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NKFUST. 微進給刀座與加工機系統整合驗證加工. 劉永田 、 張立良、林彥均 報告人 : 林彥均. (NSC-98-2221-E-327-012-MY2). Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST ). Kaohsiung, Taiwan. 大 綱. 1. 前言 2. 微型刀座放大原理與設計 3. 基礎實驗規畫 4. 基礎實驗結果與驗證加工 5. 結論. 2011-P1. 前言.

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  1. NKFUST 微進給刀座與加工機系統整合驗證加工 劉永田、張立良、林彥均 報告人:林彥均 (NSC-98-2221-E-327-012-MY2) Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST ) Kaohsiung, Taiwan

  2. 大 綱 1.前言 2.微型刀座放大原理與設計 3.基礎實驗規畫 4.基礎實驗結果與驗證加工 5.結論 2011-P1

  3. 前言 近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲線或曲面上不等節距導光板等。 特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。 光學鏡片 環形圓紋曲面 (資料來源：中美科技) 橢圓曲面上搭配微特徵 車燈頭燈(資料來源：中美科技) 2011-P2

  4. 相關研究 音圈馬達致動器之快刀裝置 (M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008) 撓性結構與壓電致動器微進給裝置 (S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991) 溫控控制形狀記憶合金刀座 (K. Kitajima ,2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004) 壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座 (Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008) 2011-P3

  5. 現有刀座存在的問題 壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座 (Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008) 反轉誤差 ks為壓電致動器的剛性 ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移 壓電出力與位移的曲線 2011-P4

  6. 新刀座驅動原理與設計 A1 A2 波紋示意圖 新型刀座設計 本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍。 2011-P5

  7. 微進給刀座的組成 位移放大機購 微進給刀座實體圖 微進給刀座示意圖 2011-P6

  8. 基礎實驗 • 基礎實驗裝置 • 連續步階驅動結果 • 位移特性結果 • 頻率與位移的關係 2011-P7

  9. 基礎實驗裝置 壓電致動器 5×5×10 mm (Tokin) 5×5×20 mm (Tokin) 兩顆串聯) 線性滑座 (THK VRT 2035A) GAP sensor (ADE5502) AMP (nf：HAS-4014) 基礎實驗裝置 2011-P8

  10. 連續步階驅動結果 以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移 連續步階響應結果 放大倍率 2011-P9

  11. 位移特性結果 由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性 PZT與刀座的位移特性 2011-P10

  12. 頻率與位移的關係 輸入200Hz與輸出位移的關係 頻率與位移的關係 輸入40Hz與輸出位移的關係 2010-P.12 2011-P11

  13. 微進給刀座與加工機整合架構 本研究搭配嵌入NI cRIO- 9073控制器，採用NI 9514卡片，其卡片針對單一軸線提供伺服驅動器介面訊號；包含輸入在內的完整運動 I/O，編碼器 (Incremental encoder)讀取，本刀座控制程式使用LabVIEW軟體撰寫，燒入至FPGA晶片中，燒入部部分包含讀取光學尺訊號、PI控制程式，輸出驅動PZT的電壓，藉由光學尺閉迴路位置控制。 2010-P.13 2011-P12

  14. 超精密切平面試切削 2010-P.14 2011-P13

  15. 結論 本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如下： • 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程可達73μm。 • 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。 • 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150 Hz以下。 • 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表面粗糙度Ra =16 nm。 2011-P14

  16. 未來發展 • 精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡片模仁加工。 • 由基礎實驗得有效之驅動頻率為150Hz，可應用於慢刀伺服機構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。 2011-P15

  17. 參考文獻 [1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991. [2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005. [3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004. [4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy, The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004. [5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329-333, 2006. [6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE), Tokyo Japan, 2006. [7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf. Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008 [8] 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。 [9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。 [10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing, pp.474-481, 2008. 2011-P16

  18. 報告完畢 謝謝聆聽 2011-P17

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