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研究生:林銘弘
研究生(外文):Ming-Horng Lin
論文名稱:縫紉機鋁合金主結構之設計參數最佳化研究
論文名稱(外文):Optimal Parameter Design of Aluminum Alloy Die-Casting Frame for Sewing Machine
指導教授:陳維隆陳維隆引用關係
指導教授(外文):Wei-Long Chen
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:數位化產品設計產業研發研究所
學門:設計學門
學類:產品設計學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:122
中文關鍵詞:縫紉機結構最佳化
外文關鍵詞:sewing machineframeoptimization
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摘 要
縫紉機問世至今已有超過百年的歷史,隨著合金壓鑄製程的技術日益精進,家庭用縫紉機之主結構本體-Frame的材質,也由鑄鐵發展進化至由鋁壓鑄合金所取代。由於環保意識的普及,如何更有效率的運用地球上有限的資源,以減少污染及對環境產生負面的影響已儼然成為新世代產品在研發階段必須列入考量的設計要點之ㄧ,這同時也可能降低產品製造的成本,提升企業的獲利。
Frame的主要功能及目的在於固定縫紉機的各個零組件,並且當縫紉機在工作狀態承受外力作用後,須確保零件之間的相對位置保持不變。由於Frame的結構剛性對於縫紉機的縫紉失效模式與各車縫模樣的穩定性具有關鍵性的影響力,所以本文最佳化之過程運用田口實驗法快速的找出對於Frame的結構強度敏感性較大的設計參數,在完成驗證實驗之確認後,以田口實驗之因子最適條件為基礎,再根據控制因子對於Frame的減重量與變形增量比,進行第二階段之最佳化。
最後,將電腦模擬分析所產生的最佳化數位模型以CNC加工方式製作原型,並進行實體實驗與量測,以驗證實驗計畫與電腦模擬分析之正確性。比較後顯示實體實驗與電腦模擬分析的結果吻合,且兩者的差異小於2%,本文在兼顧縫紉品質的前提下,成功地減少Frame的鋁合金用量。
關鍵詞:縫紉機、結構、最佳化
Abstract

It has been more than a century since the first sewing machine was presented to the public. The technology of alloy die-casting process is improving constantly. The material of frame, main structure of sewing machine, was evolved from cast iron into aluminum alloy die-casting. Owing to the universal environmental consciousness, how to make efficiency use of limited resources and reduce the pollution and negative effect have become the most concern points for the up-to-date product research and development to reduce the production cost and increase the enterprise profit at the same time.

The main function and purpose of frame is to fix the spare parts position of sewing machine. When the machine is activated and taken the external force, all the spare parts should be remained steady. Because the structure and rigidity of the frame will cause the crucial influence of failure mode and stability of stitches formation, the article adopted Taguchi Method to find out the most sensitive design parameters of the frame’s structure strength during the optimization process. After the proof of the test and verify experiment, taking the Taguchi optimal experiment factors as basis, in accordance with the increment ratio of control factors to the weight lessen and deformation, to continue the second period of optimization.

In the end, making a CNC prototype for the optimal digital model which was generated by the computer simulation analysis, and then proceeding the substance experiment and measurement to verify the correctness of experiment plan and computer simulation analysis. After the comparison, the outcome of substance experiment and computer simulation analysis closely meet, and the variation is less than 2%. This study successfully lessened the weight of aluminum alloy usage and look after the sewing quality simultaneously.

Key words:sewing machine , frame , optimization
目 錄
中文摘要.............................................................................................................Ⅰ
英文摘要.............................................................................................................Ⅱ
誌謝.....................................................................................................................Ⅲ
目錄.....................................................................................................................Ⅳ
表目錄.................................................................................................................Ⅶ
圖目錄.................................................................................................................Ⅸ
第一章 序論.........................................................................................................1
1.1 研究動機與背景............................................................................................1
1.2 家用縫紉機簡介............................................................................................6
1.3 研究目的........................................................................................................9
1.4 研究方法與流程..........................................................................................12
1.5 縫紉的原理與失效模式..............................................................................14
第二章 研究之理論基礎與文獻回顧...............................................................25
2.1 有限元素法簡介..........................................................................................25
2.1.1 收斂分析...................................................................................................29
2.2 實驗計畫法..................................................................................................30
2.3 田口實驗法簡介..........................................................................................31
2.3.1 直交表.......................................................................................................34
2.3.2 實驗設計的實施步驟...............................................................................35
2.3.3 信號雜音比...............................................................................................36
2.3.4 品質特性值的分類...................................................................................37
2.3.5 交互作用(Interaction)..............................................................................38
2.3.6 驗證實驗...................................................................................................38
2.4 鋁合金壓鑄製程與壓鑄件設計..................................................................39
2.4.1 鋁壓鑄合金...............................................................................................40
2.4.2 壓鑄件設計...............................................................................................42
第三章 縫紉機Frame最佳化設計模擬與分析...............................................44
3.1 模擬與分析之實驗計畫..............................................................................44
3.1.1 負載變形量之檢測基準點的選定...........................................................53
3.2 有限元素模型建構......................................................................................55
3.2.1 模型建構...................................................................................................55
3.2.2 模型網格化...............................................................................................56
3.2.3 模型簡化...................................................................................................58
3.2.4 元素類型簡介...........................................................................................61
3.3 Frame承受標準負載之變形量收斂分析.................................................63
3.4 Frame之田口實驗最佳化模擬分析.........................................................65
第四章 二階段最佳化之模擬與實驗量測比對探討.......................................81
4.1 Frame之第二階段最佳化設計.................................................................81
4.2 Frame之實驗用原型(Prototype)製作......................................................87
4.3 實驗設備......................................................................................................89
4.3.1 檢測儀基座與本體...................................................................................89
4.3.2 力輸出檢測單元.......................................................................................91
4.3.3 儀器的操控介面.......................................................................................91
4.4 Frame之變形量模擬與實驗結果比對分析.............................................93
4.5 Frame最佳化設計之經濟效益評估.......................................................100
第五章 結論與未來展望.................................................................................103
參考文獻...........................................................................................................108
附錄一 ASTM(B85)鋁壓鑄合金化學成分...............................................110
附錄二 ASTM(B85)鋁壓鑄合金機械性質...............................................111
附錄三 ASTM(B85)相關金屬材料之類似規格對照表...........................112
附錄四 L27實驗之Y軸方向負載變形分析結果.............................................113
附錄五 L27實驗之Z軸方向負載變形分析結果.............................................118

表目錄
表2-1 L4(23)直交表的配置.........................................................................34
表2-2 鑄造常用的鋁合金強度比較................................................................40
表2-3 鋁合金壓鑄件的最小壁厚與正常壁厚................................................43
表2-4 鋁壓鑄件之孔與深度的關係................................................................43
表3-1 L27(313)直交表...................................................................................46
表3-2 實驗因子與水準配置表........................................................................47
表3-3 L27實驗配置表.......................................................................................52
表3-4 h-收斂的分析結果................................................................................63
表3-5 L27實驗結果...........................................................................................66
表3-6 L27實驗之各項品質特性SN比..............................................................67
表3-7 Y軸方向負載變形量之SN比回應表....................................................69
表3-8 Z軸方向負載變形量之SN比回應表....................................................70
表3-9 Y軸方向負載應力之SN比回應表........................................................70
表3-10 第一模態自然頻率之SN比回應表.....................................................70
表3-11 重量之SN比回應表.............................................................................70
表3-12 Y軸方向負載變形量確認實驗結果...................................................75
表3-13 Z軸方向負載變形量確認實驗結果...................................................79
表4-1 田口實驗之最適條件下,Y軸向之單一因子減重量&變形增量......82
表4-2 田口實驗之最適條件下,Z軸向之單一因子減重量&變形增量.......82
表4-3 Frame第二階段最佳化的結果..............................................................85
表4-4 原型樣品之Y軸向變形量的實驗結果.................................................95
表4-5 Frame的「原始設計」與「最佳化設計」比較......................................102

圖目錄
圖1-1 家庭用電腦式縫紉機..............................................................................1
圖1-2 家庭用電腦式縫紉機..............................................................................2
圖1-3 家用電腦縫紉機的車縫模樣..................................................................7
圖1-4 拼布作品..................................................................................................7
圖1-5 電腦縫紉機Frame與機構配置................................................................8
圖1-6 縫紉機的底盤外型構造比較..................................................................9
圖1-7 Frame之設計參數最佳化研究流程圖..................................................12
圖1-8 縫紉型式(1):環縫...........................................................................14
圖1-9 縫紉型式(2):本縫...........................................................................14
圖1-10 縫紉原理示意圖.................................................................................15
圖1-11 梭(Shuttle)......................................................................................15
圖1-12 縫紉機送布機構運動流程.................................................................16
圖1-13 上線與下線在布料下方的交結.........................................................17
圖1-14 針棒之闊度運動.................................................................................17
圖1-15 正常縫紉與跳針(Skipped stitch)的縫紉模樣..............................19
圖1-16 織補縫的車縫路徑.............................................................................21
圖1-17 裝飾縫之模樣圖.................................................................................21
圖1-18 Frame的成本與品質關係曲線圖......................................................22
圖1-19 Frame的拔模分析..............................................................................24
圖2-1 有限元素分析之流程圖.......................................................................26
圖3-1 因子與尺寸連結後產生新模型之流程...............................................45
圖3-2 前視圖與剖截面位置...........................................................................47
圖3-3 Frame截面W~W..................................................................................48
圖3-4 Frame截面X~X...................................................................................48
圖3-5 Frame截面Y~Y....................................................................................49
圖3-6 Frame截面Z~Z....................................................................................49
圖3-7 Frame後視圖與各控制因子................................................................50
圖3-8 Frame負載變形量之檢測點................................................................53
圖3-9 縫紉機Frame的3D模型....................................................................55
圖3-10 Frame之有限元素模型......................................................................56
圖3-11 四面體與六面體網格的銜接.............................................................57
圖3-12 移除圓角特徵的模型簡化.................................................................59
圖3-13 局部網格細緻化.................................................................................60
圖3-14 四面體10節點元素:Solid 187........................................................61
圖3-15 六面體20節點元素:Solid 186........................................................61
圖3-16 h-收斂分析曲線圖.............................................................................63
圖3-17 導致模型無法完成分割的「問題幾何」.........................................64
圖3-18 Y軸方向負載變形量之S/N ratio回應圖.........................................71
圖3-19 Y軸方向負載變形量因子之S/N ratio交互作用回應圖.................72
圖3-20 Y軸方向負載變形量確認實驗模擬分析.........................................74
圖3-21 Z軸方向負載變形量之S/N ratio回應圖..........................................77
圖3-22 Z軸方向負載變形量確認實驗模擬分析..........................................79
圖4-1 Y軸向第二階段最佳化的模擬分析....................................................86
圖4-2 Z軸向第二階段最佳化的模擬分析....................................................86
圖4-3 以CNC加工完成的Frame原型.........................................................87
圖4-4 CNC切削加工產生之「微階梯狀」表面..........................................88
圖4-5 Frame之負載變形量檢測儀與檢測用治具........................................89
圖4-6 檢測儀之力輸出微調手輪...................................................................90
圖4-7 力輸出檢測單元...................................................................................91
圖4-8 檢測儀的操控介面...............................................................................92
圖4-9 檢測儀負載達到設定值之顯示...........................................................92
圖4-10 Frame的檢測治具與夾持方式..........................................................93
圖4-11 Frame之Y軸向負載變形實驗與量測.............................................94
圖4-12 Frame之Y軸向拉、壓兩用型治具.................................................94
圖4-13 Y軸向變形量之量錶檢測位置.........................................................95
圖4-14 Y軸向變形量之實驗結果.................................................................96
圖4-15 Frame之Z軸向負載變形實驗與量測..............................................97
圖4-16 Frame之Z軸向受壓凸塊..................................................................98
圖4-17 Z軸向變形量之實驗結果..................................................................99
圖4-18 Frame與檢測治具未貼合接觸的部位...............................................99
圖4-19 Frame之Z軸向實驗誤差驗證........................................................100
參考文獻
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