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技術趨勢
工具機機械設計工程師能力鑑定說明 進給系統篇
2018.08.17∣瀏覽數:319

文 ◆ 國立勤益科技大學 機械工程系 陳紹賢 

近期智慧製造技術快速發展而人才嚴重短缺與學用落差之問題,導致業界與學界人才失衡。經濟部為了提供業界所需之人才與學界教學之方向,辦理多項人才鑑定,在工具機機械設計工程師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.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。

進給系統原理
工具機進給系統為多項元件組裝而成,如 圖1所示,主要有滾珠螺桿、軸承、聯軸器、伺服馬達、編碼器、馬達座、尾座與導軌,而導軌又分為硬軌與線性滑軌兩種形式,如 圖2所示,為因應目前高速化之訴求,由於硬 軌屬滑動接觸,雖然有較佳之剛性值與耐衝擊性,但摩擦係數大,在低速時有粘滯滑動之問題,於高速時則有較大發熱量,而無法使移動件快速滑動,且磨損較快進而影響到精度,相較於線性滑軌因屬滾動接觸,摩擦 係遠小於硬軌(約為0.002~0.008之間),並有 著高移動速度、高穩定、高精度、高壽命、低驅動馬力、簡單潤滑構造與具互換性等優 點,如表1所列,以為目前高速化工具機應用 之主流,由於滾珠螺桿對於進給系統移動速度與精度有著極大影響性,因而為進給系統中最關鍵性之傳動元件;當進給系統於運轉之中,主要為在控制器上輸入一個位移與速度指令,經由訊號線傳遞至驅動器,驅動器再將數位訊號轉換為類比式電壓訊號,以帶動伺服馬達使其迴轉,再經由齒輪、皮帶聯軸器與滾珠導螺桿結合,以驅動滾珠導螺桿運轉,並帶動螺帽作直線運動來推動床台於導軌上平穩移動。

滾珠螺桿主要由螺桿、螺帽、滾珠和迴流 管組合而成,如圖3所示。在螺桿與螺帽間裝 置滾珠之傳動元件,透過滾珠排列所組成的循環鏈,於螺桿迴轉時,滾珠將沿著螺桿螺旋槽滾動,並將螺桿的旋轉運動轉換為直線運動路徑,在此運轉過程中,滾珠不僅繞行螺桿公轉,其本身也於自轉狀態中,為防止滾珠由螺旋槽滾出,於螺帽的螺旋槽之兩端處設置回程引導裝置,俗稱迴流管,使滾珠與螺旋槽形成循環迴路,讓滾珠可於螺旋槽內自轉又沿螺桿循環轉動。

工具機機械設計之進給系統選用計算
在進給系統選用與設計中主要包含結構、導螺桿、線性滑軌、軸承與馬達選用,主要為力流關係因此將相關重要元件進行計算,如圖4所示,因此將進給系統元件與控制對應 至鑑定科目中之工具機機械設計概論與機械製圖之科目,在工具機機械設計概論評鑑主 題中主要有機械元件、材料力學/應力、機械 材料/機械加工與電機原理的學科,下列將進行說明。

一般工具機傳動機構可分為直接傳動與 間接傳動,直接傳動主要由馬達透過連軸器 傳至滾珠導螺桿,使馬達和導螺桿之間可直 接以聯軸器相接,簡化進給系統的設計,有成本低、負載慣性變小、背隙減少、噪音降低、以及力流線變短的好處,主要應用於高 速傳動,其中在選用計算上則如表2所示。

在間接傳動方面主要應用齒輪式與皮帶式進行傳動,應用齒輪式傳動經過減速齒輪箱,將轉速降低、扭矩放大,用於扭矩需求較大,或空間限制而不能以直結式連接時進行應用。而使用皮帶式傳動時,以時規皮帶代替齒輪,成本低、噪音小、設計製造簡
單,在裝配時須特別注意皮帶輪的平行度,才不致發生精度和使用壽命的問題。因此間接傳動模式大部分應用於大型設備或高負載之精密機械,再傳動速度方面主要以中低速 度為主,其中在選用計算上則如表3所示。


進給系統相關技術
在進給系統中有許多相關應用技術影響工具機壽命與精度,因此應用技術在實際應用上也是重要的一環,在下列將介紹應用技術之相關原理,在第一階段將介紹導螺桿導程與桿徑的決定計算:


滾珠導螺桿與斜角滾珠軸承的剛性主要來 自滾珠與溝槽接觸的彈性變形,為了消除間 隙與增加剛性,常對滾珠導螺桿與斜角滾珠 軸承施予預壓。而預壓分為定位預壓與定壓 預壓,定位預壓係在兩個螺帽之間加入一厚 度比兩螺帽的正常間隙為大(或小)的間座, 再使用貫穿兩螺帽的螺栓加以接合,利用間座厚度加大(或減小)正常間隙,而達成預壓 的效果。定壓力預壓,係在兩螺帽之間加入 盤形彈簧,使用彈簧的彈力使兩螺帽形成相 對位移,達到預壓的效果。一般斜角滾珠軸 承其預壓狀態如圖5所示,當組合斜角滾珠 軸承內環作軸向緊密接觸時,軸承A與軸承B 分別產生S0之軸向位移,即是施加了F0之預 壓。當從外部給予軸向負荷Fa時,則軸承A的 位移量會增加Sa、而軸承B則會減少Sa;這 時施加於軸承A與軸承B的負荷,分別為F1和 F11 。

其中在沒有預壓狀態的軸承A,若施加軸向 負荷Fa 時的位移量為Sb;則比較有無預壓下 時,承受相同的軸向負荷Fa 狀況下,明顯發 現Sa 比小Sb,顯示預壓能夠提高軸承剛性。

參考文獻:
1 王鑫興,陳紹賢、應用多段式預壓於進給系統開發設 計、國立勤益科技大學機械工程系碩士論文、104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 簡志賢,精密零組件(導軌、滾珠軸承、產花製作)課程 講義,財團法人精密機械研究發展中心。

4 上銀科技,滾珠螺桿技術手冊。
5 TPI,軸承技術手冊。
6 詹巨鵬,陳紹賢、進給系統可變預壓設計之研究、國立勤 益科技大學機械工程系碩士論文、102年
7 NSK,2011,滾動軸承技術手冊。
8 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。

 

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