振幅量測儀器

研究中兩載具主要使用兩種不同的振幅量測儀器進行振幅放大器端面 振幅量測：15K 振幅放大器主要使用 1/1000mm 機械式量錶（即千分錶）進 行振幅分佈量測；35K 振幅放大器因其為刀具，使用接觸式之千分錶量測時 刀刃不易對準圓形測頭之中心，或在振動時位置偏離，造成量測上的不易；

非接觸式量測儀之探針亦遠大於刀刃厚度，目前業界亦無方法量測刀具振 幅放大器之振幅，所以依照載具特性，設計一符合載具需求之簡易超音波 振幅量測儀，以下就兩種量測儀器進行說明。

（1）千分錶

千分錶（如圖 4-4 所示）為接觸式量測儀器，量測方法為振幅放大器 開始振動前，先將測頭對準並頂住量測點，以及做水平校準及歸零動作，

開啟共振系統使振幅放大器開始共振，其針盤指針會隨振幅放大器振動而 變化，讀取其最大刻度即為量測點之最大位移，實驗用千分錶量測解析度 為 1μm。

圖 4-4：千分錶

（2）簡易超音波振幅量測儀

此振幅量測儀器量測原理，是利用金屬導電之特性設計一迴路：直流 電源迴路中串聯一電阻、示波器、位移探針以及振幅放大器，以電路的通 路與否來判斷探針與振幅放大器是否接觸，利用探針位置求出振幅放大器 之最大振幅，原理示意圖如圖 4-5 所示。使用水平儀校正儀器水平度後，

啟動電子控制箱使振幅放大器開始共振，藉深度計調整探針至碰觸振幅放 大器之瞬間，並進行歸零動作，探針是否碰觸到振幅放大器是以電路形成 通路與否判斷。關閉電子控制箱使振動系統停止共振，此時迴路應呈現斷 路狀態，再緩緩調整深度計使探針前進至剛好碰觸振幅放大器之瞬間，一 旦探針與振幅放大器接觸電路即形成通路，此時之刻度即為量測點之最大 振動位移。

圖 4-5：簡易超音波振幅量測儀原理示意圖

本量測儀器利用 Mitutoyo 型號 IP65 之數位深度計來控制並量測探針 之位置，其量測解析度可達 1μm。本儀器亦可依不同材質的振幅放大器更 換探針，質地較軟如鋁製振幅放大器可以銅針為其探針，而質地較硬如不 鏽鋼製振幅放大器則可用碳化鎢做為其探針，以防止探針因操作不當而鈍 化。簡易超音波振幅量測儀如圖 4-6 所示。

振幅放大器

探 針 深度計

0.016μm

示波器 (DC 訊號)

探針接觸振幅放大器

振幅放大器

探 針 深度計

0.005μm

示波器 (無 DC 訊號)

探針未接觸振幅放大器

圖 4-6：簡易超音波振幅量測儀

4.2 15K 振幅放大器實驗驗證

4.2.1 15K-Original 實驗驗證

振幅放大器 15K-Original，有限元素分析之第一縱向模態共振頻率為 14950.236Hz，端面振幅均勻度為 24.967%，模擬振幅分佈如圖 4-7 所示。

圖 4-7：15K-Original 模擬輸出振幅分佈

以測試機台 KWB2615 進行振幅放大器共振頻率的測試，實驗之共振頻 率為 14960Hz。

振幅之實驗量測乃將振幅放大器輸出端面依長寬劃分為八乘四的三十 二個小區域如圖 4-8 所示，量測每個小區域之中央點代表區域之振幅值，

以得到放大器輸出端面之振幅分佈。

使用千分錶量測輸出端面三十二個量測點，量測結果如表 4-1 所示：

底部最大振幅為 25μm，最小振幅為 21μm，大小差為 4μm，即振幅均勻度 16%。

圖 4-8：15K 振幅放大器量測點

表 4-1：15K-Original 千分錶振幅量測結果 振幅分佈(μm)

21 23 24 24 24 23 23 21 22 23 25 24 25 25 24 21 22 24 24 25 25 24 24 23 21 22 23 24 24 23 23 21

4.2.2 15K-Optimum 實驗驗證

振幅放大器實際加工時因考量到加工難易度，且數值計算解之小數點 下位數過多，在實際加工上並沒有意義，因此溝槽位置精度取到 0.5mm 為 最小單位，溝槽位置 y¹、y²分別以 30mm 及 132.5mm 加工取代數值計算解。

定義實際加工之振幅放大器名稱為 15K-Optimum，振幅放大器實體照片如圖 4-9 所示，實際加工尺寸如圖 4-10 所示。並以實際尺寸重新進行有限元素 分析，目標函數為 31.241（即端面振幅均勻度為 3.907%），共振頻率為 14729.672Hz，模擬之振幅分佈如圖 4-11 所示。

圖 4-9：15K-Optimum 實體照片

圖 4-10：15K-Optimum 尺寸圖

單位：mm

圖 4-11：15K-Optimum 模擬輸出振幅分佈

以測試機台 KWB2615 進行振幅放大器共振頻率的測試，實驗之共振頻 率為 14750Hz。

使用千分錶量測輸出端面三十二個量測點，量測結果如表 4-2 所示：

底部最大振幅為 28μm，最小振幅為 26μm，大小差為 2μm，即振幅均勻度 為 7.143%。

表 4-2：15K-Optimum 千分錶振幅量測結果 振幅分佈(μm)

26 27 28 28 28 28 27 26 27 27 28 28 28 28 27 27 27 27 28 28 28 28 27 27 26 27 27 28 28 28 28 27

4.3 35K 振幅放大器實驗驗證

4.3.1 35K-Original 實驗驗證

振幅放大器實體照片如圖 4-12 所示，並定其名稱為 35K-Original。此 類切斷用刀具振幅放大器，外型之曲面以及刀刃在加工上較為困難，容易 有加工上之誤差，所以量測振幅放大器實際加工尺寸如圖 4-13 所示。以實 際尺寸重新進行有限元素分析，其第一縱向共振模態頻率為 34375.340Hz，

刀刃均勻度為 6.098%，刀刃之模擬振幅分佈圖如圖 4-14 所示，而刀刃偏擺 率為 0.946%。

圖 4-12：35K-Original 實體照片

圖 4-13：35K-Original 尺寸圖

單位：mm

圖 4-14：35K-Original 模擬振幅分佈圖

使用 35kHz 電子控制箱進行振幅放大器共振頻率的測試，實驗之共振 頻率為 34340Hz。

使用自行設計之簡易超音波振幅量測儀進行位移的量測，並以銅製探 針做為量測儀器之探針。將刀刃分為每段 10mm 的 10 個等分段，量測每段 中央點如圖 4-15 所示，量得振幅代表區域振幅值，以得到刀具振幅放大器 之振幅分佈。

圖 4-15：35K 振幅放大器量測點

-5750 -5700 -5650 -5600 -5550 -5500 -5450 -5400 -5350

0 20 40 60 80 100

displacement (un-normalized)

position (mm)

35K-Original模擬振幅分佈

使用簡易超音波振幅量測儀進行振幅之量測，量測結果如表 4-3 所示：

底部最大振幅為 29μm，最小振幅為 24μm，大小差為 5μm，即刀刃均勻度 為 18.587%。實驗振幅分佈圖如圖 4-16 所示。

表 4-3：35K-Original 簡易超音波振幅量測儀振幅量測結果 振幅分佈

量測點 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 振幅(μm) 24 28 29 26 27 27 27 28 29 24

圖 4-16：35K-Original 實驗振幅分佈圖

4.3.2 35K-Optimum 實驗驗證

35K 振幅放大器最佳化後進行加工製造，實體照片如圖 4-17 所示，並 定其名稱為 35K-Optimum，其曲面與溝槽均使用線切割 CNC 機台加工，因此 尺寸誤差並不大，實際尺寸如圖 4-18 所示。有限元素分析第一縱向共振模 態頻率為 34988.473Hz，刀刃均勻度為 1.623%，刀刃之模擬振幅分佈圖如 圖 4-19 所示，而刀刃偏擺率為 0.179%。

displacement (um)

posotion (mm)

35K-Original實驗振幅分佈

使用 35kHz 電子控制箱進行振幅放大器共振頻率的測試，實驗之共振 頻率為 34960Hz。使用簡易超音波振幅量測儀進行振幅之量測，量測結果如 表 4-4 所示：底部最大振幅為 31μm，最小振幅為 29μm，大小差為 2μm，

即刀刃均勻度為 6.689%。實驗振幅分佈圖如圖 4-20 所示。

圖 4-17：35K-Optimum 實體照片

圖 4-18：35K-Optimum 加工尺寸圖

單位：mm

圖 4-19：35K-Optimum 模擬振幅分佈圖

表 4-4：35K-Optimum 簡易超音波振幅量測儀振幅量測結果 振幅分佈

量測點 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 振幅(μm) 30 31 30 30 30 29 30 29 30 30

圖 4-20：35K-Optimum 實驗振幅分佈圖

-5900

position (mm)

35K-Optimum模擬振幅分佈

displacement (um)

position (mm)

35K-Optimum實驗振幅分佈