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橢圓凸輪驅動之精密快速往復式進給系統開發與應用

摘要"

本研究呈現一種以橢圓凸輪為驅動機構的「精密快速往復式進給系統」之研發與應用,以便精密且快速製作表面微結構陣列。研究中,先以四種不同的驅動機構,包括連桿、偏心凸輪、斜盤凸輪與橢圓凸輪等機構,進行動力學分析與評估,發現橢圓凸輪驅動機構設計,容易抑制系統振動、獲得穩定的高加速度及雙倍驅動頻率的優勢,故以此機構進行精密快速往復式進給系統開發,並導入有限元素以預測系統的脆弱部分、潛在形變量與自然共振頻率。往復式進給系統的可行性以兩項實驗進行驗證,包括微膠體陣列及微凹坑陣列的創成實驗。結果顯示在面板進給率300mm/min,光學膠擠出壓力4kgf/cm2,點膠頻率2Hz條件下,可獲致18×24的高密度微膠體陣列,耗時僅216秒;在1200mm/min的工件進給率,30µm的切深及10Hz的刀具作動頻率下,可創成出12×34mm2個高密度微凹坑陣列,時間僅需40秒,而創成的微膠體陣列及微凹坑陣列均具高一致性的特徵形狀,證實此項「精密快速往復式進給系統」技術的研發,著實能應用於高精度與高重複性的表面微結構陣列之製造。

關鍵詞:往復式進給,橢圓凸輪,微膠體陣列,微凹坑陣列。

元件微型化減少了製造成本與能源的需求,所以微型化技術便易成為現代製造技術的關鍵。典型的微型化技術如表面微結構(Surface microtexture)製造,它以不同的微細特徵形狀及尺度,應用於生醫、光電與通訊等領域。微凹坑陣列(Microdimple array)是表面微結構的代表,廣用於微透鏡陣列模仁製造[1, 2],培養細胞的微小巢陣列成形[3, 4],提供儲油及增加潤滑分布,減少材料表面摩擦的微凹坑陣列創成[5, 6],以及美觀等用途。常用的表面微結構特徵形狀端看使用目的,可以是圓形或橢圓形,凹型或凸型。製作表面微結構的技術很多,如以液滴式噴墨技術成形微透鏡陣列[7]、黃光微影製程技術[8]、短脈衝雷射加工[9]、電化學微加工[10],機械式微鑽削加工[11, 12],微放電加工[13],以及超精密加工[14]等,這些技術當中,某些製程對環境並不友善,有些需要昂貴的製程設備,有些方法的材料移除率很低,或是無法獲致良好的表面品質與精度。鑒此,本研究針對表面微結構製造,提出一種具成本效益(Cost-effective)的方法以「橢圓凸輪」為驅動機構的「精密快速往復式進給系統」設計,並以此系統設計,建構高密度「微墨點陣列(Micro ink-dot array)」,「微膠體陣列(Micro OCA-body array)」與「微凹坑陣列(Microdimplearray)」的快速創成技術,以及對創成之微結構特徵的尺寸精度,幾何精度與表面粗糙度進行探討,期能對表面微結構,提供精密且快速的製作技術。

研究方法

往復式進給機構的設計,首先以「曲柄滑塊」、「偏心凸輪」、「斜盤凸輪」與「橢圓凸輪」等四種驅動機構進行探討。曲柄滑塊驅動機構如圖1(a)-1所示,它具高動力傳遞、低成本及確動驅動等優點,但易發生因質量偏心而造成系統振動;其位移方程式S及最大行程Smax如式(1)所示,式中,θ為轉動夾角,df為滑塊與旋轉中心間距,dl為曲柄長度,L為連桿長度。偏心凸輪驅動機構如圖1(a)-2所示,具設計簡單及低成本優點,但也易發生系統振動,其位移公式S及最大行程Smax如式(2)所示,式中,θ為轉動夾角,rc為滑塊弧狀半徑,de為凸輪偏心距,df為滑塊與旋轉中心間距。斜盤凸輪驅動機構如圖1(a)-3所示,亦具有製造簡單及低成本優點,但也易因質量偏心而發生旋轉振動問題,其位移公式S及最大行程Smax如式(3)所示,式中,θ為轉動夾角,θc為斜盤凸輪角度,ds為斜盤凸輪軸心偏置距離。橢圓凸輪驅動機構如圖1(a)-4所示,由於對稱設計,故具低振動優勢,且單位時間位移的次數為其他機構的兩倍(圖1(b)),在速度及加速度的表現,亦都優於其他機構(圖1(c)及(d)),惟製造不易。其位移公式S及最大行程Smax如式(4)所示,式中,θ為轉動夾角,a為橢圓半長軸,b為橢圓半短軸。如表1所列,比較上述4種驅動機構可發現,橢圓凸輪驅動機構具雙倍驅動頻率,低振動及高加速度優勢,故本研究以橢圓凸輪作為往復式進給系統之驅動機構。……(更多內容,請見機新刊雜誌)

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