臺灣博碩士論文加值系統

本研究旨在開發一「雙曲軸異相位平衡驅動機構」，應用於往復式進給系統，以便快速製作「高密度光學微結構模仁陣列」。研究先以曲柄連桿式、偏心凸輪式、斜盤凸輪式及橢圓凸輪式等四種驅動機構進行設計、分析與探討，並發現曲柄連桿機構能在高頻驅動下，快速且確動地進行往復直線運動，而其他凸輪機構，在高頻運動下，刀具「跟隨性(Following performance)」低，易造成定位誤差。研究首先設計並建構一部「三軸CNC類高頻往復式進給系統工具機」，並提出「雙曲軸異相位平衡驅動機構」設計，利用互成180º的雙偏心輪，進行同向等速轉動，可抵消單偏心輪驅動所引發的系統振動問題，所以刀具在任何位置均可獲得平穩運動。經由實驗分析與測試得知，單曲軸驅動的刀具最大驅動頻率至12.5Hz時，系統振幅便已超出1.0µm；而雙曲軸驅動的刀具最大驅動頻率可至40Hz。實驗以雙曲軸異相位驅動機構搭配單晶鑽石刀具加工高密度微凹坑結構陣列進行驗證。於無氧銅上，工件速度480 mm/min，刀具驅動頻率30 Hz下，類高頻往復式進給系統可在6×8 mm2面積內，快速加工出27×40的高密度微凹坑陣列結構，時間僅需320秒，表面粗糙度可達Ra0.023µm；於鎳磷合金上，工件速度480 mm/min，刀具驅動頻率37.5 Hz下，類高頻往復式進給系統可在5×5 mm2面積內，快速加工出23×50的高密度微凹坑陣列結構，時間僅需320秒，表面粗糙度可達Ra0.024µm，顯示「雙曲軸異相位驅動機構」著實能有效抑制系統振動，使往復式進給系統獲得類高頻穩定切削效果。

This paper presents the development and application of a dual-crankshaft balance mechanism with out of phase drive for rapidly fabricating high-density optical microstructure mold-core arrays. Four kinds of different drive-mechanisms involving crank-linkage, eccentric-cam, swash-plate-cam, and elliptical cam are devised and analyzed. The crank-linkage is employed as the driving mechanism for the reciprocating feed-tool system since it has an excellent positivity for speedily reciprocating motion, while the rest create the inferior tool following performance leading to a positioning errors occurred under high-frequency motion. In this study, a 3-axis CNC machine tool with quasi-high frequency reciprocating feed-tool system is first designed and constructed. A dual-crankshaft balance mechanism with out of phase drive, in which a pair of eccentric cams reveal a relationship of 180º symmetry with each other and rotation in co-direction and constant velocity, is designed and employed to counterbalance the system vibration. Hence, the tool can be kept in a steady state at any position. Via experimental analysis and trial, in the case of with 'a single crankshaft drive', the system vibrational amplitude is more than 1.0 m once the tool work frequency has arrived at 12.5 Hz. On the contrary, a tool work frequency of 40 Hz can be realized in the case of with 'a dual-crankshaft drive'. Based on the dual-crankshaft driving mechanism and the designed monocrystalline diamond tool, experimental verifications are conducted to rapidly machine high-density optical microstructure mold-core arrays. In the case of 'oxygen free copper', a microdimple array of 27×40 is promptly finished at a work frequency of 30 Hz, workpiece speed of 480 mm/min, cutting area of 6×8 mm2, processing time of 320 seconds and surface roughness of Ra0.023 µm can be achieved. In the case of 'nickel-phosphorous plated alloy', experimental results demonstrate that a high-density microdimple array of 23×50 can be accomplished within 320 seconds at a cutting area of 5×5 mm2, work frequency of 37.5 Hz, and workpiece speed of 480 mm/min. These approaches and conditions generated high-density optical microstructure mold-core arrays with highly consistent micro features confirming that the developed dual-crankshaft balance mechanism is well suited to the high reproducibility of consistently precise machined dense microstructure arrays.

中文摘要 I
Abstract II
目錄 III
誌謝 VIII
表目錄 IX
圖目錄 XI
符號說明 XVI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 表面微結構製程技術 2
1.2.2 精微工具機發展與應用 6
(1) 精微加工機發展歷史 6
(2) 單晶鑽石刀具應用於精微加工機之技術 6
(3) 現今超精密加工機發展 8
1.2.3 驅動系統裝置設計與開發 10
1.2.4 抑制振動技術 13
1.3 研究動機 15
1.4 研究目的 15
1.5 研究方法 16
第二章 雙曲軸異相位平衡驅動機構原理 18
2.1 驅動機構原理 18
2.1.1 壓電式驅動原理 18
2.1.2 橢圓驅動原理 18
2.1.3 連桿式驅動原理 19
2.2 往復式切削原理 20
2.2.1 刀具影響參數 21
(1) 前間隙角 22
(2) 刀鼻半徑 22
2.2.2 影響特徵形狀因素 24
(1) 切削速度 25
(2) 進給率 25
(3) 切削深度 26
(4) 切削振動 26
2.3 雙曲軸異相位平衡原理 27
第三章 實驗設備與材料 29
3.1 製造設備 29
3.1.1 CNC立式綜合加工機 29
3.1.2 CNC線切割放電加工機 30
3.1.3 臥式CNC車床 31
3.1.4 平面磨床 31
3.2 量測設備 32
3.2.1 掃描式電子顯微鏡 32
3.2.2 光學顯微鏡 33
3.2.3 雷射共軛焦顯微鏡 33
3.2.4 線上CCD攝影機檢測設備 34
3.2.5 渦電流感測器 35
3.3 實驗機台與刀具材料 36
3.3.1 球墨鑄鐵(FCD400) 36
3.3.2 中碳鋼(AISI 1045) 37
3.3.3 鋁合金(Al 6061-T6) 37
3.3.4 塑鋼(FRP) 38
3.3.5 無氧銅(OFC) 39
3.3.6 人工單晶鑽石刀具 40
第四章 實驗方法 41
4.1 驅動機構設計與開發 42
4.1.1 驅動機構設計與動態分析 42
4.1.2 驅動機構選定 45
4.1.3 雙曲軸異相位平衡機構硬體設計原則 45
4.2 雙曲軸異相位平衡驅動機構硬體設計 47
4.2.1 快速往復移動平台 47
4.2.2 軸承選用 48
4.2.3 軸承座設計 49
4.2.4 偏心輪設計 51
4.2.5 馬達驅動選用 52
4.2.6 渦電流式感測器設置(Eddy current sensor) 53
4.2.7 確動皮帶與皮帶輪 54
4.2.8 雙曲軸異相位平衡機構設計 56
4.3 驅動機構設計分析 58
4.3.1 刀具驅動機構負載分析 58
4.3.2 刀具驅動機構受力設計分析 60
4.3.3 雙曲軸異相位平衡驅動機構組裝 61
4.4 類高頻往復式進給系統工具機設計與開發 62
4.4.1 龍門結構之最佳化設計 62
4.4.2 龍門結構實體 66
4.4.3 組裝校正 67
4.4.4 系統負載分析與實體 69
第五章 表面微結構陣列切削實驗 71
5.1 高密度微結構陣列快速成形路徑規劃 71
5.2 「單曲軸」與「雙曲軸異相位平衡」驅動之位置誤差測試 73
5.3 單曲軸驅動對微結構形狀精度的影響 77
5.3.1 工件移動速度 77
5.3.2 刀具驅動頻率 84
5.4 單曲軸對微結構尺寸精度影響因素 91
5.4.1 工件移動速度 91
5.4.2 刀具驅動頻率 94
5.5 單曲軸微結構表面粗糙度影響因素 96
5.5.1 工件移動速度 96
5.5.2 刀具驅動頻率 100
5.6 微結構加工之數學模型 103
5.6.1 工件移動速度的影響 103
5.6.2 刀具驅動頻率的影響 106
5.7 雙曲軸異相位平衡機構系統實驗 107
5.7.1 振動抑制系統對微結構之形狀精度影響 107
5.7.2 振動抑制系統對微結構尺寸精度影響 110
5.7.3 振動抑制系統對微結構表面粗糙度影響 113
第六章 高密度表面微結構陣列切削驗證 118
6.1 高密度表面微結構創成 118
6.1.1 高密度表面微結構陣列 118
6.1.2 高密度表面微結構陣列表面粗糙度 122
6.1.3 高密度表面微結構毛邊改善 126
第七章 結論與未來展望 130
7.1 結論 133
7.2 研究成果 134
7.3 研究貢獻 134
7.4 未來展望 136
參考文獻 137
附錄 142
A. 三軸系統位置誤差比較： 142
B. 偏心輪尺寸設計 160
C. 最佳化龍門結構設計 161

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