中原大學機械工程學系學位論文
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本論文之目標為開發超聲波輔助磨削加工之致動系統，致動系統包括使用一組壓電振動元件作為致動器配合放大機構設計以提供適當之位移量輸出，及另一組壓電振動元件利用壓電正電壓效應作為感測器，即可即時偵測輸出位移作為追蹤共振頻率之依據，如此可保持穩定輸出的功能。研究內容主要包括設計製作縱向壓電致動元件(d33)作為振動源、以及設計指數函數之位移放大輸出機構、系統振動模態及波傳遞分析。經實驗驗證目前開發完成之致動系統對d33壓電致動元件輸入為300V的電壓之共振頻率約39kHz達到振動位移輸出約2.29μm，且可即時有效地量測振動位移，使壓電縱向換能器與壓電感測器，產生縱向振動與感測電壓，利用壓電陶瓷材料同時作為致動器與感測器，壓電致動器提供振動位移，而壓電感測器可方便與壓電致動器結合，而即時量測輸出之振動位移，供回授控制設計之用。由於考慮刀具旋轉造成致動器繞線問題，設計傳動環裝置，將致動器輸出的高頻振動位移傳導致加工刀具之輸出端面，經測試傳動至刀具輸出之振動位移輸出約0.23μm。所開發之伺服控制系統裝置於研磨工機具以10000rpm運轉進行玻璃磨削加工實驗，利用電子力顯微鏡(AFM)觀測可獲得平均粗糙度(Rave)為0.9353nm，明顯優於未使用超聲波加工的平均粗糙度(Rave)為13.82nm，可確認所研製之超聲波輔助磨削加工系統產生的高頻振動可以有效改善磨削玻璃的平均粗糙度。
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本論文的目標為研製一種具雙向推動功能之d14+d33複合式型壓電陶瓷馬達，並比較一般常使用d15與d14的壓電陶瓷馬達。與d14壓電馬達相比d14+d33有較大橫向及縱向位移輸出，與d15壓電元件相比，一般常使用的d15壓電陶瓷元件為了產生更大的輸出速度與力，必須沿著極化方向以增加其厚度，然而d14+d33壓電陶瓷容易藉由增加元件垂直於接觸面方向的長度來達到增加輸出的目的，並不須透過高電壓的極化與提升驅動電壓的方式，另也能藉由增加尺寸來降低其壓電元件的自然共振頻率。本論文使用壓電陶瓷材料為PZT-8，其具有較高的機械品質係數外，亦具有較大的位移量而適用於壓電致動器。利用Ansys有限元素模擬分析壓電陶瓷馬達定子之共振模態以及簡諧分析，並進行實驗測試後，經驗證兩者結果相近。另也探討其驅動方式以及運動軌跡。亦將馬達架設於平台與旋轉軸承上進行馬達功能測試。對d14+d33壓電致動元件輸入為±150V的電壓，並分別能產生1.66µm的縱向振幅以及1.85µm的橫向振幅。在將馬達架設於線性滑台以及旋轉軸承(轉子)上，可以得到最大線性速度與力分別約為44.4mm/s及3.52N，以及最大轉速與扭力分別約為89.661rpm及0.049Nm。
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本文是以分子動力學法則探討奈米多層膜Au/Cu之機械性質，本文分成三大部份，分別是奈米拉伸、奈米壓縮和奈米壓痕。三大部份又分別探討三種效應:層數、速度以及溫度，並從所有的模擬試驗觀察內部結構變化。結果顯示奈米多層膜Au/Cu的材料強度會隨著層數的增加而增強;拉伸速度效應則是發現拉伸速度過快可能會使模型無法生成差排釋放應力，並直接進行破裂現象、拉伸溫度效應則是溫度越高的模型內部原子的能量越高，能量越高的模型結構越容易形成無次序性的結構;壓縮模擬試驗發現層數增加模型可以有效的釋放應力使材料可以繼續進行壓縮，速度效應發現速度過於快速會導致模型內部累積缺陷過快，並導致無法釋放應力，提早模型過壓縮;壓痕模擬試驗發現壓痕器接觸最上面一層的是Cu層的話模型硬度較高，而接觸的是Au層則是較低,改變壓痕器下降速度，壓痕器速度快模型中生成缺陷的結構改以無次序結構為主，而差排數量反而下降,改變溫度不太能改變模型材料的強度。
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本文利用分子動力學法分析非晶質鋯銅合金薄膜在奈米尺度下之機械性質與成形特性。研究中發現非晶材料受力形成剪切帶前，原子因受剪切力影響，部分區域形成剪切轉換區，並逐漸結合成剪切帶，而此材料受力時剪應變會呈現均勻狀的分佈。在壓縮模型中發現當溫度升高時，所需的壓縮應力會增加；但在拉伸模型中拉伸應力則是會隨著溫度的上升而下降。另外研究中也發現非晶結構在超過玻璃轉化溫度後其延展性會增加。在達到玻璃轉換溫度後材料會轉變成黏彈體。在速度效應模擬試驗中發現當拉伸速度越快時，所需的應力也會越高；壓縮也一樣，速度越大，需要的應力也越大。但當拉伸速度到達200 m/s時，其所需的拉伸應力會比150 m/s還要低一些。原子的能量會依拉伸速度上升而增加，一樣當拉伸速度為200 m/s時，原子的能量會下降。在壓印模擬試驗中發現，模具下壓快接觸到材料時，會有原子吸附的現象。模具接觸到材料時，剪應變會先集中在模具邊角的位置，且溫度越低，所需的壓印力會越大，而當溫度升高至玻璃轉化溫度時，所需之力會大幅的減少。從流場圖可看出當溫度較低時，材料中下段的原子幾乎沒有位移，而隨著材料因溫度升高而軟化，會使得剪應變容易延伸至材料底部。在模具壓印回彈率曲線圖可以看出在材料凹痕和凸起的寬度的部分，回彈率會隨著溫度升高而升高，但在高度部分則較無規律性。
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本論文完成磁性奈米流體之製備與其材料性質之分析。主要目的在探討超音波霧化技術對磁性奈米流體磁性質之影響。首先，將超音波霧化技術應用於化學共沉法，透過改變壓電式超音波微孔霧化片的振盪頻率及霧化液滴鐵離子濃度以製備磁性奈米粒子。接著，透過溶膠凝膠法將穩定劑包覆於奈米粒子製備出穩定的水基磁性奈米流體。進一步，透過同軸套管密度計以推算奈米流體之粒子殘存率，最後，透過加速樣品測磁儀量測和分析磁性奈米流體磁性質。 研究結果發現，粒子殘存率隨著霧化片振盪頻率及霧化液滴鐵離子濃度增加而增加，至一較高值後可能稍稍下降。研究結果亦發現磁相粒子平均粒徑可能增大或減小，但流體飽和磁化場強度及初始磁化率皆隨著霧化片振盪頻率及霧化液滴鐵離子濃度增加呈單調增加。
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(RF)連接器在生產過程中，表面電鍍層勢必會受到刀具的摩擦而產生刮痕(scratch)，然而，這些刮傷並不會對產品產生任何功能性上的影響，但想要在如此競爭的市場上佔有一席之地，能夠生產出品質越好的產品，才能夠獲得更多客戶的信賴，所以降低刀具刮傷產品表面的製程優化便是一個重要的課題，這不僅是提高產品的優勢，也能夠有效地降低產品開發所需要的成本。本研究目的即在利用機械視覺對三種不同材質刀具所生產的產品表面刮痕進行取像，並以MATLAB對取像結果進行分析，進而得出各種刀具所造成刮痕數量並且得到最佳刀具參數。
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本論文研究基於影像分析來記錄及辨認物件形狀之方法，使機器手臂能自行選擇欲夾取的物件，並決定最佳夾取位置。 機器視覺部分，藉由灰階處理、二值化、影像平滑凸顯目標物在影像中的位置及形狀。接著使用連通域標記法與相鄰像素點分析得到目標物形狀特徵，並且運用此特徵配合二維座標旋轉建立目標物資料庫來辨認目標物件。最後以物件為中心依Z軸旋轉攝影機記錄不同角度影像，並利用形心分析得到形心的絕對位置來篩選出最佳夾取位置及角度。 機器手臂控制部分，以最佳夾取位置座標藉由逆向運動學推算出各軸旋轉的角度及速度，經由卡式座標轉換修正視覺與機器手臂在不同座標空間上的差異，來命令手臂移動至指定座標實行夾取之動作。 本方法可使機器手臂自行判斷隨機擺放的目標物件之位置，並依照夾具尺寸參數及物件形心選擇最佳夾取位置，經過實際的操作驗證了這個方法的可行性。
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馬達為CNC工具機加工時主要耗電的元件之一，一般廠商最常用的三軸CNC工具機其主要耗電馬達包含一個主軸馬達和三個伺服軸馬達，其他如自動換刀馬達或排屑馬達因相對功率或使用時間較低，因此其對機台總體耗電的影響也較輕。若欲分析機台加工條件與耗電量之間的關係，可以分析主軸馬達和伺服軸馬達為主。在同步考慮機台耗電成本與加工效率下，應該根據馬達耗電特性選擇最佳的切削參數組合，求得加工效率與耗電成本的優化組合。首先瞭解有切削負載對各馬達的性能與耗電關係的影響，進而建立加工效率與耗能的同步優化設計演算法，並結合人機介面的設計，便成為一個可輔助加工製造廠進行產線優化的系統，協助工程師找出兼具“能源效益和產能效益”的加工參數優化組合。本研究之產效與節能同步優化系統以CNC工具機為對象，對主軸馬達及三軸伺服馬達轉速與耗電的關係和進給速度與耗電的關係進行分析，並建立藕合關係模型，再據以建立加工節能綜效分析演算法，再將演算法植入所設計的人機介面完成一協同優化設計系統。研究最後在合作廠商瀧澤公司進行實機驗證，實驗結果顯示有無切削的耗電確實有明顯差別，且各軸馬達在某些加工進給下的耗電量相對較低，此可能為機台結構上的各種特性(EX.移動軌道的摩擦阻力)所導致的綜合結果，優化設計系統則可根據此現象將加工參數進行修改，以達到產效與節能同步優化的效果。 加工過程中的空刀時間會影響加工效率及機台有效稼率，極小化空刀時間亦是加工參數優化的一環。研究中之空刀率監測功能以CNC工具機為對象，以線上主軸電流變化來判斷是否做有效切削，同時也以當下執行NC程式來作為輔助判斷，避免其他情形造成主軸負載變化而導致系統誤判。研究以C#撰寫的空刀監控模組針對加工中NC程式的G01、G02、G03進行監測，在人機介面上顯示有效加工與無效加工時間分析結果。研究最後在研究室的CNC進行實機驗證，實驗結果顯示監測的誤差範圍在一秒內，可作為優化加工路徑與減少空刀時間的參考依據。
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本研究以傳統雙目立體視覺為基礎，結合兩組線掃描式攝影機與高速線型移動平台同步連續取像，發展出一套基於線掃描式攝影機之創新式高解析度雙目立體視覺量測技術，應用於待測物表面缺陷檢測與三維輪廓重建。 兩組相機之視角自相異位置交會並聚焦於線性移動載台平面，形成一對焦基準線，其中一組相機視角需與平台移動方向垂直;循兩相機掃描取像方向可延伸為一虛擬基準平面。以垂直視角取得之二維影像為基準，影像上任意點座標(x,y)，分別以線掃描條數與單一掃瞄線之像素間距決定。待測物之三維輪廓與高度重建，取決於搜尋兩張影像中相同物理對應點之準確性，本研究採用以數位影像相關法進行匹配運算，以正規化交叉匹配相關函數作為演算核心。利用空間與數位影像之映射關係，建立影像畸變校正之座標轉換方程式，完成簡單且有效率的校正程序。根據兩台攝影機個別取得待測點影像之掃描線數量差異後，可計算出高度h（x，y）；其解析度取決於單條線掃描影像所擷取之樣本位移量而定。藉由步階塊規組合、球柵陣列封裝(BGA)底部陣列式錫球引腳高度與共面度量測確認系統精度;最後採用我國十元硬幣進行三維表面形貌重建，硬幣上的日期和浮雕圖案皆可明顯辨識。 為驗證本研究成果具備線上檢測之能力，亦建立一套覆晶封裝製程之封膠厚度（BLT）與晶片傾斜度之自動量測系統。使用前述成像和測量原理，首先採用一系列影像前處理，進行晶片與相鄰定位點之邊緣強化;分別透過霍氏轉換直線與圓形偵測找出晶片之角點與基板定位點座標，求出四角點之相對高度值，進而求得封膠厚度與晶片傾斜度。實驗使用之覆晶基板樣品尺寸為15×15mm2，自基板至晶片頂端之高度約為800~900μm，其中晶片厚度已知為800μm，得封膠厚度為76.4 μm，晶片傾斜度為0.006度，顯示本系統之軸向量測精度已可達次微米等級，未來有機會實際應用於產線上。
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工具機在電腦補助設計與控制的出現後呈現大幅度的進步，依靠電腦的運算能夠排除許多人為失誤所造成的影響。然而部件切削精確率與良率深受物理現象特性的牽制，影響的範圍包含工件的材質、刀具的種類與切削過程所伴隨的高溫。其中切削時刀具與工件所產生的高溫是困擾業界許久的問題。高溫除了會壞刀具與部件外，其次因部件材質特性而導致段屑過長、沾黏等現象，嚴重時可能會產生纏屑以及刀具壽命縮短等問題。為此在切削的過程中噴濺切削液是一個廣為業界使用的解決方案，藉由切削液潤滑刀具與工件的接觸點，進而降低熱點溫度，減少高溫帶來的種種問題。然而使用切削液仍有其瓶頸，依照工件的材質而定，當切削速率到達一定程度時，切削液所能產生的效果有限。再者熱點的溫度過高時會與切削液產生萊頓弗羅斯特現象，產生的蒸氣膜會阻礙切削液附著於熱點上，在無法降溫且維持高速率切削的情況下，纏屑、沾黏與刀具壽命縮短等問題再次浮現，不得已得降低切削速率或者給料的頻率，因而降低整體產能。 本篇論文藉由在不同材質的加工材料，如鍛鋁、鎳基合金、鈦合金與S48C中碳鋼進行有高壓噴流與無高壓噴流的加工下，所產生的不同切屑情況進行探討分析，最後選用S48C中碳鋼在連續加工下，紀錄加工尺寸的變化與刀具壽命的情況，對於高壓噴流的加工運用，為印證使用高壓噴流後，切削液對刀具與加工部件能進行降溫的解決方案，透過高壓手段使切削液能突破萊頓弗羅斯特現象的蒸氣膜，使其能夠直接對熱點產生作用，進而達到降低溫度的效果，佐證使用高壓噴流可以為改善加工品質與刀具壽命的驗證。