکرد این سامانه در تولید قطرات با حجم‌های مختلف ارزیابی شود. سامانه تزریق قطره، در بسیاری از کاربردهای زیستی و بیولوژیکی اهمیت دارد. این سیستم‌ها دارای عامل‌های قابل‌تنظیم متعددی هستند که پیش‌بینی حجم قطره تولید شده را دشوار می‌کند. برای تحلیل تأثیر مولفه‌های مختلف ورودی و پیش‌بینی حجم قطره، از روش طراحی آماری آزمایش‌ها با رویکرد پاسخ سطح استفاده شده است. در این تحقیق، پنج عامل اصلی شامل سه مولفه‌ مرتبط با سیگنال ورودی (زمان بالارفتن و پایین آمدن، زمان گشودگی و دامنه سیگنال)، فشار پشت سیال، و قطر نازل موردمطالعه قرار گرفتند. برای هر کدام از این مولفه‌ها، سطوح مختلفی در نظر گرفته شده و تأثیرات مستقل و تعاملی آن‌ها بر حجم قطره مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی نتایج نشان داد که تمامی عامل‌ها دارای پی‌ولیو کمتر از 05/0 هستند که مبنی بر این است که این عوامل به طور معناداری بر حجم خروجی تأثیر دارند. همچنین مدل رگرسیون به‌دست‌آمده با ضریب تعیین 98/0، توانایی مناسبی در پیش‌بینی حجم قطره دارد. همچنین عملکرد معکوس مدل رگرسیون با استفاده از بهینه‌سازی پارامترها بررسی شد، که در مقایسه با نتایج تجربی، نشان از خطای کمتر از 5 درصد داشت. مدل به‌دست‌آمده بهینه‌سازی مولفه‌های طراحی و بهبود عملکرد سامانه را امکان‌پذیر می‌کند و به افزایش دقت و کارایی این نوع دستگاه‌ها در کاربردهای هدف، کمک شایانی می‌نماید

https://mme.modares.ac.ir/article_11426_874f44f0fc7f98682c91ecbf990e5a2f.pdf

دانشگاه تربیت مدرس مهندسی مکانیک مدرس 2476-6909 24 10 2024 09 22 Design and Fabrication of a Bistable Microfluidic Paper-Based Transistor طراحی و ساخت ترانزیستور دوحالته میکروفلویدیک مبتنی بر کاغذ 667 675 11427 10.48311/mme.24.10.667 FA فاطمه پوررضاخادر دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی مکانیک روزبه عابدینی نسب دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس Journal Article 1970 01 01 In recent years, paper-based microfluidic devices have attracted significant attention. However, the inability to precisely control multiple fluids simultaneously has remained a major challenge for paper-based microfluidic chips. Here, inspired by electrical circuits, a transistor component has been designed and fabricated for operation in paper-based microfluidic chips. This component, upon receiving an electrical command, regulates the flow of fluid within a paper-based microfluidic channel. The primary advantage of this transistor lies in its bi-stable operation (capability to open and close the channel) despite its simple structure. Its operation is based on the controlled movement of wax, driven by the heat generated from the electrical current applied to the transistor's gate, within the cross-section of the paper. To characterize this transistor, the parameters affecting its operation were analyzed. Experimental results indicated that in a channel with length of 25 mm, with widths of 2 mm and 3 mm, and hydrophobic section lengths of 2 mm and 3 mm, a fluid volume of 30 to 40 microliters could be controlled by applying a gate electrical current of about 1300 milliamperes for less than 35 seconds. Additionally, as a practical demonstration of this transistor's functionality, a sensor circuit was designed and fabricated to detect acidic and basic environments. The proposed transistor, by enhancing fluid controllability in microfluidic chips, plays a key role in advancing this technology. Paper-based microfluidic chips equipped with the transistor presented in this study hold promising potential for applications in medical diagnostics, performing complex multi-step tests, biosensors and chemical sensors در سال‌های اخیر، دستگاه‌های میکروفلویدیک مبتنی بر کاغذ به‌طور گسترده ای مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، ناتوانی در کنترل دقیق و هم‌زمان سیالات مختلف، یکی از چالش‎‌های اصلی تراشه‌های میکروفلویدیک کاغذی به‌شمار می‌رود. در اینجا، با الهام از مدارهای الکتریکی، قطعه‌ای به نام ترانزیستور برای استفاده در تراشه‌های میکروفلویدیک کاغذی طراحی و ساخته شده است. این قطعه، با دریافت فرمان الکتریکی، حرکت سیال را در یک کانال میکروفلویدیک کاغذی کنترل می‌کند. مزیت اصلی این ترانزیستور، عملکرد دوحالته آن (توانایی باز و بسته کردن کانال) با وجود ساختار ساده‌اش است. عملکرد این قطعه مبتنی بر حرکت کنترل‌شده موم در سطح مقطع کاغذ است که با حرارت تولیدشده توسط جریان الکتریکی اعمالی به پایه تحریک ترانزیستور انجام می‌شود. به‌منظور مشخصه‌یابی این ترانزیستور، کمیت‌های مؤثر در عملکرد آن بررسی شدند. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهند که در کانالی به‌طول تقریبی 25 میلی‌متر، با عرض‌های 2 و 3 میلی‌متر و طول بخش آب‌گریز 2 و 3 میلی‌متر، می‌توان با اعمال جریان الکتریکی حدود ۱۳۰۰ میلی‌آمپر به پایه تحریک ترانزیستور، در زمانی کمتر از 35 ثانیه، سیالی با حجم 30 تا 40 میکرولیتر را کنترل نمود. علاوه بر این، به‌عنوان نمونه‌ای کاربردی از این ترانزیستور، مدار حسگری برای تشخیص محیط‌های بازی و اسیدی طراحی و ساخته شد. ترانزیستور معرفی شده با افزایش قابلیت کنترل سیالات در تراشه‌های میکروفلویدیک، نقشی کلیدی در توسعه این فناوری ایفا می‌کند. تراشه‌های میکروفلویدیک مبتنی بر کاغذ مجهز به این ترانزیستور می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های تشخیص پزشکی، آزمایش‌های چندمرحله‌ای پیچیده، و حسگرهای زیستی و شیمیایی داشته باشند.

https://mme.modares.ac.ir/article_11427_bea086e2b8b1ae2295818dd84714a128.pdf