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研究生:黃仲豪
研究生(外文):Chung-Hao Huang
論文名稱:三軸微型銑削工具機研製與微銑切無氧銅之最佳參數研究
論文名稱(外文):Research on the Development of a Meso-scale 3-axis Milling Machine and the Optimal Micro-milling Parameters for the Oxygen Free Copper
指導教授:修芳仲
指導教授(外文):Fang-Jung Shiou
口試委員:修芳仲
口試日期:2012-07-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:162
中文關鍵詞:微型銑削工具機線性馬達PID控制田口實驗微銑削
外文關鍵詞:meso-scale 3-axis milling machineliner motorPID controlTaguchi’s experimentalmicro-milling
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本研究主旨在開發一三軸微型銑削工具機,此工具機主要由XY共平面平台及Z軸高速主軸夾持及配重機構組合而成, X、Y、Z三軸皆使用線性滑軌做為移動軸承,驅動方式由LNC-M600 CNC控制器與Elmo驅動器對線性馬達進行運動控制,位移訊號經由光學尺回授給驅動器,形成一閉迴路控制系統。
本工具機之X、Y軸全行程位移為50 mm,Z軸全行程位移為30 mm,連接PC、LNC-M600 CNC控制器與Elmo 驅動器,建立一閉迴路PID控制系統,X軸之步階定位能力可控制在30 nm,Y軸之步階定位能力控制在40 nm,Z軸之步階定位能力控制在30 nm。X軸系統誤差範圍為0.00267~-0.00183 mm,Y軸系統誤差範圍為0.00093~-0.00591 mm,Z軸系統誤差範圍為 -0.00125~-0.00402 mm。
本研究另一結果為於CL-2MD 高速雕刻機進行微銑削無氧銅之最佳化參數實驗,以直徑0.2 mm微銑刀切削無氧銅,並以表面粗糙度望小做為田口實驗分析法的品質特性,於田口L9直交表實驗後,可得到最佳微銑削無氧銅的參數組合為:主軸轉速50,000 rpm、切削深度0.005 mm、切削間距0.02 mm、進給率75 mm/min 。
There are two main parts in this study. First, the development of a meso-scale 3-axis milling machine has been introduced. Second, the optimal micro-milling parameters have been determined for cutting the oxygen free copper using a high speed spindle.
The developed micro 3-axis milling machine system is constructed with a XY coplanar stage and a Z-axis high-speed spindle clamping mechanism mounted on a pagoda structure. The XY coplanar stage and Z-axis structural were guided by a linear guideways. The developed machine tool was driven by the LNC-M600 CNC controller and Elmo digital servo driver for the precision motion control of the linear motors.
Based on the test results, the closed loop 3-axis milling machine system was able to provide precision positioning with the travel of 50 mm along XY-axis and the travel of 30 mm along Z-axis. By utilizing the LNC-M600 CNC controller and Elmo digital servo driver closed-loop of PID control system, the positioning capability of X-axis was about 30 nm, Y-axis was about 40 nm, and Z-axis was about 30 nm. Based on the linear displacement measurement results, the system error along X-axis was 0.00267~-0.00183 mm, Y-axis was 0.00093~-0.00591mm, and Z-axis was -0.00125~-0.00402 mm.
The Taguchi’s experimental method was applied to determine the optimal micro-milling parameters for the oxygen free copper by using a micro-mill with a diameter of 0.2 mm. Based on the results of Taguchi’s L9 matrix experimen and the analysis of variation (ANOVA), the optimal micro-milling parameters for milling the oxygen free copper were the combination of the spindle speed of 50,000 rpm, the depth of cut of 0.005 mm ,the stepover of 0.02 mm, and the feed of 75 mm/min.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 微銑削加工實驗相關 2
1.2.2 微型加工機相關 5
1.3 研究方法與論文架構 8
第二章 三軸微銑削工具機系統架構與元件介紹 9
2.1 三軸微型銑削工具機系統架構簡介 9
2.2 三軸微型工具機使用元件介紹 11
2.2.1 線性馬達原理簡介 11
2.2.1.1 Tecnotion 線性馬達 13
2.2.2 線性滑軌簡介 14
2.2.2.1 THK線性滑軌 16
2.2.3 Elmo全數位伺服驅動器 17
2.2.4 RENISHAW光學尺 19
2.2.5 HTS1501S-M2040高速主軸 20
2.2.6 LNC-M600 CNC控制器 23
2.3 三軸微型銑削工具機之機構設計 24
2.3.1 花崗岩寶塔結構設計 25
2.3.2 Z軸高速主軸夾持與驅動機構 27
2.3.2.1 Z軸滑輪配重系統原理與簡介 28
2.3.3 XY共平面平台 31
2.3.4 工件夾治具與微動力計系統 33
第三章 相關理論 35
3.1 PID控制器簡介 35
3.2 田口實驗計劃法 38
3.2.1 田口實驗計劃法簡介 38
3.2.2 田口實驗步驟摘要 39
3.2.3 因子的分類 39
3.2.4 信號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio) 41
3.2.5 變異數分析(ANOVA) 42
3.2.6 F分佈(F distribution) 46
3.2.7 直交表介紹 48
3.2.8 最佳預估值與確認實驗 49
第四章 實驗方法與步驟 51
4.1 實驗規劃一 51
4.1.1 三軸微型銑削工具機之零組件檢測與組裝 52
4.1.1.1 輔助檢驗儀器與調整方法 52
4.1.1.2 三次元座標量測儀 53
4.1.1.3 SIOS雷射干涉儀 54
4.1.1.4 Optodyne 雷射干涉儀 55
4.1.1.5 槓桿式量錶搭配三次元座標量測系統 56
4.1.1.6 旋轉軸心調校法 57
4.1.1.7 對角線螺絲固定法 58
4.1.1.8 SEM S360掃描式電子顯微鏡 59
4.1.2 PID參數調整 60
4.1.3 平台移動控制測試 63
4.1.4 銑削加工測試 64
4.2 實驗規劃二 65
4.2.1 微銑削實驗機台之系統架構 67
4.2.1.1 CL-2MD 高速雕刻機 68
4.2.1.2 高速主軸 69
4.2.1.3 氣壓供給系統 70
4.2.1.4 實驗刀具與材料 71
4.2.2 實驗量測設備 73
4.2.2.1 表面粗糙度儀 73
4.2.2.2 光學顯微鏡 74
第五章 實驗結果及數據分析 75
5.1 微型銑削工具機之零件檢測與組裝 75
5.1.1 加工用Z軸之組裝流程 75
5.1.2 加工用二維共平面平台之組裝流程 82
5.2 PID參數調整與測試結果 93
5.2.1 電流、速度與位置環之參數調整 93
5.3 平台移動控制測試 106
5.3.1 全行程移動測試結果 106
5.3.2 步階測試結果 116
5.3.3 三軸線性定位精度結果 132
5.4 微銑削加工測試 136
5.5 微銑削無氧銅之田口實驗 139
5.5.1 微銑削加工實驗因子水準之規劃與直交表配置 139
5.5.2 實驗結果與S/N ratio之計算 143
5.5.3 ANOVA變異數分析 147
5.5.4 預測最佳值與驗證實驗 150
5.5.5 微流道加工 152
5.6 最佳化參數之切削力量測 157
第六章 結論與未來展望 159
6.1 結論 159
6.2 未來研究方向 161
參考文獻 162
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