第五章 實驗與驗證
5.2 氣體軸承靜態實驗
靜態實驗的目的在於驗證第三章計算所得之氣體軸承理論氣隙推力及氣 隙高度與進氣壓力之間的關係，並與靜態實驗結果做分析比對，同時確認 本自調機構實驗模組確實可達的工作高度，做為後續動態實驗時，氣體軸 承進氣壓力初始值和控制值的設定參考。圖5.11為本自調機構的靜態實驗 架構圖。由於DAQ6008的Analog output最大輸出電壓值僅為5V，因此聯結 至比例閥的相對output最大氣體壓力為3kg/cm2，為了取得較大的壓力調節 範圍，以確認氣體軸承的工作效能，故本靜態實驗選擇先利用手動調壓閥 來調控進氣壓力的方式，而非使用DAQ來驅動比例閥。
圖5.11 氣體軸承靜態實驗架構圖
HV10-10 HV10-10
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靜態實驗模組組成如圖5.12相片所示，在接通氣源並完成Sensor送電後。
首先調節2只手動調壓閥的出口壓力，使2只錶頭壓力均落在2 ~ 3 kg/cm2
65 右側 3.573 3.481 3.459 3.444 3.425 3.409 3.395 3.381~3.431 3.372~3.428 位移
量 (mm)
左側 0 0.106 0.124 0.142 0.159 0.176 0.185 0.199~0.156 0.21~0.163 右側 0 0.092 0.114 0.129 0.148 0.164 0.178 0.192~0.142 0.201~0.145 由表5-2的實驗結果可知，氣體軸承在未供氣的情況下，左右2只Sensor的 原始檢測值分別為3.796mm和3.573mm。當進氣壓力在1 kg/cm2至3.5 kg/cm2 的這段區間，氣隙高度從0漸進增加到185μm與178μm，當進氣壓力提升至 4 kg/cm2時，氣隙高度則分別達到199μm與192μm，在保持3 ~ 4秒後又下 降到156μm與142μm的高度值，爾後穩定下來、此時氣隙高度不再變動。
當進氣壓力提升至4.5 kg/cm2時，氣隙高度分別達到210μm與201μm，但氣 隙高度無法保持即開始下降，也就是說210μm與201μm的氣隙高度為4.5 kg/cm2進氣壓力條件下的峰值，在降到163μm與145μm的高度後又穩定下來、
氣隙高度不再變動。
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下降至一定高度後才又恢復穩定。因此推斷，隨著氣隙高度的增高以及氣 體擴散效應的影響，氣隙流量的需求也相對加大，當氣隙高度達到一定的 位置時，前段氣源的氣體流量不足以供應當時氣隙高度的氣隙流量需求，
故而產生下降的狀況，直到氣隙流量與氣源氣體流量達到平衡時，才又回 復穩定。此實驗結果與第4章的理論計算以及圖4.9對於管徑流量與氣隙流 量的分析結果均為一致。本自調機構之靜態實驗系統配置，可達之最大氣 隙高度約為185μm，於3kg/cm2進氣壓力時的氣隙高度約為175μm。因此定 義本自調機構工作高度設定在50μm ~ 175μm。
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5.3 自調機構動態實驗 5.3.1 動態實驗架構
為確認本自調機構確可經由進氣壓力的調控以改變氣隙高度進而達到平 面精度保持與補償修正的功能，本節利用DAQ及LAVIEW的程式控制，使自調 機構中的左右2只氣體軸承產生動態的氣隙壓力變化，以觀察自調機構於此 動態變化過程中的高度響應及可達的穩態平面精度誤差值。動態實驗架構 如圖5.13所示，與靜態實驗最大的不同是，動態實驗以比例式調壓閥取代 手動調壓閥做為壓力控制元件，以達到自動控制的目的。
控制信號 回授信號 氣體迴路
圖5.13 自調機構動態實驗架構圖
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圖5.14 動態測試實驗相片 5.3.2 LABVIEW程式
雖然透過DAQ及LAVIEW的程式控制系統架構，可完成許多需要複雜功能資 料擷取與量測的工作，但由於USB-6008是屬於較基本款的資料擷取卡，因 此在硬體功能上存在著需多使用限制，比如說:雖然USB-6008能夠連續擷取 類比訊號(Analog Input)，但並不支援連續訊號輸出(Analog Output)，原 因是該設備的AO是Software timing與Static，其所採用的DAC(digital to analog converter)，只支援軟體時間控制輸出，而且每秒最多150點。另 外在觸發控制上，USB-6008的Digital Trigger channel (PFI)只有一個，
而且也不支援Analog edge的trigger。
由於前述DAQ硬體功能的限制，本文以LAVIEW指令中的DAQmx與”Array”陣 列字串及迴圈間隔時間”Time wait”進行程式設計，使得DAQ的AO Channel 其電壓輸出可隨時間而高低變動，以此Array AO (Volt)變化來模擬平面誤 差的Trigger訊號(Feedback)。DAQmx的程式基本設計流程如圖5.15所示。
圖5.15 在LAVIEW中進行DAQmx程式流程 電源供應器 自調機構
NES-100-24
Sensor 放大器
比例式 調壓閥
DAQ6008
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LAVIEW中使用DAQmx元件驅動DAQ設備，基本概念是將每一個裝置的驅動 與動作視為是為一個任務(Task)，對於要使用的裝置分為幾個基本步驟來 執行，第一、使用DAQmx Create vi建立一個新的任務，此任務可以自行命 名任務名稱，若無給予名稱，系統會自行給予此任務名稱，然後依此任務 擷取之訊號類別為類比訊號輸入、輸出或是數位訊號輸入、輸出等。第二、
建立取樣時脈資訊，如連續擷取及取樣速率等皆於此設定，第三、使用DAQmx Start vi或Trigger vi確定任務開始執行，第四、透過DAQmx Read vi讀取 所擷取到之訊號，所得之數值可供進一步使用，第五、使用DAQmx Stop、
Clear vi 設定任務停止與清除，在此將本次執行之資料清除，若有錯誤發 生，於此處顯示錯誤發生原因。
圖5.16為本文所設計的LAVIEW程式方塊區，首先各別建立出兩個AO (Analog output)通道、並分別指定為AO0與AO1，在硬體接線上再將控制左右氣體軸 承進氣壓力的2只比例閥之Analog input出線接到這2個DAQ Terminal。
加入Array Data vi指令，陣列字串輸入格式如[0, 0.1,0.2,0.3, ...
4.7, 4.8, 4.9, 5]，以此形成兩個AO通道輸出電壓值的Profile。
圖5.16 LAVIEW程式設計圖塊
Array Data設定完成後將這些字串Write寫入，並以迴圈及Time wait的方 式控制每筆資料輸出的間隔時間。
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圖5.19為利用數位相機拍攝再以逐格播放的方式所記錄之2~ 5V Array陣列 輸出的實驗數據，在LAVIEW程式執行的前幾個Step，左右2側氣體軸承的氣
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Air Gap Height (um)
Array Step
Air Gap Height (um)
Array Step
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Air Gap Height (um)
Array Step
74 kg.cm2)，DAQ控制左右氣體軸承比例閥的初始電壓仍為2V，再於其後50組的 字串數據中產生不同的電壓升降趨勢，然後在最末幾個Step中再使其回覆 到相同的電位狀態，形成類似ADAMS雙邊氣隙推力模擬的效果。
圖5.23 DAQ 2 ~ 3V Array陣列數據輸出
圖5.24為為利用數位相機拍攝再以逐格播放的方式所記錄之2~ 3V Array陣 列輸出的實驗數據，在LAVIEW程式執行的前幾個Step，左右2側氣體軸承的
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Air Gap Height (um)
Array Step
Air Gap Height (um)
Array Step 150ms 100ms Profile一致，且氣隙高度的output曲線變化亦與Array Data input呈非線 性反應，最終的氣隙高度穩態精度可控制在1μm。
圖5.24 DAQ 2 ~ 3V，比例閥1.2 ~ 1.5 kg.cm2氣隙高度變化(150ms)
進一步觀察不同陣列數據輸出間隔時間，其左右側氣體軸承氣隙高度變化 的狀況。其結果如圖5.25與圖5.26所示。從2張比較圖表可觀察，在不同間 隔時間的情況下，氣體軸承所對應的氣隙高度變化趨勢仍一致，100ms間隔 時間所呈現氣隙高度曲線變化的output與Array Data input呈非線性反應，
亦較150ms間隔時間的結果來得明顯。
圖5.25 不同間隔時間下2 ~ 3V右側氣體軸承的氣隙高度變化
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Air Gap Height (um)
Array Step
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氣隙高度值卻有著1μm ~ 4μm的落差，顯見單純以Open Loop的方式應 用於此氣隙自調機構的控制上，氣隙高度的重現性並無法被完全控制。
4. 比對動態實驗過程中的參數調整及結果可發現，系統的控制時間以及氣 隙高度變化幅度(平面精度的調整範圍)，對於自調機構氣隙高度的穩定 性以及重現性有所影響。較小的氣隙高度變化幅度與較長的系統控制時 間有利於得到相對穩定的平面自調控制結果。
本文所設計出的氣隙自調機構，可經由進氣壓力的調控達成1μm的平面精 度補償及保持的功能，但仍存在1μm ~ 4μm的穩態誤差。雖然4μm的精度 誤差已可滿足一般工具機的工作台面精度規格，但對於需要更精密相對平 面精度的微細加工機或AOI檢測設備而言，4μm的平面精度誤差值可能僅剛 好落在需求規格的邊緣。因此、如欲在未來將其推廣應用到制式設備或儀 器上時，自調機構的相關結構組成與控制系統架構架構仍需要再做一些更 完整的估算與設計，方能使其自調效能發揮的更精細且穩定。
6.2 未來發展方向
延續本研究已完成部分提出以下幾點未來的研究方向與工作議題：
1. 氣體軸承節流孔徑與幾何外形尺寸的最佳化:
節流器的設計為靜壓型氣體軸承的發展重點。本自調機構的工作原理為利 用氣體軸承之氣隙高度空間來調整修正平面精度，於此應用我們希望所設 計出的氣浮平台氣隙自調機構其可產生的氣隙高度越大越好，以期達到較 大的平面精度修正範圍。然則，氣隙高度越高則相對氣隙流量也就越大，
因此，有必要針對氣體軸承與節流閥之幾何形狀、尺寸進行最佳化的研究，
以期在最小的氣隙流量下亦可得到最理想且穩定氣隙高度。
2. 加入閉迴路系統控制與補償功能:
由於目前的動態實驗是利用LABVIEW陣列數據配合間隔時間以控制DAQ AO及 比例閥的輸出，進而模擬本機構氣隙自調的狀態。雖經實驗結果證明可達
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之平面自調精度為1μm，然、氣隙高度的重現性仍存在1μm ~ 4μm的不穩 定誤差，因此建議之後的研究方向可以加入PID、模糊控制(fuzzy control) 等類似的閉迴路系統予以回饋補償以達到更完善的系統控制，必然可提高 自調精度並減少穩態誤差。
3. 機構模組與控制系統微幅修改以達2維自由度的真正平面精度控制:
本文運用2組獨立氣體軸承的氣隙高度響應已可達到一維方向的平面修正，
然則、真正的平面修正應該至少要有2個維度以上的修正功能方能達成。因 此建議之後的研究可就本機構模組與控制系統之設計概念做微幅修改，將 氣體軸承與Sensor檢測點獨立成3或4組，即可進行2維度的真正平面自調控 制。
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[4]Hiroshi Mizumoto，“Active inherent restrictor for air-bearing spindles，”Precision Engineering，1996。
[5]K. C. Fan, C. C. Ho and J. I. Mou，“Development of a multiple -micro hole aerostatic air bearing system”, Journal of
Micromechanics and Micro engineering， Vol. 12, No. 5, Sep. 2002。
[6]吳龍朋，”自走式氣浮平台之研製”，國立臺灣大學工學院機械工程學 研究所碩士論文，2007。
[7]廖家宏，”創新進氣結構氣浮平台之設計與分析”，國立清華大學動力
[7]廖家宏，”創新進氣結構氣浮平台之設計與分析”，國立清華大學動力