臺灣博碩士論文加值系統

本文主要研究為應用有限元素分析軟體進行工具機之立柱與主軸頭之
動態分析。我們利用Pro/E 建立工具機之模型、有限元素理論求解問題和
Pro/M 進行動態分析設計參數研究。從研究數據中觀察其應力分佈和由於立
柱自重所產生之位移變化量，並且探討工具機立柱之自然頻率與剛性之關
係數據。發現重心越靠近工具機之對稱中心，將可以降低位移變化和力矩
產生。最後我們改變工具機之立柱結構和配重，使自然頻率提升，進而提
高剛性與降低工具機之位移變化和力矩產生。

The objective of this study is to apply finite element analysis to analyze the
dynamics of the column and spindle head of Machine tool. The Pro/E is
employed to construct the structure the Machine tool, including 3D assembly
model. The problem is solved by the use of finite element method. The
Pro/Mechanica is applied to obtain crucial designing parameters of dynamics.
The variation of natural frequencies, mode shapes, stress distribution and
structural rigidity of column and spindle head due to the change of their
structures are studied. The result indicates that, as predicted, the location of the
axis of center of gravity plays a crucial role; the displacement and torque
diminishes with the decrease of the distance between the gravity axis and the
symmetrical axis of the machine tool.

I
目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
謝誌 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章緒論
1.1 研究動機與背景……………………………………………………………1
1.2 研究目的……………………………………………………………………2
1.3 文獻回顧……………………………………………………………………4
1.4 論文架構……………………………………………………………………5
第二章有限元素分析之基礎理論與分析流程
2.1 機械系統之有限元素運動方程式…………………………………………9
2.2 機械系統之自然頻率………………………………………………………11
2.3 有限元素分析流程………………………………………………………12
2.3.1 有限元素模擬分析設定…………………………………………………13
2.3.2 模態分析與分析流程……………………………………………………16
第三章立式綜合加工機之3D 模型建構與相關設計概念
3.1 立式綜合加工機3D 模組建構……………………………………………17
3.2 進給系統介紹………………………………………………………………23
3.2.1 進給系統構造及運作…………………………………………………23
3.2.2 進給系統之關鍵技術……………………………………………………23
3.2.3 滾珠導螺桿之進給系統………………………………………………26
3.3 各單元之基本設定…………………………………………………………27
3.4 分析步驟流程………………………………………………………………34
第四章立柱及主軸頭之靜態和模態分析
4.1 主軸頭之靜態和模態分析………………………………………………36
4.1.1 主軸頭之靜態分析………………………………………………………37
4.1.2 主軸頭之模態分析………………………………………………………41
4.2 立柱之模態分析比較………………………………………………………45
4.2.1 未加肋板立柱之分析……………………………………………………45
4.2.2 立柱加肋板後之模態分析比較…………………………………………46
4.2.3 立柱之重心與慣性矩分析比較…………………………………………51
4.2.3 未加肋板前之初始立柱和加三個肋板後之立柱自重位移量分析……54
4.3 立柱和主軸頭組合之模態分析……………………………………………55
4.4 底座平台之模態分析………………………………………………………57
4.5 整機之模態分析比較………………………………………………………60
第五章結論與未來研究方向
5.1 結論………………………………………………………………………68
參考文獻………………………………………………………………………70
表目錄
表1.1 2008 我國機械產業產值統計……………………………………………2
表3.1 立式綜合加工機整機模態分析………………………………………18
表3.2 線性滑軌彈性支持之彈簧剛度係數…………………………………31
表4.1 量測曲線各個方向之最大位移量……………………………………41
表4.2 主軸頭之模態分析……………………………………………………42
表4.3 未加肋板之立柱模態分析……………………………………………45
表4.4 第一個肋板距離上端點之位置………………………………………47
表4.5 第二個肋板距離上端點之位置………………………………………48
表4.6 第三個肋板距離上端點之位置………………………………………49
表4.7 第四個肋板距離上端點之位置………………………………………50
表4.8 各個立柱之自然頻率與總值量之關係表……………………………51
表4.9 立柱與重心關係表……………………………………………………53
表4.10 力柱與重心之慣性矩關係表…………………………………………54
表4.11 無肋板和有肋板立柱各個方向之最大位移量………………………55
表4.12 主軸頭在上方、下方之模態頻率……………………………………57
表4.13 底座平台模態分析結果………………………………………………57
表4.14 初始和加肋板之機台比較……………………………………………61
表4.15 型式二各模態分析表…………………………………………………65
圖目錄
圖2.1 有限元素分析流程圖……………………………………………………8
圖2.2 有限元素分析流程圖…………………………………………………13
圖2.3 六個自由度之有限元素示意圖………………………………………15
圖2.4 模態分析流程圖………………………………………………………16
圖3.1 立式綜合加工機………………………………………………………17
圖3.2 立式綜合加工機之立柱模型…………………………………………18
圖3.3 立式綜合加工機之頭座模型…………………………………………19
圖3.4 立式綜合加工機之工作台模型………………………………………20
圖3.5 立式綜合加工機之鞍座模型…………………………………………20
圖3.6 立式綜合加工機之底座模型…………………………………………21
圖3.7 立式綜合加工機之組立圖……………………………………………22
圖3.8 滾珠導螺桿……………………………………………………………24
圖3.9 工具機導軌……………………………………………………………25
圖3.10 伺服馬達………………………………………………………………26
圖3.11 工具機進給系統架構…………………………………………………27
圖3.12 高性能主軸馬達………………………………………………………27
圖3.13 為馬達之轉速特性曲線圖……………………………………………27
圖3.14 平台滑塊與線性滑軌滾珠接觸界面…………………………………29
圖3.15 以彈簧元素摸擬滾珠接觸界面(正視圖)……………………………29
圖3.16 以彈簧元素摸擬滾珠接觸界面(上視圖) ……………………………30
圖3.17 SNR30C/R 線性滑軌位移-負荷實測關係…………………………31
圖3.18 3*12 個彈簧…………………………………………………………32
圖3.19 1*186 個彈簧…………………………………………………………32
圖3.20 球銑刀HKF UF400A-2BE……………………………………………32
圖3.21 實驗與理論數據………………………………………………………33
圖3.22 量測點…………………………………………………………………34
圖3.23 立式綜合加工機動作流程……………………………………………35
圖4.1 主軸頭反作用力設定…………………………………………………38
圖4.2 主軸頭應力分佈………………………………………………………38
圖4.3 設定量測曲線…………………………………………………………39
圖4.4 X 方向之位移量………………………………………………………39
圖4.5 Y 方向之位移量………………………………………………………40
圖4.6 Z 方向之位移量………………………………………………………40
圖4.7 綜合之位移量…………………………………………………………41
圖4.8 第一模態之振型………………………………………………………43
圖4.9 第二模態之振型………………………………………………………43
圖4.10 第三模態之振型……………………………………………………44
圖4.11 第四模態之振型……………………………………………………44
圖4.12 未加肋板之立柱………………………………………………………45
圖4.13 未加肋板之立柱模態分析……………………………………………45
圖4.14 一肋板之立柱…………………………………………………………47
圖4.15 一肋板之立柱透視圖…………………………………………………47
圖4.16 第一肋板位置與第一自然頻率相關圖……………………………48
圖4.17 第二肋板位置與第一自然頻率相關圖………………………………49
圖4.18 第三肋板位置與第一自然頻率相關圖………………………………50
圖4.19 第四肋板位置與第一自然頻率相關圖………………………………51
圖4.20 立柱前視圖……………………………………………………………52
圖4.21 立柱右視圖……………………………………………………………52
圖4.22 主軸頭在立柱之上方位置……………………………………………56
圖4.23 主軸頭在立柱之下方位置……………………………………………56
圖4.24 底座平台第一模態之變形量…………………………………………58
圖4.25 底座平台第一模態之變形量_上視圖………………………………58
圖4.26 底座平台第一模態之變形量_前視圖………………………………59
圖4.27 底座平台第一模態之變形量_右視圖………………………………60
圖4.28 初始整機之第一模態振型……………………………………………61
圖4.29 初始整機之第一模態振型_上視圖…………………………………62
圖4.30 初始整機之第一模態振型_前視圖…………………………………62
圖4.31 初始整機之第一模態振型_右視圖…………………………………63
圖4.32 加肋板後整機之第一模態振型………………………………………63
圖4.33 加肋板後整機之第一模態振型_上視圖……………………………64
圖4.34 加肋板後整機之第一模態振型_前視圖……………………………64
圖4.35 加肋板後整機之第一模態振型_右視圖……………………………65
圖4.36 型式二整機模態振……………………………………………………66
圖4.37 型式二整機第一模態振型上視圖……………………………………66
圖4.38 型式二整機第一模態振型前視圖……………………………………67
圖4.39 型式二整機第一模態振型右視圖……………………………………67

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