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工具機機械設計工程師能力鑑定說明 機電系統篇
2018.12.14∣瀏覽數:136

精密機械是當今世界機器製造業中實現機電 一體化的代表性先進設備,CNC工具機是一種 裝有數位控制系統,綜合運用了工業電腦、自 動控制、精密測量和機械設計等新技術的自動 化設備。主要將數位化的刀具移動軌跡的資訊 輸入到數控裝置中,經過解碼、運算等,實際 控制刀具與工件的相對運動,加工出所需要的 零件,即為CNC工具機。在CNC工具機機械 人才鑑定主要有三大目標包含:1.產業升級轉 型需要大量高附加價值人才,我國產業升級轉 型,對可創造高附加價值的人才有大量需求。 2.青年學用落差持續存在,產業人才缺口大, 學校人才培育跟不上產業發展速度,致使青年 缺乏產業急需的專業能力,造成青年低薪難就 業、產業人才缺口難縮減。3.配合國發會政策 目標,推動培訓產業發展由工業局擔任培訓產 業主管機關,以支持產業升級轉型所需之企業 與個人能力成長,進而扶植培訓產業國際化。 而一般工具機主要分為車床與銑床兩大類,而 相同的機構包含進給系統、主軸等,而不同 的機構包含機械結構、控制器、拉刀機構、 ATC、夾頭系統與動力刀塔等,其中機械與電 控相關技術則對應學校之相關課程包含應用力 學、材料力學、動力學、電機原理與控制原理 等等,因此如何將學校所學與工具機相關原理進行對應,可透過CNC工具機機械人才鑑定 進行盤點與分析。本文章主要分為四次進行說 明,包含進給系統、主軸系統、結構與控制單 元等進行說明。
文 ◆ 國立勤益科技大學 機械工程系 陳紹賢

伺服控制迴路系統
在CNC數控工具機中需透過伺服控制系統進 行運動,以控制工具機各軸向速度與位置等, 其中每一軸向需依控制器所產生指令訊號已進 行各別獨立驅動,於目前之控制迴路系統可區 分為開迴路、半閉迴路和閉迴路系統三種模 式,其所使用模式系統之不同,將使工具機之 精度有所差異;其應用開迴路、半閉迴路伺服 模式系統之工具機的精度,會受到驅動系統元 件精度與裝配誤差影響,而應用閉迴路系統, 因有回饋補償裝置,使得其工具機精度較佳, 其三種迴路控制系統特性如下述,相互比較如 表1所列:

1.開迴路控制:開迴路控制系統中,為控制 器單獨的計算出馬達驅動器作功所需要的電流 或電壓然而送出訊號。因為沒有回授訊號,所 以控制器無法得知馬達驅動器的動作與位置, 如圖1所示,所以開迴路控制系統完全依照控 制器得知之馬達驅動器來動作。因此開迴路控 制的加工精度必須藉由機器本身的精度,例如 滾珠導螺桿以及螺帽之間隙、機台滑動面之摩擦、機器本身之組裝結構性…等。所以符合其 上述所要求之條件才可能達到我們所要之精度 結果。

2.半閉迴路控制:是由伺服系統中,由馬達 的軸偵測位置以及滾珠導螺桿(Ball Screw)旋轉 角度的方法稱為半閉迴路控制。目的是驅動工 作台沿著直線方向,偵測馬達或滾珠導螺桿的 旋轉角度,而不直接偵測工作台的位置,再由 控制器產生增量式的脈衝信號做為位置指令到 伺服驅動器,由伺服驅動器來完成位置迴路控 制。對於工具機之各軸(X、Y、Z軸)定位精度約 在0.01mm ~ 0.015mm之間,重覆精度約在± 0.001 ~ ± 0.002mm之間。如圖2所示半閉迴路架構之回授是從馬達端迴授訊號給控制器。 因此精度較不高,主要是熱膨脹造成的定位誤 差。

3.全閉迴路控制是在工作台直接安裝偵測器 去作回授 NC 訊號處理的迴路之方式,在位置 偵測的地方不同之外,大致上與半閉迴路控制 相同,控制器可以接光學尺作為位置的回授, 從機械位置回授訊號給控制器,由於迴授訊號 為機台位置真實反應出來,全閉迴路控制的精 度是高於半閉迴路控制,如圖3為全閉迴路控制 架構。以工具機之精度來說,各軸(X、Y、Z軸) 定位精度約在0.002mm ~ 0.005mm之間,重覆 精度約在± 0.001 ~ ± 0.002mm之間。

數值控制系統原理與流程
數值控制系統可藉由NC語法的應用,來予以 控制系統路徑的型態,其大致上可分為兩種類 型,為點到點之模式與輪廓控制模式,以下將 分別進行敘述:

點到點控制系統
點到點(Point to Point,簡稱PTP)控制系統又可稱定位(Positioning)控制系統,點到點控制即 是在工件上確定一點或若干點,使刀具經由點 到點的移動而達到目標點,其不控制刀具位移 運動中的路徑方式,僅控制刀具的最後位置。 於實際加工中,如G00快速移動(Rapid)、鑽孔 (Drilling)、搪孔(Boring)、紋孔(Reaming)、 攻螺紋(Tapping)、衝孔(Punching)等,均是屬 於點到點控制的典型運動,其僅適用於定位功 能,於切削功能中較不適用。

輪廓控制系統​​​​​​​
輪廓控制系統又可稱為連續路徑(Continuous Path)控制系統,一般於銑削或車削等加工過程 中,不僅只有點對點數值控制而已,亦須具有 對直線(Straight-line)或曲線輪廓(Contour)的數 值控制之切削模式。如圖4所示,此有別於前述 點對點數值控制,只有定位而不具切削功能, 僅在到達目標點後才進行切削加工;而其輪廓 控制系統就不相同,必須討論到切削速率的情 況,它須同時驅動多個軸來達成預定位移之路 徑,因此對於各軸驅動馬達之位移速度的匹配 性就格外的重要,以下就直線輪廓數值控制及 曲線輪廓數值控制來進行說明。

CNC加工流程​​​​​​​
實際CNC加工流程,如圖5所示,主要分成三 大步驟:

步驟一:一般我們會利用CAD系統定義工件 的幾何圖形,此時考慮刀具切削接觸點之路徑 (cutter contact path,簡稱CC路徑),然後再將 CC路徑資料傳送到CAM,經過刀具補正及刀具 路徑規劃,求出實際刀具路徑(cutter location path,簡稱CL路徑) 。
步驟二:將NC程式碼送入控制器以執行解譯 (Interpreter),並將解譯結果送入運動控制器執 行插值(Interpolation)與加減速(Acceleration), 獲得平滑之參考命令。
步驟三:將控制器產生的參考命令送入伺服 迴路,最後驅動工具機執行加工。

一個完整的CNC控制系統,包括了進給軸控 制系統、主軸控制系統及週邊輔助電路控制系 統。進給軸控制系統包括了NC控制軟硬體、伺 服驅動器、伺服馬達、等等,在NC軟體方面, 除了運動控制模組外,還包括解譯器、人機介 面、操作模組以及PLC模組。主軸控制系統包 括主軸驅動器、主軸馬達等等。週邊輔助電路 系統主要是提供電源、過行程保護、過電流保 護等裝置,在工具機機械設計概論中主要評鑑 主題為電機原理,如表2所示。

馬達選用相關技術​​​​​​​
在CNC工具機應用中馬達選用的為重要之課 題,因此馬達選用考慮因素包含1.負載機構、 2.動作模式、3.負載速度、4.定位精度、5.使用環境等多種重要之相關因素,這些因素為CNC 工具機重要的目標值。

接著如何選用馬達的規格,在選用規格主 要有參考1.馬達容量(W)、2.馬達額定轉速 (rpm)、3.額定扭矩及最大扭矩(N -m)、 4.轉子慣量(kg -㎡)、5.是否需要煞車(制動 器)、6.外形尺寸如體積、重量、尺寸等,這 些規格為馬達選用重要參數。

在馬達選用設定上包含1.負載扭力:加速扭力 ≦馬達最大扭力;連續實效負載扭力≦馬達額 定扭力;消耗回生電力<驅動器內回生容量; 負載扭力<馬達額定扭力、2.負載慣性矩<3~ 5倍馬達轉子慣性矩、3.最大移動速度<馬達最 大轉速、4.負載率在85%以下、5.馬達的扭矩特 性,這些相關選用設定皆會影響。
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參考文獻
1 陳紹賢、電腦數值控制與應用、全華圖書、106年
2 林育賢,陳紹賢、進給系統溫機智能化模組開發之研究、國立勤益科 技大學機械工程系碩士論文、101年
3 財團法人精密機械研究發展中心,技術通報,147期,95/06
4 上銀科技,滾珠螺桿技術手冊。
5 TPI,軸承技術手冊。
6 Fanuc,技術手冊
7 黃韋倫,工具機進給系統設計分析課程講義,財團法人精密機械研究 發展中心。
8 張堅浚,精密工具機技術,全華圖書,2014年6月

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