動態模擬輔助設計在CNC 四軸切削中心機之應用

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1、動態模擬輔助設計在CNC四軸切削中心機之應用作者：王樹根(2001-10-08)；推薦：徐業良(2001-10-12)。附註：本文發表於中國機械工程學會第十八屆學術研討會。動態模擬輔助設計在CNC四軸切削中心機之應用摘要本文敘述一CNC四軸臥式切削中心機系統之高階機構動態模擬、結構分析、模態量測之整合電腦輔助設計案例。文中先敘述立體機構動態系統之建構、不同應用軟体轉檔、模型運動界面及限制條件設定；而在關鍵設計審查階段，應用機構動態模擬來描述機能極限、驗證動態滿意度，包括以刀具運動軌跡之動畫，模擬高速工具機系統之機構控制，確認動態立體空間邊界與預防干涉設計；接著再輔以結構分析、模態量測來驗證機械

2、結構參考性指標；最後由伺服控制實驗獲得改善定位精密度的方法。後續並將配合界面量測數據及工具機經驗數據，從機構實值動態模擬以獲取各組件於額定規格運動時，所產生的動態歷程和最大作用力量，作為進行後續機構結構優化或強健化設計的依據。關鍵字：模擬輔助設計，機構動態模擬，工具機，干涉預測。1.前言機構動態模擬分析在國外已有廣泛應用，如Baum和Ramakrishnan[1997]針對船體立體模型之模擬技巧，很忠實且熟慮地展示出使用環境可能遭遇狀況，事先在設計過程耦合結構動態分析、干涉偵測、製程模擬、和工程料表；Zhang和Chen[1993]發表NC車床切削動畫模擬專家系統程式，檢測機構初步設計之運動干

3、涉；1http://designer.mech.yzu.edu.tw/動態模擬輔助設計在CNC四軸切削中心機之應用Luck[1994]發表四連桿機構運動分析演算法，同時以動畫技巧表現運動過程。Ichikawa等人[1991]應用CAE套裝軟體ADAMS，模擬分析卡車底盤與板彈簧大變形的動態控制性和穩定性。Tang[1994]整合CAE套裝軟體環境，以統計實際動態模擬適應性，預估變動趨勢，不經實驗即可作決策判斷。使用機構動態模擬的優點可避免人為設計錯誤、增加結構安全性和易於檢視性、縮短研發時程。本文敘述切削中心機系統研發之機構動態模擬、結構分析、模態量測之整合電腦輔助設計過程，並且以一CNC三軸

4、向四軸同動臥式切削中心機為例穿插於本文中。文中先敘述立體機構動態系統之建構、應用不同軟体轉檔、模型運動界面及限制條件設定；在關鍵設計審查階段，應用機構動態模擬來描述機能極限、驗證動態滿意度，包括以刀具運動軌跡之動畫，模擬高速工具機系統之機構控制，確認動態空間邊境干涉與設計修訂；接著再輔以結構分析、模態量測來驗證機械結構參考性指標；最後說明經由伺服控制實驗獲得改善定位精密度的心得。後續並將配合界面量測數據及工具機經驗數據，從機構實值動態模擬以獲取各組件於額定規格運動時，所產生的動態歷程和最大作用力量，作為進行後續機構結構優化或強健化設計的依據。案例CNC三軸向四軸同動臥式切削中心機初期先完成其主

5、軸刀具二維試驗機動態模擬、結構分析與模態量測等進度，中期先完成建立三維四軸同動系統動態模擬案例，從模擬應付突發失控動態事件中，尋得改善受衝擊時最佳機構強度設計方式。後期將利用動態模擬分析界面作用力，對各主要結構元件執行動態應力和變形量分析之強健化設計，並將深入探討結構在重切削、高速運動過程中真實的變化情況。2.應用軟體設備選用繪圖和模擬軟体之前，應分析現有軟体使用功能限制，如Pro/Mechanism不能作動力分析、Pro/Motion動力分析需要計算“Redundancy”自由度、Pro/E轉換為ADAMS的cmd和adm檔案需要加掛介面檔“protk.dat“和“mechpro.env”、

6、考慮後續將配合結構分析如現有的ANSYS或Pro/Mechanica等軟体檔案的轉換、操作軟体是否易學易用、軟体技術服務是否快速健全。本研究為能適用現有的ANSYS或Pro/Mechanica分析軟体，故採用現有的立體繪圖軟体Pro/E建構模型檔，本模型建2http://designer.mech.yzu.edu.tw/動態模擬輔助設計在CNC四軸切削中心機之應用構前，先設定採用直角座標系統，並統一使用N-mm-S-C單位。接著採用Pro/Mechanism依實況設定固定件模組(“GroundPart”)、活動件模組(此處採用“RigidBodies”)、材質、及接合介面類別。經轉檔至ADAM

7、S軟體再設定活動件模組驅動方程式、限制條件、量測項目、及執行機構動態模擬。同步採用ANSYS軟體進行結構剛性、振動頻率、及振動模態分析，並借助模態量測設備於試驗機完成製作組裝後驗證結構振動頻率及模態，最後搭配Tektronix2550彩繪印表機作圖形輸出。本研究主要動態模擬分析是在ADAMS軟體上執行，實體幾何形態、特徵，從外部Pro/ECAD軟體建構模型轉檔完成後，再從ADAMS匯入(Impor