合肥-2014)精密机械精度基础-(

NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.精密機械之精度基礎台大機械系范光照教授NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.何謂精密機械?•台灣的精密機械產業•精密機械定義與範疇認識•精密機械之精度誤差成因•精密機械之誤差檢測與補償簡介內容NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.台灣精密機械產業概況NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.台灣機械工業產值NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.20102009排名國別產值國別產值1大陸199.8日本1532日本118.42大陸1083德國97.50德國70.074義大利51.66義大利52.425韓國44.98韓國27.586台灣38.03台灣22.667瑞士21.85美國22.198美國20.26瑞士21.65世界工具機生產國排名單位：億美元NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.產品名稱2010年(台灣)（台幣/件）台灣主要出口國2010年(中國)（台幣/件）中國主要出口國差異(台灣：中國)綜合加工機1,783,007中、美、土、印813,203韓、越、美、土2.19:1車床285,737中、美、土、印210,637韓、美、德、日1.36:1鑽、鏜、銑252,472中、香、巴、美203,375美、德、印、緬1.24:1磨床45,536中、香、美、印23,078美、德、越、印1.97:1放電、雷射366,803中、香、韓、美201,398香、美、韓、印1.82:1鍛壓、衝壓成型379,162中、泰、馬、巴227,498印、越、緬、馬1.7:1兩岸工具機出口單價比較資料來源：中華民國財政部關稅局、中國進出口資料；PMC彙整6NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.綜合加工機20102009銷售金額台數平均單價銷售金額台數平均單價日本1,990,326,98820,07299,159607,500,2463,850157,792德國507,393,913762665,871337,126,715456739,313台灣460,235,6336,40471,867183,300,4672,10587,079韓國211,369,3372,37389,073144,547,5151,48097,667義大利117,616,5321131,040,854102,568,525951,079,669瑞士52,931,948133397,98544,728,45195470,826美國62,369,1931,23350,58327,344,77246758,554各國工具機在大陸市場銷售比較-綜合加工機資料來源：大陸進出口統計資料、財團法人工具機發展基金會單位：美元7NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.台灣機械工業的產值探討所謂的新”兆”元，真的都是屬於精密機械的產值嗎?當然不是!絕大部份仍屬傳統產業機械(金屬加工用機械、電子及半導體生產用機械、其他通用機械….)精密機械與一般機械有何不同?學會組織:機械工程學會and精密工程學會美國--ASMEandASPE日本--JSMEandJSPE韓國–KSMEandKSPE台灣--CSMETSPE(籌備中)歐洲–EUSPEN亞洲–ASPENNationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.系統組成：零組件（機電）、組裝、控制技術要求：設計、分析、製造、自動控制領域：鋼鐵、車輛、工具機、紡織、模具、石化、輸送、電機、木工、冷凍空調…產品要求：功能符合、可靠度規格：巨觀尺寸(Macro,數mm以上）精度要求在10μm以上（條）（一）傳統機械精密機械定義與範疇認識NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.增加需求：精密度觀念（準確度、解析度、重複性）增加技術：光電感測、精密定位與控制、誤差補償、材料、環控領域：CNC及精密工具機、機械手臂、精密模具、精密量儀、PCB及IC製程設備….規格：巨/介觀尺寸(Macro/Meso,0.1mm以上）,精度要求在10-0.1μm（二）精密機械（微米）(since1970)NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.增加需求：奈米觀念（準確度、解析度、重複性）增加技術：奈米感測探頭、奈米定位與控制、環境嚴格控制、材料選擇領域：IC製程設備、微器件、奈米加工、奈米量儀規格：巨-微-奈(Macro/Micro/Nano,10nm以上）,精度要求在100-1nm（三）奈米機械(Since1990)NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.12Accuracy,RepeatabilityandPrecision(Repeatability)(Accuracy)AccuracyRepeatabilityPrecision=Accuracy+RepeatabilityIfthemachinetoolperformanceisrepeatable,theaccuracycanbeimprovedbyerrorcompensationstrategyNationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.WhatisPrecisionEngineering?PrecisionEngineeringisdefinedaspainstaking(費心)attentiontodetailandrequiresknowledgeofawidevarietyofmeasurement,fabrication,andcontrolissues.Increasingtheprecision--theaccuracyandrepeatability--ofamechanismorprocessiscriticaltoourcountry'scompetitivepositionintheworldofhightechnology.ProfessorMcKeown,CranfieldUniversity,UKNationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.WhatisPrecisionEngineering?WikipediaPrecisionengineeringisasubdisciplineofelectricalengineering,electronicsengineering,mechanicalengineering,andopticalengineeringconcernedwithdesigningmachines,fixtures,andotherstructuresthathaveexceptionallylowtolerances,arerepeatable,andarestableovertime.Theseapproacheshaveapplicationsinmachinetools,MEMS,NEMS,optoelectronicsdesign,andmanyotherfields.NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.相關定義精密切削(Precisionmachining),WIKI精密切削是一種要求從工件上移除材料時須具有非常高允許公差的製程，此允許公差與工具機的精度有關，精密工具機的允許切削公差須在5μm以內。精密工程(Precisionengineering),Cranfieldprecision/EUSPEN精密工程是要求”準確度除以行程的比率達10-6以下”，如行程為1米，則誤差為1μm以內。超精密工程(Ultraprecisionengineering)須達到10-7以下。NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.精密機械定義廣義：能製造比目前更高品質的機械設備或技術狹義：以精度為指標，達某標準者為精密機械現況未來我國相對精度要求(最大定位誤差/工作行程）10-510-6國外10-60.5x10-6我國絕對精度要求誤差在10µm以下5µm以下國外要求絕對精度在5µm以下1µm以下NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.5mm0.5mm0.1mm0.05mmNano-processingEnergyParticleBeamProcessingOrdinaryPolishingOrdinaryLappingOrdinaryCutting加工或製程0.1mm0.01mm1μm0.1μm0.01μm0.001μm190019201940196019802000全製造精度Year0.005mm精密加工技術發展TaniguchiCurve(1982)NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.附加價值之提昇(以工具機為例)2468101214附加價值性0.0010.010.1(1mm)(mm)加工精度超高精度加工（2mm以內）高精度加工（0.01mm以內）普通精度（0.1mm以內)素形材精度台灣中品級工具機價位200~500萬歐/日A+工具機價位1000~1500萬由於精度、穩定性與信賴度的差異，歐日設備附加價值為台灣的3~5倍以上精度與價值關係NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.2015年台灣產業與科技整合研究計畫之產業願景表Q:您認為那些技術須要用到精密機械?NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.作業1(for博士班)請上網查大陸國務院重大裝備研發精密機床的指南NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringPrecisionMetrologyLab.比較例子台灣精密NC工具機行程800mm,定位誤差5μm則定位誤差/行程=6×10-6只達現況WaferStepper32nmtechnology線寬(CD)32nm,容許疊層(overlay)誤差5.4nm,移轉台容許定位誤差0.54nm6吋晶圓行程140mm則定位誤差/行程=4×10-9未來目標NationalTaiwanUniversityMechanicalEngineeringP