節能傳動系統與工具機設計

       工具機是工業生產製造最重要的工具之一，又稱機械之母，在台灣的工具機產業發展史上，從早期70年代少數幾家如楊鐵、台中精機等工廠從傳統車銑床開始發展CNC加工中心機，至今已超過30年，目前從事CNC加工中心機製造生產廠家更突破上百家，而使台灣中部成為全世界最大的CNC加工中心機生產基地；產品類別不僅廣泛至CNC車、銑、鉋、磨樣樣都有，並且在CNC綜合加工機方面，更從小型的雕銑機，到落地超大型龍門等機種，都有在研發生產製造。而在靜態結構分析上，也因生產製造技術的提升而趨向成熟。 

      CNC加工中心機是一種大型複合多體動力架構之組合，其機型眾多諸如圖1所示之CNC立式工具機，圖2所示之CNC龍門工具機，與圖3所示之CNC加工中心機；從主軸、刀庫、傳動軸到潤滑系統裝置等都有其特殊獨立的做動方式與模式分析，而振動與噪音是機構做動時必會產生的一種現象，而其現象隨著不同的運動方式、摩擦係數大小、阻尼的高低及受力的大小等不同因素，呈現不同的振動模式與振幅大小；在加工過程中所產生的振動與噪音也並不完全是機構結構與零件問題所衍生的，其加工條件的差異諸如主軸轉速、軸向進給率的大小、刀具的選用及工件刀具材質的搭配等，也都是左右振動、噪音大小的主要因素之一。當兩機構體接觸時，不管用移動或轉動任一方式作動時，若無任何磨潤媒介其動態結構體之間的阻尼值會漸漸的增大，而在其磨擦係數愈趨增大時，其溫升的變化也不斷的提高，而噪音異聲的現象也隨後產生，最後振動現象也隨之而來；其中磨潤、溫度變化、阻尼值、異音、振動之間的關係式是典型具體的『加工切削振動噪音發生過程』，呈現著漸進方式且必然產生的現象與結果。但若變更結構與機構體的材質，使其磨擦係數降低，或是在兩機構體的接觸面中改變其接觸方式或接觸面積，或者是在其接觸面上增加一耐磨的介面，使其摩擦係數降低，阻止溫度、異音的增加，相對的即可延長各機構的運動時數，增加零組件的壽命。但是在改變其接觸面方式時，其結構與機構體的振動方式也會產生微妙的變化。 

       本計畫之主要目的乃以CNC加工中心機的傳動結構、與其承載主結構為分析對象，提出一套改善分析與測試各型工具機設計與製造功能的方法。在本專題研究中，本研究團隊亦計畫將各種針對CNC加工中心機的傳動結構、與承載主結構等不同的應用範例以工業界與學術界常用的機構分析軟體從事上述閉迴路機構的動態分析模擬工作。閉迴路機構最常被運用於工業界的生產機械、車輛的引擎或者傳動系統乃至於太空應用上。早期的相關研究主要是偏重於剛體零件的動態分析，也有一些有關彈性連桿件的動態分析研究如Bahgat等[1] 以及Song等[2]利用有限元素法來進行速回機構彈性桿件的動態與穩定性分析，Dwivedi[3]的高速衝壓床研究，Shabana等[4]的曲柄刨床研究，Thompson等[5]的一般機構研究；而近年來則有一些有關撓性連桿件的動態分析研究，因為現代機械高速操作運轉的要求，促使研究者發展出更嚴謹的數學模式以從事撓性變形機構的分析，有關於這個領域的研究主要乃著重於四個方面即假設位移模式、連續方程式模式、發展數學分析模式、以及數值分析計算模式的探討。Simo等[6]將樑的位移模式定義於絕對座標系上，如此簡化動力方程組中的質量矩陣，然而卻提高其非線性動態剛度；Yang等[7]也使用相同的位移模式但不同的分析方法以降低剛度，同時亦證實微小位移理論雖可得到較簡化的剛度但相對地質量矩陣項變得更為複雜，類似的分析諸如Dado等[8]、Kane等[9]以及Liou等[10]的研究。在剛體與撓性體運動的研究當中使用不同性質的樑模式，Chalhoub等[11]，Ku等[l2]以及Venkatakrishnan等[13]將Bernulli樑加上剪力效應，lder等[l4]則加上幾何剛性效應，大部分的研究者只考慮相對運動的影響諸如Buffington等[15]以及Koppens等[16]的研究，少數則使用更加嚴謹的分析考慮到科氏、切線、以及向心加速度諸如Nagarajan等[l7] 的研究；至於不同之研究者使用不同的分析方法以便得到相關動力方程式，譬如Koppens[l6]以及Liou等[10]使用D'Alembert原理，Wu等[18]運用變分法，Nagarajan等[l7]及Venkatakrishnan等[13]則利用Lagrangian分析法；至於使用特定方法的好處取決於通用座標系、數值積分法、合板理論、連續線性應力-應變模式以及時間有限元素分析法的運用諸如Chalhoub等[11] 、Ku等[l2]、Chang等[19]以及Wang等[20] 的研究。Hodgetts[21]從實驗和理論兩個途徑探討活塞壓力及氣體壓力傳遞至引擎支撐墊的情形；Heat和McNamara[22]利用有限元素法計算曲軸應力分佈；Yoshikawa[23]等人配合應變計所量測得到的應力資料，用解析法檢討曲軸彎曲振動、曲軸剛性、以及飛輪的慣性矩，對於引擎運轉時曲軸的影響等。黃和傅等[24]以機車使用之離心式離合器為研究案例，進行實際運轉測試來驗證電腦模型的吻合程度，並針對真實系統與虛擬模型間的差異加以探討，再對電腦模型進行敏感度分析，以瞭解系統的改良途徑；吳與鄭[25]為改善機車再引擎運轉時引起的車架振動問題，模擬3D機車引擎吊架系統，其中加上各個部位所承受的作用力及邊界條件，將模擬結果與實驗值相比較，以求得最佳之機車引擎吊架系統振動模式，並建立一套完整的CAD/CAE整合式研究模式；模態分析[26]是求得結構動態特性的過程，其動態特性是以振模(Modes)所組合的數學模式來表示，振模的主要物理意義則以模態參數來表示，其中模態參數包括自然頻率、阻尼與模態振型。每個模態振型都會有其所對應的自然頻率，由於模態分析是分析簡諧外力和暫態外力的基礎，其為計算結構在自由狀態下的自然頻率和模態振型。對一個連續的結構來說，它在理論上有無限多個自然頻率。而實際上的考量是僅有前面幾個自然頻率所對應的模態被考慮之，因為較前面的模態振型較容易被激發[27]，而較高的模態因為其複雜的模態振型故需要較多的能量。自然頻率的重要在於假如有一個固定激振源的自然頻率（如馬達的固定轉速）接近其結構上的自然頻率，其共振可能會發生。而共振的環境，可能造成結構體異常的振動以及巨大的損害。所以許多工程師在設計上都是確定結構的自然頻率不可接近機械的激振源的自然頻率來輕易地避免這問題。模態分析方法主要有下列兩種：理論模態分析（理論數學模式，有限元素法）與實驗模態分析（實驗數學模式，模態測試）[28]。模態測試可以幫助了解結構動態特性以及進一步的異常診斷。由假設的激振預測結構響應檢查動態特性，預測物理性質改變（如增加負載或剛性），造成動態特性的改變。自然頻率及振型也可協助診斷並改善異常振動噪音[29]。