| 工業基礎專欄 | 工具機機電整合模擬技術與應用

作者:

廖建智、何筱晨、林政傑、王仁傑

刊登日期:2020/08/31

前言
機台設備在開發初期均會有相對應所需的應用條件連結到設計流程裡,需求愈明確,設計端即可更精準的朝目標前進,以精密加工為例,其指標要求不能出現異常振紋,針對該指標本文整合馬達伺服迴路模型與機械結構響應模型,模擬機台運動的軸向動態位置誤差及輪廓誤差,藉以判斷工件表面粗糙度是否符合客戶需求,並探討機械結構設計時哪些關鍵指標為伺服調機與機台可承受加減速大小的限制。
工具機機電整合模擬技術與應用
工具機因應不同的產業應用情境,有不同的構型配置,而其頻率響應函數(Frequency Response Function) FRF是機台一個非常重要的量化指標,包含自然頻率與振幅大小,對循跡誤差分析而言,機台的頻率響應函數FRF可與伺服控制迴路整合進行運動軌跡模擬,因此如要準確預測機台的循跡誤差,機械結構端的模擬模型是非常重要的,其準確性主要受材料性質與結合介面特性影響,材料性質的問題可透過量測單件重量確認實際密度值、量測單件自然頻率確認楊氏係數來解決,這樣即可初步排除材料參數造成的分析誤差影響;結合介面則包含地腳(support)、螺桿(ball screw)、滑塊(slider)、軸承(bearing)…等關鍵零組件的結合特性,傳統設定上,大多將上述參數視為剛性很高的連結,但實際上這些傳動元件的剛性都遠低於結構剛性,因此不能忽視其存在,本文針對上述傳動元件以Bushing element方式建立等效模型,透過調整剛性與阻尼…等參數來建立一準確合理的工具機FEM模型,實務應用上機械設計端完成初步設計後,可透過FEM模型計算機台受控體參數矩陣,矩陣之輸入訊號馬達扭矩,輸出訊號為馬達速度回授與光學尺位移回授。
工具機結構大多以馬達驅動進行位置控制,在進行機台運動的路徑模擬時,馬達就是主要的動力來源,其模型的正確與否將會對誤差有很大的影響,工具機伺服控制模型一般由電流迴路、速度迴路、位置迴路三層組成,本文建立的FANUC控制迴路主要參數有電流迴路的電流增益倍率IG(P2334)、電流環比例增益K2(P2040)、電流環積分增益K1(P2041)、馬達電感La、馬達電阻Ra、反電動勢常數Ke、扭矩常數Kt和馬達慣量Jm,速度迴路的速度迴路增益VG(P2021)、速度迴路積分增益KVI(P2043)和速度迴路比例增益KVP(P2044),位置迴路較單純僅考慮位置迴路增益KPP(P1825),實務應用上在模組中選擇每個軸向所使用的伺服馬達型號,並輸入速度增益、位置增益、濾波器、前饋…等常用參數條件,即可進行工具機機電整合模擬分析。

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