微進給刀座與加工機系統整合驗證 加工 劉永田、張立良、林彥均 報告人:林彥均 (NSC-98-2221-E-327-012-MY2) Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST ) Kaohsiung, Taiwan NKFUST - Mechatronics Lab 2009-P.1 NKFUST 大 綱 1.前言 2.微型刀座放大原理與設計 3.基礎實驗規畫 4.基礎實驗結果與驗證加工 5.結論 NKFUST - Mechatronics Lab 2010-P.2 2011-P1 前言 近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形 狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工 技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加 工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲 線或曲面上不等節距導光板等。 特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機 構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。 光學鏡片 橢圓曲面上搭配微特徵 NKFUST.
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 2
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
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2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
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2010-P.18
2011-P17
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 4
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
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2011-P16
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Slide 5
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
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壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
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2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
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2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
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大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 7
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
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完
畢
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聆
聽
2010-P.18
2011-P17
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 9
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
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聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 10
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
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2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
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壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 12
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
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報
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完
畢
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聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 13
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 14
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
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完
畢
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聽
2010-P.18
2011-P17
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
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2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
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超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
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結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
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壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
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微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
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微進給刀座實體圖
2010-P.7
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基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
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2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
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連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
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放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
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頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
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微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 17
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
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2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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加工
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報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
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2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
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2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
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環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 2
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
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完
畢
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聽
2010-P.18
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 4
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
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完
畢
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聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 5
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
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連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
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2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
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2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
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超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
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結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
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2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
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壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
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2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
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2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 7
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
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2011-P16
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
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壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
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2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
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2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 10
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
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完
畢
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聽
2010-P.18
2011-P17
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 12
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 13
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 15
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
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聽
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
報
告
完
畢
謝
謝
聆
聽
2010-P.18
2011-P17
Slide 17
微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
NKFUST - Mechatronics Lab
放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.17
2011-P16
NKFUST - Mechatronics Lab
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畢
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聆
聽
2010-P.18
2011-P17
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微進給刀座與加工機系統整合驗證
加工
劉永田、張立良、林彥均
報告人:林彥均
(NSC-98-2221-E-327-012-MY2)
Dept of Mechanical and Automation Engineering ( NKFUST )
Kaohsiung, Taiwan
NKFUST - Mechatronics Lab
2009-P.1
NKFUST
大 綱
1.前言
2.微型刀座放大原理與設計
3.基礎實驗規畫
4.基礎實驗結果與驗證加工
5.結論
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.2
2011-P1
前言
近年來，隨著光電產業的蓬勃發展，帶動各種高精密、形
狀複雜之光學零組件的高度需求，而支援產業發展的基礎加工
技術，亦隨之朝向微細化、精密化、複雜化的方向發展，如加
工橢圓形狀工件、非軸對稱(Asymmetric)微光學鏡片陣列、曲
線或曲面上不等節距導光板等。
特殊形狀零組件的加工，需搭配慢刀伺服機
構(Slow tool servo)與快速刀具伺服機構(Fast tool
servo)，或多軸加工機(5軸、6軸)等。
光學鏡片
橢圓曲面上搭配微特徵
NKFUST - Mechatronics Lab
環形圓紋曲面
(資料來源：中美科技)
車燈頭燈(資料來源：中美科技)
2010-P.3
2011-P2
相關研究
撓性結構與壓電致動器微進給裝置
音圈馬達致動器之快刀裝置
(M. Nagashima,(ICPT), PC03 pp.151-152,2008)
(S. Motonishi, JSPE-57-12, 91-12-2139 ,1991)
溫控控制形狀記憶合金刀座
(K. Kitajima , 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004)
NKFUST - Mechatronics Lab
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
2010-P.4
2011-P3
現有刀座存在的問題
壓電致動器結合液壓波紋管之微小進給刀座
(Y. Morimoto ,(jamdsm).2.474-481,2008)
壓電出力與位移的曲線
NKFUST - Mechatronics Lab
ks為壓電致動器的剛性
ξs為壓電致動器的穩態（靜態）位移
反轉誤差
2010-P.5
2011-P4
新刀座驅動原理與設計
A1
A2
新型刀座設計
波紋示意圖
A1 0 A2 s
本波紋管之設計採用厚度0.1 mm具有弧度板材焊接式波紋管，大小波紋管
的外徑分別為ψ26.4 mm與ψ54.5 mm，以外徑估算位移放大倍率約為4.2倍
。
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.6
2011-P5
微進給刀座的組成
位移放大機購
微進給刀座示意圖
NKFUST - Mechatronics Lab
微進給刀座實體圖
2010-P.7
2011-P6
基礎實驗
基礎實驗裝置
連續步階驅動結果
位移特性結果
頻率與位移的關係
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.8
2011-P7
基礎實驗裝置
壓電致動器
5×5×10 mm (Tokin)
5×5×20 mm (Tokin)
兩顆串聯)
線性滑座
(THK VRT 2035A)
GAP sensor
(ADE5502)
AMP
(nf：HAS-4014)
基礎實驗裝置
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.9
2011-P8
連續步階驅動結果
以每10V區間，由0V逐步增加到110 V，由此，可獲得壓電致動器與刀座裝位移
連續步階響應結果
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放大倍率
2010-P.10
2011-P9
位移特性結果
由連續步階結果取平均值，繪製出壓電與刀座的位移特性
輸入電壓 Pzt位移 刀座位移 放大倍率
(V)
(μm)
(μm)
(ratio)
10
1.57
4.76
3.03
50
9.2
31.2
3.39
100
19.93
72.86
3.66
PZT與刀座的位移特性
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2010-P.11
2011-P10
頻率與位移的關係
輸入200Hz與輸出位移的關係
頻率與位移的關係
輸入40Hz與輸出位移的關係
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2010-P.12
2011-P11
微進給刀座與加工機整合架構
本研究搭配嵌入NI cRIO9073控制器，採用NI 9514卡
片，其卡片針對單一軸線提
供伺服驅動器介面訊號；包
含輸入在內的完整運動 I/O
，編碼器 (Incremental
encoder)讀取，本刀座控制
程式使用LabVIEW軟體撰寫
，燒入至FPGA晶片中，燒
入部部分包含讀取光學尺訊
號、PI控制程式，輸出驅動
PZT的電壓，藉由光學尺閉
迴路位置控制。
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2010-P.13
2011-P12
超精密切平面試切削
Workpiece
Oxygen-free Copper
Feeding speed
30 mm/min
Spindle speed
300 rpm
Depth of cut
10 m
Surface roughness
Alpha-Step was obtained as IQ Ra 16 nm
NKFUST - Mechatronics Lab
2010-P.14
2011-P13
結論
本研究對描述刀座基礎特性，包含行程、位移放大倍率、頻率與位移的關
係等，並利用其特性並整合加工機進行驗證切平面試切削，主要的成果如
下：
1) 由連續步階驅動實驗得穩定之放大倍率為3~3.6倍，以110 V驅動，行程
可達73μm。
2) 連續步階響應結果放大倍率介於3.03與3.66間，放大比例不如理論值的
原因，推估是波紋焊接處之狹小空間內存在著空氣，當位移變化較小
時波紋內部存在的空氣影響較大，當位移越大時影響相對波紋內部存
在的空氣影響較小，導致放大倍率的變動。
3) 趨近刀座共振頻率之200 Hz驅動時，相位差明顯，且峰值位移亦異常放
大，可能是趨近共振頻率的關係，得刀座的有效驅動頻率範圍約在150
Hz以下。
4) 由具位移放大機構之微進給刀座，對無氧素銅進行車削切平面，其表
面粗糙度Ra =16 nm。
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2010-P.15
2011-P14
未來發展
精微切削加工所需之切削力極小，初估可以進行微陣列光學鏡
片模仁加工。
由基礎實驗得有效之驅動頻率為150 Hz，可應用於慢刀伺服機
構(Fast tool servo)，進行非對稱軸之研究。
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2010-P.16
2011-P15
參考文獻
[1] S. Motonishi, Y. Hara, and K. Yoshida, A New Micro Cutting System with High Resolution,” The Japan
Society for Precision Engineering, JSPE-57-12, 91-12-2139, 1991.
[2] T. Sanuki, M. Tano, W. Gao and S. Kiyono, Design and construct of a fast-tool-control equipped with a
force sensor, 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, F34. pp.463-463, 2005.
[3] H. Mizumoto, S. Arii, Y. Kami, and M. Yabuya, A Micro Cutting Device using an Active Aerostatic
Guideway, 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, G13. pp.617-618, 2004.
[4] K. Kitajima, and H. Sogabe, Development of Shrinking Tool Holder by Utilizing of Shape Memory Alloy,
The Japan Society for Precision Engineering, Vol. 70.No.7, pp.989-993, 2004.
[5] M. Yoshino, E. Higashi, and K. Kawade, Development of a Machining Tester for Two Dimensional
Machining Test under External Hydrostatic Pressure, JSME International Journal, Series, Vol. 49, pp.329333, 2006.
[6] D. L. Trumper, X. Lu, Fast tool Servos: Advances in Precision, Acceleration, and Bandwidth, Towards
Synthesis of Micro-/Nano-systems, The 11th International Conference on Precision Engineering (ICPE),
Tokyo Japan, 2006.
[7] M. Nagashima, Y. Jin, Y. Arai, W. Gao, (2008), Fast tool control by a voice coil actuator, Int. Conf.
Positioning Technology Hamamatsu(ICPT), PC03 pp.151-152, 2008
[8] 博光華，賴昆輝，撓性車削系統之微精細車削特性研究，國立海洋大學機械與機電學系碩士論文，
2005。
[9] 黃建立，王詠傑，應用於車削的主動式減振控制的壓電致動刀具設計，逢甲大學 e-Thesys，2006。
[10] Y. Morimoto, Y. Ichida, R. Sato, and Y. Ohori, Development of Cutting Device with Enlargement
Mechanism of Displacement, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing,
pp.474-481, 2008.
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