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研究生： 童永宏
Tung, Yung-Hung
論文名稱： 一種機械式類快刀伺服裝置的設計研究
Study on a mechanically quasi-Fast Tool Servo device design
指導教授： 陳順同
Chen, Shun-Tong
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年： 2015
畢業學年度： 103
語文別： 中文
論文頁數： 151
中文關鍵詞： 機械式類快刀伺服裝置 、橢圓凸輪 、陣列微坑
英文關鍵詞： mechanically quasi-fast tool servo device, oval cam, micro dimple array
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：90  下載：7 
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    • 本研究旨在以低成本開發一「機械式類快刀伺服裝置」，規劃應用於「精微CNC類快刀伺服工具機」上，並以「快速點墨」、「快刀切削」及「快速點膠」等三種不同製程技術，對伺服系統裝置進行驗證。首先，本研究提出連桿式、偏心凸輪、斜盤凸輪及橢圓凸輪等四種驅動機構的設計，並進行動力學分析與評估，發現橢圓凸輪驅動設計具低振動、高加速度及雙倍驅動頻率等優勢，故以此進行類快刀伺服裝置之硬體設計。類快刀伺服系統裝置以有限元素法，進行干涉檢查與結構分析，再結合三軸向位移平台，建構一低重心高勁性的「精微CNC類快刀伺服工具機」。在點墨驗證方面，實驗顯示，在驅動頻率22 Hz、進給速度600 mm/min以及30 µm的墨頭進給深度條件下，類快刀伺服工具機可在5×5 mm2面積內，提供連續及穩定的供墨，並快速點出10×11個陣列墨點，所耗時間僅5秒；在陣列微坑成型技術開發方面，搭配自行設計的含硼聚晶鑽石刀具，在切削速度600 mm/min，22 Hz驅動頻率條件下，類快刀伺服工具機可在2×2 mm2面積內，快速加工出5×7高密度陣列微坑特徵結構，位置重現精度可控制於26 µm以內；在材料結合方面，配合自行設計的氣壓式微點膠泵，類快刀伺服工具機也能精密且高效率地支援點膠工作，實驗結果顯示，在驅動頻率6 Hz，進給速度300 mm/min及4 kg/cm2的氣體壓力下，氣壓式微點膠泵能提供聚醋酸乙烯脂連續且穩定的吐膠，使類快刀伺服工具機能在3×3 mm2面積內，成功塗佈出3×5膠體特徵結構。研究顯示，所開發的精微CNC類快刀伺服工具機著實能成功應用於高密度且一致性微結構的快速製造，「快速點墨」、「快刀切削」及「快速點膠」之製程，符合多項產業應用需求，深具商化價值。

    This paper presents the development and application of a mechanically quasi-fast tool servo device. The developed quasi-Fast Tool Servo (quasi-FTS) is mounted onto a designed high-stiffness tabletop horizontal CNC machine system to verify the feasibility for the processes of fast inking, fast tool cutting and fast dispensing. First, four kinds of different driven designs involving linkage-, eccentric cam-, swash-plate cam- and oval cam- mechanisms are devised and analyzed. Due to the symmetry design and the superiority of double-speed response, the oval cam driven can improve the system vibration of the mechanically quasi-FTS device and allow a high acceleration motion. By combining the oval cam device and there axis stages, the high-stiffness tabletop horizontal CNC machine tool system with low-gravity design is successfully constructed in this study. Finite Element Analysis (FEA) is conducted on the deformation and resonant frequency of the developed machine system. In fast inking process, experimental results indicate that 10×11 microarray inks can be shown in the area of 5×5 mm2 at driving frequency of 22 Hz, feeding speed of 600 mm/min, feeding depth of 30 µm, and the process time is only 5 seconds. In fast tool cutting process, by combining the designed boron-doped polycrystalline composite diamond (BD-PCD) tool, a 5×7 micro dimple array can be quickly finished in the area of 2×2 mm2 at driving frequency of 22 Hz, cutting speed of 600 mm/min, cutting depth of 30 µm, and the process time is only 2 seconds. Also, the positional repeatability of the micro dimple array can be achieved within 26 µm. In fast dispensing process, by applying the home-made dispensing pump, a 3×5 micro colloid array is favorably formed in the area of 3×3 mm2 at driving frequency of 6 Hz, feeding speed of 300 mm/min, air pressure of 4 kg/cm2. Whole experimental results demonstrate that the developed mechanically quasi-FTS machine tool can really be employed in the manufacturing for high-density consistent microstructure array. It is rapid, cost effective, easily controllable, and worthy of commercialization.

    博碩士論文授權書 I 博碩士論文通過簽名表 II 中文摘要 III Abstract IV 誌謝 V 目錄 VI 表目錄 XII 圖目錄 XIV 符號說明 XX 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 超精密加工機發展文獻回顧 2 (1) 超精密加工技術定義及發展歷史 3 (2) 單晶鑽石刀具應用於超精密加工技術 3 (3) 現今超精密加工設備發展與應用 6 1.2.2 快刀伺服驅動裝置設計與開發之文獻回顧 7 1.2.3 精微高密度陣列微坑結構製作技術文獻回顧 12 (1) 熱熔法(Reflow) 12 (2) 微滴定法(Micro droplet) 13 (3) 灰階光罩法(Gray-level mask) 14 (4) 深刻電鑄模造製程(LIGA) 14 (5) 準分子雷射加工技術(Excimer laser) 15 (6) 超精密快刀伺服加工技術(FTS) 16 1.2.4 快速點膠塗佈系統文獻回顧 17 1.3 研究動機 19 1.4 研究目的 19 1.5 研究方法 20 第二章 機械式類快刀伺服裝置開發之原理應用 22 2.1 機構設計原理 22 2.1.1 旋轉機械振動原理 22 2.1.2 連桿機構設計原理 24 2.1.3 凸輪機構設計原理 24 2.1.4 彈簧復歸原理 25 2.1.5 渦電流式位移感測原理 26 2.2 切削原理 27 2.2.1 重要刀具刃角 28 (1) 前間隙角(End relief angle) 28 (2) 後斜角(Back rake angle) 29 (3) 刀鼻半徑(Radius) 29 2.2.2 重要加工參數 32 (1) 切削速度 32 (2) 切削進給率 32 (3) 切削深度 33 2.3點膠相關原理 34 2.4 放電加工 36 2.4.1 線切割放電加工 37 2.5 精微工具機設計原理 37 2.5.1 有限元素分析 38 2.5.1 發明性問題解決理論(TRIZ) 39 2.5.2 本研究之伺服控制系統 40 第三章 實驗設備與材料 42 3.1 製造設備 42 3.1.1 CNC立式綜合切削中心機 42 3.1.2 CNC線切割放電加工機 43 3.1.4 精密研磨拋光機 44 3.2 量測設備 44 3.2.1 工具顯微鏡 44 3.2.2 掃描式電子顯微鏡 45 3.2.3雷射掃描共軛焦3D量測顯微鏡 46 3.3 監控設備 47 3.3.1 CCD攝影機 47 3.3.2 渦電流式位移感測器 47 3.3.3 三用電錶 48 3.4 實驗材料 48 3.4.1 設備基座及元件材料 49 (1) 球墨鑄鐵(FCD-40) 49 (2) 鋁合金(Al 6061-T6) 50 (2) 工具鋼(AISI D2) 50 (3) 碳鋼(AISI 1045) 51 3.4.2刀具材料與點膠泵 52 (1) 含硼聚晶鑽石(BD-PCD) 52 (2) 點膠泵 53 3.4.3 工件與膠體材料 53 (1) 銅(Copper) 53 (2) 膠體(Polyvinyl acetate) 54 第四章 實驗方法 55 4.1機械式類快刀伺服裝置設計與開發 57 4.1.1 機械式類快刀伺服裝置設計與動力學分析 58 (1) 徑向式曲柄滑塊驅動設計 58 (2) 徑向式偏心凸輪驅動設計 59 (3) 軸向式斜盤凸輪驅動設計 60 (4) 徑向式橢圓凸輪驅動設計 61 4.1.2 驅動機構選定 62 4.1.3 機械式類快刀伺服裝置硬體設計原則 62 4.1.4 機械式類快刀伺服裝置硬體設計 63 (1) 快速往復滑動元件選用 64 (2) 軸承選用 64 (3) 轉動機構設計 66 (4) 從動組設計 69 (5) 彈簧選用 70 (6) 橢圓輪廓與整體最佳化設計 71 (7) 馬達、傳動元件選用及固定結構設計 76 (8) 渦電流式位移感測器設置 77 (9) 刀具輪廓與刀具夾持結構設計 78 (10) 點墨件與點膠泵夾持器設計 82 4.1.5 機械式類快刀伺服裝置組裝 82 4.1.6 機械式類快刀伺服裝置驅動測試 83 4.2 精微CNC類快刀伺服工具機設計與開發 85 4.2.1 精微工具機結構設計與分析 85 4.2.2 精微CNC類快刀伺服工具機設計 87 4.2.3 精微CNC類快刀伺服工具機承載分析 89 4.2.4 精微CNC類快刀伺服工具機結構體製造、組裝及校正 90 4.2.5 人機介面開發 91 4.3 高密度陣列微坑結構設計與模擬 92 4.3.1 類快刀伺服系統六大參數分析 93 (1) 機械式類快刀伺服驅動裝置參數設計 93 (2) 刀具輪廓設計 93 (3) 加工參數設計 93 4.3.2 精微高密度陣列微坑結構輪廓建模 94 第五章 實驗驗證 96 5.1 類快刀伺服裝置應用於快速點墨實驗 96 5.1.1 工件移動速度對高密度陣列墨點型態及分佈的影響 97 5.1.2 驅動頻率對高密度陣列墨點型態及分佈的影響 100 5.2 類快刀伺服裝置應用於高密度陣列微坑結構之快速切削實驗 102 5.2.1 切削速度對高密度陣列微坑結構性狀的影響 102 5.2.2刀具輪廓對微坑結構坑內特徵表面形貌的影響 110 5.2.3 切削深度對高密度陣列微坑結構性狀的影響 112 5.2.4 驅動頻率對高密度陣列微坑結構性狀的影響 119 5.2.5 高密度陣列微坑結構特徵重現性分析 125 (1) 切痕長度λ1, λ2重現性分析 126 (2) 切痕寬度λw1, λw2重現性分析 126 5.3 類快刀伺服裝置應用於快速點膠實驗 128 第六章 結論與未來展望 130 6.1 結論 130 6.2 本研究貢獻 133 6.1 未來展望 134 參考文獻 135 附錄 143

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