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運用高速加工可做到更精密的加工尺寸，減少甚至排除後續的鉗工工作，大幅縮短模具的製作時間並可提高其精度。模具因為在外觀造型部分常常複合許多複雜的曲面，進行NC加工路徑設計策略時，與加工外形有很大的關係，配合各種相關的加工條件，才能建立理想的加工策略。
一 般模具高速加工其關鍵技術，包含CNC加工機械的性能(機械結構剛性、控制器運算處理效率、主軸旋轉偏擺精度與熱變位補償…等)、切削刀具、刀把與加工程 式的整體搭配、刀具路徑的安排…等。其中刀具加工路徑的設計因需要的數學運算異常龐大，目前幾乎都以CAD/CAM系統進行，由於各項軟、硬體的技術不斷 的提升，許多在幾年前所難以想像可直接經由CNC加工得到的工件品質，目前幾乎都可達成。
而儘量減少不必要的電極放電加工，成為現在加工策略的思考方向。藉由符合高速加工特性的刀具切削路徑與傳統加工方式直徑更小的刀具，可作到更接近所需的模具外形尺寸，達到減少製作電極的目的。
2. 相關文獻探討
要完成整個模具的加工需要訂定適合的加工策略，並考慮不同階段的加工條件以產生理想的高速加工刀具路徑進行加工。Flutter等[4]以條列方式將加工策略以序列的加工方式、刀具與加工範圍表現，與實際模具加工場依加工程序單進行的方式有異曲同工的作用。
模 具因具有相較於機製件形狀複雜的特性，多曲面連續加工是最常使用的方式。針對加工模型的表面與水平面夾角平緩度，陡峭區域主要使用等高式加工(Z- level cut)路徑進行，較平坦區域則以外形環繞(Contour-parallel)或平行式(Direction-parallel)刀具路徑加工處理。
在 粗加工的階段，加工切削量較大，刀具負荷是主要的考量因素。目前大部分系統使用等高式的刀具路徑進行大部分材料移除的工作。相關的研究，例如： Park等[5]使用三角網格化的加工模型及Z-map與各個不同的高度平面取得的交線作為每層高度加工範圍，做為產生加工刀具路徑的依據。
為了 使刀具在加工過程中的加工負荷不要有太劇烈的波動，Bae等[6]藉由自動調整在不同位置加工條件下對應的加工進給率，使刀具能持續以高速方式進行加工。 刀具在轉角時因同時接觸到兩側的外形，因刀具與加工外形接觸長度增加，使得受力在轉角部位突然加大，Choy等[7]提出在轉角路徑中加上類似碗形的迴圈 使刀具的切削受力得以降低，提高刀具壽命。
模具的幾何外形因實際需求而在不同區域會有空間大小的不同。如果為了遷就能加工局部的小尺寸外形區域， 而使用較小的刀具進行整個工件的加工，考慮加工刀具的強度勢必使用較低的進給率與較小的路徑間距而大幅增加加工的時間。Lo[8]提出使用兩種不同大小的 刀具依序加工使加工條件與時間得以最佳化。
中、細加工階段為了得到最終的工件表面品質，Tournier[9]與Feng等[10]分別提出了加工工件表面均質留痕高度(Constant scallop height)的刀具路徑方式。
在考慮刀具運動條件方面，使用平行式的刀具路徑是很常見的方式。由於加工範圍的外形多變，在同一刀具路徑中的路徑區段往往不只一個，Park等[11]的研究中找出了這些個別的路徑區段並以最佳化的方式連結成完整的刀具路徑。
在 相同的加工條件下，不同刀具路徑的行進方式也會影響加工的完成時間。Kim等[12]在其研究中比較了幾種常見的加工進行方式的效率，其中包含單向式平行 式(One-way direction-parallel)、來回平行式(Zigzag direction-parallel) 、平順接續來回平行式(Smooth zigzag direction-parallel)與外形環繞式等的不同加工路徑。影響整個加工時間除了實際的切削時間外，另外包含刀具行進中因方向改變的加、減速 與個別的路徑區段間刀具的快速移動時間。
在考慮刀具切削條件方面，如何自動與更有效率的設定加工參數也是高速加工的一項關鍵要素。Tandon等[13]提出的最佳化銑削計算研究中，藉由其提出的運算法計算預測刀具的切削力以最佳化加工進給率與主軸轉速，達到縮短加工時間的目的。
除 了在加工路徑中考量理想的刀具運動條件與切削條件外。在經過後處理後的NC加工程式使用平滑曲線(Spline)的資料格式取代傳統的直線與圓弧方式，也 是一種達到高速加工目的的思考方向。EDS公司[14]在其使用NURBS技術於高速加工白皮書中也提到使用NURBS資料格式與傳統格式的差別。
3. 高速加工特性
3-1高速加工與傳統加工差別
應用高速加工於模具製作的主要目的有三種：(1)縮短加工時間。(2)提高模具加工成品表面品質。(3)減少甚或省去後續拋光後處理時間。
圖1是傳統加工與高速加工於模具製作流程的比較：


圖1 高速加工與傳統加工流程比較

由上圖中可看出，模具使用高速加工可省去電極製作與放電加工的時間。直接加工硬度較高的材質而得到接近鏡面的表面品質。
依UGS的『使用NURBS技術於高速加工白皮書』[14]所列的高速加工與傳統加工的比較如下(表1) :

表1高速加工與傳統加工的比較
比較項目
高速加工
傳統加工

主軸轉速
> 7000 RPM
< 7000 RPM

進給速度
100-500 m/min
< 100 m/min

工件表面留痕高度
0.0015 mm / 0.006mm


工件硬度
60 HRC 以上


切削深度
淺切削,與刀徑比約1/1
較深之切削深度

刀具間距
小於刀具半徑


加工機械
高強度結構


刀把
高平衡性刀把


刀具
直徑/刀長<1/10


程式長度
因淺切深使資料量大



由上表可看出構成高速加工的幾個要素包含：
(1) 主軸與刀把。因長時間高速運轉而產生的熱變位問題必須能有效的補償
(2) 高效率的控制器
(3) 機器結構
(4) 切削刀具
(5) 刀具路徑
3-2高速加工路徑
要符合上述高速加工條件的加工路徑可從幾個方向考量，分別說明如下：
3-2.1以刀具運動性考量
(1) 避免突然的方向改變：高速加工是儘量維持刀具以高速的運動切削狀態，過程中如果有突然的方向改變將因慣性作用造成偏移。雖然高速加工機均有自動減速機制以 維持精度，但平滑圓順的刀具路徑可使刀具切削運動維持在高速的狀態，避免不必要的加減速變化，是最理想的運動方式。圖2中左側是傳統的加工路徑，每一圈均 有四個直角轉彎，且每一迴圈也是以同樣方式接續。右側則為高速加工路徑，刀具路徑隨時保持平滑與圓順的狀態。

(a) 傳統加工刀具路徑 (b) 高速加工刀具路徑
圖2傳統加工與高速加工刀具路徑

(2) 連續平順方式接續刀具路徑：加工區域範圍過程中，路徑迴圈之間的接續同樣必須考量以平順方式接續並維持加工的條件 (例如：維持順銑)。圖3中加工路徑以S形方式接續迴圈。

圖3刀具路徑接續
(3) 避免或減少提刀次數：加工範圍因造型的原因，可能分為數個區域或因迴圈無法直接接續時，必須提升刀具到一定的安全高度，再移動到下一個加工區域的起始位置，待刀具下降到實際的加工高度後，繼續進行切削動作。

3-2.2以刀具切削條件考量
(1) 以順銑(Climb cutting)方式加工：順銑具有切削工件穩定、散熱容易與刀具壽命長等優點。符合高速加工輕量切削與高轉速容易形成高溫及切削受力需要穩定的特性。

圖3順銑加工
(2) 均勻的切屑大小與負載：此種條件可使用兩種方式達成。一種使用與傳統相同的刀具路徑，但依不同的切削位置刀具的切削深度、寬度與接觸角度改變進給率，達成單位時間的切削量與刀具受力維持一致。另一種則維持固定的刀具切削進給率，以類似圖2右側的均質切削路徑達成。
(3) 維持從外部進刀：刀具在進刀(Plunge)時的受力與一般切削相較大許多。如果加工的對象是像凸形的非封閉外形，可儘量採用從工件外部下刀再切進工件材料的方式處理。
(4) 封閉區域進刀方式：對於封閉外形的加工，因無法避免從外部進刀方式加工時，使用斜向(Ramp)或螺旋方式進刀方式。可減少刀具的進刀切削負荷，若使用不具鑽孔能力的刀具時也可避免刀具中心無法切削而損壞刀具。

3-2.3以加工表面留料與品質考量
(1) 3D等間距刀具路徑：高速加工最終目的是為了得到高表面品質的成品。任何不均勻的切削量與速度均會形成工件表面的細微刀痕。大部分的CAM系統使用外形環 繞或平行式刀具路徑作為最終的細加工方式，其在工件表面平緩度變化較劇烈的區域容易有刀具路徑間距不均勻的情形。可使用3D等間距刀具路徑。
(2) 等留痕高度：在粗加工階段，若使用相同的切削深度有可能形成不均勻的殘料。圖4中黑色線代表工件實際外形，紅色線則為等切削深度加工後的外形。

圖4等切削深度形成的不均勻殘料

4. 高速加工策略
加工策略是經由選定循序性的加工方式、刀具、加工參數依照加工模型的幾何條件加工出所需的成品外形。模具加工除了模板與機構較單純外，與成品造型有關的模仁或模板因通常複合多個曲面，使得加工策略的訂定變得複雜，以下將加工策略中的組成要素分別探討如下。
4-1 刀具路徑
不同的加工方式適合的幾何外型並不相同，在不同加工過程中的外形特性下選擇最佳的加工方式進行加工。多曲面複合加工方式的運作邏輯主要有以下方式：
(1) 等高式加工：以刀具刀側(Tool side)切削，適合陡峭曲面外形切削。
(2) 外形環繞或平行式投影(Projection)加工：以刀尖(Tool tip)部位切削，適合平緩曲面外形切削。
(3) 平面袋形加工(Pocketing)：不同區域或高度的平面加工。
(4) 引導曲面加工(Guide surface)：依照特定的參考曲面形成符合其外形的加工路徑。
(5) 複合式加工：複合(1)與(2)的混合式加工路徑。
4-2 刀具
(1) 平刀：適合平面精加工與規則曲面(Ruled surface)之單向銑削。但因在刀具邊緣加工時會有應力集中效應，造成刀具壽命減短。在高速加工時較少使用。
(2) 圓鼻刀：可銑削大部分平刀可加工的外形，並可應用於等高式粗加工。是理想的粗加工刀具，但對於部分外形尺寸較小的區域容易留下殘料及標準規格尺寸種類較少是其缺點。
(3) 球刀：適合除了平面之外的曲面加工。因粗加工時與材料的接觸面積大，使刀具負荷較高。大部分應用於中加工與細加工。
(4) 成型刀：使用於直接以刀具外形加工出所需外形。通常需要另行訂作，除非相同規格大量使用，否則不符合經濟效益。

4-3 加工參數
(1) 進給率與主軸轉速：隨刀具單位時間的切削量或負荷減少而增加。在切削速度相同的條件下，直徑較大的刀具使用較小的主軸轉速。
(2) 精度與公差：加工精度與公差值設定在粗、中加工階段使用較大值以減少計算時間。
(3) 加工深度與刀徑間距：直徑越大的刀具使用越大的加工深度與刀徑間距。粗加工階段加工深度小於刀具直徑值，刀徑間距小於刀具直徑值的一半。
(4) 留料設定：粗加工留料設定值以排除刀具陷入工件材料造成過切為考量。中加工的留料設定值為保留均勻的工件表面材料餘料供細加工切除。
(5) 進刀方式：開放型加工外形從外形開放處進刀，封閉型使用螺旋(Helical)或斜向(Ramp)方式進刀。在可能的狀況，儘量減少刀具路徑的提刀與接續次數。
4-4 加工幾何
將加工幾何外形與水平面的夾角可區分為三類：
(1) 平面：使用平刀或圓鼻刀作外形環繞或平行式加工。
(2) 平緩外形：使用球刀作外形環繞或平行式加工。
(3) 陡峭外形：使用圓鼻刀或球刀作等高式加工。
(4) 平緩與陡峭複合外形：使用圓鼻刀或球刀作等高式與外形環繞或平行式複合加工。在可明顯區分平緩或陡峭外形幾何的條件下，儘可能分開成個別外形特性分別處理。

4-5 加工程序
加工程序依序如下：
(1) 粗加工(Roughing)：加工初始階段切除大部分 的加工體積，刀具負載的穩定性在此階段是很重要的考量因素。

圖5粗加工
(2) 再粗加工(Re-roughing)：在加工幾何外形尺寸差異大的情形下，使用直徑較大的刀具進行大部分材料的移除(圖6左)。在輔以直徑較小的刀具清除大刀具無法加工到的區域(圖6右)。

圖6再粗加工
(3) 中加工(Semi-finish)：經過粗加工移除大部分 的須加工材料後，將工件再次加工使整個工件加工表面的殘餘材料形成均勻的表面。作為最終的精細加工穩定的切削幾何條件。

圖7中加工
(4) 細加工(Finish)：依照實際的工件幾何外形，設定達到最終加工完成尺寸與表面品質的條件。

圖8細加工
(5) 清角(Clean up)：在加工成品形狀中如果有較細小的角落或稜線，使用直徑較小的刀具切除先前刀具無法加工到的殘料體積。

圖9清角加工


4-6 加工策略
加工策略的選擇可先從加工對象的幾何外形著手，依照加工程序由粗加工、再粗加工、中加工、細加工與清角加工。
加工策略的內容主要與呈現於與實際機械操作人員溝渠的加工程序單內容相符。在選定完加工基準(程式原點)後，將加工幾何外形予以分類。加工模仁時如果成品外形與分模面的幾何條件可明顯區隔，製作的刀具路徑程序應分開處理。
儘 可能的使用直徑較大的圓鼻刀作初始的加工，再以球刀進行中或細加工。圖10所列出的流程選用係泛用的參考，實際運用時可依前述的準則再作更細部的調整。以 下以三個幾何外形例子作為加工策略的應用對照。圖11的加工幾何外形，使用上述的加工策略流程選用參考後，可得到的加工策略如下：
(1) 粗加工 - 圓鼻刀 - 螺旋進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(2) 再粗加工 - 小圓鼻刀 - 螺旋進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(3) 中加工 - 小圓鼻刀 - 複合式加工 - 全區域留料。
(4) 側壁細加工 - 小圓鼻刀 - 等高式加工 – 底部平面留料。
(5) 底部細加工 - 小圓鼻刀 - 外形環繞或平行式加工 - 側壁留料。

圖12的加工幾何外形的加工策略如下：
(1) 粗加工 - 圓鼻刀 - 外部進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(2) 中加工 - 圓鼻刀 - 複合式加工 - 全區域留料。
(3) 分模面細加工 - 球刀 - 外形環繞或平行式加工 - 無留料。
(4) 模穴側壁細加工 - 球刀 - 引導曲面式加工 - 底部曲面留料。
圖10本研究加工策略流程選用


圖11加工幾何外形1

圖12加工幾何外形2

(5) 模穴底部細加工 - 球刀 - 外形環繞或平行式加工 - 無留料。
(6) 清角加工 – 小球刀 - 外形環繞式加工 - 無留料。

圖13的加工幾何外形的加工策略如下：
(1) 粗加工 - 圓鼻刀 - 外部進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(2) 中加工 - 圓鼻刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(3) 頂部曲面細加工 - 球刀 - 外形環繞或平行式加工 - 無留料。
(4) 側壁細加工 - 圓鼻刀 - 等高式加工 - 底部平面留料。
(5) 底部細加工 - 圓鼻刀 - 外形環繞或平行式加工 - 側壁留料。

圖13加工幾何外形3

5. 實例
將本文所提出的加工策略應用到實際的電腦滑鼠銅極加工，個別的加工程序內容與結果，列述如下：
(1) 粗加工(圖14)
刀具 : 6 mm直徑R0.2 mm圓鼻刀
加工方式 : 等高式加工
刀間距 : 3 mm
主軸轉速 : 8000 rpm
進給率 : 3000 mm/min
留料 : 0.3 mm
公差 : 0.06(外)/0.02(內) mm
留痕高度 : 0.6 mm
加工時間 : 17min

圖14粗加工
(2) 中加工(圖15)
刀具 : 4 mm直徑球刀
加工方式 : 平行式加工
刀間距 : 0.5 mm
主軸轉速 : 18000 rpm
進給率 : 2500 mm/min
留料 : 0.1 mm
公差 : 0.020(外)/0.01(內) mm
留痕高度 : 0.1 mm
加工時間 : 11min

圖15中加工

(3) 側壁細加工
刀具 : 6 mm直徑平刀
加工方式 : 等高式加工
主軸轉速 : 2000 rpm
進給率 : 250 mm/min
留料 : 0
公差 : 0.005 mm
加工時間 : 3min
(4) 頂部細加工(圖16)
刀具 : 2 mm直徑球刀
加工方式 : 平行式加工
刀間距 : 0.05 mm
主軸轉速 : 15000 rpm
進給率 : 2000 mm/min
留料 : 0.1 mm
公差 : 0.005 mm
留痕高度 : 0.001 mm
加工時間 : 1hr 15min

圖16細加工

6. 結論
設定適當的模具高速加工策略所要考量的因素很多，目前並無定則。相同的加工條件，不同的製造工程師往往會有不同的詮釋。隨時吸收新的加工技術與新知並輔以經驗的累積，可使設定的加工策略更加理想。
本文提出的加工策略流程可作為一般加工程式設計人員的參考，實際的應用須更詳細與因不同的條件制宜。但已使相關作業人員有了具體的方向。
加工策略的選用雖然因不同的加工模型的幾何條件而有變化，但其內容則可以將每一加工程序中的加工方式、刀具、加工參數與對應的幾何條件予以組織成個別的單元。這些加工策略資料是可以以文字檔加以儲存的。
將針對不同加工模型設定的加工策略予以分類儲存，可套用到類似的加工幾何重複使用，成為適用於不同加工幾何的策略樣板。
經由本文的分析整理，加工策略的脈絡已有一定的雛型，將各項的條件與資源建置於專家系統中，可作為目前設計人員的工作自動化的基礎。
XML格式因為具有結構化的資料結構與可在網際網路泛用的HTML網頁中使用。配合圖文的輔助說明，更容易取用適合加工幾何外形的既有加工策略，可進一步進行研究。

參考文獻
1. 傅英俊，“最新高速銑削技術簡介”，機械月刊第二十四卷第七期，pp. 297-304.
2. 邱先拿，“模具高速銑削加工技術課題及應用事例”，機械月刊第二十六卷第五期，pp. 384-394.
3. 黃俊勝，“何謂高速加工”，機械月刊第二十七卷第八期，pp. 267-270.
4. A. Flutter, J. Todd, “A machining strategy for tool making”, Computer-Aided Design 33, (2001), pp. 1009-1022.
5. Sang C. Park, “Tool-path generation for Z-constant contour machining”, Computer-Aided Design 35, (2003), pp. 27-36.
6. Seok-Hyung Bae, Keyhoon Ko, Bo H. Kim, Byoung K. Choi, “Automatic feedrate adjustment for pocket machining”, Computer-Aided Design 35, (2003), pp 495-500.
7. H.S. Choy, K.W. Chan, “A corner-looping based tool path for pocket milling”, Computer-Aided Design 35, (2003), pp. 155-166.
8. Chih-Ching Lo, “Two-stage cutter-path scheduling for ball-end milling of concave and wall-bounded surfaces”, Computer-Aided Design 32, (2000), pp 597-603.
9. C. Tournier and E. Duc, “A surface based approach for constant scallop height tool-path generation”, Advanced Manufacturing Technology 19, (2002), pp. 318-324.
10. His-Yung Feng, Huiwen Li, “Constant scallop-height tool path generation for three-axis sculptured surface machining”, Computer-Aided Design, (2002), pp. 647-654.
11. S.C. Park, B.K. Choi, “Tool-path planning for direction-parallel area milling”, Computer Aided Design, 32, (2000), pp. 17-25.
12. Bo H. Kim, Byoung K. Choi, “Machining efficiency comparison direction-parallel tool path with contour-parallel tool path”, Computer-Aided Design 34, (2002), pp. 89-95.
13. V. Tandon, H. El-Mounayri, H. Kishawy, “NC end milling optimization using evolutionary computation”, International Journal of Machine Tools & Manufacture 42, (2002), pp. 595-605.
14. EDS Inc., “High-speed machining (HSM) using NURBS technology”, a white paper of Unigraphics Solutions, (2000), pp. 5-8.

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本研究整合了IMAQ影像分析軟體與光學顯微鏡，為自動化之影 像檢測系統，整個研究分為軟體辨識和硬體建立之部分。軟體的部份將建立一辨識程序，使系統自動地分辨出缺陷的部份，並計算其所佔之區域面積，研究之初先定 義缺陷的特徵，包括形狀、顏色、大小，最後再進行程式的修改與調整以符合實際的需求。硬體的部份除了決定顯微鏡的倍率與光源形式外，也將設計定位的夾治具 以提高取樣的精度，最後將軟硬體結合為一套完整的系統。
接著本研究以電解拋光後的試片為標的進行系統的測試，分別對不同拋光參數處理過的試片進行量測，並由系統自動計算表面的缺陷數量與面積大小，同時也用目測的方式進行手動計算，以驗證本系統的準確性與可靠度。
藉由本系統的建立，將可以準確地評估表面處理後工件的表面品質，以了解不同加工參數對於拋光結果的影響，提供新的評估指標以有效的修正製程參數以得到更高品質與效率的製程。
Keyword: 電解拋光、品質檢測、缺陷評估、影像分析
ㄧ、前言與研究背景
隨著各種製程技術的日漸成熟與精密化，在製程中的後處理品質檢測上也扮演了相當重要的角色，要提高製程的穩定性與良率，往往需要從品質檢測中找出缺陷的原 因與改進的方法，並藉由結果的分析找出可能影響製程品質的參數或步驟，但是要達到如此的目標，就需要能夠將所觀察到的缺陷量化，同時也要具備準確與方便的 優點，才能適用於現今分秒必爭的研究與研發，因此建立一套擁有高精密度與高效率的自動化品質檢測系統，是非常重要的研究目標。針對這個方向，目前已有許多 研究單位利用影像分析與辨識的方法來建立出一套可以應用在量化研究目標與後處理檢測的系統，例如使用影像處理軟體進行微生物菌體計數之研究[1]、生物醫 學之細胞形狀分析[2]等，皆是結合影像擷取設備(CCD或顯微鏡)與影像分析軟體所建立出的自動化系統，可以大幅縮短計數時間並取得較客觀的數據。本實 驗也將以同樣的影像處理方式，對於電解拋光後的表面品質進行研究。
電解拋光是一種金屬表面的精密加工技術，可提高金屬表面的平整度與抗蝕性 [3]，但是在製程中容易受到製程參數的影響而在工件表面上留下缺陷[4]，目前在缺陷的檢測與計量部份仍以目測計算的方式為主[5]，易受到人為的主觀 判斷影響且無法精確地量化及標示缺陷的所在位置與區域大小，因此本研究將以IMAQ影像處理軟體為基礎分析電解拋光後的表面品質，利用自動化的方式計算以 達到精確量化的目標，得到的數據將可以作為未來評估拋光參數影響程度的重要指標。
所謂的缺陷就是以試片上非平整的部份來定義，包括圓孔、凸點、凹洞等，因為平坦的區域較亮、凹陷的區域較暗，可以有效的定義缺陷的輪廓。所以本實驗主要是 利用缺陷在影像上的色階值不同作為缺陷輪廓定義的依據。再藉由調整影像的門檻值(Threshold)[6][7]來區別缺陷與非缺陷的區域，並進行圈選 出的圖形之像數的計算，最後全部相加後再除以總像數以得到缺陷所佔的面積百分比。

二、研究流程與設備建構
1.實驗流程
實驗流程分為影像處理，如圖一所示，與驗證實驗，如圖二所示，兩大部分，首先將整套影像量測系統建構完成，再設計驗證實驗以比對系統的準確性。


圖一、影像處理流程圖
在缺陷量測的部份，首先須決定顯微鏡的觀察倍率、高度位置和相對應之光源，並製作適當夾治具固定試片以方便比對試片拋光前後表面狀況。試片分類的部份依缺陷的特徵以有無圓孔作為區別，設定其處理方式與步驟，再消去細小的雜點，最後計算所含像數值的總合。
接著依照已知參數設計電解拋光實驗以測試系統的準確性，將拋光完成之試片以光學顯微鏡觀察並擷取影像，影像大小為640 X 480。再代入系統中處理，以IMAQ計算表面缺陷所佔的面積。計算所得的結果再比對以網格化處理的手動計算方式以比對IMAQ系統的優缺點。

圖二、驗證實驗流程圖
2.設備與系統建構
系統分為軟體與硬體兩大部分，實驗所採用的顯微鏡為Zoom 125C，並配合SONY公司的CCD擷取影像，採用的O.M.之光源為單軸光，由於單軸光在高倍率情況下容易受球像差和強度不均的影響，造成影像品質不 佳，所以本研究選定較低之操作倍率以降低其影響，設定操作倍率為90倍與180倍兩種，並在實驗之前先依據硬體的設定範圍以測試的方式調整至最佳的光源均 勻度，以此值作為接下來實驗操作之光源強度。
軟體是以NI的IMAQ影像分析軟體為核心工具，其特點為可結合影像擷取系統將所得之影像進行各種的處理，包括色階分析、像數計算、影像定位、影像修改等，是一套相當便利與功能強大的應用軟體。

3.實驗設定
因為在有圓孔的情況下，如圖三所示，其周圍突起部分的色階值與平面部份差異太小，因此不易利用門檻值的選取將整個缺陷部份抓取出來，只能抓取成月弧形的形 狀，如此就無法完整的計算缺陷真正所佔有的面積，因此為了減少計算的誤差，進行計算前必須先將實驗觀察中有出現圓孔形缺陷的試片獨立出來，並以另一套的設 定程序分析，除此之外，亦利用更低倍率觀察表面，使圓孔變小來減少色階誤判的情形，無圓孔時使用180倍，有圓孔時使用90倍。
軟體主要以IMAQ為主，處理的步驟是將原始影像轉換為HSL(Extract color planes: Luminance plane)，接著進行二值化步驟，選取適當的門檻值(Threshold)以抓取缺陷的特徵值，再進行色彩反轉將缺陷部份轉為可計算的色階 (Invert Binary image)，並濾除細小的雜點(Morphology: Remove small objects)，最後再計算缺陷的總像數值(pixels)。


圖三、圓孔示意圖
三、驗證實驗與結果討論

1.拋光實驗
電解拋光是一種陽極溶解的表面處理方式，在加工過程中伴隨產生的氣泡將會破壞製程穩定，形成缺陷。本研究將是用此表面缺陷評估系統探討電解拋光製程中所形成的缺陷種類和數量。實驗選取了九組不同參數的拋光實驗，用來作為系統測試的樣本。
電解拋光完後的試片先進行表面粗糙度的量測，取九點數值平均，結果如表一所示。其中第六、第七、第八、第九組在觀察時發現有圓孔的情況。

2.缺陷量測與分析
圖四為試片的原始影像，圖五為經過IMAQ軟體處理過的影像，比對圖四與圖五，可以觀察出大部分的缺陷都有被選擇到，但是部份孔形缺陷如圓圈所示，其中心 的部份因影像門檻值的差異而無法被選取，會影響面積估算的精準度，所以須以影像處理的方式將其填滿。另外部份圓孔形缺陷並不足封閉的幾何形狀，亦是面積估 算時誤差的來源，但是自動將其幾何形狀修正為封閉曲線相當困難，所以本研究將另以更低倍率的O.M.拍攝表面照片，並互相比較以評估其影響。
表一、粗糙度結果(μm)
組別
1
2
3
4
5

Rmax
0.44
0.66
0.72
1.26
1.32

組別
6
7
8
9


Rmax
1.94
1.23
1.33
2.51




圖四、原始影像


圖五、IMAQ處理完成之影像
接著討論在有圓孔缺陷時的處理情形，實驗分別以180倍與90倍兩種倍率觀察試片表面形貌，再經由軟體分析，以圖六與圖七說明在較高倍率時，軟體對於圓孔及凸起區域的辨識度不佳，只能勉強選出中心孔洞部份，其邊緣突起部份由於色階差太過接近，因而無法辨識完全。

圖六、180倍率下圓孔原始照片(第六組)


圖七、180倍率下圓孔處理後照片
因此實驗再以降低倍率的方式重新觀察和處理，以圖八和圖九為例，所圈選的區域其辨識程度明顯地較高倍率佳，也比較容易抓取出較完整的圓孔形貌，這是由於降 低倍率之後，缺陷也會隨著縮小，其輪廓對比提高，對於周圍突起部份的影響就會跟著降低，再利用多樣取點的方式，將可以減少計算的誤差值。

圖八、90倍率下圓孔原始照片(第六組)


圖九、90倍率下圓孔處理後照片
完成粗糙度量測後，以本系統量測表面缺陷的程度，每片試片皆取五個點觀察，再將統計完的總像數值平均，最後計算出所佔的面積比率。計算完成的結果以表二所列。

表二、IMAQ計算結果
組別
缺陷像數
(pixels)
比例
(%)
缺陷個數
(個)

180倍
90倍
180倍
90倍
180倍
90倍

1
1106.4

0.360

6.4


2
3242.8

1.055

17.8


3
4830.4

1.572

31.8


4
14367.2

4.676

76.8


5
20785.6

6.766

100.8


6
12667
17832.8
4.123
5.804
79.6
190.8

7
13572
14223.8
4.419
4.630
120
190.2

8
20007
14059.6
6.512
4.576
147
227.6

9
32857
33430.2
10.69
10.88
168
353


由測試的結果發現在無圓孔的情況下，使用高倍率較容易觀察出缺陷的完整形狀，且一般的普通缺陷在IMAQ軟體下皆可近乎完整的被選出，所以實驗主要是以180倍為觀察倍率，再對有圓孔的部份進行第二次90倍低倍率觀察。
經過IMAQ處理過的影像，可以將明顯的缺陷部份表示出來並予以量化，對照表一粗糙度表與表二可以發現粗糙度與缺陷數具有絕對的相關性，粗糙度越低，平整 度就越高，自然缺陷數也就越少。但是可以發現Rmax為1.0時可視為一臨界點，Rmax<1.00以下的缺陷比例大約在2% 以下，但是Rmax 超過1時可以發現缺陷比例增加很多(第三組Rmax = 0.72μm，缺陷比1.57 %、第四組Rmax = 1.32μm，缺陷比4.67 %)。此外第六組的粗糙度與缺陷數的趨勢關係與其他各組有明顯的不同(Rmax = 1.92μm，缺陷比4.12%)，這是因為圓孔過多而造成軟體辨識度較低，但粗糙度值卻不會受此影響，所以兩者的相關性較不準確。
由於第六至第九組的表面有圓孔形缺陷產生，因此實驗分別計算高倍率與低倍率的處理結果，其中第六組與第八組的結果有較大的差異。在第六組試片上的圓孔形缺 陷分布相當多，如圖八所示，在高倍率下幾乎只能達到60%的辨識程度，但是降低倍率後相似度卻可以提高至80%左右，所以低倍率下的計算結果較接近實際情 況，但是仍較其他組的辨識度低。在第八組的照片中所發現到的圓孔形缺陷數量相當的少，如圖十所示，因此對於辨識度沒有太大的影響，造成結果差異主要是因為 其單位缺陷的顆粒相當的大，如圖十一所示，因此在高倍率時所選取到的缺陷像數也就比較多。其他第七與第九組較沒有類似圓孔過多或顆粒太大的情形，因此像數 增加的部份只是因辨識度提高而增加。

3.手動計算比對
完成軟體計算之後，本實驗依據先前文獻的缺陷計算方式，在相同的條件下以畫方格的方法去評估缺陷所佔的方格數，計算方法如圖十二所示，結果如表四所示。
以表四的結果分析，其計算結果明顯地比表二利用影像處理後來的高，差距約接近一倍左右(第四組IMAQ = 4.67 %、手動 = 8.93 %)，這是由於利用網格計算時，有些大小不足一格之缺陷也會被列入計算，方式是以計算者的主觀判斷為依據去決定是否為缺陷、缺陷的大小、面積佔多少比例以 上才算一格等，因此會依每個人的不同而使得結果有所出入，容易受到疲勞、情緒等因素影響量測準確度。另外在使用網格時無法取太多的樣本數，網格密度也無法 太高，否則會造成計算的時間過長而浪費時間。
此外，從影像擷取、處理分析到計算完成，軟體僅需數十秒的時間，並可同時將所得結果以EXCEL檔案格式儲存，相對手動計算的方式需要數分鐘才能將缺陷圈 選出來，且需要花費額外的時間進行數據的處理，一但樣本數量過大，就更不易快速且準確的計算。所以不論是在精確度或是效率來比較，使用影像分析系統皆具有 相當大的優勢。


圖十、第八組O.M.照片(90倍)


圖十一、第八組O.M.照片(180倍)

圖十二、手動計算方式例圖
表四、手動計算結果
組別
缺陷格數(格)
(180倍)
缺陷格數(格)
(90倍)
比例
(%)
(180倍)
比例
(%)
(90倍)

1
5

1.557


2
7

2.187


3
10.4

3.25


4
28.6

8.937


5
32.2

10.062


6
24
35.2
7.5
11

7
23.2
29
7.25
9.062

8
30.8
28.2
9.625
8.812

9
74.2
56
23.1875
17.5


四、結論
根據以上的結果討論，可得到影像處理軟體在各種不同條件下使用的結論：
1. 光源對於影像品質有很大影響力，因此使用影像軟體計算的條件須調整至最佳光源強渡，並使光源分布均勻。
2. 電解拋光後的試片依缺陷形貌可分為有圓孔與無圓孔兩種，有圓孔的部份使用低倍率(90倍)觀察可降低誤差，無圓孔則使用高倍率(180倍)可較完整計算缺陷面積。
3. 手動計算的誤差值相當的大，會因為人為因素而有所不同，且相當耗費時間。
4. 軟體計算比手動計算較為精準且有效率，只需要將拋光後的試片由顯微鏡拍攝之後代入處理即可，未來將會更進一步地將拍攝部份與分析部份由自動化系統結合，以達到更高的效率。
五、參考文獻
1. F. Schönholzer, D. Hahn, B. Zarda, and J. Zeyer, “Automated image analysis and in situ hybridization as tools to study bacterial populations in food resources, gut and cast of Lumbricus terrestris L.,” Journal of Microbiological Methods, Volume: 48, January, 2002, pp. 53-68.
2. E. Maire, E. Lelie`vre, D. Brau, A. Lyons, and M. Woodward, V. Fafeur, and B. Vandenbunder, “Development of an Ultralow-Light-Level Luminescence Image Analysis System for Dynamic Measurements of Transcriptional Activity in Living and Migrating Cells,” Analytical Biochemistry, Volume: 280, April 10, 2000, pp. 118-127.
3. SEMI F19-95, Specification for the Finish of the Wetted Surface of Electropolished 316L Stainless Steel Components.
4. A.A. Taha, “Study of the effect of ethylene gloycol on the rate of electropolishing of copper by the rotating disk technique, ” Anti-corrosion Methods and Materials, Volume 47, Number 2, 2002, pp. 94-104.
5. S. J. Lee, J. J. Lai, and C. H. Lai, “Effects of Electrode Variables of the ElectroPolishing Process on Surface Quality,” International Conference on Precision Engineering, 2004, pp. 514-521.
6. K. Ramar, S. Arumugam, S.N. Sivanandam, L. Ganesan, and D. Manimegalai, “ Quantitative fuzzy measures for threshold selection,” Pattern Recognition Letters, Volume 21, 2000, pp. 1-7.
Abhijit G. Shanbhag, “ Utilization of Information Measure as a Means of image Thresholding,” Graphical Models and Image Processing, Vol. 56, No. 5, September, 1994, pp. 414-419

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图1 几种常见的铣削方式
切 削速度v(米/分)是铣刀刃的圆周速度。铣削进给量有3种表示方式：①每分钟进给量vf(毫米/分)，表示工件每分钟相对于铣刀的位移量；②每转进给量f (毫米/转)，表示在铣刀每转一转时与工件的相对位移量；③每齿进给量af(毫米/齿)，表示铣刀每转过一个刀齿的时间内工件的相对位移量。铣削深度ap (毫米)是在平行于铣刀轴心线方向测量的铣刀与工件的接触长度。铣削切削弧深度ae(毫米)是垂直于铣刀轴心线方向测量的铣刀与工件接触弧的深度。用高速 钢铣刀铣削中碳钢的切削速度一般为20～30米/分；用硬质合金铣刀可达60～90米/分。
铣削一般分周铣和端铣两种方式。周铣(图2)是用刀体圆周上的刀齿铣削，其周边刃起切削作用，铣刀的轴线平行于工件的加工表面。

图2 两种周铣方式
端铣(图3)是用刀体端面上的刀齿铣削，周边刃与端面刃同时起切削作用，铣刀的轴线垂直于一个加工表面。

图3 三种端铣方式
周 铣和某些不对称的端铣又有逆铣和顺铣之分。凡刀刃切削方向与工件的进给运动方向相反的称为逆铣；方向相同的称为顺铣。逆铣时，铣刀每齿的切削厚度是从零逐 渐增大，所以刀齿在开始切入时，将与切削表面发生挤压和滑擦，这对铣刀寿命和铣削工件的表面质量都有不利影响。顺铣时的情况正相反，所以顺铣能提高铣刀寿 命和铣削表面质量，并能减小机床的功率消耗。但顺铣时铣刀所受的切削冲击力较大，当机床的进给传动机构有间隙或铸锻毛坯有硬皮时不宜采用顺铣，以免引起振 动和损坏刀具。
铣刀是一种多齿刀具，同时参与切削的切削刃总长度较长，并可使用较高的切削速度，又无空行程，故在一般情况下铣削的生产率比用单刃刀具的切削加工(如刨削、插削)为高，但铣刀的制造和刃磨较为困难。
普通铣削的加工精度不高，一般粗铣精度为IT11～10，表面粗糙度为Ra20～2.5微米；精铣精度可达IT9～7，表面粗糙度为Ra2.5～0.16微米。
铣床
用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。
·简史
最 早的铣床是美国人E.惠特尼于1818年创制的卧式铣床。为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗，J.R.于1862年创制了第一台万能铣床，是为升降台 铣床的雏形。1884年前后出现了龙门铣床。20世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。 1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。尤其是70年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在 铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。
·类型
铣床种类很多，一般按布局形式和适用范围加以区分。①升降台铣床： 有万能式、卧式和立式等，主要用于加工中小型零件，应用最广。②龙门铣床：包括龙门铣镗床龙门铣刨床和双柱铣床，均用于加工大型零件。③单柱铣床和单臂铣 床：前者的水平铣头可沿立柱导轨移动，工作台作纵向进给；后者的立铣头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。两者均用于加工大型零件。④工 作台不升降铣床：有榘形工作台式和圆工作台式两种，是介于升降台铣床和龙门铣床之间的一种中等规格的铣床。其垂直方向的运动由铣头在立柱上升降来完成。⑤ 仪表铣床：一种小型的升降台铣床，用于加工仪器仪表和其他小型零件。⑥工具铣床：用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角度工作台和插头等多种附件，还可 进行钻削、镗削和插削等加工。⑦其他铣床：如键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等，是为加工相应的工件而制造的专用铣床。按控制方 式，铣床又分为仿形铣床、程序控制铣床和数字控制铣床。
铣刀
用于铣削加工的、具有一个或多个刀齿的旋转刀具。工作时各刀齿依次间歇地切去工件的余量。铣刀主要用于在铣床上加工平面、台阶、沟槽、成形表面和切断工件等。
铣刀按用途区分有多种常用的型式(图4)。

图4 各种铣刀
① 圆柱形铣刀：用于卧式铣床上加工平面。刀齿分布在铣刀的圆周上，按齿形分为直齿和螺旋齿两种。按齿数分粗齿和细齿两种。螺旋齿粗齿铣刀齿数少，刀齿强度 高，容屑空间大，适用于粗加工；细齿铣刀适用于精加工。②面铣刀：用于立式铣床、端面铣床或、龙门铣床、上加工平面，端面和圆周上均有刀齿，也有粗齿和细 齿之分。其结构有整体式、镶齿式和可转位式3种。③立铣刀：用于加工沟槽和台阶面等，刀齿在圆周和端面上，工作时不能沿轴向进给。当立铣刀上有通过中心的 端齿时，可轴向进给。④三面刃铣刀：用于加工各种沟槽和台阶面，其两侧面和圆周上均有刀齿。⑤角度铣刀：用于铣削成一定角度的沟槽，有单角和双角铣刀两 种。⑥锯片铣刀：用于加工深槽和切断工件，其圆周上有较多的刀齿。为了减少铣切时的摩擦，刀齿两侧有15’～1°的副偏角。此外，还有键槽铣刀 燕尾槽铣刀 T形槽铣刀和各种成形铣刀等。
铣刀的结构分为4种。①整体式：刀体和刀齿制成一体。②整体焊齿式：刀齿用硬质合金或其他耐磨刀具材料 制成，并钎焊在刀体上。③镶齿式：刀齿用机械夹固的方法紧固在刀体上。这种可换的刀齿可以是整体刀具材料的刀头，也可以是焊接刀具材料的刀头。刀头装在刀 体上刃磨的铣刀称为体内刃磨式；刀头在夹具上单独刃磨的称为体外刃磨式。④可转位式：这种结构已广泛用于面铣刀、立铣刀和三面刃铣刀等。

a.硬质合金可转位刀片端面铣刀 b.苞米棒型硬质合金可转位刀片立铣刀
图5 可转位铣刀
铣刀按齿背的加工方式分为两类。①尖齿铣刀：在后面上磨出一条窄的刃带以形成后角，由于切削角度合理，其寿命较高。尖齿铣刀的齿背有直线 曲线和折线3种形式(图6)。

图6 尖齿铣刀的齿背形状
直 线齿背常用于细齿的精加工铣刀。曲线和折线齿背的刀齿强度较好，能承受较重的切削负荷，常用于粗齿铣刀。②铲齿铣刀：其后面用铲削(或铲磨)方法加工成阿 基米德螺旋线的齿背，铣刀用钝后只须重磨前面，能保持原有齿形不变，用于制造齿轮铣刀等各种成形铣刀。 (http://www.newmaker.com)

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8.2菜單機能
在菜單的畫面，菜單的構成如下圖所示。此菜單
是為了圖形畫面選擇操作之菜單。各菜單請依造
各菜單鍵選擇，必要的操作菜單每有顯示時，按下
的鍵，則顯示為其他菜單。

圖示：

菜 單 機 能
描 繪 描圖顯示時使用。
程 式 可以在畫面顯示描畫中的加工程式。
消 除 可以消除在畫面顯示的圖形。
連續核對 加工程式連續核對時使用。
步進式 加工程式，以一個單節核對使用。G27~G30，G60，固定循環，轉角R/C分割成複數的單節。
核對呼叫 要執行核對時，可以設定(呼叫)運轉模式及程式。
顯示範圍 變更圖示的尺寸和顯示的位置。
標準範圍 以機械的行程為範圍，自動的變更顯示中心和圖示的尺寸。
顯示模式 1平面顯示 2平面顯示 3次元顯示
對任意之軸可以設定上記任一模式。

圖示：

旋 轉
三次元顯示模式時，立體顯示並非僅由正面去看，可以從任意方向去看的描畫。
8.3描圖模式的使用方法( 描繪 )
要選擇描繪模式時，按下

圖示：

的菜單鍵。
要選擇描繪模式時，機械的位置三角的記號指示。
如果此工具記號沒有顯示時，表示機械的位置是在
畫面顯示範圍外，在此情況可使用後面說明的顯
示範圍變更操作，座標移動，放大縮小值為變更
為較大值使顯示範圍較廣大等項處理。
描繪模式中，常時描繪機械的位置。依照實際的自
動運轉，手動運轉來瞄畫移動。機械的原點以
記號顯示。
(1)描會開始

圖示：

1.顯示「描繪中」的訊息，代表在描繪模式中。
2.在機械的位置，顯示工具記號。
3.以後為描繪模式，描繪機械的移動。

圖示：

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(2)描繪的解除
1.顯示「描繪中」的訊息，代表解除描繪模式。
2.工具記號消失。(註1)上記的解除方法外，作以下的操作可以解除描繪模式。
按下 FO 的機能選擇鍵時。
3.描繪中線的區別
快速進給，手動進給之移動…..虛線。
切削進給的移動……實現。
(註)在描繪模式，以高速描繪時，依照快速的指令速度則描繪的形狀將不完美，特別是在機械鎖住高速時無法描繪正確形狀，因此請使用在切削2000MM/分以下的速度。

圖示：

圖示：

8.4核對模式的使用方法
要選擇核對模式時，按下 連續核對 或 步進式 的菜單鍵。
選擇核對模式時，核對畫面馬上開始動作。
(1)檢查準備
按下 核對呼叫 的菜單鍵，選擇核對時的運轉模式及呼叫出程式。
(例)在記憶模式核對「1000」時

圖示：

1)顯示設定區。

圖示：

8.4核對模式的使用方法
要選擇核對模式時，按下 連續核對 或 步進式 的菜單鍵。
選擇核對模式時，核對畫面馬上開始動作。
(1)檢查準備
按下 核對呼叫 的菜單鍵，選擇核對時的運轉模式及呼叫出程式。
(例)在記憶模式核對「1000」時

圖示：

1)顯示設定區。

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