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
[1]J. F. Cuttino, A. C. Miller, Performance Optimization of a Fast Tool Servo for Single-Point Diamond Turning Machines, IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 4, NO. 2, JUNE 1999.
[2]A. Woronko, J. Huang, Y. Altintas, Piezoelectric tool actuator for precision machining on conventional CNC turning centers, Precision Engineering 27 (2003) 335–345.
[3]T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a force sensor, 2005年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[4]A. Y. Yi and L. Li, Design and fabrication of a microlens array by use of a slow tool servo, OPTICS LETTERS, July 1, 2005, Vol. 30, No. 13.
[5]M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf. Positioning Technology Hamamatsu(ICPT2008), PC03 ,pp.151-152, 2008.
[6]S. Rakuff, J. F. Cuttino, Design and testing of a long-range, precision fast tool servo system for diamond turning, Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology, Precision Engineering, 33 pp.18–25, 2009.
[7]博光華，賴昆輝，「撓性車削系統之微精細車削特性研究」，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，2005。
[8]鄭源傑，許巍耀，郭慶祥，陳峰志，陳潔慧，姚柏宏，陳政寰，「慢刀伺服刮削應用於微陣列透鏡研究」，中國機械工程學會第二十七屆全國學術研討會論文集，2010。
[9]陳俊傑，「微透鏡陣列之超精密加工」，淡江大學機械與機電工程學系博士論文，2010。
[10]劉永田，張立良，「研發具液壓式位移放大機構之微進給刀座」，國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系碩士論文，2010。
[11]許富雄，「FPGA放電加工控制器之設計研究」，大葉大學電機工程學系碩士論文，2007。
[12]羅偉仁、陳世樂，「滑動模式控制參數之性能分析與最佳化設計」，第十二屆全國自動化科技研討會，虎尾技術學院，2001.
[13]藍長春，「適應前饋控制及自組織模糊控制在3D 液壓平台之應用」，台灣科技大學機械工程技術研究所碩士論文，1998.
[14]W. P. Mason, Piezoelectricity, Its History and Applications, J. Acoust. Soc. Am, 70,(6),pp.1516-1566.Stuart T, 1981.
[15]http://elearning.stut.edu.tw/mechelec/mechelec.htm
[16]洪進華、莊宗桓、楊溢棋、齊俊麟，”以ASIC 來實現PID 模糊控制晶片之設計”，大葉學報，Vol. 12, NO. 1, PP. 43-48, 2003.
[17]Y. W. Ryu and D. G. Gwepn, “Error analysis of a flexure hinge mechanism induced by machining imperfection, “Elsevier Science Inc, pp.83-89, 1997.
[18]www.mitutoyo.co.jp/products/sokuchouunit/at211.pdf ，2010。
[19]http://www.ni.com/fpga_technology/zht/ ，2010。
[20]洪肇聰，「FPGA-Based 冷氣機數位式溫度控制IC設計與實現」，國立中興大學電機工程學系碩士論文，2002。
[21]陳善明，蔡麗玲，「非球面光學之未來發展」，光電資訊第12期，1991。
[22]庄司克雄，「超精密加工と非球面加工」，NTS，ISBN4-8043-059-X C3050，2004。
[23]http://cn.plasticmould.net/htmlnews/11685.html ，2004。
[24]http://www.nexsys.co.jp/ ，2009。
[25]財團法人工業技術研究院，「超精密單晶鑽石刀具切削技術研討會」，機械工業研究院，2002。
[26]丸井悦男，「超精密加工学」，コロナ社，1997。
[27]http://www.fcht.com.tw/ ，2009。
[28]劉永田，山形豐，「非球面超精密切削加工之實務介紹」，第五屆精密製造學術研討會，高雄，國立高雄應用科技大學，pp.297-303，2006。