TWI583483B - 切削性能導向之工具機結構設計方法 - Google Patents

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Description

切削性能導向之工具機結構設計方法
本發明為一種切削性能導向之工具機結構設計方法，尤指一種於工具機在初始設計階段時，即可掌握機台切削性能、減少後續變更設計、縮短設計時程之切削性能導向之工具機結構設計方法。
結構拓樸優化(Structure Topology Optimization)技術於1990年初期被提出，經過十餘年的發展改良，該技術已逐漸成熟。該最佳化技術與傳統的結構參數最佳化差異是：結構性能的提升程度最大、但外型變動程度也最大。因此廣義而言，新一代的機械產品設計流程會是先進行結構拓樸優化設計以獲得結構的初始輪廓，再透過形狀與尺寸最佳化，將結構外型的細部特徵進行微調，藉此達到最佳的狀態。
近年來，工具機的結構設計也開始嘗試利用結構拓樸優化技術進行工具機的結構初始構型設計。起初的應用方式是將切削力假設為靜態力施加在結構上，進行典型的靜態柔度(Static Compliance)最小化；然而真實的切削力為動態的震盪力，而靜態柔度最小化無法針對結構受到震盪力的動態特性作考量，因此後續有人提出加入自然頻率限制條件的方式調控結構的動態特性；或甚至是將切削力假設為動態簡諧力，達成頻率響應柔度最小化(Dynamic Compliance Frequency Response Minimization)的設計。藉由以上的設計方式的確能提升工具機結構的靜動態剛性；然而靜動態剛性對於使用者來說仍是相對抽象的指標，使用者更期望的資訊是，機台實際的加工性能是否能符合使用者的加工需求。換句話說，結構拓樸優化方法未建立「結構特性」(包括靜剛性、 自然頻率、動剛性)與「加工性能」(包括最大切削深度)之關聯，因此無法直接針對「加工性能」進行優化設計。
另一方面，切削顫振解析方法，是將機台「結構特性」，轉換成機台「切削能力」，建構「結構特性」、「加工性能」之關聯，但是卻不知如何改良結構，提升「切削能力」；至於聲稱結合靜剛性拓樸最佳化與切削能力預測之習知技術，則是「靜剛性」的最佳化，而非「切削能力」最佳化，且其「切削能力預測」適於設計完成後才執行，僅是評估、預測之功效。
由上述各項習知技術可發現，由於工具機實際加工時是受到切削的動態力而非靜態力，因此對工具機結構僅進行靜剛性的結構拓樸優化是無法針對實際切削時的動態力所造成的結構頻率響應優化的。然而就算將工具機結構設計改為以動剛性結構拓樸優化設計，儘管動剛性有所提升，但仍有以下兩個問題：(1)對設計者而言，仍然無法直接判別優化的結構，其切削性能是否已滿足使用者欲採用的製程條件。(2)正常的動剛性結構拓樸優化不會特別針對實部小於零的振幅進行優化，然而僅有該區間對顫振極限切深的性能有關，與其他頻率區間的振幅無關。
另一方面，若是當完成設計機台結構後，再進行切削模擬，預測切削性能，若發現其切削性能不足，需要修改設計時，則浪費了許多時程於重複修改結構設計上。
因此，若在設計前期的結構拓樸優化階段，就以切削性能為設計目標，則可大大減少後續因為設計出不良的結構，然後修正設計的時程，減少錯誤的嘗試。
在一實施例中，本發明提出一種切削性能導向之工具機結構設計方法，其步驟包含：(A)定義設計條件：設計條件包括工具機初始構型、切削條件、邊界條件；(B)計算切削能力：根據步驟(A)所定義之工具機初始構型及切削條件，產生一工具機之最大切深與轉速之關係之資訊； (C)優化判斷：根據步驟(B)所產生之工具機之最大切深與轉速之關係之資訊，決定一欲優化之頻率範圍；(D)結構拓樸優化：根據步驟(C)所決定之欲優化之頻率範圍，以及步驟(A)所定義之工具機初始構型、邊界條件，產生一優化後模型；(E)判斷是否滿足設計條件：若步驟(D)所產生之優化後模型滿足步驟(A)所定義之限制條件，則結束；若步驟(D)所產生之優化後模型不滿足步驟(A)所定義之限制條件，則重複步驟(B)~(D)，執行迭代迴圈設計，直至步驟(D)所產生之優化後模型滿足步驟(A)所定義之限制條件。
100‧‧‧切削性能導向之工具機結構設計方法流程
102~112‧‧‧切削性能導向之工具機結構設計方法流程之步驟
1062~1066‧‧‧優化判斷之細部實施例流程
21、31、32‧‧‧虛線橢圓標示範圍
L1‧‧‧結構重量50%之切削穩態曲線
L2‧‧‧結構重量40%之切削穩態曲線
L3‧‧‧結構重量30%之切削穩態曲線
圖1為本發明之一實施例流程圖。
圖2為應用於本發明之切削穩態圖之一實施例示意圖。
圖3為應用於本發明之響應頻率圖之一實施例示意圖。。
圖4為本發明之優化判斷之細部實施例流程圖。
圖5為本發明之迭代迴圈設計之不同切削穩態曲線之示意圖。
請參閱圖1所示，本發明之一種切削性能導向之工具機結構設計方法100，其步驟包含：步驟102：定義設計條件：設計條件舉例包括工具機初始構型、切削條件、邊界條件。步驟102所定義之設計條件更包括最佳化目標與限制條件，最佳化目標與限制條件其中至少一項包含工具機在某個特定的轉速、或是某個區間範圍之轉速下，工具機之最大穩定切深，而最佳化目標與限制條件其中另一項則包含工具機之結構重量。
本步驟之目的在於定義出所欲設計的工具機的主要條件，例如，切削條件為4刃-平銑刀，直徑30mm；切削工件為AL-7050；最佳化限制條件為結構重量25%；最佳化目標為切削轉速0~10000rpm內，最低切深最大化。依所設計之工具機之不同，可定義不同的設定條件，不限上述範例。
步驟102所定義之設計條件，其定義之方式不限，例如，可為最佳化目標為結構質量最小化，搭配限制條件為設計者所期望的穩態切削深度；或者，可為最佳化目標為穩態切深最大化，搭配限制條件為設計者所期望的結構重量。
步驟104：計算切削能力：根據步驟102所定義之工具機初始構型及切削條件，產生一工具機之最大切深與轉速之關係之資訊。所產生之工具機之最大切深與轉速之關係之資訊，可為一切削穩態圖(亦即所設計之工具機之切削能力)，關於切削穩態圖之形式，可參閱圖2所示範例，其係根據上述步驟102所示之4刃-平銑刀設定條件實例所得。
步驟106：優化判斷：根據步驟104所產生之工具機之最大切深與轉速之關係之資訊，產生一欲優化之頻率範圍。本步驟之目的在於找出會影響切削能力之響應頻率區域，以使得結構優化確實是針對切削能力。
以圖2的切削穩態圖為例，由虛線橢圓標示範圍21中找出最低切深，再根據圖3之響應頻率圖中找出相對應之響應頻率，如圖3虛線橢圓標示範圍31。至於圖3上方虛線橢圓標示範圍32內之曲線，則代表該範圍之頻率區域不影響切削顫振，因此不需要優化。
據此，請參閱圖4所示，可將步驟106再分為以下步驟：步驟1062：由切深資訊中找出一最低切深；步驟1064：根據步驟1062所找出之最低切深，找出一相對應的顫振頻率；以及步驟1066：將步驟1064所找出之顫振頻率作為欲優化之頻率範圍。
步驟108：結構拓樸優化：根據步驟106所產生之欲優化之頻率範圍，以及步驟102所定義之工具機初始構型、邊界條件，產生一優化後模型。步驟108所產生之優化後模型，其優化目標為於步驟106所產生之欲優化之頻率範圍之響應頻率下之振幅最小化。
步驟110：判斷是否滿足設計條件：若步驟108所產生之優化後模型滿足步驟102所定義之限制條件，則結束(步驟112)；若步驟108所產生之優化後模型不滿足步驟102所定義之限制條件，則重複步驟104~108，亦即迭代迴圈設計，直至步驟108所產生之優化後模型滿足步驟102所定義之限制條件。
請參閱圖5所示，其中，曲線L1、L2、L3分別代表結構重量50%、40%、30%之切削穩態曲線，圖5顯示經過迭代迴圈設計後，即可使步驟108所產生之優化後模型滿足步驟102所定義之限制條件。於進行迭代迴圈設計時，係根據上一迴圈所產生之優化模型進行演算。圖5亦係根據上述步驟102所示之4刃-平銑刀設定條件實例所得。
步驟112：結束。
綜上所述，本發明所提供之切削性能導向之工具機結構設計方法，其技術特徵在於將「計算切削能力」、「優化判斷」、「結構拓樸優化」三者建構成迴圈運作。由於加入「優化判斷」之步驟，挑選對切削能力有影響的頻率區間進行優化，使優化設計有針對性，因此可將「結構特性」優化轉化成「切削能力」優化設計。本發明利用刀尖點柔度頻率響應之實部小於零之最大振幅與機台之極限穩態切深成正相關的學理特性，將動剛性拓樸最佳化方法進行修改，與穩態極限切削模擬技術整合，使最佳化的目標與限制函數轉換為極限穩態切深。此技術難處在於突破結構拓樸最佳化的使用限制，將最佳化的目標函數不侷限在結構柔度的抽象物理量，而是直接是與機台性能有關的極限穩態切深。使進行工具機設計時，於前期的拓樸優化設計階段即可掌握工具機的切削性能，減少後續設計變更的機會，有效縮短設計時程。
必須強調的是，本發明是透過一「優化判斷」步驟，判斷篩選對切削能力有影響的頻率區間進行優化，將「結構特性優化」、轉換為「切削能力優化」。而習知之「結構拓樸優化方法」與「切削顫振解析方法」則僅是對「結構特性」優化，無法及時對「切削能力」進行評估，不能於工具機設計前期即掌握工具機的切削 性能。
惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧切削性能導向之工具機結構設計方法流程
102、104、106、108、110、112‧‧‧切削性能導向之工具機結構設計方法流程之步驟

Claims (6)

  1. 一種切削性能導向之工具機結構設計方法，其步驟包含：(A)定義設計條件：該設計條件包括工具機初始構型、切削條件、邊界條件；(B)計算切削能力：根據步驟(A)所定義之該工具機初始構型及該切削條件，產生一工具機之最大切深與轉速之關係之資訊；(C)優化判斷：根據步驟(B)所產生之該工具機之最大切深與轉速之關係之資訊，決定一欲優化之頻率範圍；步驟(C)包括以下步驟：(C1)由該資訊中找出一最低切深；(C2)根據步驟(C1)所找出之該最低切深，找出一相對應的顫振頻率；以及(C3)根據步驟(C2)所找出之該顫振頻率，決定該欲優化之頻率範圍；(D)結構拓樸優化：根據步驟(C)所決定之該欲優化之頻率範圍，以及步驟(A)所定義之該工具機初始構型、該邊界條件，產生一優化後模型；(E)判斷是否滿足設計條件：若步驟(D)所產生之該優化後模型滿足步驟(A)所定義之限制條件則結束；若步驟(D)所產生之該優化後模型不滿足步驟(A)所定義之該限制條件，則重複步驟(B)~(D)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切削性能導向之工具機結構設計方法，其中步驟(A)所定義之該設計條件更包括該工具機在一特定轉速、或一特定轉速範圍下之一最大穩定切深。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之切削性能導向之工具機結構設計方法，其中步驟(A)所定義之該設計條件更包括該工具機之一結構重量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切削性能導向之工具機結構設計方法，其中步驟(A)所定義之該設計條件之一最佳化目標為在 一穩態切削深度下之結構質量最小化。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之切削性能導向之工具機結構設計方法，其中步驟(A)所定義之該設計條件之一最佳化目標為在一結構重量下之穩態切深最大化。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之切削性能導向之工具機結構設計方法，其中步驟(D)所產生之該優化後模型之一優化目標為於步驟(C)所產生之該欲優化之頻率範圍之響應頻率下之振幅最小化。
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