【毕业学位论文】（Word原稿）精密机光电检测设备之研制-电机工程

1 圣 约 翰 科 技 大 学 机械系专题研究报告 精密机光电检测设备之研制 林 守 仪 副教授 中华民国九十四年七月 2 摘 要 本研究主要包括三大部分： (1)(2)(3)精密机构设计方面，将采用支架式 Y 轴独立驱动，并采用线性 服马达，提升定位速度与精度。本研究将依据系统所需的速度与刚性，分析所需的扭矩，以选取适当的马达及相关的机械结构。在快速精密控制系统方 面，将同时采用解码器与光学尺定位系统，使用 C 语言撰写控制程式，既可缩短定位时间，又能提高控制的弹性。在精密光电检测系统方面，用于量测平面显示器与光学模具的表面粗糙度 (表面平整度 (表面缺陷检验，主要构造包括雷射、光学系统与电子讯号处理部份，采用 射位移感测器，以取代传统雷射位移感测器（位置灵敏检测器），可检测出光束光点对每一像素的光量分布峰值，并将之识别为标的位置，无论光束光点的光量如何分布， 能精确地量测位移，并可进 行形貌检测应用于逆向工程。 3 目录 摘要 . I 目录 . 表索引 . 第一章 绪论 . 1 究背景与动机 . 1 究目的 . 1 作方法 . . 2 究主要范围 . 2 告架构 . 3 第二章 文献回顾 . 4 密仪器 系统 分析 . 4 臂式 . 5 式 . 6 架式 . 7 架式 . 8 力传递元件 . 9 珠螺杆 . 9 轨元件 . 10 4 轨元件的种类和特点 . 10 动导轨 . 10 动导轨 . 11 接触式导轨 . 11 进马达 . 12 达应用理论 . 14 制系统的构造 . 16 制方式 . 16 制系统的方式 . 19 制系统的基本设计法 . 20 流马达的重要物理公式 . 22 第三章 机电系统探讨 24 构分析 . 24 珠导螺杆之强度分析 . 24 制系统分析 . 30 线系统分析 . 31 第四章 精密光电检测系统 33 本光学几何定律 . 33 的反射定律 33 5 的折射定律 34 透镜方程式 . 36 行光束的产生 . 38 的绕射 . 39 狭缝绕射与双狭缝干涉 . 39 涉仪 . 40 射的相干性 . 40 极光 . 40 偏极光 41 偏极光 . 42 圆偏极光 44 光器 46 射 47 射 52 折射材料 . 53 像原理 . 54 . 55 射感测器 . 56 第五章 系统验证 . 60 6 统验证设备 . 61 统验证流程与实作 . 62 第六章 结论与建议 65 论 . 65 议 事项 . 66 参考文献 . 67 7 图表索引 图 臂式 . 6 图 式结构 . 7 图 2架式 8 图 架式 9 图 2 11 图 2进马达之基本型 . 15 图 2达种类 (回路 ) 16 图 2回路方式 17 图 2闭回路方式 . 18 图 2回路方式 19 图 2位控制之构造 20 图 2体式控制之构造 20 图 2 21 图 2流马达的重要方块图 22 图 3转条件示意图 . 25 图 3 29 图 3式结构设计图 , 30 图 3支架式机构设计 , 30 8 图 3统作动流程 . 30 图 3统配线图 (1) . 31 图 3统配线图 (2) . 32 图 4的反射 . 34 图 4的折射 . 35 图 4界角的定义 . 36 图 4镜参数的定义 . 37 图 4偏极光 42 图 4偏极光（续） . 42 图 4场变化情形 ( t 变化 ) 43 图 4场 变化情形（ t 固定） 43 图 4角 之图形 . 44 图 4圆 偏极光变化之情形 45 图 4通过线偏光器被偏极 46 图 4从马勒定律 . 47 图 4偏极光重迭 . 47 图 4直于射平面 x y 48 图 4行于入 射平面 x y 49 图 4射光振幅随入射角而变化 50 9 图 4次愈多，折射电场愈接近偏极光 51 图 4射方向与折射方向互为垂直 52 图 4场的方向垂直于传播方向 K 53 图 4射光波为低空间频率的光波 55 图 4射和折射现象 56 图 4准型三角雷射探头之工作原理图 57 图 4准型三角雷射探头之工作原理图 57 图 4头基本原理 . 58 图 4 感测器的不同 . 59 图 5 48 图 5射探头控制器 . 52 图 5射与 觉检测系统 52 图 5用实例流程图 . 53 图 5处理过后的撷取照片 53 图 5D 立体浮雕图 . 54 表 2. 15 表 2制方式的比较 . 18 表 5统验证设备 . 42 表 5 61 10 第一章 绪论 1究背景与动机 民国九十年全国工业发展会议的结论，工业局新筛选出较新兴产业还新兴的十大产业，分别是奈米技术应用工业、半导体精密设备工业、车辆竞技产业、数位内容产业、资讯家电产业、保健食品与保养品工业、智慧财产技术服务业、研发服务业、设计产业及废弃物资源化产业，将是未来重点推动的新兴产业，工业局将在召开工业发展策略研讨会时，讨论新兴十大产业，另也将纳入工业区更新现代化议题。 在国内制造业不断外移之际，为避免国内产业有空洞化之虞，工业 局筛选出在国内刚萌芽的产业，配合国内现有相关产业的基础，将成为未来大力推动与辅导重点产业，甚至比目前政府大力推动的高科技等新兴产业还要新兴。 未来国内产业的主力为两兆双星产业，包括半导体、影像显示、数位内容、生物技术与医药工业。不论两兆双星产业或新兴十大产业均与精密检测设备有密切之关系，因此国内发展精密检测设备以配合产业之需，实为刻不容缓之事。 由于显示器之精度对于其品质影响甚巨，国内业界之检测设备以外购为主，因此相关研究并不多，同时其关键技术又是各厂商的机密， 11 但是外购成本很高，在激烈的国际竞争 下，如何提高品质并降低成本是决胜的关键，因此国内业界已开始重视相关检测设备的研发。 1究目的 目的在于能够加强学生对精密检测设备的了解，进而将设计的理论与方法结合在实务当中，实际架构量测系统，可以增加学生对精密检测设备制造的经验。并在考量设备昂贵的情况下，设计能够重新架构的仪器型式，使学生加深各种精密仪器结构的概念。 1作方法 首先，计算本研究于机械结构上的强度，决定该如何选用适当的零组件，接着再从基本线材制作开始，以亲自焊接线路，熟悉机电系统内部电子回路构造，了解驱动器原理。尔后，开始学习如何架构本 研究的精密检测仪器。 1究主要范围 本研究主要分为四大部分： (1) 机构设计：结合所学力学、设计的概念，计算设备负载、尺寸，各零组件的的相关位置。 12 (2) 控制分析： 采用 三轴伺服马达控制系统，依据机械系统估算负载转矩来选择适当的驱动设备。 (3) 光电检测： 采用 射位移感测器，以取代传统雷射位移感测器 (位置灵敏检测器 )，可检测出光束光点对每一像素的光量分部峰值，并将之识别为标的位置，因此无论光束光点的光量如何分布， 能稳定精确地量测位移。 (4) 系统验证：实际组装完成后，再以各种实例，验证系统 1告架构 本论文共分为 6 章，其各章节概要分述如下： 第一章 绪论 本章说明论文的研究背景、动机、目的、方法与适用范围，其后 并说明本研究报告之内容架构。 第二章 文献回顾 本章介绍精密定位系统的发展，及相关零组件的作动原理应用。 第三章 机械系统探讨 本章介绍本精密定位平台的设计理论与验证，以及控制、配线系统相关说明。 第四章 精密光电检测系统 本章说明光学理论，包括几何光学、物理光学、雷射的理论，并 13 介绍雷射检测的各种方法与应用。 第五章 系统验证 本章主要说明此研究的主要架构流程，以及制作中所发生的问题 ，另外再讨论此系统的执行结果。 第六章 结论与建议 本章说明此精密机光电检测系统所能达到的功能，并说明制作此研究的感想，最后建议未来可供继续制作研究的方向。 14 第二章 文献回顾 2密仪器系统分析 光学是研究光的传播以及它和物质相互作用，而光学学说由十七世纪开始的，当时有两个学说并存。一方面，以牛顿为代表的一些人说明了光的直线传播定律，另一方面，惠更斯说明光是机械波，十九世纪初托马斯 杨和菲涅耳解释了光的干涉、衍射现象，之后至十九世纪六十年代，麦克斯威尔的电磁理论说光是一种电 磁波；在 1887 年迈克逊和莫雷利用光的干涉效应，试图探测地球在乙太中的绝对运动，而这个效应也让相对论和量子论诞生了，在 1900 年普朗克提出量子假说， 1905 年爱因斯坦发展了光的量子理论，成功的解释了这个效应。 目前三次元测定机的用途不断扩增，测定原理也配合现今的技术 加以改良，然而机械结构却是保有几种型态，而极少更动，但各种不同的结构型态被用在不同的检定环境与用途。目前检测仪器大致分为以下几种类型： 三 次 元 測 定 機垂 直 式 旋 臂 型橫 式 旋 臂 型垂 直 型橋 式 型架 式 型起 重 架 型單 架 式雙 架 式移 動 式床 座 式旋 臂 移 動 式 型測 定 台 移 動 型因此，用于精密检测方面的结构形式通常 采旋臂式、桥式、单支 架、双支架形式，而本研究以桥式、双支架式为主要课题。 15 臂式 (1)构造 在垂直方向 (Z 轴 )移动之 Z 轴心轴及导引部，能够在与 Z 轴互相垂直而呈水平方向之 Y 轴上 (单支撑梁 )移动，而此单支撑梁则能够在与 Z 轴和 Y 轴相互直角之 X 轴水平内的导轨上移动。 (2)特征 测定机的三面均采开放性构造，因此，测定物装卸容易，而且能够测定比测定物大的测定物，此型测定机可在 X、 Y 轴上之全部测定范围内自由移动，另由于是采开放式故浮动性操作性佳。但因 Y 支梁是凸出去的，所以操作较为麻烦。由于 Y 支梁是单边 支撑 Z 轴轴心极其引导部在 Y 轴方向移动时，容易使 Y 轴容易挠曲，是属于精度较差的构造型式，如图 示。 臂式 式 (1)构造 在垂直方向 (Z 轴 )之 Z 轴主轴和引导部，能够在与 Z 轴互相垂交而且是用两跟支架支撑支水平方向横梁上，呈 X 轴向 (Y 轴 )移动，而 16 此桥式结构能够在与 Z 轴和 X 轴相互垂直支水平面上的 Y 轴方向移动。 (2)特征 桥式是三次元测定机最常使用的构造型态，由于横梁两端有之架支撑故挠曲少，精度比垂直式佳。而在靠近测定机的一 角测定台是采开放式，测定物装卸容易，如果变更纵深方向滑轨的长度，即可产制造型不同的系列产品。此型的荷重导引面及测定台军在同一平面上，故左右的的荷重承受面必须经过精面加工。是属于经济型构造，但由于移动部的质量大，故惯性也很大，因而浮动的操作性较差。 X ( y ) x )图 式结构 架式 (1)结构 单支架形三次元测定机依 Y 轴方向构造型态，可细分成三种形式。 17 A )( B )( C )图 2架式 型 (2)特征 通常高精度三次元测定机均是采用单支架的构造，因为它是专为测定高精度设计，测定台测支架及其他构造部分变化很少，另外，各轴的测长部份阿贝偏移量很少。 架式 (1)构造 于垂直方向移动 Z 轴和导引部，能够在与 Z 轴相互垂直而且是用两根支架支撑的水平方向横梁上呈 X 轴方向移动。而支撑横梁之二根支架是被固定在基座。测定台则能在与 Z 轴和 X 轴向相互垂直水平面内的滑轨上做 Y 轴向的移动。 18 (2)特征 双支架型和单支架一样，是高精度三次元测定机经常采用的机种。双支架是与桥式最大的不同 点是它没有移动结构，横梁具有足够的刚性，故能测得很高的精度，同时测定台下方设有测长度系统，可以缩小阿贝偏移量。 架式 除了以上四种标准机型外，还有多关节型及圆柱极座标型 ()等三次元测定机。 2力传递元件 进给螺杆是用于将旋转运动变换为直线运动的运动传动元件，因由螺杆到螺帽，或者相反地由螺帽到螺杆之运动传动机构不同，可分为下列三种： (1) 滑动螺杆、方牙螺杆 (螺杆轴和螺帽为滑动接触 ) 19 (2) 滚珠螺杆、 滚针螺杆 (利用转动物，如滚珠、滚针滚动接触 ) (3) 静压螺杆 (使用受压流体，如液体、气压之非接触方式 ) 以上的方式由于各有其特点，而且机械效率也不同，实际上依用途选择可发挥特性的方法，但本质上都是螺杆。 珠螺杆 滚珠螺杆则改善方牙螺杆的问题，在制造过程中在其螺母内部与会和螺杆摩擦的接触面上导入了钢珠，造成滚珠螺杆与螺母两者在接触滑动时变为滚动摩擦，所以再推动马达时也较为省力，且滚珠螺杆在制程上，也采用较精密的流程，所以其背隙很小，较适合作精密定位用。使用滚珠螺杆来作精密定位元件，优点如表 2示： 表 2珠导螺杆优点 轨元件 轨元件的种类和特点 一个物体前进，若没有导轨元件，运动物体之运动方向完全由作用力决定，并不固定。由于有铁轨和车轮，火车才会朝着固定的方向 20 前进，在精密定位装置上也需要相当于铁轨和车轮的导轨元件。现在所用的导轨元件像连撬一样，沿着固定路线滑动的滑动导轨元件，像火车一样车轮在路线上转动而移动的滚动导轨，或像子弹列车一样利用气压或磁 力浮在线路上行走的原理一样的非接触式导轨。目前常见的导轨元件有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、磁性导轨。 动导轨 滑动导轨的型式分为平面导轨和圆轨导轨。一般的平面导轨具有V 槽导轨的 图 示。此导轨型式因最后精度调整容易而常被使用。若使用在高精度的工具机和量测仪器，则使用 2 个V 槽方式。圆轨导轨则是以取代 V 槽之圆柱和装入圆柱之中空圆筒构成。其导轨方式皆是利用面接触的滑动产生相对移动，不管如何都会有摩擦力产生，很难避免 高速移动就有困难，表面会因为摩擦而导致 寿命减低，又因为平台移动方向取决于沟槽形状，因此接触面的精度又是一大考量。因此滑动导轨在精密定位上不被常用。但因为平台是与固体接触，若是制造坚固，其刚性就大幅提高。 移 動固 定图 21 动导轨 滚动导轨就像是滑动导轨的改良版，此种类也分为平面导轨和圆轨导轨 2 种，其优点如下： 1. 改进滑动导轨易发生 问题。 2. 因为接触面积小，摩擦也小，而容易进行高速移动。 3. 摩耗问题也减少，可长久保持精度。 4. 可利用油脂润滑，润 滑简单且保养容易。 目前，滚动导轨已发展的很成熟，可选择最适用的功能型式。 接触式导轨 目前绝对可以保证超精密定位装置用导轨元件之精度，由次微米到奈米尺度的是以空气为代表的气体润滑导轨。气体润滑导轨和之前讨论的导轨相比，其高精密度的理由如下： (1)为非接触式，摩擦力几乎没有，可依照理想方式前进。 (2)使用气体压力膜，以非接触式方式在平面上移动， 缺点是其刚性低、须注意导轨上之清洁。 进马达 在定位系统中，最常用的马达是步进马达和伺服马达，其中步进马达主要可分为 2 相、 5 相、微步 进系统，伺服马达则主要分为 2 伺服和 服两种。 2 相、 5 相和微步进系统主要是驱动器所表现出来解析度不同， 2 相步进系统马达每转最细可分为 400 格，五相则为 1000 格，微步进则可从 200 50000(或以上 )格 。 服马达主要的分别为 服比 服马达多了一个碳刷，会有维护上的问题，所以基本上来说 服系统是较服系统为优，但 服系统主要的优势则是价位上比 服系统较便宜 . 而此两种系统的控制精度皆为相同，如表 2示。 表 2进与伺服系统比 较 步进系统 C 伺服系统 无时间误差 在运转时，理想路径与实际路径会有差别 瞬间转动时无 2 倍扭矩，但为该马达最大额定扭力 瞬间转动时有 2 倍以上的扭矩 ,可克服机械起动时的摩擦力 开回路控制，会有失步问题 闭回路控制 , 有编码器回授 , 较不会有失步问题 静止时为完全静止状态 静止时，会有 +/误差 马达转速越高，扭矩会越小 在额定转速内，扭矩皆为额定扭矩 . 连续运转时，马达会有温升 连续运转时，马达温升很小 23 低速的扭矩比伺服马达为大 低速与高速时的扭矩相同 不 会有 象 转动时会有 象 在干扰的环境下，较不准的问题 在干扰的环境下 , 脉波式伺服 (半闭回路 )还是会有不准的问题 , 但电压命令伺服 (全闭回路 )较不会又不准的问题 达应用理论 用步进马达需考虑三种因素：希望的运动方式、速度与负载。透过适当的电子电路 (即通称的控制器与驱动器 )步进马达便可快速加减速、定位、正反转，通常步进马达系统不需回授，定位的精确度受马达角度精度的影响 ,因此可说是便宜好用的定位元件。 目前步进马达的种类有三种基本型：可变磁组型 (久磁铁型 (混合型 ( 一般而言，步进马达控制系统的组成有三大元件，即：马达、驱动器与控制器。不同的厂商可能会将此三大部分做不同的整合，像：驱动器与控制器合一或马达与驱动器合一或三者合一。 我们稍微定义各元件的功能，如表 2示： 24 图 进马达之基本型 表 2元件功能 名称 功能 步进马达 负责机电能量转换即是带动物体的运动 驱动器 将控制器送来的脉波转成足够的电压电流 与步进马达的 相位切换 控制器 负责产生合于工作条件的脉波命令，含加减速、 速度，脉波数与各种机械相关的顺序控制等 25 控 制 器( 脈 波 命 令 )驅 動 器步 進 馬 達標 準 的 步 進 系 統 ( 開 迴 路 )控 制 器( 脈 波 命 令 )驅 動 器A C / D 馬 達脈 波 命 令 式 伺 服 系 統 ( 半 閉 迴 路 )控 制 器( 電 壓 命 令 )驅 動 器A C / D 馬 達 命 令 式 伺 服 系 統 ( 全 閉 迴 路 )图 达种类 (回路 ) 制系统的构造 制方式 (1)闭回路方式 如图 示，用检测器检测控制量，即工作台的位置，为了使此值与程式的命令值一致，利用回授进行闭回路控制。 26 图 回路方式 检测器使用 性尺、光学尺等，将这些检测器装在要控制的最后可动部，检测位移量，因采回授方 式，控制精度和检测器的精度相关。 (2)半闭回路方式 如图 示，不直接检测工作台的位置，而检测间接位置，例如利用分解器检测进给螺杆的转动角度，进行半回路控制，使检测值 27 与程式的命令值一致。检测器还有使用旋转器编码器。 图 闭回路方式 在齿轮回授时，可补偿齿轮系之背隙误差，但进给螺杆之齿距误差，进给螺杆与工作台之间的背隙位于闭回路系统的外部。而工作台等可动部重量、进给螺杆和螺帽的刚性等位于闭回路系统的外部，比闭回路方式容易得到稳定的系统。 (3)开路回路方式 这是像使用歨进马达的控制方式 。工作台的位置不回授。因此机械本体的精度会受到减速齿轮之背隙与齿距误差，进给螺杆之背隙与 28 螺距误差的影响，但不会发生闭回路系统的追逐影响。 图 回路方式 将以上控制方式的比较整理为表 2 2制方式的比较 制系统的方式 (1)类比式 这是位置感测器使用所产生的类比电压随位置而变的类比式感测器 (差动变压器、光学式感测器等 )的方式，或是将电位计的电阻值变化作为回授量的方式等，有各种方式。类比式的缺点是易受飘移(影响，但系统构造较简单，古典控制理论是 基础，精度在 29 1/101/100很容易使用。 (2)数位式 位置感测器使用脉波产生器，将其与脉波串指令的数位偏差 (脉波偏差 )变化为类比量，用驱动器使马达转动，以控制速度位置。数位控制之构造如图 示。与刚才的类比式相比，没有漂移的影响，在要求精度时可说数位式比较有利。 图 位控制之构造 (3)软体式 这是在伺服系统内装入电脑，利用软体制作 P 控制、 制等控制演算法，并将感测器的信号运算抽取有效讯号进行控制的方法。即可随各种状况进行富于弹性的控制。图 示 软体控制的方式 的构造例。 图 体式控制之构造 制系统的基本设计法 30 由上述可知，高精度定位系统使用闭回路方式最佳。因此，以后的讨论都以闭回路控制系统为对象。伺服系统的转移函数以图所示的伺服系统为例说明之。此系统的方块图如图所示。 图 枢控制直流马达 定子绕圈：机磁电路或场电路 转子绕圈：电枢电路 说明：若电枢电路与场电路不连接，则称之为分激式直流电路。当控制电压置于电枢电路，则称之为电 枢控制 直流马达 C 直流放大器的输出电压。 马达的反电动式。 ：电枢电路的电流。 ：电枢的电阻和电感。 J ：转子惯量 B ：转子阻尼 T：转资转距 31 ：转子转动角度 流马达的重要物理公式 (1)空气间隙磁通（ 正比于场电流 (2)马达力矩正比于电枢电流与间隙磁通的乘积 (3)电枢电路的电路方程式为 (4)马达反电动式与电枢角度成正比 (5)转矩是作用于负荷的力矩及运动方程式为 取拉式转换令初始值为零 图 流马达的重要方块图 32 转移函数为 : 讨论 : (1) 为力矩常数（ b 采用 制单位，则 值相同，单位不同）。 (2)电枢电感值通常很小（ ）可以省略，此时转移函数变为 其中 为增益常数（ m 称为时间常数（ 如上所示伺服系统的转移函数一般为阶系统或阶系统由以上可知，我们只要找出必要的电方程式与机械方程式，在透过拉氏转换令初始值为零，我们就可以求出物理系统的数学模式，再近似于标准二阶方程式，就可以做自动控制的理论分析。 33 第三章 机电系统探讨 精密检测平台是本章讨论的重点，依动力源至置物平台的结构大致分为： 服 马达、轴连结器、精密滚珠螺杆、线性滑轨及光学尺。这些零组件关系着精密检测设备优劣，假若强度设计错误，不只精度不准确，甚至有可能会导致相关零组件的损坏。因此，完整的规划是不可或缺的。 构分析 珠导螺杆之强度分析 运转条件 (1) 支持方式的选择 (A)对临界载重，固定 持系数 (B)对危险速度，固定 持系数 2) 螺杆总长 =220 3) 对挫曲载重，装置间距离 40 4) 对危险速度，装置间距离 40 5) 平台最大 载重速度 00 (mm/s)，平台常用载重速度 0 (mm/s)，平台最小载重速度 50 (mm/s) 34 (6) 载重系数 度系数 承移 動平 台馬 達軸承螺 桿 全 長裝 置 間 距 離固 定 - 固 定 固 定 - 支 持图 3转条件示意图 负载条件 (1) 负载条件的设定 (A) 轴方向最大载重 F1( 参照 (2)项 轴方向常用载重 F2( 参照 (3)项 轴方向最小载重 F3( 参考 (4)项 (B) 最大载重作用时电动机转速 N1(1500 常用载重作用时电动机转速 N2(450 最小载重作用时电动机转速 N3(2250 (C) 最大载重作用时间百分比 T1(s)= 5 常用载重作用时间百分比 T2(s)= 90 最小载重作用时间百分比 T3(s)= 5 (2) 最大载重 设定 35 无偏心载重的作用，水平方向 (加速时 ) k g 等加速度直线运动时 980080 80200025 T(s)：加速度时间 =G：导轨部份摩擦系数 =w(工件加平台重量 =2 (导轨压附力 =3) 常用载重 设定 9 8 k g (4) 最小载重 设定 04 5 9 k g 平均转速、平均载重之计算： 基于上述负载条件，计算平均转速 均轴方向载重 5905 522509045051500 对挫曲分析： 36 (1) 螺杆所需大小计算 (A) 所需断面 2 次力矩 计算 2 1 0 0 4 04 3 2 24 依上式取 2 倍的预度 ES(纵弹性系数，钢的 1000 (B) 所需螺杆根径的计算 4 =虑安全因素，将螺杆根径提高十倍，故使用 12螺杆外径。 (2) 螺杆大小核对 断面 2 次力矩 计算，螺杆外径 12，根径 0 064 1 4( m m ) 螺杆大小的选择 : 螺杆最大转速 0情形，所需动 额定载重 计算 CA( 基准转速如 1000000 回转相当 500 小时 0 0 05 0 03L LH(h)：期待寿命时间 10000 V 的计算 37 (B)基本动额定载重 核对：依型录资料如下： 螺杆 ( 导距 ( CA( 1. 10 252 405 2. 12 4 344 574 3. 50 10 4500 12300 4. 63 10 4970 16700 因此 4 螺杆大小的核对 (1)容许轴载重 计算 PP( 3 6 5140 0 0 222 (2)寿命时间 计算 滚珠螺杆时的寿命时间 H(h) 7 4 2 5 85 9 2 02 定疲劳寿命 LT(933 20. 22413. 71100 0 000 000 (2)危险转数 之计算： NC( . 0 . 96163 杆根径断面积 2 38 因此我们可以依上述所求得的条件，来选购我们所需的螺杆材质与尺寸。经过计算强度后，我们即可以 图软体绘制实际组装后的立体示意图，如图 3示。 图 3体示意图 图 3式结构设计图 39 图 3支架式机构设计图 3制系统分析 電 腦 主 機E P C I O - 6 0 1 軸 控 卡串 列 式 I /O 控 制 板伺 服 馬 達 驅 動 器D O 供 應 器1 1 0 v - 2 4 精 密 平 台 模 組雷 射 測 量 系 統數據送回電 壓 轉 換 器1 1 0 v - 2 2 0 统作动流程 控制系统如图 3示。首先，使用电脑主机介面，控制 40 轴运动控制卡 )，传送若干个命令至 I/O 控制板，和 控制板电源则经由电源供应器 (110送，经过I/O 控制板电路后，再与电压转换器 (110时供应伺服马达驱动器，当命令传送至驱动器时，经过内部程式解读，再进而控制精密平台模组，达到所需的位置移动，而雷射量测系统则架构在精密平台模组上，藉由移动量测所需座标，再将数据传回电脑主机，提供参考。 3线系统分析 一开始先确认使用电压是否为 110v，确认无误后，接上电源。源经过电源供应器改变成为 源，并持续供给串列式 I/板电力。我们使用软体操作介面传送命令使继电器激磁，让接点导通。如图 3示 電 源 供 應 器( 1 )D O 訊 號 線Z 軸 訊 號 線Y 軸 訊 號 線A C 電 源註 1 ： 交 流 A C - 1 1 0 v 電 源 供 應 器 直 流 D C - 2 4 ： 繼 電 器 與 訊 號 線 接 線 關 係註 3 ： 三 軸 訊 號 線 與 串 列 式 I / O 控 制 板 關 係( 2 )( 3 )图 3统配线图 (1) 此时，驱动器接受串列式 I/O 控制板讯号，换算讯号后，分别控制精密定位平台的电源与进给指令。 3 组精密定位平台则使雷射量测系统，定位到所指定的位置。如图 3示。 41 D A T D ES I N A N S E R V P Mo i s ef i l t e 照 片外 部 回 生 容 量 ( 註 1 )N F B( 註 2 )A L O 05位 置速 度扭 力图 3统配线图 42 第四章 精密光电检测系统 在光学领域中 ，可分为几何光学、波动光 学 （ 又名物理光学 ）、量子光学，本研究限定在几何光学与波动光学两部分 。 4本光学几何定律 所有光学设计是根据两个简单的几何光学基本定律：反射定律和折射定律。分析任何光学系统时，皆使用此两定律来进行模拟光线的行进方式，如光通过透镜、孔径和面镜等光学元件所组成光学系统。所以任何有关光学之基础教育，皆从此两定律开始。以下实验证明此两定律。 的反射定律 如图 4示， S 为反射界面， 界面上入射点处的法线，入射光线 S 介面反射后，由 向射出。 反射光线。入射光线 法线的夹 角 i 称为入射角；反射光线与法线的夹角 射定律是：（ 1）反射光线为入射光线和法线所构成的平面内 （ 2） 反射光线和入射光线分别为法线的两侧，且入射角等于反射角 6，即 i = r 4 43 r图 4的反射 的折射定律 如图 4射光线 上的 B 为折射光 线， 界面上入射点处的法线。折射光线与法线的夹角 t 称为折射角。折射定律是： （ 1） 折射光线位于入射光线和法线所构成的平面内；（ 2）折射角与入射角的正弦比与入射角的大小无关仅由两介值的性质决定，也就是相对折射率来决定。在一定的温度和压力下 ，对一定波长的光线而言，其比值为一常数，等于前一介质与后一介值的折射率比，即 4 或 s ，如图 444 it的折射 式中 别是入射和折射介质的折射率，也是介值的绝对折射率，即介质相对于真空的相对折射率的简称。折射率是表示透明介质光学性质的重要参数之一。光在不同介质中的传播速度不相同，在真空中光速最快，以 C 表示。介质折射率正是描述光在介质中传播速度减慢程度的一个量，即为 4 真空的折射率为 1。 空气的折射率为 在标准大气压力 760 毫米汞柱，标准温度 20 下，对波长 ） 应用光的反射和折射定律，并以简单的数学，如式（ 4是（ 4 ，可以方便的求知光线经任何界面时继续传播的方向，再结合直线传播定律，就可解决任何一条光线经整个光学系统的传播问题，求出光路。这研究光学系统成像问题的基础。 45 利用全反射 来测量透明固体的折射率，很早以前 使用全反射（ 决定棱镜的折射率。光由光密介质到光疏介质时，若入射角度愈大时，则可见到在某一角度时，由光密介质穿透出来的光沿着光密介质和光疏介质的介面行进，如图 4示，也就是折射角等于 90 此时入射角C。为临界角（ 1C图 4界角的定义 所以 4 4透镜方程式 透镜可用来产生物体的影像，其影像的位置，放大以及像的方向，不仅与透镜有密切关系，同时和所在相关位置有关。其目的证明薄透镜的成像公式，同时研究成像之大小、像的方向、许多薄透镜组成之等效焦距和成像之特性 7。此实验我们将应用高斯薄透镜方程式： 46 4 借着测量物距s 如图 4示，来决定未知透镜的焦距和透镜组的焦距。再与真实值比较较看看，使用此方程式时必须考虑成立之条件，也就是（ 4式 在