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研究生: 許富雅
Fu-Ya Hsu
論文名稱: 使用超音波馬達研製微銑削工具機之奈米定位研究
Research on the Nano-Positioning of a Micro-Milling Machine Using the Ultrasonic Motors
指導教授: 修芳仲
Fang-Jung Shiou
口試委員: 林紀穎
Chi-Ying Lin
范光照
Kuang-Chao Fan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 108
中文關鍵詞: 超音波馬達精密定位平台PID控制微型工具機
外文關鍵詞: ultrasonic motor, co-planar positioning stage, PID control, micro-milling machine
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本研究目的為使用新型PC–based CNC ELC 2200控制器搭配以超音波馬達為致動器,開發具有精密定位功能之微奈米定位平台以整合於微型工具機,進行微銑切或鑽石刀具之鉋削。本研究使用台大實驗室所開發之共平面平台作為整個系統的基礎,利用新型CNC控制器(ELC 2200)以Dos介面去開發程式介面,並由Borland C 3.1程式軟體介面撰寫所需之命令,將命令傳送到驅動器以進行閉迴路定位誤差測試,搭配高精度雷射繞射式光學尺(LDGI)進行位移迴授;本研究採用PID控制演算法實現低速平穩的運動控制,並使用三種驅動方式(AC模式,Gate模式,DC模式)完成雙軸驅動。目前已完成雙軸閉迴路精密定位平台之定位控制,速度可達1 mm/s等速及定位誤差達100 nm以內。本研究並進行循圓測試,循圓半徑7 mm,其真圓度誤差為94 nm。定位平台應用於多晶鑽石刀具進行V溝之微加工,以定位間距100 μm進行微加工,量測微V溝之平均間距為100.363 μm。


The objective of this research is to develop an X-Y co-planar positioning stage with nanometer resolution using low-cost components and ultrasonic motors controlled by a PC–based CNC ELC 2200 controller. The development stage was integrated with a micro-milling machine that can perform the micro-milling or a diamond tool shaping. The PC–based CNC ELC 2200 controller was applied to develop the closed loop control program programmed with Borland C 3.1 language, to generate the control commands transmitted to the drivers of ultrasonic motors and to perform the positioning error tests. Two Laser Diffraction Grating Interferometer systems (LDGI) were integrated with the stage as displacement feedback sensors. A control program based on PID control was proposed and three control modes (AC mode, Gate mode and DC mode) have been tested. A circular positioning test with the radius of 7 mm using the developed stage was tested, and the overall roundness error was about 94 nm. The developed stage was applied to do the V-grooves cutting test of a polished aluminum alloy using the polycrystalline diamond tool. The average pitch error of the fabricated V-grooves was about 0.363 μm, based on the measured results.

中文摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖索引 VII 表索引 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻回顧 3 1.2.1 奈米定位平台之發展 3 1.2.2 超音波馬達之發展 6 1.2.3 超音波馬達驅動與控制之發展 9 1.3 論文大綱 12 第二章 系統架構與實驗設備介紹 13 2.1 系統架構 14 2.2 超音波馬達之工作原理 16 2.2.1 壓電效應原理 16 2.3 超音波馬達介紹 19 2.3.1 Nanomotion 超音波馬達之工作原理 22 2.4 超音波馬達HR8 之原理介紹 24 2.5 驅動器AB2 Driver 介紹 30 2.5.1 AB2 Driver 驅動模式說明 33 2.6 位移迴授感測器介紹 35 2.6.1 Renishaw 光學尺 35 2.6.2 雷射繞射光學尺(LDGI) 37 2.7 SIOS 雷射干涉儀 41 2.8 ELC 2200 控制器 42 第三章 控制理論 44 3.1 PID 控制器 44 3.2 類比PID 控制原理 45 3.2.1 PID 控制器的作用 46 3.2.2 數位PID 控制 48 第四章 實驗方法與定位控制設定 50 4.1 實驗方法 50 4.2 定位控制設定 53 第五章 實驗結果 56 5.1 Gate Mode 步距參數設定結果 56 5.2 PID 結果 60 5.2.1 AC Mode 之PID 60 5.2.2 DC Mode 之PID 63 5.3 Renishaw 光學尺實驗結果 66 5.3.1 AC Mode 速度測試結果 66 5.3.2 Gate Mode 定位結果 68 5.4 雙軸共平面定位平台實驗結果 71 5.4.1 LDGI 定位精度測試 72 5.4.2 雙軸定位平台AC Mode 測試結果 75 5.4.3 雙軸定位平台Gate Mode 測試結果 80 5.4.4 雙軸定位平台Gate Mode+DC Mode 測試結果 85 5.4.5 循圓軌跡測試 88 5.5 應用 92 第六章 結論與未來研究方向 93 6.1 結論 93 6.2 未來研究方向 94 附錄 控制器規格 100 作者簡介 108

[1] 井澤實、杜光宗,精密定位技術及其設計技術,建宏出版社,1992。
[2] D. W. Pohl, "Dynamic piezoelectric translation devices," Review of Scientific Instruments, vol. 58, p.54, 1987.
[3] Robert Curtis, et al., "A compact micropositioner for use in ultrahigh vacuum," Review of Scientific Instruments, vol. 64, p.2687, 1993.
[4] S. H. Chang and Li, S. S., "A high resolution long travel friction-drive micropositioner with programmable step size," Review of Scientific Instruments, vol. 70, p.2776, 1999.
[5] R. Pe’rez J. -M. Breguet, A. Bergander, C. Schmitt, R. Clavel, and H. Bleuler, "Piezoactuaors for motion control from centimeter to nanometer," presented at the Proceedings of the 2000 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2000.
[6] K. Pond, et al., "A two-dimensional ultrahigh vacuum positioner for scanning tunneling microscopy," Review of Scientific Instruments, vol. 69, p.1403, 1998.
[7] Peng Gao, et al., "Design and characterization of a piezo-driven ultra-precision stepping positioner," Measurement Science and Technology, vol. 11, pp.N15-N19, 2000.
[8] Pierre Cusin, et al., "Compact and precise positioner based on the Inchworm principle," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 10, pp.516-521, 2000.
[9] S. H. Chang and Du, B. C., "A precision piezodriven micropositioner mechanism with large travel range," Review of Scientific Instruments, vol. 69, p.1785, 1998.
[10] 簡揚昌,“壓電長行程定位平台驅動控制器之研製”, 國立台灣大學機械工程學研究所碩士論文,2003。
[11] H. V. Barth, "Ultrasonic driven motor," IBM Tech. Disclosure Bull, vol. 16, p.2263, 1973.
[12] V. Vishnevski V. Lavrinenco, and I. Kartashev, Radio Electron, pp.13-57, 1973.
[13] 見城尚志、指田年生著,許溢适編譯,超音波電動機基礎,文笙書局,1993。
[14] HR8 Ultrasonic Motor User Manual, Israel, 2005.
[15] AB2 Driver User Manual, Israel, 2005.
[16] Lin Faa-Jeng, "Fuzzy adaptive model-following position control for ultrasonic motor," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 12, p.261, 1997.
[17] 許安仁,“自調式類神經PID控制於超音波馬達之應用 ”, 國立中央大學機械工程研究所碩士論文,1999。
[18] 杜孟奇,“應用RBF類神經網路於超音波馬達之位置控制”,國立中央大學機械工程研究所碩士論文,2000。
[19] 沈孟樵,“應用RBF類神經網路於超音波馬達之位置控制”,私立中原大學電機研究所碩士論文,2001。
[20] T. Yamaguchi, et al., "Wear mode control of drive tip of ultrasonic motor for precision positioning," Wear, vol. 256, p.145, 2004.
[21] 黃柏凱,“利用智慧型控制之壓電致動器精密定位控制系統”, 國立東華大學電機工程研究所博士論文,2006。
[22] 賴子發,“超音波馬達智慧型奈米定位控制系統之研究”, 國立台灣大學機械工程研究所碩士論文,2006。
[23] 謝伯璜,“利用智慧型控制之X-Y-Θ三軸線性超音波馬達運動系統”, 國立東華大學電機工程研究所博士論文,2007。
[24] 孫世豪,“超音波馬達於共平面平台之定位研究”, 國立台灣大學機械工程研究所碩士論文,2008。
[25] 巫坤晉,“使用超音波馬達研製微銑削工具機之精密定位研究”, 國立台灣科技大學機械工程系碩士論文,2009。
[26] RGH24 series readhead, UK, 2001-2008.
[27] 李佰堃,“簡易型高對位公差之雷射繞射式光學尺之研製”, 國立台灣大學機械工程研究所碩士論文,2007。
[28] 張道弘編譯,PID控制理論與實務,全華科技圖書股份有限公司,1995。
[29] 劉海成編著,AVR 單晶片原理及測控工程應用-基于ATmega48/ATmega16,北京航空航天大學出版社,2008。

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