高速工具機驅動系統與機械結構剛性整合設計 國立台灣大學機械工程學系 顏家鈺、張伯維、李瑞政、＿＿＿ 日期：2001/12/26

大綱 伺服系統能量分析 結構與伺服整合分析 伺服剛性之建立 Up Front Engineering－以分析代替prototype測試 伺服系統之「系統設計」（Capacity & System Design） 伺服調機 結構與伺服整合分析 伺服器構造分析 結構對伺服之影響 動態不平衡力之模擬 伺服系統對動態不平衡力之作用 結構之動態模擬 伺服器性能之實際模擬 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Design Procedure Ideal CAD tool Servo implementation Prototyping Structural analysis tool Servo tuning Modal testing Controller synthesis tool Performance test Dynamic simulation tool 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

伺服系統分析模擬 配合伺服器之性能模擬 建立FANUC伺服系統之模型 Solid Model In Motion MATLAB Control Model Synchronous Control Tandem Control 建立磨床模型 Lumped Model For system capacity Finite Element Model For stiffness analysis 6 d-o-f Attitude model For dynamic force analysis 配合伺服器之性能模擬 Solid Model In Motion For structural interaction Interaction with Control Synthesis 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

模擬與分析 磨床工具機模型 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Content Abstract FEA Modal Analysis Model Architecture Dynamic Simulation Controller Synthesis Simulation using Working Model Conclusion 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 機台模型 為了避免機台發生共振的現象，我們必須知道基台的自然共振頻率。我們以有限元素分析程式-ANSYS 5.5.1作為分析的工具，以瞭解基台的一些振動模態。 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 網格模型 材料為鋼：210Gpa 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 自然振動頻率表 頻率(Hz) 1 274.717 2 288.201 3 317.276 4 336.946 5 389.355 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 第一振動模態 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 第二振動模態 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 第三振動模態 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 機座受力6000N之變形 基座重量(kg) 6397.18 滑軌一 平均變形(m) 2.7402025e-7 滑軌二 平均變形(m) 2.7748075e-7 平均 2.7575e-007 剛性(N/m) 4.3518e+010 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

FEA Modal Analysis- 受力6000N機座之變形 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 平台受力示意圖 F2 F1 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 平台受力示意圖 Ft4 Ft3 Ft1 Ft2 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 平台受力示意圖 Fb2 Fb1 Fb3 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 合力分析 rt1xy (x1,y1,z1) 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 合力分析 rt1xz 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 側向反作用力大小分析 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 垂直方向反作用力大小分析 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 摩擦力分析 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 力矩分析 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Model Architecture- 動態方程式之建立 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- Simulink模型 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- Simulink模型 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力2500N下的振動 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力2500N的角度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力2500N的受力與速度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力4000N下的振動 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力4000N的角度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力4000N的受力與速度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力5000N下的振動 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力5000N的角度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Dynamic Simulation- 受推力5000N的受力與速度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- Working Model功能及特性 多種物理性質與組件：可定義各種性質包括：質量、密度、體積、幾何、質心、慣性矩、位置與方位、和恢復(restitution)係數與模擦係數等等。 多樣化的拘束條件可供模擬：提供多樣化的約束條件可供模擬，包含各種接頭、分隔、驅動器皆可直接套用。 多種可量測參數及圖表：提供多種圖表可用以掌握系統的各種資訊。包含受力分析、振動分析等等。 與CAD軟體之整合：能與多種CAD軟體結合，對於Pro/E所建立的模型，能透過自動拘束映射（ACM ）技術轉換成機構運動模型。 輸出結果之轉換與應用：對於模擬結果可以製作成動畫，對於系統的運動情形的瞭解較為直覺。並能與Matlab做進一步的伺服控制整合。 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- Conditions 考慮703.13公斤實體等效質量，將磨頭與滑軌的接觸情形，簡化成八個連接彈簧的滑塊。 考慮摩擦力，八個與滑軌接觸的接觸點摩擦係數均假設為0.1。 上方四個彈簧的彈性係數為3e+6N/m，下方四個彈簧的彈性係數則設定為3+e7N/m。 兩個推力的施力點大致上放在線性馬達作用的位置。 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 實體模型示意圖 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下之X方向振動 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下之Y方向振動 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下之Z方向振動 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下之X方向角度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下之Y方向角度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下之Z方向角度 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下之加速度變化 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下底部四角落摩擦力 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下側邊四角落摩擦力 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下底部四角落彈簧力 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model- 5000N推力下側邊四角落彈簧力 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model-2500N推力：速度-位置關係圖 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model-4000N推力：速度-位置關係圖 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Simulation using Working Model-5000N推力：速度-位置關係圖 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究

Conclusion 建立了六個自由度的平台模型，並以有限元素分析考慮了工具機的幾個模態。 以Matlab的Simulink對此模型做伺服控制的整合，初步以Tandem Control配合基本的P-Control，已能達成穩定的反應。 以Working Model建立實體模型，對此模型做進一步的觀察與驗證。 此模型對於真實情況的多面向考慮，模擬的各項數據均有相當的可靠性，對於未來控制器的實現也有很大的參考價值。 2019/4/8 PSCL 高速加工機整合研究