應用於軟性電路板沖孔加工之機構式線性致動器，其缺點為：系統之零件數多、傳動效率低、能源耗損大等。為提供快速與高品質之沖孔加工製程工作，其設計基本通則為追求組成系統之零件數要少、輕量化、加工件品質高、整體效率佳與能源耗損低。針對改善傳統連桿式線性致動器之運動與動態特性，首先分析現有連桿機構式線性致動器之性能表現，以獲得設計參考，並訂定欲設計之目標。依循工作需求與規格，進行非等轉速控制下，凸輪機構之合成與分析工作，以取代皮帶輪與搖臂等零件。凸輪式線性致動器之性能表現，所得成果遠優於預期目標，並且已獲得高速沖切薄型加工件所需能量觀點之初步實際驗證。本文所得之研究成果，亦可提供現行從事線性致動器相關設計，或從事高速沖切相關工作參考之用。

The drawbacks of the mechanical linear actuator which is applied to punch flexible printed circuit boards(FPCBs), are many components involved, low transmission efficient, and high proportion of energy consumption. In order to design and manufacture a device that can generate a rapid and high quality punching processes, the fundamental rules that can be followed are to use few parts with light weight design, good working piece, energy conserved, and perfect efficient. To improve the kinematic and dynamic characteristics of the existing mechanism, design, manufacture, and assessment are to be taken for developing new linear actuated mechanisms. The first step is to analyze the performance of the existing linkage actuator . The second step is to design a over-head cam mechanism of non-constant rotational speed to substitute the pulley and the rock arm according to the design specifications. The performance of the new type actuated device is superior to the existing mechanism, and this research had preliminary verified the viewpoint of the energy in high speed punching. The achievements of this research also provide references for linear actuator designers and high speed punching producers.

謝誌 Ⅰ
目錄 Ⅱ
圖目錄 Ⅲ
表目錄 Ⅵ
中文摘要 Ⅶ
英文摘要 Ⅷ
第一章 前言 1
1.1 背景與動機 2
1.2 文獻回顧 4
1.3 研究目的與研究方法 5
1.4 內容說明 6
第二章 連桿式線性致動器特性分析 7
2.1 連桿式線性致動器機構之位置解析 7
2.2 連桿式線性致動器機構之速度解析 10
2.3 連桿式線性致動器機構之加速度解析 11
2.4 連桿式線性致動器機構之急跳度解析 12
2.5 連桿式線性致動器之應用與缺失 15
2.6 連桿式線性致動器之改善對策 20
第三章 凸輪從動件運動曲線之合成 23
3.1 凸輪與凸輪從動件型式之介紹與分析 24
3.2 凸輪從動件運動特性理論基礎 27
3.3 凸輪從動件運動曲線與B-spline函數插值法 29
第四章 控制系統與伺服馬達控制曲線 40
4.1 運動控制卡之選擇 40
4.2 伺服控制器與伺服馬達之選擇 42
4.3 伺服馬達控制曲線—S型曲線之簡介 44
第五章 凸輪機構設計範例 50
5.1 凸輪外廓之合成與分析 50
5.2 凸輪機構之動態模擬與分析 53
5.3 凸輪從動件之沖孔能量模擬與分析 71
第六章 凸輪式線性致動器之實測與分析 74
6.1 凸輪式線性致動器之設計 75
6.2 量測系統之規劃與量測分析 77
第七章 軟性電路板沖孔能量實驗 85
7.1 偏心輪式線性致動器之設計與量測分析 85
7.2 軟性電路板沖孔能量實驗 89
第八章 結論與討論 99
參考文獻 102
附錄A 伺服驅動器參數設定與運動控制卡接線參考說明 105
附錄B 相關計畫與申請專利 116


圖目錄

圖1.1 龍門式機台之應用[1] 1
圖1.2 懸臂式機台之應用[1] 1
圖1.3 旋轉式機台之應用[1] 2
圖1.4 連桿式線性致動器[2] 2
圖1.5 螺桿式線性致動器[3] 3
圖1.6 空壓式線性致動器[4] 3
圖1.7 音圈馬達式線性致動器[6] 4
圖2.1 連桿式線性致動器平台[2] 7
圖2.2 機構示意圖 8
圖2.3 機構向量迴路 8
圖2.4 沖頭部機構 9
圖2.5 伺服馬達運動曲線 14
圖2.6 連桿式線性致動器沖頭部運動曲線 15
圖2.7 軟性印刷電路板(厚度：83μm) 15
圖2.8 軟性印刷電路板截面圖 16
圖2.9 軟性印刷電路板沖切加工示意圖 17
圖2.10 連桿式線性致動器沖頭部之能量變化 18
圖2.11 連桿式線性致動器加工孔件 19
圖2.12 沖頭部加速度與機台殘振量測示意圖 20
圖2.13 連桿式線性致動器沖頭部實際加速度 20
圖2.14 連桿式線性致動器機台殘振量 21
圖3.1 凸輪設計與製造流程 23
圖3.2 徑向凸輪 24
圖3.3 軸向凸輪 25
圖3.4 直動平板型從動件 25
圖3.5 直動滾子型從動件 26
圖3.6 直動傘型從動件 26
圖3.7 DRRD凸輪從動件運動位移曲線圖 27
圖3.8 凸輪無因次角位移與時間之關係 34
圖3.9 MS型凸輪從動件無因次運動特徵 35
圖3.10 MT型凸輪從動件無因次運動特徵 35
圖3.11 Polydyne型凸輪從動件無因次運動特徵 36
圖3.12 偏心輪從動件無因次運動特徵 37
圖3.13 B-spline型凸輪從動件無因次運動特徵 38
圖4.1 控制系統架構圖 40
圖4.2 運動控制卡與DDA關係圖 41
圖4.3 DDA功能示意圖 42
圖4.4 S型曲線之運動特徵 44
圖4.5 Ss=0與Ss=1之加速度曲線 46
圖4.6 S型曲線與梯型曲線加速度關係 46
圖4.7 S型曲線與梯型速度曲線之轉換關係 47
圖4.8 點對點之S型曲線規劃 47
圖4.9 凸輪無因次角位移與其從動件無因次位移特徵之關係 49
圖5.1 凸輪與傘型從動件示意圖 50
圖5.2 MS型凸輪外廓 51
圖5.3 MT型凸輪外廓 51
圖5.4 Polydyne型凸輪外廓 52
圖5.5 偏心輪外廓 52
圖5.6 B-spline型凸輪外廓 53
圖5.7 S型凸輪壓力角與曲率半徑 54
圖5.8 MT型凸輪壓力角與曲率半徑 54
圖5.9 Polydyne型凸輪壓力角與曲率半徑 55
圖5.10 偏心輪壓力角與曲率半徑 55
圖5.11 B-spline型凸輪壓力角與曲率半徑 56
圖5.12 MS型凸輪從動件運動曲線 57
圖5.13 MT型凸輪從動件運動曲線 58
圖5.14 Polydyne型凸輪從動件運動曲線 58
圖5.15 偏心輪從動件運動曲線 59
圖5.16 B-spline型凸輪從動件運動曲線 59
圖5.17 MS型凸輪與傘型從動件之接觸力與接觸應力 61
圖5.18 MT型凸輪與傘型從動件之接觸力與接觸應力 62
圖5.19 Polydyne型凸輪與傘型從動件之接觸力與接觸應力 62
圖5.20 偏心輪與傘型從動件之接觸力與接觸應力 63
圖5.21 B-spline型凸輪與傘型從動件之接觸力與接觸應力 63
圖5.22 MS型凸輪與滾子型從動件之接觸力與接觸應力 64
圖5.23 MT型凸輪與滾子型從動件之接觸力與接觸應力 65
圖5.24 Polydyne型凸輪與滾子型從動件之接觸力與接觸應力 65
圖5.25 偏心輪與滾子型從動件之接觸力與接觸應力 66
圖5.26 B-spline型凸輪與滾子型從動件之接觸力與接觸應力 66
圖5.27 MS型凸輪機構之沖切力 67
圖5.28 MT型凸輪機構之沖切力 68
圖5.29 Polydyne型凸輪機構之沖切力 68
圖5.30 偏心輪機構之沖切力 69
圖5.31 B-spline型凸輪機構之沖切力 69
圖5.32 MS型凸輪從動件輸出能量變化 71
圖5.33 MT型凸輪從動件輸出能量變化 71
圖5.34 Polydyne型凸輪從動件輸出能量變化 72
圖5.35 偏心輪從動件輸出能量變化 72
圖5.36 B-spline型凸輪從動件輸出能量變化 73
圖6.1 凸輪式線性致動器系統 74
圖6.2 B-spline型凸輪 75
圖6.3 凸輪式線性致動器主要機構部之零件 75
圖6.4 凸輪式線性致動器 76
圖6.5 凸輪式線性致動器之主要機構部 77
圖6.6 整體系統實驗之架設圖 78
圖6.7 Measurement Automation Explorer控制介面圖 78
圖6.8 馬達實際運作速度曲線圖 79
圖6.9 馬達實際運作轉矩曲線圖 79
圖6.10 沖頭部加速度量測裝置 80
圖6.11 機台殘振量測裝置 81
圖6.12 凸輪式線性致動器沖頭部實際加速度 82
圖6.13 凸輪式線性致動器機台殘振量 83
圖6.14 凸輪式線性致動器加工孔件( ) 84
圖7.1 偏心輪 86
圖7.2 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度 86
圖7.3 偏心輪式線性致動器機台殘振量 87
圖7.4 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 88
圖7.5 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 89
圖7.6 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 89
圖7.7 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 90
圖7.8 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 90
圖7.9 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 91
圖7.10 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 91
圖7.11 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 92
圖7.12 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 92
圖7.13 偏心輪式線性致動器加工孔件( ) 93
圖7.14 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 94
圖7.15 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 94
圖7.16 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 95
圖7.17 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 95
圖7.18 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 96
圖7.19 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 96
圖7.20 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 97
圖7.21 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 97
圖7.22 偏心輪式線性致動器沖頭部實際加速度( ) 98
圖A.1 UMI-7764介面圖[51] 105
圖A.2 MELSERVO-J2S-10A之速度模式控制接線圖[35] 106
圖A.3 馬達空負載運轉曲線圖(Kp=49, Kd=0, Ki=0) 109
圖A.4 馬達空負載運轉曲線圖(Kp=75, Kd=0, Ki=0) 110
圖A.5 馬達空負載運轉曲線圖(Kp=100, Kd=0, Ki=0) 110
圖A.6 馬達空負載運轉曲線圖(Kp=49, Kd=50, Ki=0) 111
圖A.7 馬達空負載運轉曲線圖(Kp=49, Kd=100, Ki=0) 111
圖A.8 馬達空負載運轉曲線圖(Kp=49, Kd= 0, Ki=50) 112
圖A.9 馬達空負載運轉曲線圖(Kp=49, Kd=0, Ki=100) 112
圖A.10 實際系統機構馬達運轉曲線圖(Kp=10, Kd=0, Ki=0) 113
圖A.11 實際系統機構馬達運轉曲線圖(Kp=20, Kd=0, Ki=0) 114
圖A.12 實際系統機構馬達運轉曲線圖(Kp=50, Kd=0, Ki=0) 114


表目錄

表2.1 連桿式線性致動器運動特徵值 14
表2.2 PI之基本性質(25℃)[20] 17
表2.3 RA銅之基本性質(25℃)[20] 17
表2.4 連桿式線性致動器規格 22
表3.1 設計限制條件表 32
表4.1 步進式馬達與伺服式馬達之比較 42
表4.2 S型曲線之運動特徵最大值 45
表4.3 S型曲線之運動特徵時間 47
表5.1 各型凸輪從動件之運動特徵值 60
表5.2 各型凸輪機構之沖切力 70
表5.3 各型凸輪從動件之能量變化 73
表6.1 凸輪式線性致動器機械規格 76
表6.2 量測設備規格 81
表6.3 凸輪式線性致動器與連桿式線性致動器之比較 84
表A.1 UMI-7764介面說明 105
表A.2 MELSERVO-J2S-10A與UMI-7764連接參考 107
表A.3 MELSERVO-J2S-10A參數設定參考 108

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