工具機應用設計(二版)

　　《工具機應用設計》進入第二版，這是以龍門銑床搭配FANUC控制器為載具，詳述工具機主要功能與應用設計的專書，是業界實務使用最好的幫手，更被許多校系採為教科書，第一版非常熱銷，第二版加入部分內容，更為實用。

　　第一章，伺服控制：伺服控制是機電設備常見的功能，工具機的軌跡控制是伺服控制領域的頂尖技術。本章以數位控制理論為基礎，解說伺服參數的意義，藉著MATLAB模擬控制器功能與機器動作，分析預測機器動態行為。

　　第二章，進給機構設計：進給機構與主軸是工具機的關鍵性能指標，針對較複雜的設計做分析說明，使讀者明瞭性能優劣的原因。

　　第三章，溫升熱變位：解釋如何從機械設計抑制熱變位，如何建立熱補償模型，對於精密機械必備功能做詳盡解說。

　　第四章，臥式搪孔機的設計：與龍門銑床相比、搪孔機的主軸與旋轉工作台是主要的差異，解析常見問題、並提出解決方案。

　　第五章，軟體補償：以最低的成本提升機器精度，不乏高階工具機才有的特殊功能，例如幾何補誤差償與動態碰撞監控等。

　　第六章，問題的解決：作者以其自學經驗，將問題解決分為三階段，問題的思考、理論與定量分析、實驗量測等。

　　作者基於「優秀人才培訓需要有與工作相配合的教科書」的理念完成本書，因此以「邊看邊學邊做」的方式，整合實務與理論，期許台灣在技術發展上有進一步的獨創與發展。

作者簡介

周國華

　　學歷
　　清華大學動力機械所碩士

　　專長
　　工具機軟體應用設計
　　機械性能分析與量測

　　著作
　　工具機應用設計
　　工具機PLC+CEXE程式設計
　　工具機PLC程式設計

自序

第一章 伺服控制
1.1 基本架構
1.2 插補器
1.3 補間前加減速
1.4 補間後加減速
1.5 轉角減速
1.6 軸向加速度限制
1.7 加速度種類
1.8 加工型式
1.9 軸向動態誤差
1.10 控制迴路系統鑑別
1.11 控制迴路的系統穩定度
1.12 伺服控制迴路的參數調整
1.13 特殊機構之伺服參數調整
1.14 進給控制系統參數設計
1.15 程式路徑平滑化
1.16 海德漢控制器伺服調整
1.17 主軸伺服調整

第二章 進給機構分析
2.1 基本架構
2.2 進給機構剛性分析
2.3 螺桿極限轉數
2.4 螺桿異音
2.5 皮帶張力的調整
2.6 背隙
2.7 油壓配重
2.8 油壓管損計算
2.9 進給熱變位
2.10 切削力與馬達扭力
2.11 機器動剛性

第三章 溫升熱變位
3.1 加工精度誤差
3.2 均溫與熱膨脹係數
3.3 熱變位理論
3.4 熱變位的對策
3.5 冷卻機的效能
3.6 冷卻機PID 參數調整
3.7 熱補償建模
3.8 熱變位補償誤差的修正
3.9 熱變位補償之硬體
3.10 簡易主軸熱補償功能
3.11 熱變位問題討論

第四章 臥式搪孔機設計
4.0 前言
4.1 落地搪之主軸下垂量
4.2 主軸的切削剛性
4.3 旋轉工作台油浮設計
4.4 旋轉工作台定位精度
4.5 搪孔與加工精度

第五章 軟體補償
5.1 軟體補償之條件
5.2 軸的幾何誤差補償
5.3 特殊加工之定位精度補償
5.4 雷射定位誤差補償分析
5.5 工件原點偏移與幾何尺寸補償
5.6 旋轉軸的空間誤差
5.7 簡易的動態碰撞監控

第六章 問題的解決
6.1 問題的思考
6.2 理論( 定量) 分析
6.3 實驗量測
6.4 問題的解決

試讀 “ 工具機PLC+CEXE 程式設計” 之5.16 節： 適應性進給控制

二版序文

　　第一章重新校搞、故改版較多，建議重新閱讀，以下列舉新增

　　主要內容。1.2節：圓弧插補器。1.5節：轉角最大減速度公式推導，轉角誤差公式推導，轉角減速率的計算公式。1.6節：軸向加速度限制之減速率的計算公式，Jerk減速率的計算公式。1.7節：補間後加減速產生的路徑誤差公式推導，伺服不同步產生的路徑誤差公式推導，分析四方圓的路徑誤差圖。1.8節：加速度調整程序的修正。1.9節：使用KGM量測位置迴路以外的剛性，用數學預測全閉迴路的位置誤差，用加速規修正光學尺量測不到的誤差，解釋靜剛性與動剛性在動態位置誤差修正量的關係。1.10節：量測電流迴路波德圖，量測位置迴路精確波德圖，雙質點的自然頻率公式推導，進給機構的扭轉模態系統圖分析。1.11節：定量分析相位角落後對軸位置誤差的影響，伺服迴路的頻寬定義，波德圖的系統穩定度理論補充。1.12節：補充濾波器的使用規則，位置增益的調整，強調二次調整軸位置誤差的方法。1.13節：背隙量在控制迴路的影響，強調TorsionPreview的優點。1.14節：軸位置誤差的振動與機構變形量對應的參數調整說明，二次改善進給機構之設計方向，摩擦力對伺服控制的影響，伺服剛性的評估。1.15節：nanosmoothing的優缺點與使用時機，學習控制在進給速度平滑化的方法。2.5節：G00移動激發皮帶輪組減速機的振動。2.7節：閉迴路配重系統的性能分析。2.9節：抑制進給熱變位的方法。2.10節：馬達負載計算，剛性攻牙切削力計算。2.11節：修正主軸箱動剛性改善方法，線軌與硬軌的比較。3.10節：簡易主軸熱補償功能。3.11節：熱變位問題討論。

　　第一章介紹進給伺服控制系統圖，有線性振動模態與扭轉振動模態，例如螺桿線性振動與聯軸器扭轉振動。有單一自然頻率與雙自然頻率，例如X軸的工作台與底座、Y軸的鞍座主軸箱與門橋。有位置迴路內的振動模態與迴路外的振動模態，例如Y軸光學尺可量測到鞍座的振動位移量，但不能量測到主軸鼻端位移量。有分析摩擦力與背隙對伺服控制的影響，以及位置迴路的位置命令(補間後位置)的頻寬。綜合所有技術，可以做設計分析，亦可預測進給軸的動態反應。2.10節介紹切削力的計算，若再加入切削力(或許小到可忽略)，可模擬切削的紋路。切削品質要好，除了進給機構設計與伺服參數調整外，CAM的路徑平滑化與進給速度平滑化亦是關鍵，1.15節試圖實現此觀念。進給速度平滑化的方法包括路徑平滑化，控制器的速度控制法則。學習控制系統可避開控制器不公開的技術，以現況數據做進給速度命令的調整。

　　幾乎所有機器的進給機構很類似，可以大約(定性)設計，亦可定量設計，差別僅在於精確掌握動態性能。當機器有問題時，可從設計分析檢驗每個設計的查核點，可快速找出問題。熱變位永遠是工具機研究題目，國內比較熱衷於軟體補償功能，而忽略(不是不知道)機器質量對稱性的重要性。個人認為質量對稱與結構剛性並不衝突，對於精密加工(非重切削)機器，更應重視質量對稱設計。3.11節綜合熱變位問題討論，除了常見的解法外，2.9節末提出適合有條件的進給熱變位解法。3.10節提出便宜實用的主軸熱變位補償觀念，雖非新的觀念，卻有詳細解說公式原由。

　　每次寫書都是到氣空力盡才停筆，自出書的那一天起，個人對書的滿意度就逐日下降。每當翻閱時總會發現有遺漏之珠、有語焉不詳之處，期待下一次的改版。或許所有作者都是如此，寫完之後、沒有耐心仔細看自己的文章，使得校稿徒具形式。由於書的架構在第一版就訂下，懶於重新內容排版，使得補充內容有東插西補之缺憾。寫書人常犯的毛病是自認交代清楚，其實是沒有做到由淺入深的解釋，只有在討論中才能知道旁人的疑點所在，進而修補遺漏。每當重新思考以前的問題，都有新的領悟，亦是寫書的好處。

　　台灣工業的瓶頸在於人才不足，許多公司常招募不到工程師。工程師能力的瓶頸在於缺乏定量分析，希望本書對社會有助益。雖是如此、個人仍然相信台灣人才輩出，期待百家爭鳴的時代到來。

　　衣沾不足惜，但使願無違