工作机械概要

工作機械概要王福清經理系統發展部中華民國95年2月27

日1大綱2一.現今台灣工具機設計所面臨之問題

常有人批評國內工具機業缺乏設計能力，只會模仿日本廠商的商品。若深入探討，應該說是“國內廠商並非完全沒有設計能力，而只是設計能力不夠完整，欠缺其中一部分環節”。模仿並非不好，而在如何借助模仿的過程，學習基本技術累積經驗，逐步建立獨立自主的設計能力。不管是模仿也好，自主設計也好，絕大多數的廠家在設計的“起點”卻是一樣的，直覺只要是“暢銷機種”便是符合市場需求的。一窩蜂的去做誰也沒有好處。擺脫困境，就是要強化“自主設計能力”還有就是“開列產品規格的能力”。3一.現今台灣工具機設計所面臨之問題現階段國內機械設計工程師的疑難與困擾:

-整體機械工業基礎尚未普遍建立之前，應該如何摸索建立?-設計計算分析查核要領與重點?-如何累積設計經驗?-如何善用電腦與軟體作為設計輔助的工具?-設計CNC工具機和傳統工具機有何不同?4一.現今台灣工具機設計所面臨之問題重要觀念:

-書刊上的任何公式均可參考，但須驗證與修正，不可完全昧於條件差別而原般套用。

-理論推導的結果，需賴實驗測試驗證。-經驗的累積、傳遞、交流應以工程規範來進行。

-引進國外技術，或閱讀國外書刊，瀏覽國外技術網站，須注意彼此之技術水準之差距。

-電腦輔助設計之前，須先做好準備工作。

-NC工具機的設計，須先了解機電整合的重點與要領。5二.工具機的定義定義:-在機械工程學之特別部門，有別於其他機械可說是製造機械的機械。-廣義-工具機為將固體材料，經由一動力源推動，以物理的、化學的或其他方法作成形加工的機械。-狹義-是指加工材料以金屬工件為主的工具機。加工方式則以切削或輪磨等機型方式將工件製成所需的形狀、尺寸及表面精度，按造其功用可分為切削型、成形型、及使用高級技術三類。6三.工具機械的分類

分類方式分類實例加工作業內容車床，鑽床，切削中心機，銑床，切齒機，齒輪成形機，磨床，切斷機，刨削機，立式切削機，鑽孔機*表面成形機，**多機能工作機械，***特殊加工機械，****其他工作機械加工對象工作物的形狀圓筒面、平面、特殊、任意曲面加工客戶需求切削加工工作機械、研削加工工作機械、研磨加工工作機械、特殊加工工作機械利用型態(用途)泛用工作機械、單能工作機械、專用工作機械、複合工作機械、特別式樣工具機械控制方式手動操作式、機械控制方式、油壓控制、程式控制方式、NC(數值)構造型態主軸:立式、臥式刀具台的形態:砲塔形、複式形立柱形態:門形、單立柱工具與工件的運動型態組合工具回轉運動-工作物直線運動工具直線運動-工作物回轉運動工具回轉運動-工作物回轉運動註:*搪磨床、拋光機、擦光機、磨光機**專用工作機械、拋光機(迴轉中心機)、MC切削中心機、FMC、FMS(彈性製造系統)***放電加工機、電解加工機、超音波加工機、雷射加工機****螺紋切削機、攻牙機、7四.工具機械的基本構成要素

-機械結構:五大主要結構件結合處設計軌道引導設計驅動設計

-進給系統-NC(數值控制)裝置-主軸8四.工具機械的基本構成要素五大主要結構件:9四.工具機械的基本構成要素

主要結構設計準則1.加工性良好易於製作和裝配。2.靜剛性良好在最大允許載荷時變形量不超過規定值，在鑄件本身移動時或其它部件在鑄件移動時靜剛性變化小。3.動剛性良好時在預定的切削條件下工作不產生振動。4.溫度場分佈合理則工作時的熱變形對加工精度影響小。5.導軌面受力合理耐磨性良好。6.結構設計合理鑄件應力小能長期的保持規定精度。7.鑄件的運輸和吊裝方便。8.排屑容易冷卻液和潤滑油的渠道暢通。電氣、液壓及周邊等設備部件的安裝位置合理。10四.工具機械的基本構成要素結合處設計:

工具機的整體剛性包括了結構剛性與接合部剛性，結構剛性受材料本身E值及肋板配置影響，而接合部則受接觸面之加工過程、表面粗糙度、接合時之機械加工的方向、接觸之材料硬度、平坦度、鎖緊力及接觸面積等影響。因此接合部剛性受制的因多又複雜，且對整體剛性影響佔有極大的成份，因此加工機的組立過程中對接合部的處理實為各製造廠的重要技術。11四.工具機械的基本構成要素軌道引導設計：導軌跨矩的決定:(1)鞍座自重變形量極小(依材料力學計算)

(2)Mr.King鏟花師傅

(3)德國Darmstadt大學Dr.Schulz

(4)日本神戶大學滑軌支撐點彈性變形併計

a.鞍座自重變形b.滑台重量變形

c.集中負荷變形(5)製造廠家可採取措施

a.量測滑軌直度b.裝配後量測工作台移動直度

L12四.工具機械的基本構成要素軌道引導設計：窄軌原理:R1uR1R2bXR2ulF(1)(2)(3)(4)(4)式帶入(2)式得:時抽屜會卡住因此l要大些才好(l>b)(:靜摩擦係數;F:拉出抽屜的力;R1,R2為抽屜與軌道的作用力)13四.工具機械的基本構成要素軌道引導設計窄軌原理應用於滑動導軌設計：

(1)運動組件的長度l與寬度b的比l/b，應進量大些可縮小由力矩產生的摩擦力。

(2)應用線軌不考慮窄軌原理的原因在於其摩擦係數夠小、引導面l夠長。14四.工具機械的基本構成要素軌道引導設計滾動導軌：

滾動接觸引導一般多使用線性滑軌，有點接觸的滾珠型與線接觸的滾柱型兩種形式，因為不是面接觸，磨擦係數(約0.004~0.008)遠小於硬軌，但負荷承載的能力則不及滑動導軌，適合較高速、高精度、輕負荷的工具機，滾珠型導軌容易高速化，但抗振與承載力較差，無法承受高加速度所產生的慣性負荷，滾柱型導軌承載力較高，但在高速反覆運動時滾柱卻容易卡住，而不易高速化。15四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統：

主要任務是將滑動件（工作台或主軸頭、砂輪座、立柱等）沿著導軌，依指令速率平穩的運動，其中除了考慮機械傳動元件的設計外，還牽涉到伺服定位控制問題。所以說，本質上進給系統實為一機電整合系統（使加工件或加工刀具能依既定的速度、位置、做高精度的移動）。16四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統進給系統設計要求:隨著進給運動方式與控制型式的不同，工具機對進給系統的設計要求也有不同，由右表可以發現對於點對點運動方式的工具機，主要應滿足定位精度與減少定位時間的需求。而對於輪廓運動方式的機械，除了要求較高的定位精度外，最重要的還應有良好的動態響應特性，其因直接影響了加工表面的精度及輪廓軌跡的形狀精度。

運動方式項

目點對點直線輪廓特點移動中不加工以定速邊移動，邊加工及定位可同時移動、加工、變速及定位常見機械鑽床、鏜床NC車床、銑床、加工中心機、磨床、仿削銑床響應時間100ms影響不大小於60ms定位精度小於0.003mm0.005～0.003m小於0.003mm運動平穩性影響不大影響加工面表面精度，非常重要低速進給時特別重要17四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統：進給系統設計要求:數控工具機對伺服進給系統的設計要求可歸納如表所示，即穩定性、精度及快速響應特性。性能要求定義包括內容穩定性為進給系統能夠正常工作的基本條件。即系統在自動狀態或外界干擾下，系統的輸出在經過幾次震盪下仍能迅速的穩定絕對穩定性相對穩定性精度進給系統的精度是指輸出值相對於輸入值的精確程度暫態誤差穩態誤差靜態誤差快速響應性指系統對輸入訊號的響應速度及暫態過程結束的迅速程度系統響應時間傳動裝置的加速能力18四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統：進給系統構成元件-滾珠螺桿與螺帽主要是將馬達的旋轉運動轉換成直線運動的元件，也是進給系統中影響移動件速度的主要關鍵元件，目前直線傳送裝置之驅動、傳動機構以滾珠螺桿為大宗。

19四.工具機械的基本構成要素進給系統構成元件-軸承與支持安裝形式:20四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統：進給系統構成元件-引導元件

移動件移動時，除進給方向外，尚需有直線導軌來限制五個自由度。有人稱之為導軌或引導，一般包含滾動接觸引導與滑動接觸引導(滑動或流體、磁浮)兩種。以機械結構的角度而言，工具機的加工精度和使用壽命很大的程度決定於導軌的優劣，如高速進給時不振動，低速時不爬行，有高的靈敏度，或是能在重負荷下長期工作，耐磨性高等特性。

21四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統：進給系統構成元件-引導元件滑動導軌一般稱為硬軌，形狀有V-V(兩V)、V-平等，如圖所示，以應用V-V硬軌為例，有4面拘束，雖4面之精度難以達成，但可利用「刮花」對策，用於各種精密定位裝置之導引。滑動導軌其成本低廉且剛性佳，有良好的阻尼與制振效果，但摩擦係數大，磨損較快，常在表面上貼上一層Turcite的材料改善表面特性。22四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統：進給系統構成元件-引導元件滾動接觸引導也稱為軟軌。一般多使用線性滑軌，有點接觸的滾珠型與線接觸的滾柱型兩種型式，因為不是面接觸，摩擦係數遠小於硬軌，線性滑軌鋼珠與滑道磨擦係數μ小至0.001。幾乎無導引背隙，對於外部荷重的彈性變形量小，可利用各種方法預壓轉動體。但轉動磨擦力相對變大。轉動方向，甚至其垂直方向，缺乏衰滅性，若與滾珠螺桿組合併用，易產生振動。由於抗振與負荷的承載能力較差，較適合高速、高精度與輕負荷的場合使用。

23四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統：進給系統構成元件-聯軸器聯軸器的功能在於確實連結傳輸動力的伺服馬達與執行直線運動的導螺桿使得馬達可以準確將速度與位置精確的轉換於移動件上。

(1)撓性連軸器：優點在允許導螺桿與伺服馬達心軸間較大的不同心度，其缺點是不同心度愈差，噪音愈大。

(2)剛性聯軸器：通常要求導螺桿與伺服馬達心軸之同心度高。

(3)扭力限制器：是以撓性聯軸器的架構加上感知器(sensor)以檢測進給軸在異常過載(overload)時，發出警告(alarm)信號。24四.工具機械的基本構成要素驅動設計-進給系統進給系統構成元件-NC(數值控制)裝置依控制方式的不同區分為：(1)全閉迴路:

25四.工具機械的基本構成要素(2)半閉迴路:

26四.工具機械的基本構成要素(3)開迴路：27四.工具機械的基本構成要素驅動設計:主軸28四.工具機械的基本構成要素-周邊設備：

AutomaticAttachmentIndexer(附加頭自動分度機構)ATC/AATC(自動刀具交換系統/附加頭專用之刀具交換系統)AutomaticPalletChang(托板自動交換)Coolantsystem(切消液冷卻系統)AutomaticAttachmentChange(自動配件:附加頭)

除屑裝置29四.工具機械的基本構成要素-重要技術：刀具技術與加工技術機械結構力學材料科學動力學振動學機械製造機械設計流體力學熱力學自動控制30五.工具機械的設計原理精度設計:-精度類型:*軸向運動誤差

*幾何精度*定位精度

*影響進給系統定位精度的因素剛性設計:*靜剛性*動剛性*熱變位31五.工具機械的設計原理精度設計-軸向運動誤差VerticalstraightnesserrorYZXYnZnXnPitchRollYawHorizontalstraightnesserror32五.工具機械的設計原理精度設計-幾何精度1.運動直度-機台能加工出平的面、直的軌。2.主軸的迴轉精度-車出圓棒、搪出圓孔。3.空跑時的精度可以單賴加工、裝配修整出來。但實際切時加上工件重量與切削力的變化，不易隱藏機台結構上的弱點。4.目前國產C型立式綜合加工機，直度要求是0.01/500以內，但工作台移至尾端時，下垂量約0.02~0.03㎜。此數據適用於行程500~1000之立式綜合加工機33五.工具機械的設計原理精度設計-定位精度定位精度:依指令值移動到正確位置的能力。1.定理:傳動機構剛性15~25㎏/μm摩擦係數:0.005~0.1F例:工件100㎏，剛性20㎏/μm，μ=0.05，則變形量為0.25μm2.採用線性滑軌的機台一般水準為±0.005mm。3.線性滑軌為滾動摩擦，摩擦係數低至0.005，但軌道不平直或導螺桿不平形而彎曲時，提高的阻力不易估算。4.採用Turcite時乾摩擦係數為0.1，在定位精度上會吃虧，但緩衝、震動的效果良好，適合重切削。5.冷車空跑的定位精度容易做到，但實際切削以後的熱變形量常高達60μm

以上。(鋼每米升高1℃的膨脹量是11μm)34五.工具機械的設計原理精度設計-影響進給系統定位精度的因素:伺服控制系統特性伺服剛性，頻寬增益值機械加工精度真直度、平面度垂直度

熱平衡環境

機器本身熱源與室溫、環境溫度

負荷狀態

運動件的重量、切削加工受力

滾動引導（軟軌）線性滑軌的選用與配置、裝配微量進給的靈敏度傳動精度與微背隙CNC進給定位系統阿貝原理與阿貝誤差摩差潤滑條件機械設計佈局

運動基準與良測精準保持一定的程度

熱結構對稱

運動基準與梁測精準保持一定的程度

導軌剛性、接點剛性及進給系統剛性導軌運動的幾何精度導軌垂直與水平面的直線度、垂直度、搖擺、俯仰等產生的誤差實際位置與梁測系統讀到的位置誤差滑動引導（硬軌）導軌的配合間隙、工作面的潤滑油低速運動的平穩性臨界速度及黏著滑移問題高速運動硬軌-油壓厚度變化、液體動壓浮力等軟軌-承受慣性負荷、抗振性等最小能移動的指令大小指令位置與量測位置的誤差精密定位定位精度軌跡精度及重現性伺服控制系統精確執行指令能力高速CPU、通訊與馬達伺服驅動技術控制方式

控制形式響應特性穩定度誤差與動態特性回授量測系統

精度與解析度驅動系統與機械系統的參數匹配條件慣量比、固有頻率比、加減速的時間35五.工具機械的設計原理定義:若機械結構受一已知大小的外力，與所造成之變形量，之間的比值稱之為「靜剛性」。K(㎏/μm)＝P(㎏)/δ(μm)剛性設計-靜剛性36五.工具機械的設計原理因為各組件為「串聯」，只要有一個環節靜剛性小，其他地方再怎麼補，都補不回來。工具機之設計，強度應力上很少會超過，由於剛性之要求更高，所以會成為「關鍵」。一般的有限元素分析軟體，僅能計算出以多大之負載施於一結構件上，得到一個變形量。剛性設計-靜剛性37五.工具機械的設計原理定義:

-施以不同頻率，相同大小的力施加於一個結構件時，會有不同變形量之彈性變形。

-在自然頻率下的剛性值則稱為動剛性。

-固定頻率的荷重：f=f0×sin(ωt)。-結構件因為震動所產生之變形：x=a*sin(ωt-ψ)-M:工具機之等價質量。

-C:工具機之阻尼值(主要是依材質之特性)。-K:工具機之剛性質(因材質、幾何形狀、尺寸而異)。剛性設計-動剛性38五.工具機械的設計原理由以上之已知條件，求得下列各值。

-自然頻率ωn=

ε=-M:工具機之等價值量-C:工具機之組尼值-K:工具機之剛性值

(主要是依材質之特性)剛性設計-動剛性39五.工具機械的設計原理由以上之已知條件，求得下列各值。

a=

tanψ=

剛性設計-動剛性40五.工具機械的設計原理求得動剛性值:若工具機此時之動負荷頻率接近自然共振頻率，則思考問題:如何增加工具機之“動剛性”?

剛性設計-動剛性41五.工具機械的設計原理攜帶發熱熱量設計:

-盡可能在熱源附近作冷卻裝置，例如在主軸套管作主軸之冷卻。-切屑處理方式剛性設計-熱變位42五.工具機械的設計原理熱源隔離設計:工具機內部之各種熱源想辦法將它隔開。例如切屑，盡可能不要直接置於結構件之設計