工具機機電整合設計分析模擬技術

摘要：工具機終端應用大致上可分為高移除量的粗加工製程與要求精度與表面粗糙度的精加工製程，機台本質即為一機電整合系統，包含了機台結構與伺服驅動控制模組，因此要藉由CAE分析技術來模擬機台動態特性，就需整合機台結構與伺服驅動控制模組，建構完整機電整合多體動力學數位模型，其中每一個子系統模型的正確性，均會影響到整機動態模擬分析的結果。本文將針對精加工問題進行探討，首先鑑別伺服馬達的控制迴路模型，並建立機台結構動態響應特性，最終將控制與機構進行整合來進行路徑軌跡的模擬。

Abstract: The major end-use applications of machine tool are rough processing for high performance and finishing processing for high accurate and high quality. Machine tool is a mechatronic system in nature which including structures and servo-drive controller. A correct structure model and servo-drive control model are needed for building accuracy multibody dynamic mechatronic digital model that can be used in analyzing machine dynamic behavior by CAE technique. Any sub-system model’s correctness will affect the accuracy of total system’s model. The correctness of interface’s model between each sub-system will also affect the accuracy of total system’s model. This paper will discuss the problem of finishing processing. First identify the servo motor control loop model and establish the dynamic response of machine structure. Finally, combining servo-drive control model and structure model to carry out the simulation for path error.

關鍵詞：工具機、機電整合、伺服驅動控制

Keywords：Machine Tool, Mechatronic, Servo-Drive Control

前言
近年來，國內工具機產業雖已漸漸導入CAE電腦模擬分析技術於機台開發，但大部分仍以靜態剛性分析與模態分析為主，分析結果尚未足以直接與加工使用者所在意的切削效率與切削精度連結，導致經常發生機台開發完成後加工效率不符合客戶預期或模具表面加工紋路異常現象，本技術主要即針對上述問題進行探討，以整合切削加工與伺服控制相對應的技術於工具機結構開發上為主要策略，希望藉由整合切削與控制的理論模型來有效提升機台結構的強度與動態響應。

機台設備在開發初期均會有相對應所需的應用條件連結到設計流程裡，需求愈明確，設計端即可更精準的朝目標前進，本文技術應用於實際機台開發流程如圖1，機台如以粗加工為訴求其指標即要求高切削效率，設計工程師完成初版3D模型後進行動態分析得到響應（frequency response function, FRF），搭配切削製程的刀具參數與工件材質即可計算顫振穩態耳垂圖以評估加工效率（顫振穩態耳垂圖X軸為主軸轉速、Y軸為切削深度，曲線以下為穩定加工區域，曲線以上為不穩定加工區域，曲線以下面積愈大表示加工效率愈好）；機台如以模具精加工為訴求其指標即要求不能出現異常振紋，設計工程師同樣完成初版3D模型後加入馬達伺服迴路，同時可選擇輸入不同品牌商用控制器命令來模擬機台運動路徑誤差與動態位置誤差，藉以判斷模具表面粗糙度是否符合客戶需求，上述兩者加工應用皆會整合結構拓樸優化技術進行結構快速修正。

本文將以模具機加工需求說明機電整合分析模擬技術之技術架構，包含馬達與驅動器的伺服控制響應模擬技術、機台結構的動態分析技術與如何有效整合兩者進行切削路徑誤差模擬；驗證載台為一立式加工機搭配FANUC商用控制器，以馬達響應驗證等效控制迴路，以共振頻率、FRF響應、模態振形驗證有限元素模型，最終以路徑誤差做為控制端與機械端的整合技術指標。

伺服控制響應模擬技術
工具機結構大多以馬達驅動進行位置控制，在進行機台運動起來的路徑模擬時，馬達與驅動器就是主要的動力來源，其模型的正確與否將會對誤差有很大的影響，因此本文將先針對馬達控制響應進行解析並建立相對應的馬達資料庫。

1. 伺服迴路模型
工具機伺服控制模型一般由電流迴路、速度迴路、位置迴路三層組成，可參考Matsubara等人[1]在研究中所建立之伺服迴路模型，在本文中因電流頻寬較高，模型較複雜且對位置誤差影響較小，故本文在此先不討論電流迴路模型，