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工具機數位設計製造與智慧控制技術

摘要"

本文主要是介紹"工具機數位設計製造與智慧控制技術聯盟"第一年所開發之研究成果。此技術聯盟之主要目標為建立多物理量之數位設計系統以及開發單機智慧化技術。開發多物理量設計系統的目標乃是能在給定加工程式後,透過虛擬模擬的方式在加工前能預知工件輪廓精度、表面粗度與加工時間等資訊,並透過CAD/CAM軟體以3D圖像來呈現加工表面紋路。開發單機智慧化技術的目標乃是開發控制器之加值與檢測系統,並希望透過線上量測進行刀具磨耗診斷、壽命預估以提供一套線上量測的機制來預測加工表面品質,本文主要是介紹第一年的研究成果,包含整合伺服與切削模擬、3D CAD/CAM虛擬模擬與智能化人機開發。

關鍵詞:多物理量模擬系統、單機智慧化技術、CAD/CAM、伺服系統、切削力計算、主軸偏擺。

智慧機械是目前政府發展的主要方向之一,智慧機械與智能製造主要是由德國於2011年所提出的工業4.0架構所衍生而言。發展工業4.0之技術必須以台灣現有的產業為基礎。無疑地,在機械相關產業方面,工具機與相關零組件產業乃是台灣產業發展相當重要的一環,如何在這一波工業4.0的浪潮下,強化產品設計與附加價值,並朝高階市場發展以符合世界產業發展的潮流,對於台灣機械業者乃是一個相當重要的轉捩點。
生產力4.0的技術範疇很廣,包含工具機智能化、生產功能複合化、製程彈性化、效率化、工廠自動化、物聯網等技術。由於學界大部分教授對於工具機或是零組件的研究比較偏重於個別技術,例如CAD/CAM技術、熱溫升、結構振動與伺服控制技術、主軸量測等,對於系統整合方面的涉獵較少,因此2016年科技部提出的"先進製造技術:技術導向聯盟專案計畫"下,我們以中正大學與中興大學為核心學校,整合了台北科技大學、雲林科技大學、虎尾科技大學等18位教授與專家,並結合國內四大工具機與零組件集團包含上銀集團、東台精機、程泰集團、研華寶元,並加上工研院工具機科技中心、精密機械發展中心與國研院儀科中心等三個法人一同組成"工具機數位設計製造與智慧控制技術聯盟",如圖1所示,本聯盟所開發的技術以多物理量的整機設計模擬為主以及單機智慧化為輔,本計畫到2017年2月底正好執行完第一年計畫內容,因此本文將介紹合作團隊第一年之研究成果,限於篇幅,本文主要是介紹系統整合方面的技術。以下將先介紹多物理量的整機設計模擬。
整機模擬設計分析的目的在於建立一套虛實融合系統(Cyber Physical System, CPS),也是工業4.0的核心議題。如果工件在加工製造之前,能透過模擬分析軟體來計算加工工件之表面輪廓精度、表面粗度,並透過理論模型解析輪廓精度、表面粗度與插補、伺服以及加工參數的關係,並進一步達到參數最佳化的目標,那麼就能獲致加工時間短、精度高與加工效率佳的產品,但是這個目標並不容易達成,目前全世界在這方面比較成熟的技術只有德國西門子。德國西門子所提出的visual production中,含有三大模組,分別是CNC simulation,Drive simulation,Mechatronic analsyis。但是西門子所提出的技術並未包含真正切削力以及熱變位之影響。而虛擬工具機在國外文獻上可由Yusuf Altintas教授在CIRP所發表一篇虛擬加工機(Virtual Machine Tool)論文為代表[1],在此review論文中包含了過去關於結構分析、運動分析、結構與進給驅動控制、切削加工條件等相關論文。另外有其它學者則是透過虛擬加工來預測刀具壽命[2]與加工時間[3],同樣地以上的論文大都未加入熱溫升以及以目前文獻以及業界的技術來看,要建立完整的虛擬動態模型的困難處有三。第一點是如果必須能貼近實用面,則必須能夠解析商用控制器如FANUC或是西門子的插捕與伺服核心法則,但是這方面並不容易。第二點是有限元素法的模型太過複雜,無法與插補、伺服模組整合,尤其是地腳剛性、接合面剛性的設定,接面阻尼、材料阻尼的實驗量測等問題,使得建立準確的動態模型有所困難,也使得日本FANUC雖然擁有控制器的核心也無法建立此虛擬製造之模擬程式。而德國是否願意將此技術輸出仍有疑問。第三點高度系統整合的介面與程式撰寫不易。……(更多內容,請見機新刊雜誌)

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