臺灣博碩士論文加值系統

三次元量床在精密工件尺寸檢測技術領域中，扮演一個很重要的角色。目前國內對於精密量測方面，產業界最常使用的量測儀器為三次元量床(Coordinate Measuring Machine；CMM)，一台三次元量床在安裝及後續使用期間，須定期對系統的精度，進行校正與補償，才能確保其應有的量測品質，而精度可說是三次元量床量測品質的指標。進行量測工作時，量床所產生幾何的誤差，主要是來自量床本身結構剛性以及空間位置運動，因此提高機台精度及剛性的性能需求，其結構設計必須有足夠的剛性，良好的量床結構有更好的動態特性，滿足高精度的要求。

本論文主要研究三次元量床的結構特性，包括靜剛性及動剛性分析，並進行空間位置誤差分析。使用有限元素分析法(Finite Element Analysis)用於分析整機結構特性，並有效改善量床的變形。此外，透過空間位置誤差分析與實驗進行比對，包括使用校驗標準規量測量床床台軸向之真直度與直角度，可將量測所得知之數據以最小平方法做計算，以了解床台實際量測真直度與直角間的差異大小，以檢驗三次元量床之量測精度。在這項研究中，三次元量床以氣靜壓軸承驅動，建立各個零組件的邊界條件與參數設定，使分析結果更符合實際量床設定，以有限元素方法作為分析工具，包括靜態變形分析，模態分析，頻譜分析與暫態分析。由於量床重力加速度引起的結構變形及空間幾何誤差，透過空間位置誤差分析可探討相對變形之誤差，可提升整體量床之量測精度，進一步解析三次元量床量測能力的指標。

Coordinate Measuring Machine (CMM) plays an important role in the field of precision workpiece size detection technology. At the present time, CMM is one of the most widely used precision measurement device in the machinery industry. After the installation and operation of the CMM, it should be calibrated and the error should be adjusted from time to time, in order to ensure the accuracy and precision of the measured data.Measurement accuracy can be said to be an indicator of CMM measurement quality. During the measurement, the geometric errors generated by the machine are mainly due to the measuring machine structure rigidity and movement in spatial position. Therefore, to improve the machine's accuracy and rigidity, the structural design must have sufficient rigidity and a good machine structure. Make the measuring machine have better dynamic characteristics and meet the requirements of high precision.

This study mainly discusses the structural characteristics of the three-dimensional measuring bed, including static and dynamic rigidity analysis, and performs spatial position error analysis. By using Finite element analysis (FEA) to analyze the structural characteristics of the whole machine, and can effectively improve the deformation of the measuring bed. In addition, through the analysis of the spatial position error and it is compared with the measurment,By using standard calibration instrument to calibrate the straightness and the angle of the CMM, the result data can be analyzed using least squares. Thus, the measurement error of straightness and angle in the CMM can be obtained. The results can be used to define the precision of CMM.In this research, the three-dimensional measuring bed is driven by aerostatic bearings, and the boundary conditions and parameter settings of each component are established to make the analysis results more consistent with the actual machine characteristics. The finite element method is used as an analysis tool, including static deformation analysis, Modal analysis, spectrum analysis and transient analysis. Due to the structural deformation and spatial geometric errors caused by the gravitational acceleration of the measuring bed, the errors of relative deformation can be explored through the analysis of spatial position errors to improve the measurement accuracy of the overall machine.

摘要...i
Abstract...i
誌謝...iii
目錄...iv
表目錄...vi
圖目錄...vii
符號說明...x
第一章 緒論...1
1.1研究背景...1
1.2研究目的...1
1.3文獻探討...1
1.3.1 CMM量測能力研究之文獻探討...1
1.3.2 一般量測系統量測特性研究之文獻探討...2
1.3.3結構分析研究之文獻探討...3
1.4論文架構...4
第二章 研究方法與基礎理論...6
2.1齊次座標轉換...6
2.1.1平移 (translation)...6
2.1.2旋轉 (rotation)...7
2.2振動與模態基礎理論...8
2.2.1單自由度系統...8
2.2.2 模態分析重要名詞...9
2.3有限元素法簡介...10
2.3.1有限元素法平衡方程式...11
2.3.2有限元素種類...13
2.3.3有限元素分析重要名詞...14
2.3.4量床的結構有限元素分析...15
2.4真直度誤差分析...16
第三章 三次元量床與實驗設備介紹...19
3.1三次元量床基本介紹...19
3.2三次元量床結構設計...20
3.2.1三次元量測的導引方式...25
3.2.2三次元量床之驅動方式...26
3.3三次元量床之量測探頭...26
3.3.1觸發式探頭...26
3.4實驗設備...27
3.4.1直規 (straightedge)...27
3.4.2塊規 (blocks gauge)...27
3.4.3直角規 (squares)...28
3.4.4 3D機械設計軟體...29
3.4.5 有限元素分析軟體...29
3.4.6 三次元座標量測軟體...30
第四章 有限元素軟體分析與探討...31
4.1有限元素分析...31
4.1.1有限元素模型...31
4.1.2材料性質...32
4.1.3網格化...32
4.1.4收斂性分析...33
4.1.5邊界條件設定...34
4.1.6靜剛性分析...36
4.1.7模態分析...37
4.1.8頻率響應分析...39
4.1.9暫態響應分析...40
4.1.10空間位置誤差分析...41
第五章 實驗結果與討論...58
5.1空間量測位置規劃...58
5.2環境溫度與濕度控制...59
5.3空間精度量測結果...60
5.4量床真直度量測...62
5.3直角度誤差...71
第六章 結論與未來展望...72
6.1結論...72
6.2未來展望...72
參考文獻...73

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