工具機智慧化數位設計技術

前言

工具機是製造業在生產過程中不可或缺的設備，主功能包含車、銑、磨、搪、削、與切斷…等，因其為製造各種機器設備的加工機器，有「機械之母」之稱，也被稱為「工作母機」；全球製造業在2022年與2023年受到美中兩強相互競爭的地緣政治問題、疫情造成的供應鏈混亂以及俄烏戰爭引發的能源危機…等事件，使其面臨極大的挑戰，同時也大幅影響到臺灣的工具機產業發展，根據機械公會（TAMI）整理今年元月海關統計機械業出口統計數據顯示，工具機出口值為1.94億美元，較上年同期減少18.2 %，其中銷往土耳其的機種出口值因受到國際出口俄羅斯禁令的影響，僅餘0.18億美元、年減34.4 %；此波經濟影響亦反應在國際工具機主要生產國的出口表現，依日本工具機工業會（JMTBA）最新公布統計，同期日本工具機訂單金額約1,109億日圓，較去年同月減少14.1 %。

由於美、中兩國的地緣政治分歧，促使全球製造業者在亞洲尋找中國以外的新生產基地，進而促成Altasia（alternative Asian supply chain，亞洲替代供應鏈）的形成；臺灣工具機產業除了希望透過Altasia供應鏈的重組帶來全新的機會外，積極發展智慧製造技術與數位轉型也是工具機產業未來的發展主力，在面對勞動力緊縮、成本控制與國際碳費徵收的趨勢背景下，技術創新及研發升級是關鍵，臺灣的工具機製造廠商需要持續投入研發，以開發出更具競爭力和高附加價值的產品，特別是在高階專用機應用市場的布局，藉以提升產品應用的附加價值。

本文主要將針對工具機智慧化數位設計技術進行說明，目標希望透過智慧化與數位化的升級來提升工具機產業之開發能量，精確對準高階專用機的應用需求進行客製化開發，其核心技術包含傳動系統設計開發、結構輕量化設計及伺服控制整合結構響應之設計技術…等，目標保持臺灣工具機產業在全球市場的競爭力，維持產業持續的健康發展。

螺桿進給傳動系統設計

進給傳動系統主要功用為定位工具機移動件，將切削刀具和工件移動到正確位置，其定位精度與速度直接影響工具機的加工品質與效率，驅動源可由直驅DD馬達提供動力或由伺服馬達結合螺桿元件或齒輪齒排系統達成，本文將以國內大宗主力的螺桿進給傳動系統為例進行說明，如圖1所示。螺桿進給傳動系統為工具機和IT、光電、半導體、醫療…等精密設備上最常使用的傳動方式，其主要功能為將旋轉運動轉換為線性運動，或將扭矩轉換為軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特色，其構成包含伺服馬達、聯軸器、減速機(選配)、軸承與螺桿螺帽…等元件組成，並搭配線性滑軌進行進給方向限制。