由於產業科技的快速發展，工具機的使用在各個產業中已不可或缺，隨著產業的發展，對製造加工的要求也日愈嚴格，工具機的高速化與加工精度的提升，乃工具機業者的發展目標，雖然所需克服的重要因素有很多，但，工具機剛性的良劣乃其關鍵因素之一，所以，工具機結構剛性的問題也越來越受到廣泛的重視。工具機係由多個部件組裝而成，其中，頭座結構最具關鍵，因加工時，刀具係安置在頭座上進行運動加工。本研究以龍門式高速加工機為例，探討工具機頭座結構對整機結構剛性之影響，先以電腦輔助設計軟體Pro/Engineer建立機台結構3D模型與有限元素分析軟體Pro/Mechanica進行模態分析，再進行實機測量，以驗證模型的正確性，然後再進行頭座結構之設計變更，探討其對整機的影響，再利用模態分析與量測產生之振形，探討差異性以利設計參考。

Due to the highly development of industrial technology, the use of tool machines is unavoidable. With the development of industries, the precision requirement of manufacture becomes more stringent. Upgrading to high-speed and high precision then are the development objectives of the industry of machine tools. Although, there exist many important factors that have to be solved, the structural rigidity plays one of the key roles. Hence, the problems due to the occurrence of structural rigidity become more and more important. It is known that tool machine is assembled by many parts. It is also known that during operation, tools are settled on the head set, the structure of head set then plays a key role in the field of structural rigidity of machine tools. Hence, the objective of this study is to investigate the influence produced by the change of the structure of the head set to the structural rigidity of gantry-type high-speed machining center. The software Pro/E and Pro/M are first employed to establish the 3D model of the platform and the modal analysis. The modal test then is performed to verify the 3D model. The deviations of structural rigidity of gantry-type high-speed machining center produced by the change of the structure, including the change of geometry of the head set, are analyzed and explored.

目次

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
1-1研究動機與背景 1
1-2研究目的 2
1-3文獻回顧 2
1-4論文架構 3
第二章 相關理論與有限元素分析流程介紹 5
2-1有限元素法介紹 6
2-2機械系統之有限元素分析運動方程式 8
2-3機械系統之自然頻率 10
2-4有限元素分析流程 11
2-5模態分析流程 17
第三章 龍門式高速加工機之實體模型建構與相關設定 18
3-1龍門式高速加工機實體模型之建構 18
3-2分析相關初步設定 24
3-2-1材料性質設定 24
3-2-2拘束條件設定 25
3-2-3彈性支撐設定 26
第四章 龍門式高速加工機整機模態分析與實測比較 27
4-1整機模態分析 27
4-2利用頻譜分析儀做實際量測及其步驟 32
4-3模態分析與實際測量結果之比較 37
4-4較完整之整機模型的模態分析與探討 40
第五章 頭座結構變更對整機模態分析之影響與討論 45
5-1頭座變更後之整機分析 45
5-2改變頭座設計後之整機分析 51
第六章 利用彈簧元素模擬線性滑軌之滾珠接觸介面並做分析 54
6-1彈簧元素設定 54
6-2加入彈簧元素之整機分析 57
第七章 利用ME Scope做振形分析並探討與模擬振形之差異 65
7-1於ME Scope軟體建構模型 65
7-2將收集之訊號匯入軟體 68
7-3利用收集之訊號產生振形並做比照 73
第八章 結論與未來研究方向 78
8-1結論 78
8-2未來研究方向 79
參考文獻 80

表次

表3-1 龍門式高速加工機之所有零件 23
表3-2 材料性質參數 24
表4-1 龍門式高速加工機整機之自然頻率與振形 29
表4-2 模態分析與實際測量之自然頻率 39
表4-3 較完整模型之模態分析與實驗結果 42
表5-1 頭座向Z軸方向加長之整機分析 47
表5-2 頭座對X軸方向加寬之整機分析 48
表5-3 頭座向Y軸方向加長之整機分析 49
表5-4 改變設計後之整機分析及結果與比較 53
表6-1 設定彈性係數之整機分析結果 58
表6-2 彈性係數與自然頻率之關係 61
表6-3 縱向彈性係數對自然頻率的影響 63
表7-1 量測振形與模擬振形之比對 76

圖次

圖2-1 有限元素法分析流程之三大部分 7
圖2-2 有限元素分析流程圖 12
圖2-3 有限元素之自由度示意圖 14
圖2-4 模態分析流程圖 17
圖3-1 匠澤機械股份有限公司龍門式高速加工機H10實體模型 19
圖3-2 龍門式高速加工機之頭座模型 20
圖3-3 龍門式高速加工機之鞍座模型 20
圖3-4 龍門式高速加工機之立柱模型 21
圖3-5 龍門式高速加工機之底座模型 22
圖3-6 龍門式高速加工機之工作平台模型 22
圖3-7 龍門式高速加工機之整機實體模型 23
圖3-8 材料性質參數設定 25
圖3-9 拘束條件設定與材料設定之表示圖 26
圖4-1 龍門式高速加工機之元素分布圖 29
圖4-2 整機第一自然頻率振形 30
圖4-3 整機第二自然頻率振形 30
圖4-4 整機第三自然頻率振形 31
圖4-5 整機第四自然頻率振形 31
圖4-6 佈點範例 33
圖4-7 衝擊試驗與設備儀器 34
圖4-8 Time Waveform圖 35
圖4-9 Z軸Coherence圖 36
圖4-10 Y軸Coherence圖 36
圖4-11 X軸Coherence圖 36
圖4-12 頻率響應函數圖 37
圖4-13 頻率響應函數圖 38
圖4-14 頻率響應函數圖 38
圖4-15 龍門式高速加工機較完整模型之元素分布圖 41
圖4-16 較完整模型之第一模態振形 42
圖4-17 較完整模型之第二模態振形 43
圖4-18 較完整模型之第三模態振形 43
圖4-19 較完整模型之第四模態振形 44
圖4-20 較完整模型之第五模態振形 44
圖5-1 頭座向Z軸方向加長之自然頻率曲線圖 47
圖5-2 頭座向X軸方向加寬之自然頻率曲線圖 48
圖5-3 頭座向Y軸方向加長之自然頻率曲線圖 49
圖5-4 頭座向Z軸方向加長之第四模態振形 50
圖5-5 頭座向X軸方向加長之第四模態振形 50
圖5-6 頭座向Y軸方向加長之第四模態振形 51
圖5-7 改變設計後之頭座模型圖 52
圖5-8 頭部改變設計後之整機第一模態振形 53
圖6-1 Hiwin線性滑軌示意圖 54
圖6-2 本研究彈簧元素設定(前視圖) 55
圖6-3 本研究彈簧元素設定(上視圖) 55
圖6-4 本研究彈簧元素設定(整機圖) 56
圖6-5 設定彈性係數整機分析之第一模態振形 58
圖6-6 設定彈性係數整機分析之第二模態振形 59
圖6-7 設定彈性係數整機分析之第三模態振形 59
圖6-8 設定彈性係數整機分析之第四模態振形 60
圖6-9 設定彈性係數整機分析之第五模態振形 60
圖6-10 彈性係數與自然頻率之關係曲線圖 62
圖6-11 縱向彈性係數對自然頻率之影響曲線圖 63
圖7-1 軟體ME Scope建模操作介面 67
圖7-2 機台整機之建構模型 68
圖7-3 軟體ME Scope之佈點圖 69
圖7-4 所有頻率響應函數之Overlay Traces圖 70
圖7-5 Data Block與Curve Fitting操作視窗 71
圖7-6 Curve Fitting產生之模態數據 72
圖7-7 第一模態之振形 73
圖7-8 第二模態之振形 74
圖7-9 第三模態之振形 74
圖7-10 第四模態之振形 75
圖7-11 第五模態之振形 75

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