中心簡介 / 組織

儀器發展組 > 精密機械小組

同步輻射研究中心精密機械小組主要任務簡述如下:

  1. 中心整體定位測量網路建置
  2. 增能環、傳輸線、儲存環、插件段及實驗區各元件安裝測量與定位 
  3. 光學元件與相關夾持及調整機構設計開發,精度測量 
  4. 光束偵測器開發建置 
  5. 儲存環與實驗站自製設備與量測系統整合
  6. 振動量測與防治 
  7. 3D圖面整合與3D繪圖軟硬體建置

中心整體定位測量網路建置

同步輻射光源的產生,需要將電子束加速至一定的能量後,將其送入儲存環中,精準的沿著設定軌道運行。其中精密的放樣,測量與調整定位的工作是由精密機械小組負責。加速器中的磁鐵等設備相互間誤差皆須達至0.1mm,因此除了設備本身需經機密的檢測之外。確保元件的安裝位置精度同時是十分重要。同步輻射研究中心內有多種不同的測量設備依照不同階段需求,以及環境限制使用,其中用在大型或三維空間測量主要以雷射追蹤儀、經緯儀、電子水準儀、光學式水準儀等設備為主。先期先藉由經緯儀建立測量控制網,待測量環境良好後,再進一步由雷射追蹤儀完成控制網建立。

大型尺寸測量儀器

Leica AT401
(雷射追蹤儀)
Leica TDA5005
(經緯儀)
Leica TDA5005
(電子式水準儀)
TPS 儲存環與實驗區控制點

增能環、傳輸線、儲存環、插件段及實驗區各元件安裝測量與定位

藉由控制網可進行中心線放樣,依照初步的中心線位置安裝上元件後,再藉由雷射追蹤儀將其調整定位,遭遇部分特殊環境限制無法使用雷射追蹤儀時(空間過於狹小,或儀器不易擺放等問題),可藉由光學式水準儀輔助測量定位。除了安裝定位使用外雷射追蹤儀同時也可用於檢測大型工件的製作尺寸或功能有無達到規範。

元件安裝與定位

插件磁鐵定位
增能環磁鐵定位

大型工件檢驗

真空腔焊接變型檢驗
支架加工結果檢驗

光學元件與相關夾持及調整機構設計開發,精度測量

一般藉由量測技術對品質進行管控,仰賴正確的量測技術及精密儀器來完成檢驗,提升品質。同步輻射光源加速器組成元件眾多,環狀組合圓周長度約518m(台灣光子源),是一龐大且精密複雜機器,依賴複雜網路測量與組裝,定位每一磁鐵位置誤差小於約0.1mm。以雷射干涉儀量測磁鐵支架溝槽直線度、磁鐵支架定位銷間長度,以置放磁鐵與提供每一支架長度網路計算。磁鐵支架環狀組合長、短直段定位,採用PSD鏡座定位磁鐵支架上下、左右,每一PSD鏡座內含雙V形高精密平面鏡,以自動視準儀量測雙V形平面鏡整合平行度。每一磁鐵支架置放磁鐵完畢,磁鐵中心置放膨脹心軸,心軸中心置放PSD,通過磁鐵中心雷射光射入PSD,即可知偏離距離,磁鐵中心雷射光裝置相對支架定位銷間距離,採用三次元量測手臂量測。下為本組檢測用精密量測設備。

自動視準儀

自動視準儀為利用測量用平行光源射入平面反射鏡後所產生微小角度變化原理工作,是精密的角度量測儀具。可測量機械平台之直線度,垂直度,平行度及平面度等,更可搭配多面鏡來檢測機械的轉動角度。目前最小讀數可達0.01秒。

三次元量測手臂

利用探頭接觸被測物表面,機械手臂上編碼器會計算手臂上各關節的移動量(R ,θ),來求得接觸位置相對於手臂原點的三維座標(X ,Y ,Z )。三次元量測手臂為多關節式量測系統,手臂自由度高可360°旋轉,在量測時可深入量測內孔或是複雜曲面處,讓量測無死角。是應用在複雜工件之量測及逆向工程絕佳利器。

雷射干涉儀

使用氦氖穩頻雷射為光源,採用雙頻干涉信號處理,計算求得相對移動光程差,換算距離。可搭配不同的鏡組合,進行不同的量測,如線性位置、速度、角度、直線度、平行度和垂直度等量測工作,並可作為高精密的檢測和高精密的定位需求,線性距離可量測至奈米等級(10-9 m)。

精密量測設備

雷射干涉儀
自動視準儀
三次元量測手臂

光束偵測器開發建置

光學尺寸監測器 (Beam Size Monitor)是利用雙狹縫干涉之影像,量測同步輻射光束尺寸。此監測器僅採用同步輻射光之可見光波段,因此量測系統架設於屏蔽牆之外。同步輻射光之可見光波段乃是利用鈹鏡淬取出來。

在可見光的世界,干涉術被廣泛的運用於微米尺寸等級的量測,依據范西特-澤尼克定理(Van Citter-Zernike)相干性理論,一個遠距離的非相干源共有相干方程的傅立葉變換等於它的複合能見度。這說明了一個不相干源的波前會在遠距離相干地出現。而我們使用雙狹縫將光波前分離,並在系統中加入偏光片與濾光片,建立同調的干涉系統(wavefront –division type inteferometer),藉此量測同步輻射光的第一階空間同調性。利用雙狹縫干涉條紋的可見度(visibility)推算出同步輻射光束之尺寸。

光束尺寸監測器

為提高TPS 光源之效率,本小組開發TPS儲存環支架之自動對準(Autoalignment)系統,期望利用已校準之感測器進行定位並對準圓周長達518公尺之72座TPS儲存環支架。而儲存環內彎段與彎段間,有18m長與13m長之長、短直段。長、短直段的支架並未相鄰,為了定位對準彼此不相鄰之直段支架,開發『雷射PSD定位系統』。

雷射PSD定位系統利用雷射光源做為定位基準軸,依據光點位置,可進行直段的前、後兩段支架之定位與校準。因系統使用解析度達0.5μm之雷射位置感測器(Position Sensing Device,縮寫為PSD ) 來進行雷射光點的位置分辨與定位,本定位系統之位置解析度為微米等級,兩座支架間的相對位置定位準確度,可達20 μm。

『雷射PSD定位系統』主要結構包含雷射光源與四座雷射位置感知器(PSD)。雷射光源安裝於直段之前段支架,並將四座雷射位置感知器安裝於直段之前後兩段支架上方,藉由四座PSD的讀取Laser光點位置。依據雷射光線性傳播的特性,可依雷射光於前段Girder之位置,計算出雷射光在後段Girder的理論位置,並藉此將前後兩支架對準。

支架準直雷射定位系統

儲存環與實驗站自製設備與量測系統整合

六通道讀取器

六通道讀取器是使用Endat(或其它傳輸格式)傳輸格式之接觸式感測器進行實作,讀取Endat(或其它傳輸格式)傳輸格式之接觸式感測器資料,需使用現場可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,縮寫為FPGA)晶片讀取Endat數位輸出入信號與解碼運算,以得到接觸式感測器測量之數值,而測量數值經設計之數值運算後再與動態設定測量範圍進行比對,產生數位變化信號輸出,如同極限開關信號,產生觸發信號,驅動其它系統輸入信號,而FPGA晶片利用串行外設介面協定(Serial Peripheral Interface Bus Protocol,縮寫為SPI)將所抓取之接觸式感測器資料與觸發信號傳遞至單板電腦系統,進行單板電腦系統與FPGA晶片雙方設備數位訊號傳遞與交換,單板電腦系統使用網路將觸發信號傳送網路端其它系統設備。

相較限開關信號的0.1㎜以上精度觸發精度,本實作系統觸發精度可達1㎛以下,且觸發範圍可經由程式簡單設定,不需重新安裝,即可改變觸發範圍,且利用單板系統產生網路信號,觸發遠端系統。

單板電腦系統可將讀取感測器資料直接顯示在螢幕上,或經各種數值處理後,轉化為回饋或警示信號成為其它系統輸入信號,並且將數據上傳網路資料庫系統,建置成測量互聯網系統,提供歷史資料,建立大數據系統,進而使各式分析工具利用大數據資料庫,了解系統問題與反應,提供正確判斷之依據。

單板電腦中建立網頁伺服器,透由網頁呈現即時感測器數值,使操作人員可了解系統即時狀態,進行各組參數調整,以達到受測系統運作之最佳化情況。

本組開發之六通道讀取器較市售產品功能更多,且價格優惠,僅約市價十分之一!!意者請洽本組聯絡人:王懷三(電話:03-5780281 6248)。

雷射輪廓測量儀

使用二極體雷射為光源,採用遠心鏡片降低光源發散角度,減少像散效果。搭配迴轉裝置,可擴充為二軸方向非接觸量測。可量測至奈微米等級(10-6 m)。應用於同步輻射光源狹縫機構、真空潔淨部品、易碎且薄物品如鑽石刀片與具有內錐度長孔等量測。

自製設備與量測系統整合

六通道感測器EnDat訊號讀取系統
雷射輪廓測量儀

光學實驗室主要設備

長行程鏡面輪廓儀(LTP)

此儀器是由美國布魯克黑文(Brookhaven)國家實驗室Peter Takacs等開發的,並由大陸光學公司 (後來改為海洋光學) 銷售。它基本上是一個雙細光束(pencil beam)雷射,斜率測量干涉儀,能夠直接測量任何形狀的光學表面的單向斜率,特別是同步輻射設施之大曲率長反射鏡。在最佳操作條件下,可以進行非常精確的測量,重複性優於 2 nm P–V (或0.1 μrad rms)。本實驗室現有儀器之行程為1.5公尺。

ZYGO鏡面干涉儀

現有Zygo GPI XP 4吋鏡面干涉儀一部,用以測量平面與球面透鏡或反射鏡的面型,GPI XP主機為Fizeau型干涉儀,測量精度高且操作簡單,採用精密移相技術和高解析度CCD接收器以獲得高重複性和高精度的測量結果

長行程鏡面濺鍍機

長行程鏡面濺鍍機一部可作1.5公尺範圍內鏡面的鍍膜,具備直流(DC)與高頻(RF)真空濺鍍鎗各一組,內部電動平移台可調整移動行程與速度以控制鍍膜厚度與均勻度。

振動量測與防治

電子束運行時,如果磁鐵支架振動過大,電子束軌道會產生偏移與擾動的現象。為了要減小磁鐵支架的振動,因此當初在設計台灣光子源(TPS)的原型磁鐵支架時,利用衝擊鎚(PCB 086C20)與加速規(PCB 393B12)的量測,配合頻譜分析儀以及模態分析軟體,得到支架的自然振動頻率與模態振形。本小組針對造成振動較大的振形進行結構的修改與補強,降低因為支架振動而對於電子束穩定性的影響。

本小組在TPS儲存環將加速規(PCB 393B31)與速度規(Walesch MST-1031)分別放在磁鐵支架與地面上,透過高準確度多通道的資料擷取模組(NI PXI 4496)擷取訊號,全天候24小時即時量測支架與地板的振動。

振動量測儀器設備
地面振動監測

3D圖面整合與3D繪圖軟硬體建置

工程製圖是工程建設實體前的一項重要工作,用以描述物件功能或結構技術,此為一門專業基礎學科,以幾何的投影理論畫法為基礎,正確規範繪製和閱讀工程圖是工程技術人員的基本素質。工程師們可透過工程圖面了解設計的方向、位置、大小、結構配合。工程設計與工程施行、檢驗等相關人員,也可依圖面作為溝通的依據。圖面為工業共通的語言也是一套視覺語言。

現在本中心工程製圖以3D立體電腦輔助設計系統為主,並設置共用網路儲存伺服器提供3D圖檔儲存,使用圖檔專用PDM (Product Data Management)管理系統,管理權限及圖檔版本,使用者可在區域網路內同時取得相同版次的設計資訊,減少因時差而產生圖資有異的現象,因此改善了共同設計時相互干涉與修圖的時間,因而更進一步使用協圖作業的多使用者環境,提高工程圖的正確性減少施工錯誤,大大減少工程支出。

3D立體電腦輔助設計已成為本中心工程製圖必備條件,工程建設不可或缺的項目,除了工程建設外也可以做其他的應用,如:應力分析、電腦動畫、科普教育、簡報圖說、3D列印等,都可利用已繪製完成的3D立體圖面進行延伸使用。

如下列圖說:

TPS土木、機電、磁鐵、真空、支架主要系統與周邊系統整合。
各型區域性系統安裝整合定位座標擷取工程圖製作。
利用影像處理並結合3D-MAX軟體製作動畫,應用於科普展示。
利用3D模型列印技術,製作相對比例的模型,作為設計檢討應用。
提供中心大型海報列印,參與國內、外大型會議。
中文名字工作職掌
管建銧*
  • 同步輻射加速器前端區設計。
  • 有關Photon Beam之量測系統設計與製造。
  • Beam穩定性量測與分析。
  • 熱負載元件設計,熱負載、熱傳溫度計算與熱應力分析。
  • 機械元件設計與製造,機械應力與應變分析。
王懷三
  • 測量系統維護及提升
  • 控制系統
  • 電路設計
  • 計算機
何西洲
  • 加速器網路準直與測量
  • 光學測量與檢驗
  • 機械元件設計與製造
林家瑞
  • 加速器準直與測量
  • 各插件磁鐵組裝準直
許耿豪
  • 台灣光子源磁鐵支架振動量測與研究
彭賢耀
  • 高解析度非彈性X光散射用分析儀製造
  • 奈米平台研究
曾澤川
  • 光學元件夾持與調整機構設計
  • 光學元件曲率量測
  • 主動調變式光學元件設計開發
  • 同步輻射光干涉式光束尺寸偵測器建置
  • 台灣光子源磁鐵支架設計開發
黃定國
  • 加速器工程圖資定位整合
  • 工程圖資檔案管理
  • CAD、CG、VR、Animation應用
賴惟揚
  • 台灣光子源網路量測與研究
黃春憲
* 為主管