[[alternative]]Development of a non-contact measurement system for precision positioning in tool exchange process and for tool wear monitoring

碩士[[abstract]]傳統的加工技術已無法滿足於現況，產業追求「輕薄」、「短小」、 「多樣化」三大要求之產品，因此「超精密加工技術」成為重要關鍵 製造技術之一。使用鑽石刀具作超精密加工作業已被廣泛運用於生產 高精度之精密零件，主要應用於高硬度材料加工作業之中，鑽石刀具 具有堅硬、耐磨耗的特性，但仍會產生磨耗。超精密加工中以刀具影 響加工精度的主因有兩個：(1)刀具定位是否精確(2)刀具輪廓誤差， 因此檢測刀具輪廓與刀具定位以提高加工精度便是一項重要的研究。 本研究重點在於藉由光學式檢測系統之優點，輔以次像素技術提 高精度研發一套機械視覺系統輔助於刀具定位及刀具輪廓檢測。 經以光學顯微鏡驗證，研究中提出方法計算，刀具定位精度達 到±0.2um；刀具輪廓量測誤差由像素大小決定量測誤差、刀面角量測 誤差控制在±0.2°以內符合超精密加工作業之要求。[[abstract]]Diamond cutting tools have been widely used in ultra-precision machining of precision components/molds where superb surface finish and tight form accuracy are the basic requirements. Although diamond has the highest hardness of known materials, it’s only the matter of time the well-defined sharp cutting edge of diamond tool will gradually wear down during the machining process. The wear induced profile error often makes the outcome of machining rather unpredictable. Tool setting and tool shape monitoring are therefore playing critical roles in ensuring high product form accuracy. An effective and precise tool setting/profile monitoring technique are essential in ultra-precision machining operation. In the present study, a non-contact monitoring system together with sub-pixel image processing technique was employed to in-situ monitor tool profile. The results showed that the achievable accuracy of this system strongly depended on the amount of frames, quality of the images and the sub-pixel analysis technique. A tool setting accuracy of ±0.2μm was successfully achieved in this study using the developed system.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 ................................................................................................... I 英文摘要 .................................................................................................. II 致謝 ................................................................................................. IV 目錄 .................................................................................................. V 圖目錄 ............................................................................................... VIII 表目錄 ................................................................................................ XII 第一章 序論 .......................................................................................... 1 1-1 前言 .......................................................................................... 1 1-2 研究動機與目的 ....................................................................... 2 第二章 相關研究與現況 ....................................................................... 4 2-1 刀具對心原因與影響 ............................................................... 4 2-2 刀具輪廓誤差成因與影響 ....................................................... 7 2-3 刀具加工與自動監測 ............................................................... 9 2-4 以機械視覺與影像處理應用於刀具定位及磨耗檢測 ......... 10 第三章 影像處理技術 ......................................................................... 14 3-1 機械視覺介紹 ......................................................................... 14 3-2 刀具定位系統 ......................................................................... 17 3-2-1 影像前處理與影像擷取 ................................................. 21 3-2-2 影像增強與去除雜訊 ..................................................... 22 3-2-2-1 中值濾波器 ..................................................................... 23 3-2-2-2 LUM 濾波器[35] .............................................................. 23 3-2-3 邊緣偵測[13] .................................................................. 28 3-2-3-1 Sobel 邊緣偵測法 .......................................................... 29 3-2-3-2 Canny 邊緣偵測法 .......................................................... 30 3-2-4 閥值選取 ......................................................................... 31 3-2-4-1 固定閥值 ......................................................................... 32 3-2-4-2 Otsu 選取法[36] .............................................................. 32 3-2-4-3 動差守恆式（Moment-preserving method） ............... 33 3-2-5 刀具刀尖位訂定 ............................................................. 35 3-2-5-1 迴歸直線(Regression line) .............................................. 36 3-2-5-2 動態邊緣擬合 ................................................................. 39 3-3 刀具輪廓檢測系統 ................................................................. 40 3-3-1 機械視覺建構之刀具輪廓檢測系統 ............................. 41 3-3-2 刀具輪廓影像檢測 ......................................................... 42 3-3-3 刀具輪廓影像 ................................................................. 43 3-3-4 曲線擬合圓 ..................................................................... 43 3-3-5 Waviness 計算與測量 ..................................................... 45 第四章 實驗設備及實驗規劃 ............................................................. 46 4-1 設備 ........................................................................................ 46 4-2 分析設備 ................................................................................ 48 4-3 實驗規劃 ................................................................................ 49 第五章 結果與討論 ............................................................................. 52 5-1 刀具影像數位化 ..................................................................... 52 5-1-1 像素大小與實際尺寸之轉換 ......................................... 52 5-1-2 檢測系統的校正 ............................................................. 54 5-2 刀具定位系統 ......................................................................... 55 5-2-1 定位誤差與取像行程關係 ............................................. 56 5-2-2 定位誤差與取像間距關係 ............................................. 58 5-2-3 加工機台實際換刀定位情況 ......................................... 60 5-3 刀具輪廓誤差檢測 ................................................................. 63 5-3-1 像素選取的多寡與刀面角計算之關係 ......................... 63 5-2-4 閥值選取與刀面角度計算之關係 ................................. 68 5-2-5 刀刃波紋（Waviness）的計算與比較 .......................... 71 第六章 結論 ........................................................................................ 76 參考文獻 ................................................................................................ 78 圖目錄 圖2-1 刀具對心示意圖 ....................................................................... 4 圖2-2 刀具與工具機對心示意圖(A)對心過高(B)對心過低 .............. 5 圖2-3 (A)、(B)刀具偏右與偏左加工曲面工件形狀誤差 .................. 5 圖2-4 傳統刀具對心流程圖 ............................................................... 6 圖2-5 鑽石車刀幾合參數 ................................................................... 7 圖2-6 (A)鑽石刀具上視圖(B)刀刃波紋圖示意 .................................. 8 圖2-7 鑽石切削加工刀具主要磨耗形式(A)刀腹磨耗(B)刀面磨耗 .. 9 圖3-1 (A)CCD(DELSA-M1400) (B)CMOS(DELSA-VGA300) .................. 14 圖3-2 刀具與機械視覺前進方向示意圖 ......................................... 17 圖3-3 前進方向一致示意圖 ............................................................. 18 圖3-4 機械視覺刀具定位流程圖 ..................................................... 18 圖3-5 定位系統流程示意圖 ............................................................. 19 圖3-6 刀尖刃口空間位置相對於影像座標位置示意圖 ................. 21 圖3-7 影像前處理作業流程示意圖 ................................................. 22 圖3-8 LUM 平滑濾波器輸出 ............................................................ 25 圖3-9 LUM 銳化濾波器輸出 ............................................................ 26 圖3-10 (A)LUM 平滑濾波器(B)LUM 銳化濾波器(C)LUM 濾波器 ...... 28 圖3-11 灰階變化劇烈點所在示意圖 ................................................. 29 圖3-12 SOBEL 與CANNY 運算子邊緣偵測結果 ................................ 29 IX 圖3-13 SOBEL 邊緣偵測(A)計算使用3X3 遮罩(B) 計算X 方向遮罩(C) 計算Y 方向遮罩 .................................................................................... 30 圖3-14 利用閥值偵測邊緣示意圖(A)物體與背景的灰階地段(B)閥值 決定將影像分為黑與白 ......................................................................... 31 圖3-15 用於統計平均求閥值之灰階分佈圖 ..................................... 32 圖3-16 尋找刀具尖點程式邏輯示意圖 ............................................. 35 圖3-17 刀具尖點位置示意圖 ............................................................. 36 圖3-18 刀具尖點微動示意圖 ............................................................. 37 圖3-19 邊緣擬合示意圖 ..................................................................... 39 圖3-20 動態邊緣擬合示意圖 ............................................................. 40 圖3-21 典型鑽石圓刀數位影像圖 ..................................................... 43 圖4-1 (A)日本JIA CV-A1 高倍率數位攝影機(B)加拿大DELAS GENIE-M1400 .......................................................................................... 46 圖4-2 MAXTROX METEOR II 影像擷取卡 ......................................... 47 圖4-3 背光板與光源供應器 ............................................................. 47 圖4-4 (A)電子顯微鏡(B)光學顯微鏡 ................................................ 48 圖4-5 MITUTOYO 光學測定機 PJ-A3000 ......................................... 49 圖4-6 監測程式流程與參數示意圖 ................................................. 50 圖5-1 刀具影像處理分析圖 (A)原始影像 (B)強化影像 (C)影像二 值化 (D)影像邊緣偵測 .......................................................................... 52 圖5-2 計算像素大小示意圖 ............................................................. 53 圖5-3 影像校正示意圖 ..................................................................... 54 圖5-4 不同取點法尋找刀具影像刀尖位置與像素位置之關係圖(A) 像素位置(B)動態邊緣擬合 .................................................................... 55 圖5-5 不同取像行程固定間距對定位精度影響(A)X 軸方向定位(B)Z 軸方向定位 ............................................................................................ 57 圖5-6 不同取像間距固定行程對定位精度影響(A)X 軸方向定位(B)Z 軸方向定位 ............................................................................................ 59 圖5-7 X 軸換刀前後位置 .................................................................. 61 圖5-8 X 軸換刀後的誤差值 .............................................................. 61 圖5-9 Z 軸換刀前後位置 .................................................................. 62 圖5-10 Z 軸換刀後的誤差值 .............................................................. 62 圖5-11 (A)未鍍金之鑽石刀具(B)鍍金之鑽石刀面 ............................ 64 圖5-12 像素選取與刀面角計算之關係 ............................................. 64 圖5-13 像素選取的多寡與刀面角計算之影響(二) ........................... 66 圖5-14 像素選取的多寡與刀面角計算誤差率 ................................. 66 圖5-15 像素選取的多寡與刀面角計算之影響(三) ........................... 67 圖5-16 像素選取的多寡與刀面角計算誤差率(二) ........................... 67 圖5-17 (A)85 度鑽石刀具影像圖(B)30 度鑽石刀具影像圖 .............. 68 圖5-18 85 度鑽石刀具(A)最佳閥值檢測(B)自動閥值檢測 ............... 69 圖5-19 30 度鑽石刀具(A)最佳閥值檢測(B)自動閥值檢測 ............... 69 圖5-20 34 度鑽石刀具(A)最佳閥值檢測(B)自動閥值檢測 ............... 70 圖5-21 90 圓弧半徑之刀具OM 圖 ............................................... 71 圖5-22 多項式擬合曲線所求得之波紋圖 ......................................... 72 圖5-23 未知半徑檢測之波紋圖 ......................................................... 72 圖5-24 90 圓弧半徑鑽石刀具OM 圖 ........................................... 73 圖5-25 邊緣影像圖 ............................................................................. 73 圖5-26 多項式擬合曲線所求得之波紋圖 ......................................... 74 圖5-27 90um圓弧半徑鑽石刀具(A)SEM圖(B)邊緣影像圖經九階多項 式擬合曲線 ............................................................................................ 75 表目錄 表1 影響車削加工誤差之主要因素[6] .......................................... 2 表2 常見刀具自動監測方法[6] .................................................... 10 表3 特性與性能比較 ..................................................................... 16 表4 實驗參數設定 ......................................................................... 51 表5 刀具移動距離與像素座標之關係 ......................................... 53[[note]]學號: 697370087, 學年度: 9