臺灣博碩士論文加值系統

本研究主要目的是利用OMP400觸發式探頭（touch trigger probe）整合於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測（in-process measurement），並針對量測時所會面臨之干涉與避障問題（interference-free）進行探討與研究。本研究所使用之OMP400觸發式探頭具有高精度及高重複性，以標準環規（D＝39.997 mm）校驗之結果透過標準差計算，其誤差約為1 μm，可應用於量測複雜之3D自由曲面及規則幾何形狀，因此適合應用於CNC工具機台上進行綜合性的量測。
在量測系統架構方面，以個人電腦為基礎，並將OMP400觸發式探頭與四軸CNC雕刻機進行軟硬體的整合，將機台之NC控制器與個人電腦進行資訊整合，透過RS-232串列通訊埠，可將加工與量測所需之NC程式碼經由PC傳送至NC控制器，以驅動工具機進行加工間檢測。加工間檢測所使用的載具為風扇葉片，由於葉片上的量測點應用於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測時，會有干涉情況產生，因此本研究特地針對干涉避障等問題，透過演算法與避障流程，規劃出最適合之量測路徑，以達到安全及符合省路徑等需求。
在量測點資料誤差比對方面，利用三次元座標量測儀（CMM）量測相同載具，並與於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測之結果，進行量測誤差比對，經由量測四凸一凹自由曲面載具所得到之誤差約為11 μm，量測另一載具風扇葉片之第一片與第四片，其結果相對於CMM結果之誤差，分別為0.075 mm及0.077 mm，將第一片與第四片於CNC雕刻機進行加工間檢測，所得到之量測重複性誤差皆在5 μm以內，成功的驗證OMP400觸發式探頭進行量測時，其重複性與精度良好，因此可實際整合於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測。

The objective of this study is to develop a 4-axis in-process measurement system by integrating an OMP400 touch trigger probe system with a 4-axis CNC engraving machine to measure the fan blades with no collision. The vector-based measurement function having been provided, the OMP400 probe is a viable solution for 3D in-process measurement of mould, die and other complex parts on a machine tool. The deviation of the repeatability measurement of a gauge block of 100 mm using the OMP400 probe was about 0.25 micron. The deviation of the center coordinates of a ring gauge was, in general, within 1.0 microns, based on the calibration results.
The information in the developed in-process measurement system, comprising a personal computer, a 4-axis CNC engraving machine controller, and a RENISHAW OMP400 touch trigger probe system, was integrated technically. A set of measuring software programmed with Visual Basic 6.0 was developed to configure the measuring path and to process the measured data points. A fan was used as a test carrier to carry out the in-process measurement. The complex surfaces of the fan blades result in the difficulty in both machining and inspection. Utilizing the proposed interference-free algorithm, the interference-free measurement paths could be configured and the required NC codes could be generated by the developed 4-axis in-process measurement system for the inspection of the fan blades. The measurement errors of the in-process system for the fan blades were verified by the measurements using a 5-axis CNC coordinate measurement machine (CMM). Based on the analysis results, the measurement errors of the first blade and the fourth blade using the OMP400 probe were 0.075 mm and 0.077 mm, respectively. The repeatability measurement error between the two blades was about 5 μm.

中文摘要 I
Abstract II
誌 謝 III
目 錄 IV
圖索引 VIII
表索引 XV
第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究方法與論文結構 10
第二章 量測原理與設備之介紹 12
2.1 接觸式探頭量測原理及量測功能介紹 12
2.1.1 接觸式探頭量測原理 13
2.1.2 OMP400觸發式探頭量測功能 14
2.2 接觸式探頭量測及量測路徑生成的方式 16
2.2.1 接觸式探頭量測的方式 16
2.2.2 接觸式探頭量測路徑生成的方式 17
2.3 計算法向量的方法與自由曲面量測步驟 17
2.3.1 計算法向量的方法 18
2.3.2 探頭半徑補正 22
2.3.3 自由曲面量測步驟 23
2.4 四軸CNC高速雕刻機介紹 24
2.4.1 工具機精度校驗 25
2.5 接觸式探頭之不確定度分析 37
2.5.1 探頭校準 37
2.5.2 探頭之重複性量測(Repeatability measurement) 40
2.5.3探頭之精密度量測(Precision measurement) 40
2.6 實驗設備 45
第三章 量測系統之整合與介紹 47
3.1 硬體系統 50
3. 2 資訊系統 51
第四章 實驗載具製作與三軸檢測 58
4.1 四凸一凹自由曲面載具之檢測 58
4.2 風扇葉片實驗載具之製作 64
第五章 風扇葉片載具四軸量測之干涉與避障研究 70
5.1 干涉情況介紹 70
5.2 干涉避障演算法 73
5.2.1 干涉避障演算原理 73
5.2.2 干涉避障演算實際應用 76
5.3 干涉發生於量測路徑過程 86
第六章 量測路徑規劃與流程 88
6.1 於CNC雕刻機無干涉之四軸量測路徑規劃 88
6.2 量測路徑之流程 95
6.2.1 CNC雕刻機之量測路徑流程 95
6.2.2 CMM之量測路徑流程 99
第七章 量測實驗結果 103
7.1 實驗流程規劃 103
7.2 加工誤差比對 103
7.3 量測誤差比對 107
7.4 風扇葉片第一片與第四片量測結果之誤差比對分析 111
第八章 結論與未來研究方向 117
8.1 結論 117
8.2 未來研究方向 119
參考文獻 121
附 錄 一 127
附 錄 二 135
附 錄 三 136
附 錄 四 138
附 錄 五 143
附 錄 六 148
附 錄 七 152
附 錄 八 156
附 錄 九 168
附 錄 十 174
作 者 簡 介 175

1.黃文勇，“以綜合加工中心機作曲面量測之研究”，中原大學機械工程研究所碩士論文，1993.
2.Saito, K., Miyoshi, T., “Non-contact 3-D Digitizing and Machining System For Free-Form Surface,” Annals of the CIRP, vol.40, No.1, pp.483-486, January, 1991.
3.黃敏雄，“接觸式與非接觸式三次元精密量測技術應用於航太葉片之曲面量測”，淡江大學航空太空工程學系碩士班碩士論文，2002.
4.黃建銘，“應用非接觸式影像量測技術於微小元件外形尺寸量測之研究”，淡江大學航空太空工程學系碩士班碩士論文，2003.
5.宋上漢，“CAD/CAM基礎於逆向工程技術之研究”，中原大學機械 工研究所碩士論文，2001.
6.陳信宏，“雷射探頭整合於電腦控制四軸機台做小型元件之逆向工程量測”，國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2003.
7.陳明俊，“接觸式與非接觸式探頭系統整合於CNC工具機上之混合量測研究”，國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2001.
8.李俊賢，“自由曲面掃描量測資料之曲面建構與誤差分析研究”，大葉大學機械工程研究所碩士論文，1998.
9.王惠民，“SP2量測技術在逆向工程與電腦輔助設計與製造系統之整合研究”，中原大學機械工程研究所碩士論文，1996.
10.鄭元進，“單點雷射多探測器量測系統研製“，中國機械工程學會，第15屆全國學術研討會論文集.
11.羅錦崑，“CAD導引三次元量床3-D自由曲面自動化量測研究”，元智大學機械工程研究所碩士論文，1998.
12.蘇宏文，“量測工件之夾持穩定性模式及曲面細分法之量測點研究”，國立台灣科技大學機械工程技術研究所碩士論文，1999.
13.許家誠，“灰色理論於三次元量測儀之應用”，國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文，1999.
14.張志嘉，“自由曲面資料擷取辨識與量測規劃之研究”，國立台灣科技大學工程技術研究所自動化及控制學程碩士論文，1998.
15.林信介，“三次元量床雷射探頭校準之研究”，國立中興大學機械工程研究所碩士論文，2003.
16.薛同周，“非接觸式三次元量測量測能力評估”，元智大學工業工程研究所碩士論文，1994.
17.謝炎錚，“CAD輔助量測路徑規劃研究”，國立中央大學機械工程研究所碩士論文，2001.
18.蔡昇翰，“微數位投影之三維輪廓量測系統與技術”，國立台北科技大學自動化科技研究所碩士論文，2002.
19.Yueh-Jaw, Lin and Murugappan, Prabaka, “New algorithm for CAD-directed CMM dimensional inspection,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, Part 1 (of 4) May 16-20, pp.893-898, 1998.
20.McCartney, J. and Hinds, B.K., “The manufacture of complex surfaces from model data,” International journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol.16, No.2, 1987.
21.Kawabe, S., Kimura F. and Sata, T., “Generation of NC commands for sculptured surface machining from three-coordinate measuring data,” Ann.CIRP, Vol.29, No.1, pp.369-371, 1980.
22.Duffie, N., Bollinger, J., Piper, R., and Kronberg, M., “CAD directed inspection and error analsis using surface patch databases,” Ann. CIRP ,Vol.33,No.1,pp.347-356,1984.
23.Song, C.K., Kim, S.W., and Park, J., “Automated measurement
of three dimensional profile of free-formed surface by touch-trigger probes,” J.Korean.Soc.Mech.Engrs., Vol.17, No.2, pp.407-413, 1993.
24.刁守仁，“逆向工程中以精度為導向之多層級曲面量測及重建研究”，元智大學機械工程研究所碩士論文，1993.
25.洪源宗，“實體曲面於量測上之應用、分析與切削路徑的規劃”，中原大學機械工程研究所碩士論文，1995.
26.陳建勳，“非接觸式自由曲面量測技術研究”，中原大學機械工程研究所碩士論文，1990.
27.陳志宏，“非接觸式自由曲面量測技術研究”，國立台灣大學機械工程研究所碩士論文，1990.
28.蘇保全，“MP700觸發式探頭整合於CNC工具機作自由曲面之加工間檢測與統計製程品管分析研究”，國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2004.
29.盧文記，“使用兩軸夾具輔助軸流式機械元件之無干涉路徑規劃與檢測”，國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文，1998.
30.Hoschka, Juergen, “In-process measurement of tools and wirkpieces,” Energy & Automation, Vol. 9, pp.24-27, 1987.
31.Tseng, Tzu-Liang, Kwon, Yongjin, Ertekin, Yalcin M., Chung, Wingyan; Jiang, Fuhua, “A Modeling and analysis between in-process CNC touch probe gauging and post-process CMM inspection,” IIE Annual Conference and Exposition, May 14-18, 6p, 2005.
32.Kwon, Yongjin “Accuracy analysis of machining process using a spindle probe and a CMM to reduce the scrap,” American Society of Mechanical Engineers, Manufacturing Engineering Division, MED, Vol. 16-1, pp.31-36, 2005.
33.Wu, Teresa, Kwon, Yongjin “Real-time machining quality inspection for design for manufacturing,” J. Adv. Manuf. Syst., Vol. 4, No.1, pp.21-36, 2005.
34.Fang-Jung, Shiou, Ming-Jiunn, Chen, “Intermittent process hybrid measurement system on the machining centre,” J. Adv. Manuf. Syst., Vol. 41, No.18, pp.4403-4427, 2003.
35.范光照、張郭益，“精密量具及機件檢驗”，高立圖書，1998.09.
36.N.N. Handbook for Inspection Plus for OMP400 Probe on Machining Centre Programming Manual, RENISHAW Company, United Kingdom, 2004.
37.賴勇成，“非接觸式多軸逆向工程量測系統之開發研究”，國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2003.
38.http://www.michaellin.com.tw/，鉅曜科技股份有限公司.
39.Mitutoyo Geopak-Window操作手冊，台灣三豐儀器股份有限公司，2005.
40.廖榮貴等，“Visual Basic 6.0程式設計入門與實務”，文魁資訊股份有限公司， 2002.
41.王國榮，“Visual Basic 6.0入門、實務與資料庫”，旗標出版股份有限公司， 2003.
42.黃世陽、吳明哲，“Visual Basic 6.0學習範本”， 松崗電腦圖書資料股份有限公司， 2002.
43.孫孟君，“雷射探頭整合於三軸微定位平台作介觀尺寸工件自動化量測之研究”，國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2006.
44.劉國雄、鄭晃忠、李勝隆、林樹均、葉均蔚，“工程材料科學（新版）”，全華科技圖書股份有限公司，2006.11.
45.Power INSPECT 培訓教材，達康科技國際股份有限公司，2002.11.
46.方志翔，“以Pro/ENGINEER 進行軸流式風扇葉片之快速化開發
”，國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2007.
47.張惠欽，“由3D幾何模型開發無干涉多軸量測系統”，國立台灣科技大學機械工程研究所博士論文，2002.