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研究生:陳憲仁
研究生(外文):Chen Hsien-Jen
論文名稱:應用位置與扭力混合控制技術於DLP式快速成型系統之研究
論文名稱(外文):Research of a hybrid position and torque control technique for DLP-Based Rapid Prototyping System
指導教授:蔡明忠蔡明忠引用關係
指導教授(外文):Tsai Min-Jong
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:自動化及控制研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:快速原型系統混合控制扭力控制DLP-Based
外文關鍵詞:RP(rapid prototyping)hybrid controltorque controlDLP-Based
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一般下照式快速成型系統最大的關鍵問題就是無法控制各層工件之拉拔力大小,所以可能造成工件製作失敗。為了降低失敗的風險,本研究的目的在發展一套混合控制技術來進行加工。系統在成型加工後之層厚控制仍在位置控制模式下進行,在拉拔分離過程中,成型軸伺服馬達控制會從位置控制模式轉換成扭力控制模式,並透過扭力與負載的關係式換算後,以扭力控制的方式來對各層光罩圖形進行拉拔力的控制,進而達到力量控制的目的,以提高工件製作上的穩定度。
本研究加入分離判斷機制,在每層加工完成後,成型工件底部與矽膠膜能在穩定的情況下自動快速分離,這不僅減少使用者在操作上的複雜度,也由於此智慧型判斷機制,更能大幅減少加工時間。
以混合控制模式實際應用在齒模製作上,其拉拔過程不僅比一般位置模式拉拔更加穩定,且加工時間節省約8 %左右。而小尺寸工件在製作上之最大拉拔力也比較能符合其各層面積趨勢。而在透過工件製作學習後,也可以省略掉Load Cell裝置,降低系統的成本,故希望此系統能有效的推廣及應用,對於國內快速成型技術有推進的效果。
Generally the key problem of DLP-Based rapid prototyping system is unable to control the extracting force of the work piece during each layer fabrication. The improper extraction may destroy the work piece. In order to reduce this risk, the purpose of this research is to develop a hybrid control technique for the extraction process. During the layer thickness control process, the axis servo system is operated by position control mode. During the separating control process, the axis servo system is controlled by torque control mode. The conversion of the required torque for different working load was performed. The extracting mechanism for each layer is by the way of torque control, which provides proper strength control to increase the manufacture performance.
This research also involved a separation-judging mechanism. When each layer processing is finished, the bottom of work piece and silicon membrane can be separated automatically and quickly. Owing to this intelligent judging mechanism it can reduce the operation complexity and the processing time.
The hybrid control technique is applied to the fabrication of a teeth model. The extracting process is not merely more steady than the general position method. The processing time can be saved about 8 percent. And the maximum extracting strength for a small work piece can accord with the layer area. After studying through the work piece, the cost may be reduced by removing the Load Cell device. It is hoped that this technique can improve the DLP-RP system and promote the domestic rapid prototyping technique.
目錄
摘要…………………………………………………………………………...I
ABSTRACT…………………………………………………………………II
誌謝…………………………………………………………………………III
目錄………………………………………………………………………….IV
圖目錄 VII
表目錄……………………………………………………………………….XI
第一章 緒論…………………………………………………………………1
1.1 研究動機與目的………………………………………………………1
1.2 研究方法與步驟………………………………………………………2
1.3 本文架構………………………………………………………………3
第二章 文獻回顧與探討…………………………………………………….5
2.1 快速原型技術…………………………………………………………5
2.1.1 快速原型技術基本原理…….……………………………………6
2.1.2 快速原型系統…………………………………………………….7
2.2 DLP原理與應用……………………………………………………...18
2.2.1 DLP之發展………………………………………………………18
2.2.2 DLP技術與架構…………………………………………………19
2.2.3 DMD晶片之簡介………………………………………………..21
2.2.4 DLP之優勢………………………………………………………24
第三章 系統架構設計……………………………………………………...26
3.1 系統機構設計………………………………………………………..28
3.1.1 拉拔成型軸……………………………………………………...28
3.1.2 伺服馬達容量選定……………………………………………...30
3.1.3 光閘機構………………………………………………………...34
3.1.4 力感測單元……………………………………………………...36
3.1.5 成型槽架構……………………………………………………...36
3.1.6 電路控制單元…………………………………………………...37
3.2 光源及光罩模組設計與分析………………………………………..38
3.2.1 光罩模組架構與設計…………………………………………...39
3.2.2 光源品質分析…………………………………………………...43
3.3 光罩圖形產生器……………………………………………………..44
3.3.1 光罩圖層輪廓資料之取得……………………………………...45
3.3.2 光罩圖層輪廓資料之分析……………………………………...45
3.3.3 光罩產生之演算法…………………………………………...…46
3.4 光罩尺寸校正………………………………………………………..48
3.4.1 數位光罩原理…………………………………………………...48
3.4.2 光罩校正模組…………………………………………………...50
3.5 PC-BASED控制器…………………………………………………...52
3.5.1 作業平台………………………………………………………...53
3.5.2 控制軟體………………………………………………………...53
3.5.3 I/O轉換卡………………………………………………………..54
3.5.4 運動控制卡……………………………………………………...55
3.5.5 本系統之PC-BASED控制器架構……………………………...56
第四章 混合控制系統設計與實現………………………………………...58
4.1 混合控制……………………………………………………………..58
4.1.1 混合控制模式轉換………………………………………….…..59
4.1.2 扭力模式設定…………………………………………………...60
4.1.3 扭力推導與實驗驗證…………………………………………...61
4.1.4 扭力與拉拔力之關係…………………………………………...65
4.2 位置模式與混合模式控制設計……………………………………..66
4.2.1 判斷分離機制………………………………………………… ..67
4.2.2 位置控制模式…………………………………………………...69
4.2.3 混合控制模式…………………………………………………...72
4.3 快速原型系統控制介面……………………………………………..73
4.3.1 控制系統介面架構……………………………………………...74
4.3.2 控制系統介面介紹……………………………………………...74
4.3.3 控制系統操作程序……………………………………………...79
第五章 實驗結果分析與討論……………………………………………...83
5.1 DLP光源強度與成型硬化關係實驗………………………………...83
5.1.1 樹脂硬化照射時間實驗………………………………………...83
5.1.2 尺寸校正實驗…………………………………………………...85
5.1.3 成型面積與拉拔速度實驗……………………………………...86
5.2 本快速原型機之成型效能…………………………………………..87
5.2.1 不同工件之位置與混合控制模式實驗………………………...87
5.2.2 混合模式下扭力設定方式……………………………………...89
5.2.3 不同模式下時間之分析………………………………………...93
第六章 結論及未來發展方向……………………………………………...98
6.1 結論…………………………………………………………………..98
6.2 未來發展方向………………………………………………………..99
參考文獻…………………………………………………………………...101
作者介紹…………………………………………………………………...104
圖目錄
圖2.1 RP製程示意圖[9]…………………………………………………...7
圖2.2 快速成型流程與應用[7]……………………………………………...7
圖2.3 SLA加工示意圖[24]………………………………………………...8
圖2.4 SLP加工示意圖[25]………………………………………………...9
圖2.5 SLS加工示意圖[26]……………………………………………….10
圖2.6 EOSINT M系列[28]………………………………………………..11
圖2.7 FDM加工示意圖[27]………………………………………………12
圖2.8 LOM加工示意圖[29]……………………………………………...12
圖2.9 SGC加工示意圖[30]…………………………………………….…14
圖2.10 直立式DLP液態快速原型系統[12]………………………………15
圖2.11 桌上型DLP液態快速原型系統[11]…………………………….…15
圖2.12 DPS加工示意圖[4]……………………………………………….16
圖2.13 3D printer加工示意圖[26]………………………………………..17
圖2.14 Sanders Prototype加工示意圖[29]……………………………….18
圖2.15 DMD晶片示意圖[32]…………………………………………….19
圖2.16 DLP單晶片架構圖[33]…………………………………………...20
圖2.17 DLP三晶片架構圖[33]…………………………………………...21
圖2.18 DMD反射鏡架構圖[33]………………………………………….22
圖2.19 DMD晶片產生黑白像素示意圖[14]…………………………….23
圖2.20 脈波調變控制灰階示意圖[33]…………………………………….24
圖2.21 LCD(左下圖)與DLP(右下圖)的填充率比較圖[33]………….…25
圖3.1 系統實體架構圖……………………………………………………..27
圖3.2 伺服馬達模組………………………………………………………..30
圖3.3 伺服馬達上下運動示意圖…………………………………………..30
圖3.4 速度與扭力理想輸出示意圖………………………………………..34
圖3.5 光閘機構開啟(左)關閉(右)圖………………………………………35
圖3.6 步進馬達驅動器(左)與步進馬達(右)………………………………35
圖3.7 力量感測模組實體圖(左:Load Cell;右:信號放大器)…………….36
圖3.8 成型槽外貌 ………………………………………………………...37
圖3.9 電控箱構造圖………………………………………………………..38
圖3.10 PLUS U2-X1130…………………………………………………..39
圖3.11 投影機之距離與成像大小關係示意圖……………………………40
圖3.12 DLP加入組合透鏡成像示意圖………………………………….41
圖3.13 200 mm鏡片………………………………………………………41
圖3.14 美國國家標準量測光點之距離及所量測之資料(單位:Lux)……44
圖3.15 三角網格化之圖形…………………………………………………46
圖3.16 HPGL格式輪廓轉換光罩示意圖………………………………...46
圖3.17 光罩產生流程示意圖………………………………………………47
圖3.18 HPGL檔案格式範例[10]…………………………………………49
圖3.19 HPGL檔與實際光罩關係圖[12]…………………………………49
圖3.20 光罩校正程式………………………………………………………50
圖3.21 硬體校正規…………………………………………………………51
圖3.22 光罩校正流程………………………………………………………52
圖3.23 電氣訊號之分類圖[19]…………………………………………….54
圖3.24 電氣訊號之擷取示意圖[19]……………………………………….55
圖3.25 拉拔成型軸控制示意圖……………………………………………56
圖3.26 本機台PC-BASED控制器架構圖………………………………...57
圖4.1 panaterm軟體介面…………………………………………………59
圖4.2 模式轉換示意圖……………………………………………………..60
圖4.3 SSR示意圖…………………………………………………………60
圖4.4 扭力與電壓關係圖…………………………………………………..61
圖4.5 上升運動速度與扭力關係圖………………………………………..62
圖4.6 加速度時間常數為0.1sec之速度與扭力關係圖…………………..64
圖4.7 加速度時間常數為0.05sce之速度與扭力關係圖…………………64
圖4.8 拉拔力與扭力對應圖………………………………………………..66
圖4.9 力量拉拔曲線………………………………………………………..68
圖4.10 位置控制模式加工流程圖…………………………………………70
圖4.11 成型軸總長度………………………………………………………70
圖4.12 混合控制模式加工流程圖…………………………………………72
圖4.13 系統介面關係圖……………………………………………………74
圖4.14 控制系統主程式人機介面…………………………………………76
圖4.15 光罩顯示模組………………………………………………………77
圖4.16 機構控制模組………………………………………………………77
圖4.17 光罩製作模組………………………………………………………78
圖4.18 拉拔控制模組………………………………………………………79
圖4.19 載入光罩圖層………………………………………………………80
圖4.20 光罩控制參數設定…………………………………………………81
圖4.21 控制系統加工時人機畫面…………………………………………82
圖5.1 NAF-202不同波長下之光源吸收率示意圖…………………...….84
圖5.2 光罩面積與拉拔速度對應圖………………………………………..87
圖5.3 牙齒工件(左:位置模式;右:混合模式)…………………………….88
圖5.4 NTUST mark工件(左:位置模式;右:混合模式)…………………88
圖5.5 三角錐工件(左:位置模式;右:混合模式)………………………….89
圖5.6 位置模式下牙齒工件面積與最大拉拔力示意圖…………………..90
圖5.7 混合模式下牙齒工件面積與最大拉拔力示意圖…………………..90
圖5.8 位置模式下NTUST mark工件面積與最大拉拔力示意圖………..91
圖5.9 位置模式下三角錐工件面積與最大拉拔力示意圖………………..91
圖5.10 混合模式下NTUST mark工件面積與最大拉拔力示意圖………92
圖5.11 混合模式下三角錐工件面積與最大拉拔力示意圖…...………….92
圖5.12 位置模式下牙齒工件之分離位置與時間記錄圖…………………94
圖5.13 位置模式下NTUST mark工件之分離位置與時間記錄圖………94
圖5.14 位置模式下三角錐工件之分離位置與時間記錄圖………………95
圖5.15 混合模式下牙齒工件之分離時間記錄圖…………………………96
圖5.16 混合模式下NTUST mark工件之分離時間記錄圖………………96
圖5.17 混合模式下三角錐工件之分離時間記錄圖………………………97
表目錄
表3.1 伺服馬達驅動器規格………………………………………………..29
表3.2 伺服馬達容量選定參數表…………………………………………..31
表3.3 步進馬達驅動器(左)與步進馬達規格(右)…………………………35
表3.4 Load Cell信號放大器規格表……………………………………...36
表3.5 200mm透鏡光罩規格表…………………………………………...42
表3.6 XOR邏輯二值真值表……………………………………………...47
表4.1 負載與扭力輸出關係………………………………………………..66
表4.2 位置模式加工動作與相對應時間…………………………………..71
表4.3 混合模式加工動作與相對應時間…………………………………..73
表5.1 照射時間與成型厚度關係表………………………………………..84
表5.2 方形工件理想與實際尺寸對照表…………………………………..85
表5.3 面積-速度拉拔成型之最大拉拔力表………………………………86
參考文獻
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