課程資訊
課程名稱
精密量測
Precision Metrology 
開課學期
103-1 
授課對象
工學院  機械工程學研究所  
授課教師
陳亮嘉 
課號
ME5140 
課程識別碼
522 U2690 
班次
 
學分
全/半年
半年 
必/選修
選修 
上課時間
星期四6,7,8(13:20~16:20) 
上課地點
共401 
備註
總人數上限:30人
外系人數限制:5人 
Ceiba 課程網頁
http://ceiba.ntu.edu.tw/1031ME5140_ 
課程簡介影片
 
核心能力關聯
核心能力與課程規劃關聯圖
課程大綱
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課程概述

[English]
Working with tolerances on the order of micrometer or nanometer scale, precision metrologists require the knowledge to operate highly sophisticated inspection instruments, such as optical comparators, profilometers, roughness measuring instruments, sphericity measurement and CMM (Coordinate Measuring Machine) systems. A good mathematical background and understanding of complex Geometric Dimensioning & Tolerancing (GDT) drawings is also required to determine the exact parameters to be inspected and how to process a part during the inspection sequence. This subject will benefit those with the responsibility to measure/inspect/quantify manufactured products in learning new techniques for modern precision metrology. The class will require students to operate some modern measuring instruments along with all the available inspections tools. The students will be introduced with the modern technologies in various measuring techniques and quantifying statistics. In the end of semester, a factory/company visit will be also provided to the students to experience the developing trend and R&D activities in the industries.

[Chinese] 首先必須從量測精度理論、不確定度的基本觀念開始認識精密量測在工廠品管的重要性,內容在於介紹量測精度之定義與內涵,所謂量測精度乃是使零件達預期之機能所需之準確程度。而量測不確定度為一量測量真值存在範圍的估計值,需經一連串量測量的統計分佈加以估計,並以標準偏差來表現其特徵。隨後並釐清容易混淆之準確度(Accuracy)、精密度(Precision)、重覆性(Repeatability)之觀念。

第一部份將對最基本的長度量測法做介紹,瞭解各種長度量具及儀器之原理、相關量具及儀器結構、功能與規格,包括游標卡尺、分厘卡、量表、光學尺等基本量具之刻劃與判讀原理,再延伸到測長儀及電子高度計的設計。

第二部份則分別對於精密量測技術之直度、角度、真圓度量測作介紹。直線為兩點之間最短距離,真直度 (Straightness)顧名思義在量測工件到達此標準物理定義的程度,光學方面應用雷射量測儀量測真直度的方法,目前市面上可見的為雷射準直儀、雷射干涉儀和雷射都卜勒儀等三種。而小角度的量測需要量測範圍小,其次是精度可達到幾秒,常用來作小角度量測儀器有自動視準儀、雷射準直儀、雷射干涉儀和水平儀等。真圓度通常以失圓(Out of roundness)尺寸大小表示之,即定義出理想圓的圓周與圓心,再以此理想圓定義出徑向距離差為其真圓度。換言之,即為二個能包絡圓形工作輪廓形狀的同心圓之最小半徑差異,可使用真圓度量測儀來量測。

第三部份介紹表面輪廓及表面粗度。輪廓量測是指觀察檢驗被測工件的斷面形狀,是否符合實際設計的形狀,可使用輪廓量測儀來測量,若受測物表面輪廓不能以接觸方式量測檢驗,則需在量測儀加上有Z軸調整裝置,配上光學量測探頭才能達到量測目的。而表面粗度為用各種加工方法和多種加工儀器完成的零件,其零件表面都一定會呈現凹凸不平的現象,而量測表面粗糙度的方法有許多種,通常分成接觸式與非接觸式兩大類別。

第四部份為介紹各種工業上常用的光電儀器原理及使用,如雷射干涉儀、雷射測徑儀、雷射探頭、單色光原理、雷射掃描儀等等。

而第五部份三次元座摽量測技術則利用設置在Z軸的探頭(Probe ),在相互垂直的X、Y、Z三軸向所構成的空間範圍內移動,以接觸式或非接觸式的探頭及三軸位移量測系統(光學尺)經微電腦處理系統,計算出工件的各點座標值做準確量測的儀器其量測功能可包括尺寸精度、定位精度、幾何精度、輪廓精度等。

第六部份則就影像技術應用(Automatic Optical Inspection, AOI)於精密量測方面作詳細的說明。內容包括: 光源選擇、CCD及鏡頭選擇、影像處理技術、圖形判別、誤差分類、及應用等,可適用於各種新興產業如: PCB, SMT, BGA, LCD, IC等的瑕疵檢驗。
最後,第七部份將針對由100nm 至 10nm 的微奈米工件介紹格種量測技術,包括微型三次元量床、輪廓干涉儀、聚焦/共焦顯微術、陰影疊紋法、立體顯微術等,可用於微器件及MEMS元件的檢測。
 

課程目標
Objectives:
1. Students will learn the science and technology relating to Precision metrology, including all theoretical and practical aspects of measurement.
2. Three basic major topics will be introduced:
(1) Definition of internationally accepted units of measurement.
(2) Realization of these units of measurement in practice
(3) Application of chains of traceability linking measurements made in practice to reference standards.
3. The students will be learning the following important content:
(1) Scientific or fundamental metrology
(2) Applied, technical or industrial metrology
(3) Legal metrology

[Chinese]
本課程目標以教導各種傳統及新興精密量測原理及應用為主要方向,訓練學生具有設計及實作能力,以培養高級檢測技術人才為訴求,同時研發相關儀器設備與建立實驗教材,並與產業界維持良性與頻繁之互動關係。 
課程要求
1. Middle examination 期中考 (30%)
2. Final examination 期末考 (30%)
3. Assignment 作業 (20%)
4. Labwork and report 實驗報告 (20%)
5. Participation 出席成績 (0~-10%) 
預期每週課後學習時數
 
Office Hours
另約時間 備註: By appointments 
指定閱讀
1. Lecturing slides: downloaded from
2. Mechanical measurement, Bechwith, Addision Wesley Longman.
3. 精密量測’, 范光照、張郭益, 高立書局, 2005.
 
參考書目
1.‘Metrology for Engineers’, J.F.W. Galyer and C.R. Shotbolt, Cassell Publisher Ltd. 1993.
2. "Optical metrology" Kjell J. Gasvik, ISBN: 0-470-84300-4, Wiley, 3rd Edition
 
評量方式
(僅供參考)
   
課程進度
週次
日期
單元主題
第1週
9/18  Introduction of the subject and Precision metrology lab
簡介: 上課內容及精密量測實驗室介紹 
第2週
9/25  Precision Theory
精度理論:量測精度理論、不確定度、公差 
第3週
10/02  Precision length and distance measurement
長度量測:游標卡尺、分厘卡、量表、光學尺等基本量具、聚焦探頭 
第4週
10/09  Precision angle measurement
角度量測: 小角度量測、大角度量測
and
Precision straightness and flatness measurement
直度、平坦度之誤差分析方法 
第5週
10/16  Measurement uncertainty and traceability
量測不確定度與追朔性 
第6週
10/23  Precision circular measurement
圓度量測: 真圓度量測原理與儀器原理、誤差分析、圓柱度量測 
第7週
10/30  Labwork 1: Length measurement, CMM measurement, sphericity measurement, flatness measurement. (in the Labs) 
第8週
11/06  Surface profile and roughness measurement
表面輪廓及表面粗度量: 輪廓量測儀原理、濾波、粗糙度量測儀原理 
第9週
11/13  Middle examination 
第10週
11/20  Measurement statistics
量測統計學 
第11週
11/27  CMM measurement and techniques
三次元座標量測技術: 機台、驅動與傳動、接觸與非接觸式探頭、量測軟體 
第12週
12/04  Optical measuring instruments and principles
光學儀器量測技術: 雷射干涉儀、雷射掃瞄儀、光學投影儀、雷射三角法(或數位結構光) 
第13週
12/11  Micro- and Nano-scale measurement
微奈米量測技術 
第14週
12/18  Measurement theory and techniques for volumetric errors of machine tools
工具機體積誤差之量測技術 
第15週
12/25  Measurement signal processing techniques
量測處理處理技術 
第16週
1/01  Labwork 2: CMM measurement on free form surfaces, laser interferometer, surface profilometry, volumetric errors measurement of machine tools. (In the labs) 
第17週
1/08  Company visit: Mitsutoyo Taiwan company
台灣三豐公司參觀與實習 
第18週
1/15  Final exam.