微型刀具幾何參數之五軸嵌入式檢測系統開發

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

微型刀具幾何參數之五軸嵌入式檢測系統開發研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 97-2221-E-011-039-

執行期間： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人：唐永新

處理方式：本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中華民國 98 年 12 月 30 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

微型刀具幾何參數之五軸嵌入式檢測系統開發

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 97－2221－E－011－039

執行期間：97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日

計畫主持人：唐永新

計畫參與人員：廖志偉、洪德一

執行單位：國立台灣科技大學機械工程系

中華民國

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

微型刀具幾何參數之五軸嵌入式檢測系統開發

（The development of a 5-axis embedded inspection system for the geometrical parameters of the microtools）

計畫編號：NSC 97－2221－E－011－039

執行期限：97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日

主持人：唐永新國立台灣科技大學機械工程系計畫參與人員：廖志偉、洪德一國立台灣科技大學機械工程系

一、中文摘要

本研究計畫旨在研發一微型刀具幾何參數之嵌入式檢測系統，此設備應用機電整合與資料擷取技術將機構模組、電控模組、資料擷取與分析模組做結合，以圖控程式撰寫系統人機介面，配合各模組間的控制。檢測時先以自動夾取裝置將微型刀具放至量測的夾頭上，再配合雷射檢測對旋轉中的微型刀具進行量測，最後將擷取到的刀具外徑大小與外徑至芯厚之槽深距離進行分析，配合本研究所提之量測方法以獲得微型刀具錐度之特性。

關鍵詞：嵌入式系統、微型刀具檢測、精密定位運動機構、刀具幾何參數

Abstract

The purpose of this study is to develop an embedded inspection system for the geometrical parameters of the microtools. The automated measuring equipment’s structure is composed of a laser measurement system, a motion control module, a mechanical module and a program module. A Laser micro gauge and a laser confocal displacement meter are used to measure the microtool’s out-diameter and the distance from the cutting edge to the web. An automatic clamp device is used to take

microtools loading and unloading. Then the web thickness of a microtool can be analyzed by laser measurement system. It is shown that the measurement performances of the automated measuring equipment, such as: accuracy, flexibility, personnel cost and inspection time and greatly improved.

Keywords: Embedded system, micro tool, opto-mechatronics, microtool geometrical parameters.

二、緣由與目的

電子產品未來的發展趨勢將走向輕薄短小、多功能、高頻、高速化，因此在印刷電路板（Printed Circuit Board，簡稱 PCB 板）的設計上也勢必會朝向線寬線距的縮小、線路的高密度化、小孔徑及多層數的方向發展。微型刀具主要用於電路板加工之外型切割製程與鑽孔，以達到修邊、導角、研磨、開折斷槽等功能，以及一些後續組裝所需要的外觀及功能性處理。為確保產品的品質，品質管制是不可或缺的一項製程。

隨著產業高速的成長，為了提昇產品的競爭力，高精密度與高製造速度技術的開發是產業界發展趨勢，為了開發出截然不同的客制化

（Customize）系統出來，因此本研究引入嵌

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入式系統進行開發環境。

嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器或甚至工廠運作的裝置。它是一種電腦軟體與硬體的綜合體，並且特別強調『量身定做』

的原則，也就是基於某一種特殊用途，我們就會針對這項用途開發出截然不同的一項系統出來，也就是所謂的客制化，它的發展將朝向軟硬系統整合、SoC 設計、應用程式發展以及內容服務.由於嵌入式產品必須能隨身攜帶或走入居家生活，故其體積上要求輕薄短小、造型及顏色必須個人化、輸入必須自然化、輸出必須多媒體化才能吸引消費者；另方面由於嵌入式產品與網路結合，所以與網路服務提供者或電子商務業者極易結合。

三、研究報告應含的內容

本研究提出一套非破壞性且可適用於具有偏擺的微型幾何量測方法，主要設備模組為雷射量測模組、機構模組、電控模組及資料擷取模組。並以嵌入是系統開發視窗程式軟體，

透過程式控制將運動控制、雷射量測訊號、資料擷取與分析及人機介面等技術予以整合。實際發揮各模組之功能，使整體量測設備的動作流程自動化，以符合市場需求與達成自動化量測之目的。

由於，芯厚在刀具不切斷的情況下無法直接量測，因此本研究提出以點雷射固定的方式量取微型刀具的槽深值，以及雷射微測儀量測刀具的外徑，如圖 1 所示。經過數學運算，我們就可以得到所要的芯厚值。有關微型刀具芯厚量測的方法詳述如下：

圖 1 雷射共焦儀與雷射微測儀的架構

微型刀具外徑量測：圖 2 顯示的最小外接圓直徑為刀具外徑值，若以中心點為旋轉軸心，透過儀器的量測，刀具每轉 180 度就可得到刀具外徑的量測值。外徑值符號：D。

圖 2 微型刀具外徑量測示意圖

微型刀具槽深量測：圖 3 顯示的最大內切圓直徑為芯厚值，若能夠量測內外虛擬圓的距離就能夠得到芯厚值，而槽深就是指刀具外徑到芯厚的距離，透過儀器的量測，刀具每旋轉 360 度，就會得到兩組槽深的量測值。兩組槽深值符號：d1、d2。

圖 3 刀具槽深量測示意圖

因此根據外徑及槽深的量測原理，本研究提出一種微型刀具芯厚量測方法，利用適當的量測系統，可精準有效地測量微型刀具外徑，

以及將刀具外徑至芯厚的槽深距離量測出來。如此微型刀具每個截面的芯厚值，就可以由下列計算公式求得芯厚值：D−d1−d2 = 芯厚。藉由量測刀具每個截面的芯厚值，刀具芯厚增量趨勢即可得出。芯厚量測方法示意圖如圖 4 所示。

圖 4 芯厚量測方法示意圖

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3 為了符合品管檢驗需求，分別依所檢測結果之數據分析討論，以確保程式所讀取數據之真實性與穩定性。在本實驗中，分別取 3 支微型刀具尺寸分別為 0.3mm、0.2mm、0.11mm，

且皆經過超音波儀器清洗的微型刀具。以本文所提出的量測方法，在相同的量測條件下，針對微型刀具鑽部之外徑、槽深及芯厚值做十次重複量測，並以五種微型刀具轉速（5sec/rev、

10sec/rev、20sec/rev、30sec/rev、40sec/rev）

觀察微型刀具轉速對重複精度的影響，如表 1、2、3 所示。由於量測微型刀具外徑的雷射微測儀與雷射共焦量測儀的量測解析度可達 0.1μm，因此在數據的表示上算到小數以下第 4 位。（備註：下列所有表格內之單位皆以 mm 表示）

表 1 0.3mm 微型刀具在不同轉速下之外徑、槽深與芯厚重覆量測

外徑值量測重複測試結論：

根據上述表格微型刀具外徑值量測結果，可發現各尺寸之微型刀具在重複量測的 10 筆數據中，不受本實驗所設定的微型刀具轉速影響，外徑最大差異量均在 1μm 以內，

如圖 5 所示。由此可知，利用雷射微測儀測量微型刀具外徑其重複精度相當高。

圖 5 外徑變動差異量與微型刀具轉速關係圖 槽深值量測重複測試結論：

根據上述表格微型刀具槽深值量測結果，可發現各尺寸微型刀具在重複量測的 10 筆數據中，槽深值的最大差異量會受轉速影響，如圖 6 所示。除此之外槽深值的平均值亦會受轉速影響，如圖 7、圖 8、圖 9 所示。

圖 6 槽深變動差異量與微型刀具轉速關係圖

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圖 7 0.3mm 微型刀具之槽深平均值與轉速關係圖

圖 8 0.2mm 微型刀具之槽深平均值與微型刀具轉速關係圖

圖 9 0.11mm 微型刀具之槽深平均值與微型刀具轉速關係圖

以 0.3mm 微型刀具的數據進行分析可以發現，在微型刀具轉速為 50sec/rev 、 40sec/rev、30sec/rev、20sec/rev 時可獲得 1μ m 以內的重現性；在微型刀具轉速為 10sec/rev 時可獲得 1μm 的重現性；在微型刀具轉速為 5sec/rev 時重現性則下降至 3.2μm。

以 0.2mm 微型刀具的數據來分析可以發現，在微型刀具轉速為 50sec/rev、40sec/rev、

30sec/rev 時可獲得 1μm 以內的重現性；在微型刀具轉速為 20sec/rev 時可獲得 1μm 的重現性；在微型刀具轉速為 10sec/rev、5sec/rev 時可獲得 1μm 以內的重現性。

以 0.11mm 微型刀具的數據來分析可以發現，在微型刀具轉速為 50sec/rev、40sec/rev、

30sec/rev、20sec/rev 時可獲得 1μm 以內的重現性；在微型刀具轉速為 10sec/rev 時可獲得 1.1μm 的重現性；在微型刀具轉速為 5sec/rev

時可獲得 1μm 以內的重現性。

根據圖 7、圖 8、圖 9 之槽深平均值與轉速的關係，可以得知微型刀具轉速過快會無法掃描出完整的槽深尺寸，因而產生較小的槽深值。因此不論哪一種尺寸微型刀具在轉速為 20sec/rev、10sec/rev、5sec/rev 時所測量出來的槽深值，即使有很好的重現性亦不可將其視為正確的尺寸。

量測結果探討：

根據以上的量測結果，針對本系統歸納出幾個重點：

1、利用本研究所開發出的微型刀具芯厚量測自動化設備，可以有效量測微型刀具外徑值，其量測重複精度可小於 1μm。

2、槽深值的最大差異量與槽深值的平均值會受轉速影響，故需將槽深值的最大差異量與槽深值的平均值一並探討，以找出適當的微型刀具轉速。

3、在轉速為 30sec/rev 時，0.3mm、0.2mm 與 0.11mm 微型刀具皆可達到 1μm 以內的重現性。考量檢測效率，可使用此轉速進行微型刀具芯厚檢測；若需要更高的重現性可考慮更慢的轉速，但會降低其檢測效率。

圖 10 微型刀具幾何參數之五軸嵌入式檢測系統圖

四、參考文獻

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