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1、1 工具機結構設計與分析 程泰機械股份有限公司 研發部2 大綱 工具機主結構設計 主結構簡介 主結構材質 主結構設計要點 主結構設計流程 有限元素法介紹 何謂有限元素法 有限元素分析的過程 有限元素的優缺點 2 研發部3 工具機主結構簡介 工具機的骨架 大型與高重量 功能 支撐模組 吸收作用力與震動 在運動 加工 和溫度變化下保持相對位置的精度 EX MC Bed Saddle Column Table Head Lathe Base Saddle Cross Slide Turrut Tailstock 研發部4 立式綜合加工機 Vertical Machine Center 頭座Head
2、立柱Column 工作台Table 鞍座Saddle床身Bed 3 研發部5 臥式車床 Horizontal Lathe 床鞍Saddle 底座Base 刀塔Turrut 尾座Tailstock 機頭Headstock 研發部6 常用的主結構材質 人造花崗岩 Polymer granite 灌漿 Grouting 鋼板 Steel plate 焊接 Welding 鑄鐵 Cast iron 鑄造 Casting MaterialManufacture manner 4 研發部7 鑄造 此法已經有很長的歷史了 佔整機工具機中 70 以上的重量 優點 高阻尼 一體成型 減少加工程序 適合複雜 形狀
3、 可大量生產 缺點 製造的環境不佳 有害健康及污染問題 需要製作木模 尺寸掌握較不易 研發部8 焊接 常用於沖床 滾壓的工具機或少量生產的工 具機產品中 優點 強度高 高材料使用率 少量生產時價格低 廉 容易變更設計 缺點 低阻尼特性 成本高 Yasda 精度2 m多使用 鋼板焊接 5 研發部9 人造花崗岩 以往多用於檢測設 備 ex 三次元量床 近年來常被採用於磨 床與超精密車床床身 優點 吸振特性佳 熱膨脹小 缺點 高價 研發部10 What s stiffness 物件受力下抵抗變形的能力 y Fy Ky 6 研發部11 靜剛性 Static Stiffness 工具機的靜剛性是指工具在
4、在受靜態負荷作 用下抵抗變形的能力 以傳統車床床身為 例 當剛性接近線性時可表示為 床身的水 平抗彎剛性Kx 垂直抗彎剛性Ky 抗扭剛 性C x Fx Kx y Fy Ky M C 研發部12 靜剛性 Static Stiffness 抗彎剛性與抗扭剛性在結構設計來說是非常重要 的 越大的截面慣性矩提供越大的抗彎剛性 對於抗扭剛性的提昇則必須設計封閉的截面 dAyIz dAzIy 2 2 deformtionBending EI M 1 inertiaofMomentI modulussYoungE momentbendingM curvature 7 研發部13 設計要點 合適的截斷面積特性
5、 根據材料力學的理論和實驗證明 結構件的 抗拉與抗壓剛性決定截面面積的大小 與截 面形狀無關 而抗彎與抗扭剛性 除了與截 面面積的大小有關外 也與截面形狀有關 因此適當的選擇截面的形狀與尺寸 可以使 結構件在同樣的重量條件下具有較高的抗彎 剛性與抗扭剛性 研發部14 動剛性 Dynamic Stiffness 當動態力作用下 會使機台發生振動 或稱激振 力 Frequencyf AmplitudeA forceExcitedP stiffnessDynamicKD 高頻 振幅小 低頻 振幅大 當激振力發生在特定頻率下 機台若發生強烈的振動 即所 謂的共振效應 m kgf A P fKD 8 研
6、發部15 動剛性 Dynamic Stiffness 合理的結構設計 應該盡可能的提高共振頻率 意 味著靜剛性的提高和重量減輕 可以同時達到提高 鑄件的自然頻率 structureofMassm stiffnessStaticK frequencyNaturalf S n 因此 當設計結構時 必須在足夠的靜剛性 要求下 設計的結構件質量要越輕越好 m K f S n 2 1 研發部16 結構設計原則 為足夠的靜剛性設計 意指再機台加工時 其最大的受力造成的變形必須在允許的範圍 內 及刀具與工件的相對位置能夠在公差範 圍內 不需要設計出太壯的結構 具有良好的動態特性 利用提升靜岡性與重 量的比值
7、 來提高結構的共振頻率 以防止 共振發生 並且在任何頻率下的振動都能在 允許的範圍內 減少熱變形 工具機在工作過程中產生的摩 擦熱與切削熱 引起結構件的溫度變化 造 成熱變形和內應力 必須提供良好的熱對策 因應 其他如方便製造 裝配 維修 排 屑 運輸 等 在設計過程中應一併考慮 9 研發部17 結構件的壁厚 壁厚應盡量取小 其剛性以肋補強 因此 才能使整機的重量減輕 進而提升機台的自 然頻率 以獲得良好的動態特性 但是對於 鑄造結構件 必須考慮壁避免太薄造成破 裂 可與鑄造廠討論設計的厚度是否合理 m K f S n 2 1 20 30mm 16 22mm 12 18mm Casting 8
8、 15mmMiddle sized 20 25mmLarge sized 6 10mmSmall sized Weldment Wall thicknessMachine size 研發部18 設計原則 力流線 Froce flow 力流線是指結構內 作用力與反作用力間的 力量的傳遞路線 設計結構時 力流線越 短 剛性越高 Froce flow 10 研發部19 力流線概念 垂直的力流線將產生彎曲的變形量 降低了 剛性 設計時必須避免發生 研發部20 對於會造成彎曲的力流線可以有兩種改變設計的方法 一種為增加隔板 可改變力流線的路徑 避免垂直力流 線的發生 一種為增加補強肋 改變並縮短了力流線
9、的 路徑 此兩種方式居可將彎曲力矩轉變為壓縮負荷 11 研發部21 肋的設計時 必須同時考慮製造的困難度 除非是重切 削或精度要求很高的機台 一般多使用 型肋即可 肋的高度建議取結構壁厚的1 5 2倍即可 而肋的厚度 一般取壁厚的80 以下 縱向肋可增加抗彎剛性 正交肋可增加抗扭剛性 研發部22 凸緣連接的形式 Stiffness 1 01 061 8 通常在結構件與結構件之間 或是結構件與 地基之間 接合處常以凸緣結構利用螺栓接 合 提高螺栓連接處局部剛性能改善整個結 構的剛性 12 研發部23 降低H W Decrease H W Increase resonant frequency a
10、nd desrease amplitude Increase Km Increase resonant frequency and desrease amplitude H Height of C of G from floor W Spacing of feet width Km Mounting stiffness Mori Seiki concept DCG Driven at the Center of Gravity 研發部24 結構件設計流程 初步決定 結構件之外型 凸緣連接規劃肋條分佈規劃 單體強度分析 加工難易考慮 裝配難易考慮 木模製作與鑄 造難易考慮 成本價格考慮 目前工具
11、機的各結構件為串聯關係 所以只要有一 個組件弱 就會影響整機的剛性 因此單體分析是 必要的 目前常用 有限元素法 分析 13 研發部25 結構件設計要點 導軌跨距的決定 底座厚度及支撐點決定 最短力流線設計 斷面形狀選擇 肋的佈置與形式 壁厚的設計 其他考量 成本 組裝 加工難易 研發部26 何謂有限元素分析法 Finite Element Method FEM 解決設計問題的一種數值分析方法 概述 FEM是由於電腦的誕生 而經由力學理論研發出來的 一種結構體受力數值分析方法 這個方法就像黏積木一般 主要是把一個結構體轉變成許多不同形狀的小塊幾何體的連 結體 每一塊幾何體連結體 都擁有節點座標
12、 標號與材料 性質 我們稱之為 元素 把所有的元素組合成原始結構 體的模式 我們稱之為FEM 有限元素法 主導單元 有限元素法原則上是以構成元素的點的自由度為 解析時的主要運算單元 x z y 14 研發部27 數值分析法 有限差分法 Finite Difference Method 有限元素法 Finite Element Method 邊界元素法 Boundary Element Method 有限體積法 Finite Volume Method 波譜元素法 Spectral Element Method 無網格分析法 Meshless Method 研發部28 Finite Elemen
13、ts的起源 Aechimedes problem circa 250 B C 把一個圓形分成許多三角形構成的多邊形 近似解解析解 15 研發部29 元件設計流程 基本構想 最佳化 手繪草圖 CAD繪圖 FEM分析 原型製造 修改設計 測試原型 最終檢視 研發部30 有限元素的組成元素 FEM 5個基本條件 點 元素 材料 邊界 外力 16 研發部31 虎克定律 FEM使用之控制方程式 F K x F 施力 K 材質常數 x 應變 K F K x x F 研發部32 控制方程式之各項性質 虎克定律 F K x 結構 彈性體 作用力 F 行為 x 性質 K 靜電 流體 熱傳 勁度位移 外力 速度黏
14、滯性 熱源溫度熱傳導 雙極流通率 流體重力 電壓 電磁場位能 17 研發部33 有限元素分析的基本過程 使用者 電腦 使用者 前置過程 建立一個有限元素數 值分析模式 後置過程 計算過程從事數值分析 檢視結果 研發部34 前置過程 選擇分析型態 設定材料性質 選擇元素型式 建立元素連結資料 控制方程式 施予負載與邊界條件 18 研發部35 計算過程與後製過程 計算過程 利用電腦處理數值分析 後置過程 檢視結果 位移 應力 應變 自然頻率 溫 度 時態變化等 由於FEM計算出來的參數資料很多 不易解 讀 所以 CAD的協助是無法避免的 研發部36 1 選擇分析型態 結構靜態分析 模態分析 暫態分
15、析 挫曲分析 接觸分析 穩態熱分析 暫態熱分析 19 研發部37 2 設定材料性質 結構 彈性體 作用力 F 行為 u 性質 K 靜電 流體 熱傳 勁度位移 外力 速度黏滯性 熱源 溫度熱傳導 雙極流通率 流體重力 電壓電磁場位能 研發部38 3 選擇元素型式 元素的形狀 元素的大小 節點的位置 元素的數量 由物體外型作簡化的工作 節點編號順序 20 研發部39 A 元素的形狀 基本元素形狀 1D 3D 2D 研發部40 A 元素的形狀 元素選擇原則 2D 四邊形優於三角形 3D 六面體優於五面體 五面體優於四面體 元素的形狀選擇通常都是由物理問題 外形 的本身來決定 21 研發部41 A 元
16、素的形狀 元素選擇原則 物體外型明確 支撐架樑結構 研發部42 A 元素的形狀 物體外型不明確 選擇元素形狀需考慮 自由度的數目 所期望的精確度 導出所需方程式的難易度 是否精確的模擬真正的物理結構 建議 六面體八點元素 22 研發部43 B 元素的大小 物體外形規則元素大小相同 研發部44 B 元素的大小 需要使用較小元素所在 物體外形不規則應力集中處需要較多較小元素 23 研發部45 B 元素的大小 孔洞裂縫 受力處接觸面 電焊 高低差 相接面 研發部46 B 元素的大小 優缺點 元素大 元素數目少 缺點 精確度較低 優點 運算時間短 元素小 元素數目多 缺點 運算時間長 優點 精確度較高 24 研發部47 C 節點位置 如果物體的幾何形狀 材料的性質及外負荷 如溫 度 荷重等 沒有突然的變化 則可將物體區分成 相等大小的次區域 因此 節點的間隔將是均勻 的 若物體有任何不連續處 則須加入節點 作用於樑之集中負荷 材料性質為不連續 分佈負荷的突然變化 梁截面的突然變化 材料之不連續 研發部48 D 元素的數量 元素數目與所需的精確度 元素的大小及自由度有 關 選用較多的元素數目 將
