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機械工業雜誌

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摘要

本研究提出一套可於常壓大氣環境下運作之機器手臂微能量束自動化面形修整技術。系統透過射 頻 (RF) 激發 Ar 與 CF₄ 反應性氣體產生高活性自由基,利用非接觸式之物理與化學反應機制進行局部材料 移除,並結合六軸工業機器手臂,以提升加工範圍與自動化能力。研究中針對製程參數進行分析,結果 顯示材料移除深度與工作距離之間具有高度相關的非線性特性,其回歸模型決定係數達 R² = 0.9965;此 外,線掃描測試亦成功建立移動速度與材料移除量之對應關係。於面形修整實驗中,石英工件之面形精度 (Surface figure error) 由初始約 0.7λ 改善至 0.27λ,RMS 則降低至 0.05λ。研究結果驗證該技術具備於常 壓環境下實現高精度、自動化光學面形修整之可行性,並展現其於高階光學元件製造與自由曲面加工應 用之潛力。

Abstract

This study proposes a robot-assisted micro-energy beam figuring technology operating under atmospheric-pressure conditions for automated optical surface correction. The system employs radio-frequency (RF) excitation of Ar and CF₄ reactive gases to generate highly active radicals, enabling localized material removal through a non-contact physicochemical reaction mechanism. A six-axis industrial robotic manipulator is integrated to enhance processing flexibility, workspace coverage, and automation capability. Process parameter analysis reveals a strong nonlinear correlation between material removal depth and stand-off distance, with the regression model achieving a coefficient of determination of R² = 0.9965. In addition, line-scanning experiments establish the relationship between scanning velocity and material removal rate. Figure correction experiments on quartz substrates demonstrate that the peak-to-valley (PV) surface error was improved from approximately 0.7λ to 0.27λ, while the root mean square (RMS) was reduced to 0.05λ. The results verify the feasibility of achieving high-precision optical surface figuring under atmospheric conditions and demonstrate the potential of the proposed approach for advanced optical component fabrication and freeform surface manufacturing.

前言

全球高階光學市場隨著智慧製造、自動駕駛、機器視覺、雷射技術、半導體及先進量測需求快速提升而持續擴張。人機互動與自主系統的發展,使機器需具備高精度影像辨識與複雜場景感測能力,進一步帶動高品質光學元件於製程監控、最終檢測、先進成像及衛星通訊等領域的廣泛應用;高階量測設備及精密成像技術需求顯著增加,推升全球精密光學市場規模預估於 2034 年成長至約 929 億美元,2025 至 2034 年間年均複合成長率達 12.7%[1]。

光學元件是一項高度複雜的製程,需要極高的加工精度、嚴格的公差控制。元件通常由玻璃或晶體等硬脆材料製成,在最終整合至應用產品之前,必須經過創成、研磨、拋光、鍍膜、量測與組裝等多道加工程序。任何製程階段中的公差或品質缺陷,都可能導致元件報廢,導致材料浪費以及生產成本的增加。傳統光學鏡片加工技術主要以研磨、拋光、修整等機械加工製程為核心,並搭載於高精度多軸移載平台上,透過高剛性結構、奈米級定位控制及精密運動補償技術,以達成光學元件之高面型精度與低表面粗糙度要求[2][3]。此類設備多以固定式加工架構為主,可提供穩定且高重複性的加工能力,長期廣泛應用於球面、非球面及高精度光學元件製造。

然而,隨著大型化、自由曲面及多樣化光學元件需求逐漸增加,傳統固定式平台在加工範圍與運動自由度上的限制開始受到關注,因此機器手臂技術逐漸被導入光學製造領域。相較於傳統高精度平台,機器手臂雖在結構剛性、振動抑制、熱漂移控制、重複定位精度及動態誤差補償等方面仍存在挑戰,在奈米級面形修整與超精密加工中容易受到關節誤差、結構變形及路徑累積誤差影響,但其具備較大的工作空間、多自由度姿態調整能力及較高的系統彈性,因此在近年逐漸受到重視。

早期機器手臂主要應用於加工力需求較低、系統容錯性較高之周邊製程,包括自動化光學檢測[4][5]、工件取放、量測姿態調整及跨站搬運等。然而,隨著機器手臂控制技術、誤差補償方法及即時量測回授能力逐漸提升,近年已有研究開始嘗試將機器手臂導入光學透鏡加工製程,如機器人輔助拋光系統已被應用於各種精密拋光技術中,例如小工具拋光(Small Tool Polishing,STP)、氣囊拋光(Bonnet Polishing,BP)、流體噴射拋光(Fluid Jet Polishing,FJP)、磁流變修整(Magnetorheological Finishing,MRF)以及剛性順應工具拋光(Rigid Conformal/Comfortable Tool Polishing,RC)等應用[6]-[8],以期在降低設備成本的同時,提升加工彈性與自動化能力。

DOI:10.30256/JIM.202609_(522).0010

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