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研究生:林彥均
研究生(外文):Yen-Chun Lin
論文名稱:超精密加工用刀具伺服系統整合之研究
論文名稱(外文):Study of a Tool Servo System Integration for Ultraprecision Machining
指導教授:劉永田
指導教授(外文):Yung-Tien Liu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:機械與自動化工程研究所
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:66
中文關鍵詞:刀具伺服、超精密切削加工、光學陣列、壓電致動器、FPGA
外文關鍵詞:Tool servoUltraprecision machiningOptical lens arraysPZT actuatorsFPGA
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近年來,光電產業的蓬勃發展,帶動對於複雜形狀之光學陣列的高度需求,而用於大量生產用之陣列模仁的加工技術,必須仰賴多軸加工機亦或刀具伺服裝置。本研究為提升既有桌上型四軸超精密加工機之進刀解析度,並提供刀具伺服功能,利用壓電致動器所驅動之微進給刀座與加工機進行系統整合。該進給刀座運用撓性支撐的放大原理,進刀總行程可達15 ?慆,並可由PID進行刀具路徑的控制。為使該微進給刀座具有刀具伺服功能,乃擷取加工機之直線軸與旋轉軸(X, Y, C)的光學尺訊號,以建構即時控制系統,並將加工程式燒入FPGA模組,以獲得進給刀座與加工機同步的控制功能。根據所建構之刀具伺服系統,針對尺寸為o5×20 mm之無氧素銅(C1020)工件,以刀鼻半徑為0.2 mm之單晶鑽石刀具進行橢圓陣列的超精密切削實驗,加工條件分別為:主軸轉速50 rpm、X軸移動速率1 mm/min、切深10 ?慆;另外,橢圓陣列的加工配置為,在工件端面上,每相隔90°切削1個橢圓形狀的模仁,共切削4個。橢圓之尺寸為:長軸0.5 mm、短軸0.15 mm、深度10 ?慆,其中心點與工件中心軸偏移1 mm。藉由加工實驗,成功驗證所建構之刀具伺服系統的有效性。本文所研發之系統,未來可應用於更複雜形狀之非軸對稱、自由曲面等模仁的超精密加工。
Due to the rapid development of photoelectric industry, the manufacture for micro optical components is increasingly important. To obtain special functions with high performance, some optical components are designed with non-circular or asymmetric-axis features. In this study, a micro tool holder is developed to improve the feeding resolution of an existing four-axis desktop ultraprecision machine, and to provide a tool servo function. The tool holder used of piezoelectric actuators is driven by the micro-feed processing machine tool holder and the system integration. The use of flexible feed tool holder supports amplification principle, the total feed stroke up to 15 ?慆 and can be carried out by the PID control of the tool path.
To demonstrate the cutting performance, an embedded real-time system capable of acquiring the displacement signals from linear encoders is configured, and the control system is implemented with FPGA (Field Programmable Gate Array) module. The experiments for an oxygen-free copper (OFC) workpiece were performed with flat cutting and elliptical cutting. Tool nose radius to 0.2 mm single-crystal diamond tool for ultra-precision cutting elliptical array experiments, processing conditions were: spindle speed 50 rpm, X-axis feeding speed 1 mm / min, cutting depth 10 ?慆; In addition, the elliptical array of the process is configured to, in the end surface of the workpiece, each separated by 90 ° elliptical shape cutting a mold, cut a total of four. Ellipse size: long axis 0.5 mm, short axis 0.15 mm, the depth of 10 ?慆, the center and the central axis of the workpiece offset 1 mm. By performing experiments, the effectiveness of the implemented tool servo system is verified. The development of this system can be applied to the Ultraprecision machining with more complex features such as asymmetric shapes or free form surfaces.
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
表目錄 VI
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與目的 8
1.4 論文架構 9
第2章 微進給刀座驅動原理與基礎特性研究 11
2.1 前言 11
2.2 微進給刀座的組成 11
2.3 微進給刀座的等效剛性 13
2.4 刀座基礎特性驗證 15
2.4.1 基礎特性實驗裝置 15
2.4.2 連續步階驅動結果 16
2.4.3 微小連續步階驅動結果 17
2.4.4 驅動電壓與位移之關係 19
2.5 本章結語 20
第3章 微進給刀座與原加工機系統整合 22
3.1 前言 22
3.2 原加工機位移訊號擷取裝置 22
3.2.1 加工機之位置讀取裝置 22
3.2.2 加工機光學尺訊號 23
3.3 計數器原理 24
3.4 系統結合實驗裝置 26
3.4.1 實驗裝置 26
3.4.2 FPGA(現場可程式化閘陣列)說明 27
3.5 截取原加工機位移訊號結果 28
3.6 微進給刀座的控制系統說明 30
3.7 本章結語 31
第4章 利用刀座進行非圓形形狀陣列切削加工 32
4.1 前言 32
4.2 非圓形形狀陣列切削加工形狀的數學表示式 32
4.3 加工指令的產生 34
4.4 非球面切削加工機設備 37
4.5 加工實驗設備介紹 38
4.6 實驗刀具及加工材料 45
4.6.1 刀具的選用 45
4.6.2 材料的選用 47
4.7 實驗參數 48
4.8 結合外接式刀座進行非圓形形狀陣列切削加工的步驟 49
4.9 橢圓切削之加工量測結果 51
4.9.1 切削平面量測結果 52
4.9.2 使用PID閉迴路控制進行橢圓切削量測結果 53
4.9.3 使用PID閉迴路控制進行橢圓陣列切削量測結果 57
4.10 本章結語 60
第5章 結論與未來展望 62
5.1 結論 62
5.2 未來展望 63
參考文獻 64
參考文獻
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