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掌握機台動態特性最適化電控參數組合調整

摘要"

現在的生產製造廠商主要都致力於生產力的提昇與成本的降低這兩個目標,而為達這兩個目標,製造廠通常會要求在製造過程中,儘量減少不必要的時間浪費,以及更短的加工時間,所以我們發現,愈來愈多終端客戶對CNC工具機的要求,是希望可以同時兼顧加工效率與加工精度。但在CNC工具機的加工過程中,影響切削加工的因素有很多,如圖1所示,與機台靜/動態特性、NC程式、工件與刀具夾持系統、銑削策略、伺服/運動控制等都有關。因此,若只單純提昇加工速度比較容易,但要同時兼顧加工精度與表面粗糙度就不容易,尤其在速度與精度兩相衝突的情況下更是難以達成。因為在加工過程中,機械的動態特性會引起位置的偏差或結構的振動,形成所謂的動態誤差。而有關加工的速度、精度、表面粗糙度的參數調校是取決於控制系統因應不同機台構型與加工場合的參數組合調整能力,因此本文期望從電控參數的角度探討與機台動態特性的關係,並在實際機台上進行定性的調整與驗證。

關鍵詞:動態特性、動態誤差、電控參數、人工智慧

加工的動態行為

就整個切削加工的過程來看,其實它就是一種動態的行為,即切削加工的位置、速度、加速度、切削力及進給驅動力矩等,都一直在隨著時間而改變,且都會對機械動態的行為造成影響,並引起位置的偏差或結構的振動,形成所謂的動態誤差,包括位置誤差、輪廓誤差、跟隨誤差等。但是通常我們在做機械設計時,大多只考慮到靜力學(Statics)的問題,而控制器的運動控制則是考慮運動學(Kinematics)的問題,反而容易忽略切削加工還有動力學(Dynamics)的
問題。
以銑削加工為例,其加工的行為是由主軸刀具的旋轉與工件的加工路徑相對運動交互作用所產生的,而在這過程當中機械結構會受到不同的作用力並對加工的結果造成影響。這些作用力有來自外部的干擾力、機械結構承受本身或工件負載的重力、連接組件間的鎖固力、轉動元件高速轉動時的週期性刺激力、傳動系統因控制器運動路徑加減速所產生的慣性力、傳動組件間的摩擦力、切削時刀具與工件間的切削力等,如圖2。
這些對加工結果造成影響的作用力的合力,我們可將它分解成靜態力與動態力。其中靜態力會使機械結構產生靜態變形,造成定位上的誤差,並影響加工件的最終尺寸精度;動態力則會造成加工路徑的動態誤差,影響輪廓精度,若其頻率與結構件的自然頻率相同,則會使加工的振動量被放大,嚴重的話會造成工件表面粗糙度不佳,如圖3。

加工誤差的來源

從工件表面產生可目視的缺陷及可透過量測儀器量測到的幾何誤差來看,如圖4所示,加工誤差的來源可分成三種。
靜態誤差

靜態誤差是由靜態力作用所造成的變形,幾乎不隨時間而變,通常由零組件本身、組件組裝精度、重量引起的下垂量、機械結構總成變形等所造成的,會產生定位上的誤差,如節距誤差、背隙誤差、垂直度誤差、真直度誤差…等,進而影響加工件的最終尺寸精度,通常以雷射干涉儀進行誤差量測與補償,如圖5、圖6。

溫升熱變位誤差

當在進行切削加工時,機械結構受外部(日照、室溫、空調等)或內部(馬達、主軸、刀具與工件的摩擦…等)熱源所產生的熱,使機械結構因溫度變化產生熱脹冷縮的現象,使得刀具與工件的相對位置產生了變化,引起加工件尺寸或形狀上的偏差。由於各項內外熱源常會隨時間而變化,因此工件尺寸或形狀的偏差量也往往難以掌握,影響工具機長時間加工精度的穩定性。通常透過在特定條件與時間內量測溫升變化與主軸在三個軸向的變位情況,建立熱變位的數學預測模型,以補償的方法降低熱變位對加工精度的影響,如圖7。...更多內容,請見《機械新刊》

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