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技術在線
工具機支撐地腳性能提升探討
2022.02.14∣瀏覽數:602

工具機支撐地腳性能提升探討

精密機械研究發展中心 黃韋倫、曾立維、蔡浩宇、卓家軒、林冠廷

工具機地腳安置於機台下方,用以支撐機台的結構重量與調整其水準精度,是機器安裝使用的重要基礎部件。地腳的各項主要作用說明如下:

(a)將工具機支撐安置在地面上,支撐床身重量並承受機台切削力與移動件移動時產生的傾覆力矩,防止機台位移。

(b)能傳遞與吸收機台與外界振源的部分振動。

(c)能調整機台的安裝水平精度與維繫其精度。

在機台開始製造組裝與安裝定位時,安置地腳支撐機台並透過調校地腳螺栓來確保機台水平精度,是首先且重要的工作,顯示地腳的設計、正確選用與應用對工具機精度與性能的維持有重要影響。根據地腳是否與地基緊固結為一體,可以將機台支撐安裝方式分為:(Ⅰ)地腳與地基緊固為一體的剛性連接;(Ⅱ)墊鐵與地基接觸但不緊固的彈性連接等兩種形式。中小型高精度工具機移動部件重量較輕,振動量小,為了方便安裝與精度調校,多採用彈性連接方式,圖一所示為業界常用各種連接地腳型態,其中圖一(a)到(c)都屬彈性連接,圖一(d)則為剛性連接形式。而圖一(a)的地腳是用地腳螺栓串接床身底座結構與墊鐵,再由墊鐵與地基(或地面)接觸,以地腳螺栓與墊鐵組成的結構簡單與價格便宜,也方便實施水平精度調整,是業界採用較多的傳統地腳形式,也是本文討論的目標。

一些廠家在機台開發與使用時,很容易忽略地腳的影響而面臨以下的狀況:

(1)地腳沒有妥善的設計與選用:地腳螺栓與地腳墊鐵組配結合外型尺寸、及材質各有不同,所能承載的荷重並無規範,只是依設計者的喜好評估或大略放置,而未考慮這些地腳的組配參數會影響機台支撐剛性、動態性能與機台幾何精度的穩定性。

(2)未重視地腳的精度與品質:地腳螺栓與地腳墊鐵組配結合的結合面粗糙且無規範要求,一些墊鐵結合面不平整且 雜油漆粉塵,造成地腳的接觸品質不一,影響地腳接觸剛性等性能。

(3)地腳調教水平精度的落後:地腳支撐水平精度的良窳與否影響床台進給軸直線度與扭曲精度等幾何精度與磨耗狀態,是維繫機台精度壽命的關鍵因素。然而目前廠家機台的水平精度未有可依循規範或少有量化數據,水平精度不易提升。分析可能因素為目前水平精度調校多使用氣泡式水準儀+技術人員經驗實施檢測,除了受限於氣泡水平水平儀本身的0.02mm/m精度外,觀測氣泡在刻度尺位置容易受到人員觀測角度與經驗的影響,導致在水平調校時造成觀測誤差、導致水平精度提升的侷限性。

(4)個別地腳支撐的負載不均現象:地腳布局不佳或水平精度調校失當,有時會使個別地腳負載承受不均,受力較大的地腳螺栓較易發生潛變,影響機台水平精度並使床身導軌安装基準變化;而導軌的基準變化將加劇導軌滑塊的磨損變化,機台軸線幾何精度喪失,降低機台的精度保持性。

本文僅初步探討個別地腳接觸剛性的影響參數,希望作為地腳性能改善地的參考。此外,並搭配地腳支撐調校對機台精度影響的探討,尋求提升工具機支撐水平精度的建議方案。



地腳支撐性能提升的優勢

若在工具機設計與使用上能強化地腳支撐的性能來產生以下的優勢,是提升機台性能的選項之一,說明如下:

(1)增加工具機的動態特性:地腳的排列分布與支撐性能會影響機台動態特性(即模態參數),妥適的設計地腳模組數目可調節並提高結構的固有頻率,以利於避開機台的工作頻率。許多文獻的研究都揭露了此一效果,例如文獻[1]的研究結果顯示,定柱式龍門加工機地腳支撐剛性的增加,會提升機台整體的自然頻率數值。此外,地腳螺栓處筋板厚度結構優化也有助於機台動態性能的提升,由於床身部件是通過地腳螺栓與地面固定連接,地腳螺栓的安裝部分為方便安裝如圖二所示設計了一個凹陷空間,此空間與床身底部形成的筋板厚度成為床身部件剛度較薄弱的環節,文獻[2]分析顯示增加此處筋板厚度,也能提升機台的固有頻率。

(2)改善工具機的運動精度:精密工具機組裝前需找尋一絕對基準線當作所有精度之來源,而大自然界最客觀之基準線即為海平面之水平線,所以機械組裝時,首要工序即是機械底座調校水平,讓往後組裝生產與使用過程中皆有一固定之基準可依循,因此機台水平精度是所有幾何精度的基礎,如果水平產生誤差就會影響機台幾何精度表現,這與地腳佈局與支撐精度有著直接影響,例如:機台水平精度會影響溜板移動對車床主軸中心線的平行度;銑床主軸回轉中心線對工作臺面的平行度;磨床工作台移動在垂直平面內的直線度..等等[3]。精機中心相關的實驗結果[4、5]也顯示改善機台地腳支撐的水平精度,有助於提升機台的軸向的運動直線精度、扭曲精度等。

(3)維繫工具機的精度穩定性:機台使用時,若地腳螺栓負載不均,個別地腳中受力較大的螺栓潛變較快,導軌安裝基準變化,同時導軌的基準變化將加劇導軌滑塊的磨損,軸線幾何精度較快損失而影響工具機精度保持狀態。因此確保地腳支撐負載的合理性、均勻性與較佳的水平精度,將可減緩個別地腳發生潛變的現象,同時保有更多的儲備精度來延續機台的精度穩定性。



提升地腳支撐性能的設計分析

由赫茲接觸理論分析地腳的接觸剛性可知,地腳接觸剛性主要受螺栓與墊鐵幾何構型、材質等參數的影響,改善螺栓接觸R角與材料E值都能降低接觸變形提高地腳接觸剛性。此外,也透過分型理論了解提升螺栓與墊鐵接觸表面粗糙度可提升地腳的接觸剛性[5]。因此整理並得到以下提升單一地腳支撐剛性的方向:

(a)增加地腳螺栓與墊鐵接觸面積(加大接觸R角半徑)

(b)改善地腳與墊鐵接觸面的表面粗糙度

(c)墊鐵材質的選取(鋼材或鑄鐵)

依此規畫地腳在不同表面粗糙度與材質其接觸性能與剛性分析與實驗,並說明如下:

(1)單一地腳接觸R角變化對接觸性能影響分析:主要針對了地腳螺栓與墊鐵的接觸面上,在墊鐵尺寸以及材料不改變的情況下,調整地腳的圓弧R角尺寸,以有限元素分析接觸負載與變形狀態,進而得到較佳的接觸剛性。圖三為分析時採用的R8mm、R30mm和R60mm三種地腳螺栓R角組配形式。

單一地腳模組建模時設定地腳螺栓與墊鐵各別的材料,主要採用兩種材料-鋼與鑄鐵,接觸條件設定:設定皆為黏合不會有相對位移,墊鐵底端固定拘束,網格化:將其尺寸切細為1mm,負載施加時假設一台工具機六噸重,然後由六個地腳模組平均分擔,每一組地腳約負載1000Kg。單一地腳螺栓R角變化承受負載後的分析結果如圖四與圖五所示。由圖四中可知隨著R角的增加,可以讓墊鐵接觸面上受力的面積變大,使得力量得以更平均的分散在墊鐵上面。由圖五可知隨著R角的增加,螺栓與墊鐵承受負載後最大變形都是減少的趨勢,顯示地腳螺栓與墊鐵間的接觸剛性也隨之增加。

(2)地腳螺栓R角對支撐機身變形影響分析:以三種不同R角地腳螺栓+墊鐵(墊鐵的尺寸一致)支撐實驗機台底座結構,分析底座在不同R角地腳支撐下,結構自重變形情形。由圖六(a)為分析模型。圖六(b)不同R角地腳支撐狀態下結構變形分析結果。螺栓地腳螺栓R角增加後可些微降低機台的自重變形量。

(3)地腳螺栓R角變化對支撐機台構件頻率的影響分析:進行實驗機台底座在不同地腳支撐下的模態分析,圖七所示為以R8和R30兩種不同R角設計地腳螺栓支撐下的底座前三階自然頻率分析結果,隨著支撐地腳的R角增加,其對應的支撐結構自然頻率也隨之增加,也顯示改善地腳支撐剛性有助於提升所支撐機台結構的動態性能。




地腳接觸性能的實驗探討

地腳靜剛性實驗模組
透過設計地腳靜剛性試驗載具進行地腳性能的實驗探討,實驗載具構造如圖八所示,由固定基座、地腳螺栓試件、墊鐵與加載螺帽、荷重元(Loadcell)與電容式位移計等元件構成。實驗載具的上端設計加載螺帽鎖在地腳螺栓上,並可藉由數位扭力板手施加扭力於螺帽,使地腳螺栓與墊鐵接觸,用來模擬地腳螺栓結構承載機台結構等荷重。並利用加載螺帽與墊鐵之間的荷重元量測所施加負載力量,固定在支座下端的電容式位移計量測施加負載後地腳螺栓位移變化,透過量測資料分析處理,進而求得不同地腳結構組配參數下的接觸剛性狀態,目前規劃的地腳實驗參數如表一所示,實驗操作程序與實施照片如圖九所示。

三種R角地腳組配型式的接觸壓力感測試驗結果
將感壓膠膜置於地腳螺栓與墊鐵之間,施加相同鎖固扭矩,圖十為三種不同R角地腳在相同鎖固負載下以壓力感測膠膜實施接觸壓力感測試驗結果,觀測圖形可知,可以發現壓痕寬度為 R60>R30>R8,在相同鎖固扭矩作用下R60的地腳螺栓有較大的接觸面積可以承受負載變化。

不同表面粗糙度的地腳靜剛性試驗結果
在表面糙度對地腳接觸剛性的實驗方面,完成地腳螺栓與墊鐵在不同表面粗糙度(Ra1.6、Ra6.3、Ra25)下的地腳靜剛性實驗,圖十一在不同表面糙糙度下R8地腳模組之負載與靜剛性關係圖,實驗結果顯示地腳模組接觸面表面粗糙度越小(表面品質越佳)時其地腳螺栓與墊鐵的接觸剛性愈高。

墊鐵不同材質的地腳靜剛性試驗結果
不同材質(鋼材S45C與鑄鐵FC30)墊鐵的接觸負載與靜剛性實驗結果如圖十二所示。觀測R30、R60兩種地腳螺栓與不同材質墊鐵的接觸的靜剛性實驗結果可知,若是在較低的負載下墊鐵材質使用S45C與FC30其剛性兩者差異不大,但隨地腳支撐負載的逐步提升,在較大的負載狀態下使用S45墊鐵材質較FC30有較佳的接觸剛性,而對機台阻尼的影響,鑄鐵的材料阻尼係數較鋼材為高,然而增加阻尼的效果仍待進一步的驗證。此外,由於一般螺栓都是高強度鋼材,若墊鐵也選用鋼材,其結合面在高壓負載作用下是否會發生冷銲(Coldwelding)而影響其支撐狀態仍需再探討。




提升地腳支撐機台水平精度的措施

以數位式扭力板手+電子水平儀施加調校負載並提升水平精度
工具機安裝時需要調整地腳支撐基座的水平精度,確保床台的平面精度,與各軸直線度的維繫,目前常見方式是透過將氣泡水平儀置放在工作台上,以一般扭力板手調整地腳螺栓微量改變床台姿態,讓水平儀氣泡儘量位於水平儀中央刻度。如之前所述受到氣泡水平台本身精度限制(※氣泡水平儀精度0.02mm/M),以及觀測氣泡在刻度尺位置容易受到人員觀測角度與經驗的影響,導致在機台在支撐水準調校時造成觀測精度、扭曲精度與直線精度提升的侷限性。

因機台的重量達上噸以上,以板手旋轉螺栓來調節支撐床台的移動姿態並不靈敏,且僅觀測床台上水平儀數值來調整,不知所施加扭矩的大小,也忽略了個別地腳承受負載均勻性,而容易導致單一地腳可能承受較大負載與變形,造成機台在使用時易發生床台扭曲變形,加快機台的運動磨損與精度降低。

本文以目標臥式機台底座三點支撐為精度基礎,透過數位式扭力板手+精度達0.002mm/M的電子水平儀(或數位角度檢測裝置)調校地腳支撐水平精度,檢測實驗機台的扭曲精度與運動直線度變化情形,希望透過數位化的精密工具,檢測施加於螺栓的扭矩數值與提升機台水平精度。實驗結果指出:如圖十三藉由數位扭力板手與電子是水平儀搭配進行地腳支撐力調整,可以達到1um/m的水平調整精度,如此可均勻調整各地腳負載力量,提升機台基礎支撐精度。圖十四是透過以三點支撐為基礎,進行目標機台精密地腳調校實驗前、後的機台直線精度與平面扭曲精度量測結果,機台Y軸的平面扭曲精度由9.52um改善為4.31um,精度提升50%以上。

工具機地腳調校水平精度調校導航模組
目前國內採用的大多數都是氣泡水平儀,不僅精度僅達0.02mm/M,操作時也需要較多經驗,要便捷快速的實施高精密水平調整有一定的操作門檻,此外氣泡水平儀量測結果也需自行換算轉換成傾角誤差和自行紀錄,氣泡水平儀工具使用的限制導致不易提升業界機台水平精度調校的技術能量,也限制了量測結果數位記錄與應用的發展。

為了讓一般操作人員也能迅速準實的進行機台水平精度,降低水平精度調教技術門檻,精機中心以電子水平儀為量測工具,透過:整合無線通訊、訊號處理、水平精度原理探討、APP軟體開發與實驗測試等技術,如圖十五所示針對開發機台水平精度調校導航模組,目前已進行引導模組的雛型裝置測試。這種透過以電子水平儀作為量測工具,並將量測精度結果透過無線傳輸到個人的可攜式電子裝置顯示,藉由水平精度調校導航模組的計算,並引導操作人員進行機台地腳支撐水平精度的調校、與完成水平精度紀錄等工作。



優化工具機地腳設計,提升機台性能與精度狀態

工具機的地腳直接影響機台的精度、性能與穩定性,是支撐機台的基礎關鍵組件,本文說明了地腳使用常被忽略的狀況,以及地腳支撐性能提升所衍生的優勢,並藉由分析與實驗探討改善地腳支撐性能與提升機台水平精度的措施,得到以下的成果:

(1)透過增加地腳螺栓與墊鐵的接觸面積(例如:接觸R角設變),可以減少地腳模組接觸變形,增加接觸剛性,增加機台結構的自然頻率,改善動態性能。目前業界一些機台地腳螺栓接觸半徑約在3mm∼8mm,顯示在設計地腳接觸半徑有些許增加的空間。

(2)地腳螺栓與墊鐵間的表面粗糙度較佳,其會有較小的接觸變形量;而墊鐵材質使用S45較FC30有更佳的接觸剛性。由於業界目前使用機台支撐地腳接觸面多為初坯或粗加工型態,且未考慮使用材質的差異性,本文成果將有助於提供業界作為改善地腳接觸性能的實施參考。

(3)採用數位式扭力板手+高精度電子水平儀等設備,協助行調教進行機台水平精度調整,可透過數位扭力板手檢測與掌握施加地腳螺栓的扭矩,藉此確保地腳承受負載的均勻性,並透過電子水平儀的應用改善氣泡水平儀在使用與精度的限制因素,進一步提升工具機地腳支撐的水平精度與穩定性。

(4)發展以電子水平儀為檢測工具的機台水平精度調校導航模組,透過便捷的數位化水平精度調校引導工具,可提供產業界人員克服目前在機台水平精度精密檢測與調校的困難點,對提升機台在組裝製造與應用時的幾何精度與穩定性表現,有相當的助益,並符合機台數位化組裝潮流的發展的趨勢。

此外,能充分發揮機台性能的地腳布局設計也不能忽略,因此在設計階段針對機台支撐地腳的布局,可以妥善運用3D繪圖軟體與有限元素分析,例如以3D軟體求得機台重心,機台床身水平與垂直軸線的運動直線度為設計目標,以地腳的數量和間隔為設計變數,進行滿足床台在自重變形下較佳直線運動精度的分析,得到優化的地腳螺栓布局設計[11],藉此良好的地腳支撐來提升機台性能與精度狀態。

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