臺灣博碩士論文加值系統

本文報告一台可供3C產品階級差(段差)與共面度自動化光學檢測(AOI)的設備之研究開發；於機電整合設計上，本設備採LabVIEW程式整合機構設計、雷射掃描模組、電動機驅動、與資料擷取及運算控制技術。本文在實驗研究上採一批四件的夾具設計達成穩定的夾持、變換間距機構與批量切換工作，運動模組負責夾持機構之搬移、定位，並利用伺服馬達轉動產品，讓雷射模組可高速掃描整批產品之全周。雷射檢測模組選用KEYENCE LJ-G030線雷射位移計，並導入先掃描後分析的數據擷取程式，改善過去單點雷射束在檢測時需先在將產品靜置等待掃描問題。因過去點雷射束的光點極小，量測多點時須有多個軸向位移機構以達掃描位置，需複雜機構設計與造成量測時間過久問題。本方法是先讓產品以定速旋轉一周，並令線雷射束完成產品全周輪廓掃描，之後再從這些擷取的數據中，搜尋計算階級差與共面度檢測值，這樣做的優點有二，即見機構簡化增快速度、與提高穩定性。本研究之雷射掃描量測結果方面，階級差與共面度實驗皆達到重複性與重現性條件(GRR)10%內，製程參數Cpk方面也有達到1.74以上優級的表現，證實其檢測精度能滿足客戶所需。另在作業速度表現，本實驗機需時2.75s/piece與上一代機檢測速度4.5s/piece 的檢測成本節約1.75s/piece。加計夾持移載與定位時間後，本實驗機在每小時產量達1310piece，與上代機的800piece相比增加510piece，達38.9%。由這些數據證實本自動化實驗機不僅具超越前代機之檢測性能，也為企業增加生產力與競爭力。

This thesis is aimed at research and development of an AOI system built by a mechatronic design for STEP-error and In-Plane inspection of a 3C prod-uct. The proposed systems involve mechanism design, laser displacement sensor, motor driving, data acquisition and control, integrated within a LABVIEW computing programs. A novel four-piece-in-one fixture was design associated with servo motion modules to achieve stable rotating/positioning and shifting mechanism, so that AOI laser beam can scan the product peripheral in one turn quickly. The laser module adopts KEYENCE LJ-G030 line-type laser dis-placement sensor and associated data acquisition system, which allows scan-ning first and analyzing batch data set latter. It reveals significant improvement on the low efficiency of the former point-type laser scanner which usually re-sulted in a workstation bottleneck, because of multi-axes motion with compli-cate mechanism was required to focus on each point around such a product. Therefore, there are two advantages with the proposed line-type laser module, that’s higher speed and higher stability. From experiments result, it takes 2.75 seconds with the proposed design to achieve STEP and In-Plane check for each piece. In average, this study saves 1.75 seconds of inspection for each piece in comparison with the former design. The AOI system also shows satisfied pre-cision on less than 10% of GRR repeatability and over 1.74 of Cpk process ca-pability index. Comparing with 800 UPH (piece per hour) for the former design, the novel one can achieve 1310 UPH, revealing that the proposed module increases productivity up to 38.9%. These results reveal that not only the supe-rior performance of the experimental system, but also more competitive and higher productivity for the enterprise is achieved.

中文摘要 i
英文摘要 iii
誌 謝 v
目 錄 vi
表 目 錄 viii
圖 目 錄 ix
符號說明 xii
第 一 章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究動機與目的 11
1.4 論文架構 13
第 二 章 基本原理 15
2.1 雷射基本原理 15
2.1.1 雷射的特性 16
2.2 雷射位移計原理 19
2.2.1 點雷射束與線雷射束比較 21
2.3 接觸式量測與非接觸量測 22
2.4 馬達的簡介 25
2.5 品質驗證的工具 27
2.5.1 GRR重覆性與重現性 27
2.5.2 Cpk製程能力指數 29
第 三 章 實驗設備與方法 32
3.1 輸送帶模組 32
3.1.1 載具與定位設計說明 32
3.1.2 減速機使用說明 35
3.2 運動機構模組 37
3.2.1 夾爪移載機構模組 38
3.3 雷射量測機構模組 40
3.3.1 旋轉檢測平台 40
3.3.2 變換間距機構 47
3.3.3 雷射位移掃描機構 48
3.4 電控模組 51
3.4.1 I/O控制卡 52
3.4.2 運動控制器 53
3.4.3 資料擷取卡 54
3.5 雷射掃描初始設定方法 57
3.5.1 雷射掃描工作原理 57
3.5.2 雷射掃描設定作業 59
第 四 章 自動化光學檢測實驗整合與結果分析 64
4.1 實驗設備架構 64
4.2 TOOL工具程式與主程式操控說明 67
4.3 GRR驗證作業 72
4.3.1 GRR驗證階級差 72
4.3.2 GRR驗證共面度 79
4.4 Cpk製程能力驗證 82
4.5 自動量測作業實驗 85
4.5.1 階級差自動實驗量測結果 86
4.5.2 共面度自動實驗量測結果 88
第 五 章 結論 93
第 六 章 未來展望與建議 94
參考文獻 95
簡 歷 98

[1]許文政，自動化工程導論講義，國立高雄應用科技大學，民國101年。
[2]郭興家、劉新在編著，自動化概論，高立圖書有限公司，民國87年。
[3]廖偉民，光電及雷射概論，亞東書局有限公司，民國76年。
[4]K-C Fan (1997), A non-contact automatic measurement for free-form sur-face profiles Original”, Computer Integrated Manufacturing Systems, Volume 10, Issue 4, October 1997, PP. 277-285.
[5]P. Kim, and S. Rhee (1999),“Three-dimensional inspection of ball grid array using laser vision system”, IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, Volume: 22, Issue: 2, pp.151-155.
[6]K-C Fan, Tung-Hsien Tsai (2001),“Optimal shape error analysis of the matching image for a free-form surface”, Robotics and Comput-er-Integrated Manufacturing, Volume 17, Issue 3, June 2001, pp.215-222.
[7]X. Zexiao, W. Jianguo, Z. Qiumei (2005),“Complete 3D measurement in reverse engineering using a multi-probe system”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 45, Issues 12–13, pp.1474-1486.
[8]鄭文揚，創新式多感測器三角雷射探頭之設計與製作，國立台灣科技
大學機械工程系碩士論文，2005年。
[9]Z. Xiang, E. Wu (2006),“Design and Calibration of a Fast 3D Scanning LADAR”, Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp.211 – 215.
[10]陳大衛，微型鑽針芯厚雷射量測系統之研製，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，2006年。
[11]徐力弘、黃文鴻、陳雲翔(2010)，掃描式雷射測距之研製，TSMEA台灣製造工程動化科技協會產學合作專刊，pp.49~52。
[12]邱銘宏、陳彥廷、陳佩妃(2010)，雷射掃描一維表面形貌之研究，2010全國AOI論壇與展覽大會手冊，2010年。
[13]劉建國，開發一結合雷射位移計及光學影像顯微術之嶄新檢測平台， 國立勤益科技大學機械工程系碩士論文，2012年。
[14]趙元伯，超音波輔助鑲嵌機之研發及其加工參數之研究，虎尾科技大學創意工程與精密科技研究所碩士論文(2010/ 01 / 01) ，pp.1-66，2010年。
[15]維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/激光(最後瀏覽日:2014/12/31)。
[16]曾繁信，雙鏡式環形雷射共振腔之模擬與分析，國立高雄應用科技大學光電與通訊工程研究所碩士論文，2008年。
[17]陳立宣，被動式Q開關摻鐿釔鋁石榴石環形雷射之研究，國立中山大學光電工程研究所碩士論文，2006年。
[18]丁勝懋，雷射工程導論，中央圖書出版社，民國95年。
[19]黃錦賢，認識雷射特性，中華民國職業訓練研究發展中心，民國90年。
[20]陳亮嘉，光學量測技術及原理，國立台灣大學機械系，2012年。
[21]Taiwan Keyence網頁 http://www.keyence.com.tw/ (最後瀏覽日:2014/12/31).
[22]高士閔，新型式三叉式微感測探頭於微型三次元量測機之量測行為探討，國立台北科技大學製造科技研究所碩士論文，2012年。
[23]孫孟君，雷射探頭整合於三軸微定位平台做介觀尺寸工件自動化量測之研究，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，2006年。
[24]林紀穎、李乾耀，馬達簡介與直流馬達控制，國立台灣大學，2010。
[25]黃欽淵，步進與伺服馬達的即時模擬與參數最佳化，中國文化大學數位機電科技研究所碩士學位論文，2009年。
[26]何佩蓁，製程能力指標在六標準差的應用一以觸控面板製程為例，國立勤益科技大學工業工程與管理研究所碩士論文，民國101年。
[27]曾豪傑，統計概念與方法(二)講義，正崴精密技術發展處，民國101年。
[28]黃俞璇，工具機導入RFID AGV與系統介面之研究，逢甲大學工業工程與系統管理學系碩士論文，2013年。
[29]Oriental motor網頁，http://www.orientalmotor.com.tw/ (最後瀏覽日:2014/12/31)
[30]呂秉軒，減速機軸斷裂分析，國立宜蘭大學機械與機電工程學系碩士論文，2009年。
[31]陳雙源、古碧源、黃榮堂、龍仁光，機電整合導論(上)，台灣東華書局，民國94年。
[32]美商國家儀器(LabVIEW程式)，http://taiwan.ni.com/.(最後瀏覽日:2014/7/31)
[33]廖正琪，低成本運動控制器之設計與研究，龍華科技大學工程技術研究所碩士論文，2012年。
[34]Galil Motion Control網頁，DMC-B140使用手冊(最後瀏覽日:2014/7/31)。
[35]曾士豪，LABVIEW應用於感測元件平台之研究，國立彰化師範大學工業教育與技術學系碩士論文，2012年。
[36]林增祺，應用MSA之GRR手法評估量具校驗保養時機，逢甲大學工業工程與系統管理學系碩士論文，2010年。
[37]盛威群，Cpk與Ppk指標餘製程開發之應用-以自行車前叉豎管為例，逢甲大學工業工程與系統管理學系碩士論文，2010年。
[38]何應欽，作業管理第十一版，華泰文化事業股份有限公司，民國103年。