工具機機電一體化設計與驗證技術

摘要：本案以一部國產三軸立式綜合加工機為例，進行機台結構多重物理分析優化設計分析和機電一體化系統設計分析，內容包括：

1. 工具機機電一體化設計模擬技術
建立此立式綜合加工機的機電一體化模擬平台（mechatronic simulation system），此模擬平台整合CNC、伺服控制、機器動力模型與CAM等模組。在此模擬平台上進行此綜合加工機的機械、電氣和軟體的動態特性之匹配優化。也開發出一個CNC加值軟體，此軟體可以讓客戶依照速度、精度、表面粗糙度等三項加工指標需求，來動態調整CNC控制器參數。

2. 工具機多重物理耦合分析優化
在結構力學、振動學與熱流理論等學理基礎下，使用有限元素方法與最佳化方法建立工具機結構的多重物理耦合分析優化技術，以提升工具機的靜動態剛性、動態反應與熱誤差抑制等，並由實驗證實模擬分析所得之溫度場以及熱變形的吻合性。

Abstract: This paper is focused on multi-physics analysis and mechatronic analysis of a three-axis vertical machining center. In this paper, we firstly introduce the technology of mechatronic machine tool design and simulation. A mechatronic simulation system based on a three-axis machining center is successfully established by integrating the CNC, servo-drive dynamics, machine tool dynamics and CAM. Based on this virtual machine mechatronic simulation platform, the optimal CNC parameters and servo driver parameters are evaluated. Value-added software is developed to dynamically adjust the CNC parameters according to the three machining parameters including accuracy, surface roughness and speed.

In the second section of this paper, the technology of machine tool multi-physic simulation and optimization is presented. The technology of multi-physic simulation and optimization is established based on the Finite Element Analysis to improve and optimize the stiffness, dynamic characteristics, and thermal accuracy of machine tool design. The thermal error analysis of a three-axis machining center is done. And the result shows that the analysis result is coincident with the experimental result.

關鍵詞：機電一體化設計、虛擬工具機、多重物理耦合分析和優化

Keywords：Mechatronic Design, Virtual Machine Tool, Multi-Physic Coupled Analysis and Optimization

前言
隨著多軸複合加工機技術的演進，多軸工具機的機台結構動態特性與CNC電氣特性的優化匹配的難度也比三軸綜合加工機更加複雜許多，因此必須應用系統工程技術，利用工程分析軟體來建立工具機的多重物理耦合分析（multi-physic analysis model），此多重物理耦合分析模型包含了工具機結構的動力學和熱傳學的動力耦合分析。國內工具機業者目前在機台結構分析上大多僅止於靜態剛性與共振頻率模態分析，但是國外工具機業者已經開始採用靜、動剛性分析結合拓樸（topology）結構優化技術進行結構設計[1]，同時更加入熱傳與結構優化的熱親和設計[2]。由於工具機結構上不對稱的熱變形估計可佔高達整體幾何誤差的70% [3]，因此日本Okuma的GENOS系列立式加工中心即採用了熱親和設計的概念，包括機台整體結構採取熱對稱結構（thermally symmetric structure）、熱平衡結構（thermally balanced structure）與簡併箱型結構設計（box-built structure），使工具機台結構中的熱傳路徑得以簡化與平均熱分佈，同時搭配主動式強制冷卻系統與精確的熱誤差補償系統，可有效將熱變形所導致抑制在10微米以內[3]。反觀，我國工具機業者目前大部分仍仰賴離線式的熱誤差校正然後由控制器進行熱誤差補償，然而此種被動式熱誤差補償方式只能將熱誤差控制在約數十微米的範圍，且熱誤差補償精度容易受到切削條件變動與機台健康狀態改變而劣化。此外，相較於德國與日本的先進工具機台在半小時之內即可達到熱穩定，台灣製的工具機機台一般溫機時間長達約2~3小時以上，嚴重影響工具機的工作效率。