{机械公司管理}工作机械概要

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1、工作機械概要,王福清 經理 上銀科技股份有限公司系統發展部,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

2、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

3、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,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

4、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

5、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

6、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,L,12,四.工具機械的基本構成要素,軌道引導設計： 窄軌原理:,R1u,(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(lb),( :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

7、 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0.0040.008) 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。

8、,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

9、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。,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。,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-

10、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

11、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

12、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(over load)時，發出警告(alarm)信 號。,24,四.工具機械的基本構成要素,

13、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： Automatic Attachment Indexer (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) Automatic Pallet Chang (托板自動交換) Coolant system(切消液冷卻系統) Automatic Attach

14、ment Change (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,Vertical straightness error,Y,Z,X,Yn,Zn,Xn,Pitch,Roll,Yaw,Horizontal straightness e

15、rror,32,五.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0.020.03。,此數據適用於行程5001000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:,例:工件100，剛性20 /m，=0.05，則變形量為

16、0.25m,2.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60m 以上。(鋼每米升高1的膨脹量是11m),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:,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 (/m) P () / (m),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