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機械工業雜誌
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數位雙生加工模擬架構之研究:進給率調控對表面粗糙度與切削力的影響
作者
彭達仁、汪正祺、杜冠威、夏子晴
刊登日期:2025/10/29
摘要
本文旨在建立一套數位雙生加工模擬架構,以探討進給率調控對表面粗糙度與切削力的影響。研究方法首先利用 CAD 建構工件模型,並設計兩組刀具路徑:未調控與進給率調控。隨後,於虛擬機台環境中模擬 CNC 加減速行為,並於切削力分析平台中進行力學預測,以評估不同加工策略之差異。實驗結果顯示,進給率調控能有效降低主軸瞬時過載,改善負載分布均勻性,並提升加工過程的穩定性。進一步的粗糙度量測與模型建構結果指出,所建立之表面粗糙度預測模型平均絕對誤差為 0.033 μm,決定係數 R² 為 0.732,顯示該架構在表面品質評估上具有合理準確度。綜合而言,本研究證實進給率調控對加工性能之正面效益,並驗證數位雙生方法於智慧製造與虛擬試切應用中的可行性。
Abstract
This study proposes a digital twin machining simulation framework to investigate the effects of feedrate control on surface roughness and cutting force. A CAD workpiece model was constructed, and two toolpaths—non-optimized and feedrate-optimized—were generated. The virtual machining environment was employed to simulate CNC acceleration–deceleration dynamics, while a cutting force platform was used for mechanical predictions. Experimental results show that feedrate control effectively reduces instantaneous spindle overload, improves load distribution uniformity, and enhances process stability. Furthermore, surface roughness measurements and predictive modeling demonstrated that the proposed framework achieved a mean absolute error of 0.033 μm with an R² of 0.732, indicating reasonable accuracy in surface quality evaluation. Overall, the findings confirm the beneficial role of feedrate control in improving machining performance and validate the feasibility of digital twin simulation for smart manufacturing and virtual trial machining applications.
前言
隨著製造業邁向智慧化,數位雙生(Digital Twin)已成為先進製造中的關鍵技術。透過虛擬與實體的互聯,數位雙生能在設計與製造階段進行模擬與驗證,並於加工過程中提供即時監測與品質預測,有助於提升製程可靠性並降低生產成本[1]。
在理論基礎上,Altintas 對切削力學、機械結構動態與 CNC 控制設計提出系統化論述,已成為金屬切削與加工模擬領域的經典參考[2]。該著作中關於切削力模型、機台振動與進給—速度—刀具幾何之交互作用,為後續以力學為核心之負載預測與表面品質推估提供了完整框架。另一方面,FANUC 所推出的 NC Guide2 為可在個人電腦上運行的虛擬 CNC 平台,能忠實重現控制器之加/減速與平滑(smoothing)等功能,並可精確模擬刀具路徑與加工時間,是建構數位雙生流程的重要環節[3]。在加工過程中,表面粗糙度(Surface Roughness)與切削力(Cutting Force)是兩項關鍵指標。前者直接影響零件的耐磨性、配合精度與使用壽命[4];後者則反映加工負載與能耗狀態,與刀具壽命、機台穩定性及能源效率密切相關[5]。
然而,這些參數受到進給率、刀具幾何、加工策略及機台動態特性等多重因素影響,單一模擬平台往往難以同時準確預測品質與負載。現有模擬工具各具優劣:NC Guide2 能再現 CNC 控制器的加/減速與平滑行為,並據此分析其對表面品質的影響,但並未直接描述刀具—工件間的切削力;相對地,Machpro 著重於切削力學與負載模擬,可用於評估加工負載與能耗,但較少納入機台運動控制對表面品質的影響[6]。因此,單一平台不足以推導接近實際的加工結果。
基於上述,本研究提出一套結合 NC Guide2 與 Machpro 的數位雙生模擬架構,整合表面品質與切削力分析,以提升對加工行為的整體預測能力。本文並採用進給率調控(Feedrate Optimization)策略產生「調控」與「未調控」兩組刀具路徑,於不同平台進行模擬比對,以探討進給率設定如何同時影響機台加減速響應與切削力分布,並驗證其在表面粗糙度預測上的可行性[7]。
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2025年11月號
(單篇費用:參考材化所定價)