線上同步量測尺寸與表面粗度的分析軟體與量測裝置改進計劃

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

線上同步量測尺寸與表面粗度的分析軟體與量測裝置

改進計劃

An impr ovement planning of analysis softwar e and

measur ement device for on-line to measur e dimension

and r oughness synchr onously

計畫類別： 個別型計畫

□整合型計畫

計畫編號：NSC 90－2218－E－151－003

執行期間： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日

計畫主持人：劉義雄

共同主持人：許寶東

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立高雄應用科技大學 機械工程系

中

華

民

國

91 年 8 月 30 日

行政院國家科學委員會技職專題研究計畫成果報告

計畫編號：NSC 90-2218-E-151-003

執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日

主持人：劉義雄 國立高雄應用科技大學 機械工程系

共同主持人：許寶東 樹德科技大學 企業管理學系

計畫參與人員：彭守文 許銘峰 張芳誌 機械工程系

一、摘要 本研究主要目的在為第一期的線上同步 量測尺寸與表面粗度：應用壓電原理的先 期應用性計畫；寫作一套線上量測表面粗 度的分析軟體以及改進量測探針的缺點以 使得線上同步量測尺寸與表面粗度能夠成 為真正能應用於產業界的線上量測設備。 在量測表面粗度的分析軟體方面我們以 machining center 上切削加工的工件的表面 粗度量測為例建立常見的量測模式這些量 測模式依照表面輪廓的數學模式再以物件 導向技術將這些量測模式建為類別物件， 而量測探針的驅動方法則被宣告為介面的 形態。所有的表面粗度量測的程序會被嵌 入在與量測尺寸相同的圖形使用者的介面 中，使得真正做到線上同步量測尺寸與表 面粗度的目的。 在改進量測探針的缺點方面著重在 量測裝置的精度暨穩定度的改進與整合尺 寸量測與表面粗度量測的裝置等兩個方 面，影響先期研究計劃的量測裝置的精密 度與穩定度的主要因素在於球形量測探針 與鑽石量測探針結合的設計、以及石英壓 電晶體的接線接點的設計、球形量測探針 與測桿的材質等問題，本研究提出對這些 問題的改進做法，這些問題的解決將有助 於與消 除 量 測 時干擾的 振 、 穩 不 號 的 信 定現象。在整合尺寸量測與表面粗度量測 的裝置方面本研究提出使用 PC Base 的控 制器將尺寸量測與表面粗度量測的裝置整 合的做法。 關鍵詞：表面粗度、線上量測、石英壓電 感測器 Abstract

The purpose of the study is writing an analysis program package of surface roughness on-line measurement for the earlier project -- on-line measurement the dimension and the surface roughness of work pieces synchronously -- and improving the disadvantage of measure probe in that. Ensure the device of measure the dimension and the surface roughness of work pieces synchronously on-line could be able to make use for industrial.

In the scope of the analysis programs for measure surface roughness, we would create the measure models of roughness

measurement on machining center, and these measure models would be the category sets established by object-oriented technology of the mathematical model of surface roughness. Then we would write the driving methods of measure probe those would be declared to be interfaces in accordance with these measure models. Finally the all surface roughness class and interfaces would be embedded in the same graphic user interface with the measure dimension to accomplish the goal of measure the dimension and the surface roughness of work pieces synchronously on-line.

The others, it would be pointed that to improve the precision and stability of measure apparatus. The primary factors of precision and stability of measure apparatus in earlier studies those were the combination of global measure probe and diamond probe、the connection point of quartz

piezoelectricity pasted、the material of global probe and the test stick. We would reform it in this study, that would decrease the

vibration of measurement、the interference of signal and improve the stable of the system. In this study we are also proposal a method that is used PC Based control to combine dimension measurement with roughness measurement device to reduce cost and to simplify measurement installation.

Keywor ds: sur face roughness ，On-Line Measurement，Quar tz piezoelectr ic sensor 二、緣由與目的 石英壓電晶體材料普遍應用於量測物體 因受微小壓力而產生的變形量，本研究在 先期計劃中利用石英壓電材料因受微小壓 力而產生電荷變化的此一特性所設計一組 量測裝置如圖(一)所示，此一量測裝置本體 為一組紅外線感測器與量測探針的結合， 量測探針由一圓球嵌入石英壓電晶體材料 而成(圖二)，球形尺寸量測探針頭部設計由 直徑 5mm 的石英壓電晶體貼上一個微小錐 形鑽石探針構成[1,2]。壓電晶體輸出信號 經由電荷放大器而得到壓力變化的類比信 號，此一類比信號經由資料攫取器轉換成 數位信號，最後藉由 PC 端分析軟體得到工 件表面粗度波形與工件表面粗度值。至於 工件尺寸只須抓取探針接觸工件時在 CNC 控制器上的 Skip 信號即可；此一信號系由 紅外線感測器傳至 CNC 控制器，再經量測 軟體讀取系統的位置變數即可轉換成工件 之量測尺寸。本研究經由此一設計即可達 到加工線上同步量取工件尺寸及加工表面 粗度平均值的目的[3,4]。 然而因為石英壓電晶體的敏感度相當 高，達到 -3pC/N 因此設計量測探針時要特 別注意量測裝置對敏感度的影響經由先期 計劃的線上實作我們由量測結果發現鑽石 探針只要壓入數μm 就有數十毫伏的電量 輸出，因此能夠精確的投射出表面的幾何 形狀，由量測結果我們也發現壓電信號不 穩定的輸出其發生的原因是量測裝置的設 計問題這其中球形量測探針與錐形鑽石量 測探針結合的設計問題、石英壓電晶體的 接線接點的設計問題以及球形量測探針、 測 桿 的 材 質 的 問 題 所 造 成 的 振 信 、 號 的 干擾與不穩定現象。 另一方面因為紅外線尺寸量測係利用探 針接觸量測工件時的觸發信號作為 CNC 控 制器的跳躍(skip)信號來鎖住量測位置的 座標，應用相同的原理；也可以利用鑽石 探針接觸量測工件時的壓電信號作為 PC Base 控制器的 A/D 信號來鎖住量測位置的 座標，因此基於裝置的精簡與成本的考慮 有必要將尺寸量測與表面粗度量測的裝置 整合至使用 PC Base 控制的數控工具機以 精簡量測的裝置如(圖三)，期能大幅降低量 測裝置的成本。 圖一 先期量測裝置示意圖 圖二 先期量測探針組合圖 圖三 精簡整合後的量測裝置示意圖 三、研究方法 線上尺寸量測 本研究設計的線上尺寸量測裝置線屬 於單軸向的尺寸量測裝置，量測動作經由

PC 端下達位移指令接近量測位置，當鑽石 探針接觸工件壓電 sensor 感測到預設的壓 力(4mN)此時利用資料攫取器的 A/D 介面 將此一連續路徑的壓電類比輸出即時轉換 為數位值如(圖四)所示，再經由轉換軟體將 壓電數位值轉換成軸向尺寸，在同一軸線 上不同的數位值代表著同一平面上的高度 差，因此可以輕易精確量測到工件的輪廓 尺寸。 線上表面粗度量測 新設計的表面粗度量測裝置如(圖五)所 示，使用瑞士 KISTLER 石英壓電晶體作為 鑽石錐形探針的壓力感測器[5,6]，基本規 格如(表一)所示，另外配合一組電荷放大器 基本規格如(表二)所示，量測探針的量測壓 力是由一個壓力彈簧所控制其預設壓力與 一般表面粗度量測儀的量測壓力相同為 4mN 因為石英壓電 sensor 的敏感度為 -3pC/N 若電荷放大器的 scale 設定為 1mN/mV 則 CNC 的控制軸若進給到 4mV 時則為預設的量測壓力，然後在此進給位 置開始執行表面粗度量測的 NC 命令。為 了與一般表面粗度儀器的量測結果做比較 本研究設計一塊表面粗度樣規如(圖六)所 示。 圖四 連續路徑的壓電數位值 圖五 新設計的量測探針組合圖 圖六 比對表面粗度樣規 (表一) 石英壓電感測器基本規格 (表二) 電荷放大器基本規格 四、線上量測實作 本研究的線上量測實作利用事先建立完 成 pc based 三軸 CNC 加工機線上常見的加 工幾何形狀：圓孔、圓柱、凹槽及凸緣的 量測類別及量測方法，以凸緣的線上量測 為例，首先經由量測介面選取量測類別,然 後量測系統會自動讀取所需 CNC 刀具路徑 檔經由刀具路徑檔可得到幾何位置座標然 後將此資料放到量測巨集程式的參數內 [7]，因為這些量測時必要的參數已經經過 物件導向技術將其物件化[8,9]因此執行線 上尺寸與粗度的量測僅需透過量測介面點 選即可執行，尺寸量測之結果(圖七)， Rmax6.32 的表面粗度量測之壓電值(圖八) 經內建軟體轉換後的表面粗度值( 圖九)此 一結果與一般表面粗度儀器量測之結果極 為接近。

圖七 量測結果回傳 圖八 Rmax6.3 量測壓電值 圖九 軟體轉換後的表面粗度值 五、結果與討論 本研究將先期線上量測裝置的紅外線感 測裝置省略改以使用 A/D 介面配合轉換 軟體一樣能夠處理線上工件尺寸的量測 ，至於表面粗度的量測方法與先期的差 異在於量測裝置的改善，歸納前述線上 實際量測結果總結為下列幾點： 1.完成信號處理與表面粗度分析軟體 的寫作與測試，所有的表面粗度量 測的程序被嵌入在與量測尺寸相同 的圖形使用者的介面中，使得真正 做到線上同步量測尺寸與表面粗度 的目的。 2.在改進量測探針的缺點方面解決球形 量測探針與鑽石量測針結合的設計問 題與球形量測探針、測桿的材質對於 信號的干擾問題。 3.使用更小的探針半徑(10μm)消除量 測 時 的 振 、 與 信 穩號 不 定 的 。 現象 4.使用 PC Based 控制整合尺寸量測與表 面粗度量測的裝置。 5.伺 服 馬 達 造 成 的 振 對壓電晶體仍然 具有信號的干擾與不穩定現象處理 信號時必須加以考慮，可以使用移位 的方式處理。 六、參考文獻

1. Pahk, H.J.; Kim, Y.H.; Hong, Y.S.; Kim, S.G., 1993, “Development of computer-aided inspection system with CMM for integrated mold manufacturing”, CIRPAnnals v42n1 p557-560.

2. Nagasaka, Yasumi; Otaki, Hideyuki; Ishikawa, Yoshio; Watanuki, Keiichi, 1993, “ Connection of CAD and CAM using macrofunction”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C v59n559 p947-954.

3. Y. Tsai, J.C. Chen, S. Lou, An in-process surface recognition system based on neural networks in end milling cutting operations, International Journal of Machine Tools and Manufacture (1999) pp. 583-605.

4. M. Chang, P.P. Lin, On-line free form surface measurement via a fuzzy-logic controlled scanning probe, International Journal of Machine Tools and Manufacture (1999) pp. 537-552

5. M. V. Gandhi et al. 1992 , “Smart

Materials and Structure “ Champan and Hall. 6. Kistler, “The Piezoelectric Effect, Theory, Design and Usage”.

7.Nagasaka,Yasumi;Otaki,Hideyuki;Ishikawa ,Yoshio;Watanuki,Keiichi;1993,

“Connection of CAD and CAM using macrofunction”, Transactions of the Japan Society Engineers Part C v59n559.

8. Venkatesh, K.; Zhou ,

M.,1998,”Object-oriented design of FMS control software based on object modeling technique diagrams and Petri nets”, Journal of Manufacturing Systems v.17n2p118-136. 9. Li, X.N.; Yuan, Honf Bing; Huang, Xin Yan; Cheung, E.H.M., 1997, “New FMS Simulator with object-oriented-programming techniques”, Journal of Materials Processing Technology v76n1-3 p238-245.