【毕业学位论文】（Word原稿）精密光电混合影像处理、微细加工与检测之研究-电机工程

圣 约 翰 技 术 学 院 机械系专题研究成果报告 精密光电混合影像处理、微细加工与检测之研究 林 守 仪 副教授 中华民国九十四年三月 摘 要 我国精密检测系统周边设备目前仍以国外进口为主，其原因主要是国内高科技产业相关工程师及技术人员不足，导致国内制程设备之相关产业均受制于国外厂商，唯有加速推动相关精密检测业者投入制程相关设备之人力培训及研究发展，乃为当务之急。针对此一问题，提出本专题制作以训练学生理论与实务结合，设计与制作精密检测设备。本 文主要包括三大部分： (1)精密机光电系统， (2)光学模具 (3)导光板成品检测技术。 在精密机电系统方面，将探讨超精密花岗岩机台搭配高精度空气轴承，并以精密线性马达伺服控制系统来驱动，在光学模具 以精密花岗岩，机台结合单精钻石刀具，制作高亮度 V 沟模具，并直接检测 V 沟 采用为型雷射 (点直径 设于机台，以检测背光板模具 V 沟之精度。 最后本专题研究将配合现有设备设计制作乙套精密光机电检测设备，并量测光学模具、微细加 工导光板模组，以验证精密检测系统理论与实务之一致性。 第一章 绪论 1究背景与动机 随着大型 型化的快速发展，进入奈米超精密微细加工代 ,扫描电容显微镜 (原子力显微镜 (容，能够进行奈米级解析度之量测 ,但 用来量测大型 V 沟模组外形 ,确实大才小用，本文拟将微型雷射 (点直径 1合高精度空气轴承量床，以快速量测直线型 超高亮度 线型 V 沟， 未来超高亮度 沟也一样可以直接快速量测。 1究目的 训练学生精密机电检测设备设计、制作与应用之能力以因应我国产业升级之需，并充实精密检测教学设备。 1究方法 在精密机电系统方面，将探讨超精密花岗岩机台搭配高精度空气轴承，并以精密线性马达伺服控制系统来驱动 沟之制作与检测技术方面，将以精密花岗岩。 机台结合单精钻石刀具，制作高亮度 V 沟模具，并直接检测 V 沟 采用为型雷射 (点直径 设于机台，以检测背光板模具 最后本专题制作 将配合现有设备设计 制作乙套精密光机电检测设备，并量测光学模具及背光板模组，以验证精密检测系统理论 与实务之一致性。 1究主要范围 本研究旨在利用光电整合技术探讨光学模具及导光板之精密检测设备技术，包括三个部分 :(1)精密机光电系统， (2)光学模具 V 沟之微细加工与检测技术， (3)导光板成品检测技术。 1究报告架构 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 并说明本专题报告之内容架构。 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 系统验证 本章主要说明此专题的主要架构流程，以及制作中所发生的问题 ，另外再讨论此系统的执行结果。 第五章 结论与建议 本章说明此精密定位系统所能达到的功能，并说明制作此专题的 感想，最后建议未来可供继续制作研究的方向。 参考文献 汇整本文参考过之资料。 第二章 文献回顾 2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，而本专题 双支架式 为主要课题。 架式 (1)构造 于垂直方向移动 够在与 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 轴向 相互垂直水平面内的滑轨上做 (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。 双支架型 除了以上四种标准机型外，还有多关节型及圆柱极座标型 (Z)等三次元测定机。 2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 ) (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。 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 表 2珠导螺杆优点 2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 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 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。 2本系统使用线性伺服马达如下图 2示 ，以达到高速定位之目的，并采用全电器伺服控制系统如图 表所示 ，使用已发展的适用三轴同动控制卡，并以位置控制的方式来达到控制的目的，由控制卡产生所需的派波，经由伺服马达的驱动，将派波传至伺服马达产生运转并由解码器 (Fn 授以达到补正的目的如图 2示 ，并安装光学尺，以确实掌握各轴的精确位置。系统架构，三相 220V 经无熔丝开关 (电磁接触器 ( 抗器， 服驱动器，再将 220C 伺服马达，其中回生电阻为防止逆向电流之产生。 图 2性伺服马达 图 表 2性伺服马达控制示意 控制器 驅動器 線性馬達解碼器工作平台2制方式 (1)闭回路方式 如图 2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。 图 2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压轴承 原理 图 2气体轴承原理如图 2气压系统供给具有一定压力的润滑气体，通过各个小孔节流器 (或毛细管节流器 )；进入相应的轴承气腔内。空载时由于各气腔对称等面积分布，各个节流器的节流阻力相同，使轴浮起在轴承的中心位置 (忽略轴自重 )。此时，轴承气体接触面各处的间隙 (同，轴承各气腔内的压力 (等。当轴受载荷 向下产生微小的位移 e，使气腔 1 处的间隙减小到 (气流阻力增大，气腔 2 处的间隙增大到 (ho+e)，气流阻力减小，因而气腔 1的压力 高，气腔 2的压 力 低。所以气腔 1、气腔 2便形成压力差 p( p= 当 p(轴承一个气腔的有效承载面积 )同载荷 F 平衡，即 F=p 时，轴便不再往下移动，处于平衡状态。选择合理的轴承与节流器参数，能使轴产生的位移，满足设计要求。如果载荷不是正对气腔，可将载荷分解为垂直方向，和水平方向的载荷，分别由上下气腔和左右气腔的 p 与之平衡，故四个气腔的轴承已能承受来自任意方向的径向载荷。 滑气体 气体轴承用气体作润滑剂，由气膜轴与轴瓦分离使轴在轴承中无接触地旋转或呈悬浮状态润滑气体，常用空气也用氢氦一氧化碳及水蒸气等，常用润滑气体及物理性能见 (表 2 表 2用润滑气体及其物理性能 气体 名称 符号 密度 / ( 气体常数 R/N m ( K)度 /Pas 比热容 v 热导率 /(1 0 100 空气 氩 氦 氮 氢 氧 二氧 化碳 甲烷 氖 r 2 2 e 101010101010101010 气体粘度低，粘度随温度变化小化学稳定性好，因此气体轴承具有摩擦小、精度高、速度高、温度低、寿命长、耐高低温及原子辐射对主机或环境无污染等优点，但这种轴承承载能力小刚度低稳定性差对工作条件要求严格，气体静压轴承还要有稳压过滤气源采用一般材料易卡滞或锈蚀采用特殊材料价格贵，因而应用受限制 分类。 流器 气体静压轴承的作用原理与液体动压轴承相同，常用的节流器有小孔狭缝和多孔直轴高承载时，也使用可变节流器各种节流器的气体静压轴承的性能比较如表 2气压力节流力参数和轴承间隙三者若匹配得当，可得到承载高刚度大流量小和工作稳定的轴承，对于低速精密轴承还要考虑涡流力矩问题。 表 2种节流器的气体静压轴承的性能比较 体静压径向轴承 典型的静压径向轴承通常在轴线方向一列或两列选气孔每一列沿圆周方向均匀布置，若干小孔已 较 项 目 孔式供气 缝式供气 多孔质轴供气 反馈供气 小孔节流 环面节流 周向缝流 轴向缝节流 毛细孔节流 可变节流 示意图 轴 承 性 能 承载能力 高 较低 较高 最低 高 最高 刚度 最大 较小 大 小 大 极大 流量 最小 较小 大 最大 大 小 稳定性 差 较好 好 最好 好 较差 涡流力矩 大 大 小 最大 最小 大 宽径比 1 2 任意 任意 影 响 因 素 非轴向流 大 大 小 最小 最小 大 散流 大 大 小 大 小 大 供气压力 大 大 小 小 大 最大 气体种类和温度 有 有 无 无 有 有 计参数见表 2计步骤如下。 (1) 确定压力比 pp (2式中 =0)下节流器的出口压力 按最大承载设计取最大刚度设计取使节流器部出现阻塞 1)12( 1(2表 2设计参数 供气参数 结构参数 运转参数 节流器参数 a Z、 节流类型 孔式节流 210 1/2(单列 ) 1/41/8(双列 ) =612 15) 210 缝式节 流 1( 周 ) 2( 轴 ) =12 使用空气作润滑剂时， k=若取必须使 )(1 )(528.0 sa pp sa as 为任何值时节流器都不出现阻塞现象。 (2) 确定节流器参数与间隙孔式节流根据式 (2似估算 212 )41(11Yp o(232121)2(24)1)(1( (2式中压力系数； Y 气体介质系数； 尺寸系数； 节流面积，对于环面节流jA= 流量系数，对小孔节流 42 ； 当、 b 已知时 (通常 =即可确定孔数 Z、节流孔径 对于推力轴承oh=h。 当用钻头钻孔时，用电火花穿孔时，35) ( 为零件误差，即轴承与轴颈表面的加工误差及轴承的变形之和 ) 图 2气体静压推力轴承有圆形杯形和矩形等供气方式，有单孔多孔狭缝等，单孔供气的圆形推力轴承承载能力高、流量小、结构简单 ，但角刚度低多孔和狭缝供气的杯形推力轴承角刚度高常和径向轴承联合使用应用广泛。 (1) 孔式节流型 推力轴承的节流孔数孔径与间隙之间的关系仍可由式 (2(2定其中和径向轴承不同的是尺寸系数 推力轴承的尺寸系数为 38(2R 通常取为 最大刚度设计时一般取 =Y=1. 单孔圆形推 力轴承 无量网承载力 )( 2122 (2无量网刚度 )( 2122 (2当按最大刚度设计时取on RF 2RG 2流量 (223 (22. 多孔杯面节流杯形推力轴承 图 2环形推力轴承图 无量网承载力 11o (2无量网刚度 11 (2当按最大刚度设 计时 11 11 流量 (223 (2环形轴承一列孔的位置 212小孔节流型环型轴承可提高承载能力 30左右。为获得更高的承载能力和大的角刚度，可设计成双列供气孔形式。 计算推力轴承的稳定性主要是计算气锤震动，其判据和径向轴承相同，及气容比 ) 2122 (2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 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，控制轴运动控制卡 )，传送若干个命令至 I/O 控制板，和开关控制，而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/O 控制板电力。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/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 图 3统配线图 (2) 第四章 系统验证 4统验证设备 表 4本章节藉由之前所探讨的相关设备原理，实际进行组装，解决所遇到的问题，并实际测试，最后再进行精度校正。 项目 名称 规格 1 超精密花岗岩机台 硬度花岗岩 2 空气轴承与空 气导轨 采紧配合公差为 1m 使用空气压力 单晶钻石刀具 分为 90度以及 140度 4 滚珠导螺杆 外径 14距 2 奈米雷射检测器 解析度 5线量测距离 m 反应时间 50 s(含以内 ) 有效光点直径 1 m (含以内 ) 6 线性伺服马达 负载 0析度 m 行程 X 300 400移定位精度 m /400 重复定位精度 m /400 光学尺解析度 m 7 微步进马达 最小转距 = 1500 统验证流程 在加工部分，机械结构方面采用超精密花岗岩机台，其导轨元件则采用高精度空气轴承与空气导轨来搭配使用，而在进给元件方面则使用滚珠导螺杆来进给加工并搭配钻石刀具来切削出所需之 V 型沟槽，如图 4 4 4 4示。控制系统采用闭回路控制，利用线性伺服马达控制其 X 轴与 Y 轴，如图 4示。由于V 沟尺寸仅若 干 m，因此加工用 Z 轴使用微步进马达控制其并搭配光学尺达到所需要之精度，如图 4示。至于检测方面，控制系统也是采用闭回路控制，使用线性伺服马达控制 X、 Y 轴并搭配光学尺使用，以达到快速精密定位之目的，并使用三轴同动控制卡，如图 4示。由控制卡产生所需的脉波，经由伺服马达的驱动，将脉波传至伺服马达产生运转并由解码器 (授以达到补正的目的，并可撷取相关资料，以供后续研究之用。 在机密光电检测系统方面，采用 奈米级雷射检测器 (如图 4示，操作距离 测距离 析度 5长 780射点直径 1m，采用自动对焦原理，当工件移动时，雷射聚焦点亦随之变化，经由内部与外部半导体的组合电路运算，求得正确的数据。 雷射奈米检测器使用于高反射率的工件表面（如：镜面、玻璃）同时垂直于工件表面量测。 软硬体系统说明： 制作 V 沟部分 : (1). 精密机电结构系统，如图 4示。 (2). 使用单晶钻石刀具，如图 4示，刀尖夹角计有 90o、140 (3). 制作高亮度单 V 沟模具及高亮度垂直交挫双 V 沟模具。 (4). 加工修正 V 沟模具，如图 4示。 (5). 直接在超精密花岗岩加工机台量测模具，如图 4示。 (6). 使用高亮度 V 沟模具在光学射出机射出导光板成品，导光板成品检测方式，如图 4示。 V 沟模具检测要项 : (1). V 沟使用刀具外形。 (2). V 沟断面形状。 (3). V 沟直线度。 (4). V 沟表面粗糙度。 (5). V 沟毛边。 导光板成品检测要项： 使用 雷射奈米检测器 ，而除了快速量测直线型 V 沟，超高亮度 沟，未来超高亮度 线型 接快速量测。 图 4精密花岗岩机台 图 4气轴承 (a) 机台空气导轨 (b)加工用 图 4气导轨总成 图 4珠导螺杆 图 4性伺服马达 图 4步进马达 图 4轴控制卡 图 4射奈米检测器 图 4密机电结构系统 图 4晶钻石刀具 图 4工修正 图 4接量测 图 4板成品检测 ( 参数设定 )解说： 以 先安装完成 图 41. 一般运动：此处选项可设定多轴同动、移动速度、及各轴位移量。 2. 补正位移：此处选项与上数不同的是，只能驱动 单轴方向。 3. 原点复归：设定各轴平台回归原点，输入移动速度、顺序。 4. 讯息视窗：显示各轴平台移动量、速度、座标型式以及所在位置， 提供操作者使用讯息。 5. 参数设定：设定机构相关参数。 设定机构参数相当重要，关于机构是否能够正常驱动，须注意某 些设定。 系平台前进方向。 单里 脉波种类是否正确。 图 4参数设定介面 1 单里 的 座标类型 图 4 3. 单里 设定正确，否则会造成位址相冲，平台无法驱动 。 图 4 4果与讨论 (1)进行 (2)沟切削时，由于钻石刀具刀尖细小、硬脆，因此校刀时辅以 图 4减少刀具断裂。 (3)环境因素影响较小，刚性较金属机台稳定。 (4)周边配备费用较高。 (5)用微步进马达和线性伺服马达。微细加工用之 工与检测之X、 定位迅速故在量测 可缩短量测时间，在加工时因使用 X、 以采用线性伺服马达。 (6) 可检测镜面、玻璃等等的工件表面，属于奈米级精度。 (7) 780不可见光，校正较不易。 (8)校正中遇到的问题： (a)加工之 轴使重心前倾而导致线性马达无法拉动其 用配重使之达到平衡状态。 (b)台本身震动造成电压不稳定或讯号干扰。 (c)刚性增加，相对的摩擦力也增加而导致线性马达带不动 轴而无法进行加工。 (a)比较位置及查看 X、 (b)号干扰导致无法准确控制线性马达，可使用遮蔽式电缆改善。 部分 (a)m 故工件平面度必须在此量测范围内才可进行量测因外界干扰造成量测障碍 (如脉波干扰、机台震动等等 )。 (b)使用奈米级摁动分析仪作深入的探讨， 如图 4 图 4光板模具精密检测设备 图 4用 图 4制系统配线图接线图 (a) 奈米级振动分析仪 (b). 检测系统振动 图 4米级振动分析仪检测系统振动 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