實驗所需設備與儀器 - 高效能精微線切割放電加工電源開發

3-1 元件可程式邏輯閘陣列(FPGA)

本研究以電腦為終端控制器，運用電腦書寫程式，輸入可程式數位邏輯編輯器中，以產生所需之訊號。此法可直接將可程式數位邏輯編輯器所編輯的程式與放電加工的作業電腦相連接，使本研究在放電加工實施過程中，能即時更改參數，以提高放電切割效能及其順暢性。而隨著積體電路設計的發展，使更多元的編輯晶片被開發出來，如圖 3-1 所示，其中本研究所運用的晶片為元件可程式邏輯閘陣列(Field Progra mmable Gate Array, FPGA)，此晶片具有可重複編輯的功能，利用邏輯元件，產生所需的電路，不需實際焊接電路，即可產生所需波列圖，極適合運用於新產品開發，或需不斷進行變更設計與修正的產品[53]。

FPGA 以巨觀來看如超大型的積體電路，如圖 3-2 所示，內部平均分佈著許多可程式邏輯運算單元(Configurable Logic Block, CLB)，而且每一 CLB 皆具有基礎的組合邏輯運算與順序邏輯排列，而在每一個 CLB 之間同時也放置了一連串的垂直與平行可程式編輯電線(Routing)，可讓使用者藉由程式控制可程式編輯電線，使單獨的 CLB 整合起來，並共同運算，結合成所需的邏輯閘配對，形成完整且複雜的數位電路，以達到使用者所需的功能。也可將 FPGA 所產生的訊號透過分佈於 FPGA 周圍的輸出、輸入閘(I/O Block) 與外部電路的連接，達到更廣泛的應用[53]。

圖 3-1 積體電路分類[53] 圖 3-2 FPGA 內部構造[53]

本研究所使用的FPGA操作板為Altera DE0，如圖3-3所示，此板上安裝的FPGA晶片為Altera Cyclone^® III 3C16，在時序的編輯上，以一個50MHz的晶體振盪器，作為時序控制的基準，符合本研究條件，其規格如表3-1所示 [54]。

表 3-1 FPGA 操作板規格表[54]

Hardware Specification Oscillator for

clock sources 50-MHz Total RAM bits 504K-byte

I/O Block 346 Multiplier 56 Memory Blocks 56 圖 3-3 FPGA 操作板

3-2 硬體描述語言(VHDL)編輯軟體

硬體描述語言(VHSIC Hardware Description Language, VHDL)是西元 1981 年由美國國防部所建立的，它是一種獨立於任何特定技術和設計方法的硬體發展語言，之後，將該語言轉移至美國電機電子工程協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)，並將其正式命名[55]。此語言是一種可將邏輯元件運用程式描述出來的一種硬體語言，其中 V 所代表的是極高速的積體電路(Very High Speed Integrated Circuit, VHSIC)，此語言常被用於高速或高頻的迴路設計上，同時，此語言也是現今工業界與教育界廣為接受的一種硬體描述語言。

VHDL 在程式撰寫上，是一種類似英文般描述式的高階程式語言，如同人類語言般，可使不熟悉程式語言的使用者容易理解 VHDL 的語言內容，

其編輯流程如圖 3-4 所示。在 VHDL 理主要包含了電路描述(Description)、

電路合成(Synthesis)、與電路模擬(Simulation)等三種電路設計工作，故對於電路系統而言，無論大小皆可使用[55]。VHDL 可運用於多種不同的編譯器，

故流通性佳，在設計內容上易讓其他設計者了解。VHDL 在設計上具有方便且快速，可透過軟體模擬輕易發現程式錯誤之處，並進行修改除錯。本研究使用 Altera 公司所開發的 VHDL 編輯軟體 Quartus II，此套軟體提供了一種不需外部電路連結，即可進行操作的編輯軟體，使操作者不需與 FPGA 操作板連結，即可編輯程式與模擬，圖 3-5 為 Quartus II 操作頁面。

本研究運用此種硬體描述語言並配合上述的 FPGA 操作板，用於控制每顆電晶體的開關時序，使電晶體可在本研究所需之時間，將其打開，使電流可以順利導通，以達控制之效。

圖 3-4 VHDL 程式編輯流程圖圖 3-5 Quartus II 的編輯頁面

3-3 精微線切割放電加工機

圖 3-6 為本研究實驗的操作機台，此機台為本實驗室自行研發的 CNC 精微線切割放電加工機[56]，其機台主要結構採用龍門式設計，此設計可有效提升機台剛性與穩定性，其結構所選用材料為球墨鑄鐵(Nodular graphite cast iron)，因此具有高防振性、吸振效果與易加工等優點。其機台的 X-axis、

Y-axis 軸位移平台以線性馬達作為驅動方式，因無滾珠導螺桿背隙問題，且驅動解析度達可 2.5 nm，使此平台可準確定位於任意點，也因線性馬達的關係可使平台可以平穩的移動，故適合用於精微放電加工，其規格如表 3-2 所示[56]。在 Z-axis 方面，亦選用線性馬達作直接驅動，在主機頭承載方面，

本機台採用雙氣壓缸作為支撐，並配合壓力調節閘作調整，當 Z 軸上負載負重改變時，即可使用壓力調節閘進行及時的調整。

(a) 機台設計圖 (b) 機台實體圖圖 3-6 本研究所用精微線切割放電加工機[56]

本研究使用的控制系統如圖 3-7 所示，以機台內部系統所提供之迴路控制軟體(Nscope)，調整比例積分與微分控制器(Proportional integral derivative controller, PID)參數，如表 3-3 所示，Kp為比例增益(Proportional gain, Kp)，

其主要是控制速度比例增益，增加其數值可提高系統響應，使伺服循環產生 緩衝作用。Ki增益，指速度積分增益(Integral gain, Ki)，可提供系統足夠的剛

度。Kpos為位置增益(Position gain, Kpos)，有助於消除穩態定位誤差。Vff為速 度前饋增益(Velocity feedforward gain, Vff)，主要是回饋訊號增加速度。Aff

為加速度前饋增益(Acceleration feedforward gain, Aff)，主要是加速回饋訊號，

可減少變速情況下系統所產生的定位誤差，Fs為取樣頻率。

表 3-2 三軸位移平台規格[56]

Description X-axis Y-axis Z-axis Calibration distance 110 mm 110 mm 110 mm

Motion system Linear motor Linear motor Linear motor System resolution 2.5 nm 2.5 nm 2.5 nm Maximum operation speed 45,000

mm/min

Stage material Anodized Aluminum

表 3-3 精微線切割放電加工機 PID 參數

3-4 高速主軸選用

本研究利用高速主軸製作出高精密度圓柱型基材。以一般主軸而言，所採用的軸承可分為鋼珠軸承(Steel balls bearing)、陶瓷珠軸承(Ceramic balls bearing)與氣浮式軸承(Air bearing)為主。而適合本研究所用的高速主軸，需在高轉速時與低轉速時皆具良好定位精度，在工件與主軸馬達之間需具備電氣隔離，以免造成放電加工時，放電的高電壓，使高速主軸控制器燒毀，故採陶瓷珠作為軸承使用最為合適，它不僅能提供耐磨耗特性，同時也具有電氣隔離的能力，因此，本研究選用陶瓷珠配合以電力方式驅動，如圖 3-8 所示，規格如表 3-4 所示[58]，其主軸最高轉速達 60,000 rpm 而最低轉速微 500rpm，本研究採用 500rpm 為旋轉放電加工用所需轉速。

表 3-4 本實驗所用高速主軸規格設備形式規格(NSK)[58]

主機型號 E3000C 主軸型號 EM20-S6000

轉數 500~60,000 rpm 主軸重量 230 g

主軸精度 ±1 µm 圖 3-8 本實驗所用高速主軸

3-5 量測儀器設備

本研究主要以開發高效能精微放電加工電源為主，並使用多種材料進行驗證，為了使實驗時可即時觀測與實驗驗證時可清楚得到所需的數值和影像，

而不破壞其加工物或成品。故本研究所採用的檢測設備以光學或非破壞性的檢測儀器為主，包含工具顯微鏡(Toolmakers microscope)、掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope)、3D 雷射掃描式共軛焦顯微鏡(3D Laser scanning microscope)及混合訊號示波器(Mixed signal oscilloscopes)。

3-5-1 工具顯微鏡

(Toolmakers microscope)

本研究所使用工具顯微鏡，如圖 3-9，其精度高達 1µm，並配合多種光

3-5-2 掃描式電子顯微鏡

(Scanning electron microscope)

本實驗採用掃描式電子顯微鏡檢測所加工之微結構之表面粗糙度與放

電坑大小，機台如圖 3-10 所示。此設備採用鎢絲燈泡電子槍，作為投射電子來源，利用電子反射偵測出待測物之表面形狀。並透過 XY 軸的手動位移及旋轉平台觀測待測物，可量測範圍約 50 mm 直徑內。可有自動對焦、自動校正相差、自動調整對比/亮度等功能，可方便操作者使用，其相關規格如表 3-6 所示[60]，此設備是借助本系鄭慶民教授之微接合實驗室，此設備對本研究之驗證具有很大的幫助。

表 3-6 掃描式電子顯微鏡規格功能規格(JSM6360)[60]

偵測器二次電子偵測器解析度二次電子影像 nm 放大倍率 ×15~×100,000 加速電壓 0.5~30 kV 最大樣品空間直徑 50 mm

冷卻方法外接式循環圖 3-10 掃描式電子顯微鏡

3-5-3 3D 雷射掃描式共軛焦顯微鏡

(3D Laser scanning microscope) 圖 3-11 所示為 3D 雷射掃描式共軛焦顯微鏡，本研究利用此設備進行微結構表面粗糙度檢測，該設備利用投射技術將雷射光投影至物體表面，利用逐層掃描的方式，將所得之數據透過軟體，將其待測物 3D 或 2D 圖形表現於螢幕上。此設備是借助張天立教授之奈微米機電熱流實驗室。規格如表 3-7 所示[61]。此設備對本研究之驗證具有很大的幫助。

觀察範圍 2,560×2,560-16×16µm 雷射光波半導體雷射(405 nm) 圖 3-11 3D 雷射掃描式共軛焦顯微鏡

3-5-4 混合訊號示波器

(Mixed signal oscilloscopes)

圖 3-12 為混合訊號示波器，本研究利用此設備進行電路的檢測，可即時監控本研究開發之放電電源，在加工時所產生電壓與電流訊號，使研究者可依據混合訊號示波器所產生的波形進行判別，本研究所採用之混合訊號示波器它具有 4 個檢測通道，可以同時檢測 4 個位置所產生的訊號，以驗證電源之可用性，而在頻寬方面，此設備高達 200MHz，檢測的最快上升時間為 2.1ns，

高於本研究之最高頻率，詳細規格如表 3-8 所示[62]。而在電流檢測上，本研究所採用的設備為市面上靈敏度最高的電流探棒，如圖 3-13，它的檢測頻率高達 120MHz，在最高電流可達 30A，完全符合本研究的檢測範圍，詳細規格如表 3-9 所示[62]。此設備對於本研究後續驗證具有很大的幫助。

表 3-9 電流探棒規格表[62]

型號規格(TCP0030) 最大電流 30 A

最小電流 1 mA 頻寬 120 MHz 計算上升時間 ≦2.92 ns 圖 3-13 電流探棒

3-6 實驗所用材料

本研究所採用的材料有當作電極使用的微細銅線與所研究驗證其電路效能之材料，如導電性高的銅合金(Copper alloy)、熔點低的鋁合金(Aluminum alloy)、耐高溫的碳化鎢(Tungsten carbide)、不易導電的導電陶瓷(Conductive ceramic)與硬度極高的含硼聚晶鑽石(Boron-doped polycrystalline composite diamond)。

3-6-6 含硼聚晶鑽石(試切材料)

聚晶鑽石材料在工業界用途非常廣泛，由於其材料具有高硬度、高強度及高紅熱硬性，幾乎是作為切削刀具最佳的材料選擇，聚晶鑽石不但硬度高、同時導電性較低，故被歸類為難切削材料。其中有一種聚晶鑽石-含硼聚晶鑽石，其材料具高導電特性，可透過放電加工，精密控制成型結構。並且，利用聚晶鑽石本身不同方向性的結構，形成聚晶鑽石磨輪結構，

可製成高硬度刀具。鑽石的絕緣性佳，這是由於四價層電子的碳原子結構，

碳原子與碳原子之間形成四個共價鍵。所有的電子穩固的拘束在四個共價

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