一、 緒論
6.3 機器人腳部零件品質改善
6.3.2 機器人腳部組件模流分析
將實驗室設計之機器人腳部零件先經由 Moldex3D 來作模流分析，其模 流分析之實體網格如圖 6.21，全為 Solid 實體網格共 282984；冷卻水路及模 座配置如圖 6.22。因考慮機器人腳部強度，選用塑膠材料為 Bayer 公司的 PC+ABS，型號 BAYBLEND KL 1-1427，含有 30%的玻璃纖維，詳細材料 資訊如附錄 A 中表 A.5。射出成型加工參數中，充填時間設為 0.2 秒，保壓 時間設為 3 秒，冷卻時間設為 6 秒，整理於表 6.9。
機器人腳部零件模流分析的殘留熱應力結果如圖 6.23，可看出殘留應力 皆集中在洞口與洞口間，造成此原因為零件幾何的問題，造成流動上的不 易，如需改善除了改變進澆方式，另外還可藉由保壓及冷卻時間的控制。
分析結果殘留熱應力大部分介於 20 至 25MPa 之間。
圖 6.21 機器人腳部零件實體網格
圖 6.22 機器人腳部零件模座水路設置
表 6.9 機器人腳部零件模流分析加工參數
材料
保壓時間 (sec)
冷卻時間 (sec)
料溫 (°C)
GF(%)
Part1 Bayer PC+ABS 3 6 210 30
圖 6.23 機器人腳部零件模流分析之殘留熱應力 6.3.3 機器人腳部組件結構分析
將模流分析的結果經由 Moldex3D I2 介面，使用 Mapped mesh 匯入至 ANSYS，匯入資訊包括翹曲變形、殘留熱應力、玻璃纖維排向。主要探討 的結構受力行為是此機器人腳部零件承受支撐力時的強度，故在邊界條件 的給定如圖 6.24，將接觸地面的底端給予固定，中間洞口部分給予結構荷 重 0.5N，分析使用 Small displacement，假設為結構線性問題來求解。
對此模型做有限元素收斂性分析，如圖 6.25，得知在 Moldex3D I2 轉移 過來的網格數量可控制在 10000 至 50000，並為求計算時間的節省，選擇無 中間節點的 solid185。有限元素分析之位移結果如圖 6.26，承受力之後位移 量約 0.512845mm，應力結果如圖 6.27，大部分應力在 40 至 50MPa 之間。
圖 6.24 機器人腳部零件受力邊界條件設定
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000
displacement_Y (mm)
元素數量
元素收斂性分析
solid185
solid186
圖 6.26 機器人腳部零件受力位移結果
圖 6.27 機器人腳部零件受力應力結果
比較過去實驗室機器人研究常使用的壓克力材料，將相同幾何外型匯入
PC+ABS(GF30%) 0.512845 3.05875
6.3.4 機器人腳部零件品質改善
則因含 40%玻璃纖維成本較高，以及流動性欠佳，選用各含有 30%玻璃纖 維的 PC+ABS、PS、PP，詳細材料資訊列於論文後附錄 A。為四因子三水 準的田口實驗最佳化，採用L9(34)的直交表(表 6.1)的九組實驗參數組合，來 次實驗的結果，經由 Moldex3D I2 介面輸出至 ANSYS，並給予機器人腳部 零件邊界條件(圖 6.24)，其扣入過程中分析結果如表 6.12，可看出第五組的
表 6.12 機器人腳部零件受力分析結果
表 6.14 機器人腳部零件之因子位移反應表
再將機器人腳部零件幾何結構上的改良納入設計變更，腳部零件周圍加 上輔助肋，以增加結構的強度，其變更設計圖如圖 6.30。分析流程與以上 皆相同，經由模流分析將結果匯出至有限元素軟體，進行結構分析，以結 構分析強度作為改善品質的依據，配合田口實驗方法簡化實驗所需次數，
最後經由因子反應的結果，找出各參數對強度影響的趨勢，得出結構強度 較佳的參數組合，實驗結果如表 6.16，結果顯示於第十組為我們所希望之 結構品質改善的結果。
再將變更之幾何使用壓克力材料，不經由射出成型模流分析，一起加入 作比較。機器人腳部零件強度，從本來的壓克力材料，到射出成型含有玻 璃纖維的複合材料，再加上幾何形狀的改良，其結構強度整理如表 6.17，
使用原幾何，機器人腳部零件替換為成型參數最佳化的複合材料後，可改 善約 37%的強度。作幾何改良，且使用壓克力材料，與原幾何進行參數最 佳化的射出成型材料相比，強度是相差不遠。若作幾何改良又搭配參數最 佳化的射出成型材料，可對結構強度改善約 57%。因此我們可以進行零件 材料的更換，來達到機器人腳部零件強度改善，與整體重量減輕之目的。
圖 6.30 機器人腳部零件幾何變更
表 6.16 機器人腳部零件幾何改良後受力之分析結果
0.385682 3.05875
PC+ABS(GF30%) (幾何改良)
0.362 3.72
PC+ABS(GF30%) (加工參數最佳化+幾何改良)
0.26184 3.61206
七、結論與未來研究方向
進行結構受力分析，來評估產品的強度；在本研究中，由未考慮加工成型
本論文建立之模流分析與結構分析整合流程，可以僅控制成型參數來達
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附錄 A 材料玻璃纖維性質
本研究採用含有玻璃纖維的塑膠材料，來做射出成型的模流分析，研究 中使用到的塑膠材料之玻璃纖維性質整理如表A.1至A.5。(資料來源：
Moldex3D材料庫)。
表 A.1 含 15%玻璃纖維之 PP
Polymer│ Grade Name│ Producer PP│ Thermylene
P6-15FG-1734│ASAHI
Polymer density 0.92 (g/cc)
Polymer Poisson’s ratio 0.3 (-)
Polymer Modulus E 2e+010 (dyne/cm^2)
Polymer CLTE 0.0001 (1/K)
Fiber weight percentage 15 (%)
Fiber density 2.55 (g/cc)
Fiber Poisson’s ratio 0.2 (-)
Fiber Modulus E1(fiber direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber Modulus E2(transverse direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber shear Modulus G 3e+011 (dyne/cm^2) Fiber CLTE a1(fiber direction) 5e-006 (1/K)
Fiber CLTE a2 (transverse direction) 5e-006 (1/K) Fiber Length/Diameter(L/D) 20 (-)
Interaction coefficient 0.01 (-)
表 A.2 含 30%玻璃纖維之 PP
Polymer│ Grade Name│ Producer PP│ Thermylene P6-30FG-0600 BK711│ASAHI
Polymer density 0.92 (g/cc)
Polymer Poisson’s ratio 0.3 (-)
Polymer Modulus E 2e+010 (dyne/cm^2)
Polymer CLTE 0.0001 (1/K)
Fiber weight percentage 30 (%)
Fiber density 2.55 (g/cc)
Fiber Poisson’s ratio 0.2 (-)
Fiber Modulus E1(fiber direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber Modulus E2(transverse direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber shear Modulus G 3e+011 (dyne/cm^2) Fiber CLTE a1(fiber direction) 5e-006 (1/K)
Fiber CLTE a2 (transverse direction) 5e-006 (1/K) Fiber Length/Diameter(L/D) 20 (-)
Interaction coefficient 0.01 (-)
表 A.3 含 40%玻璃纖維之 PP
Polymer│ Grade Name│ Producer PP│ Thermylene
P7-40FG-0600│ASAHI
Polymer density 0.92 (g/cc)
Polymer Poisson’s ratio 0.3 (-)
Polymer Modulus E 2e+010 (dyne/cm^2)
Polymer CLTE 0.0001 (1/K)
Fiber weight percentage 40 (%)
Fiber density 2.55 (g/cc)
Fiber Poisson’s ratio 0.2 (-)
Fiber Modulus E1(fiber direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber Modulus E2(transverse direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber shear Modulus G 3e+011 (dyne/cm^2) Fiber CLTE a1(fiber direction) 5e-006 (1/K)
Fiber CLTE a2 (transverse direction) 5e-006 (1/K) Fiber Length/Diameter(L/D) 20 (-)
Interaction coefficient 0.01 (-)
表 A.4 含 30%玻璃纖維之 PS
Polymer│ Grade Name│ Producer PS│RTP 405_1│RTP
Polymer density 1.2 (g/cc)
Polymer Poisson’s ratio 0.3 (-)
Polymer Modulus E 2e+010 (dyne/cm^2)
Polymer CLTE 6.8e-005 (1/K)
Fiber weight percentage 30 (%)
Fiber density 2.55 (g/cc)
Fiber Poisson’s ratio 0.2 (-)
Fiber Modulus E1(fiber direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber Modulus E2(transverse direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber shear Modulus G 3e+011 (dyne/cm^2) Fiber CLTE a1(fiber direction) 5e-006 (1/K)
Fiber CLTE a2 (transverse direction) 5e-006 (1/K) Fiber Length/Diameter(L/D) 20 (-)
Interaction coefficient 0.01 (-)
表 A.5 含 30%玻璃纖維之 PC+ABS
Polymer│ Grade Name│ Producer PC+ABS│BAYBLEND KL 1-1427│Bayer
Polymer density 1 (g/cc)
Polymer Poisson’s ratio 0.3 (-)
Polymer Modulus E 2e+010 (dyne/cm^2)
Polymer CLTE 7.2e-005 (1/K)
Fiber weight percentage 30 (%)
Fiber density 2.55 (g/cc)
Fiber Poisson’s ratio 0.2 (-)
Fiber Modulus E1(fiber direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber Modulus E2(transverse direction) 7e+011 (dyne/cm^2) Fiber shear Modulus G 3e+011 (dyne/cm^2) Fiber CLTE a1(fiber direction) 5e-006 (1/K)
Fiber CLTE a2 (transverse direction) 5e-006 (1/K) Fiber Length/Diameter(L/D) 20 (-)
Interaction coefficient 0.01 (-)