中 華 大 學 碩 士 論 文
三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統
Three-Axis Machine Tools CAD/KBE Design of Guiding System
系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：M09908015 洪晟峰 指導教授：徐 永 源 博士
中華民國 101 年 8 月
i
摘 要
本論文的研究目的是建立「三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統」。三軸工具機 之設計流程專業且繁雜，缺乏效率及高錯誤率。本研究將導入其設計的關鍵技術---
「知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE)」可有效提升產品開發效率及可靠度。
將知識工程(KBE)與 CAD 設計技術結合，以知識驅動設計為基礎，針對設計的需要 進行一系列系統的整合、知識的整合及方法的整合。
由於傳統的工具機設計程序過度依賴設計人員的經驗與人為的操作，需耗費大量 的時間與精力在公式的計算與 CAD 繪圖，間接影響了產品的生產週期、設計速度及 開發成本。因此解決此開發課題將是本論文研究的重點。
第一是運用 Inventor 二次開發模組建構三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統。本 研究以進給系統設計為例，針對在前期工具機開發、設計參數計算、3D 模型設計及 零組件選用上，提供具備知識導引設計流程及彈性架構的設計導引系統。
第二是運用 AutoLisp 及 VB.NET 程式語言設計出工程圖自動繪製功能，針對後 期生產製造所需的工程圖繪製、標註及出圖上提供自動化，參數化及直覺式的設計方 案，有效地將數小時的工作時程縮短為 10 分鐘左右。
本研究由以上兩個功能實現設計知識的導引、參數化設計方式、全自動計算功能 及直覺式的操作介面，大量縮短設計開發週期與提高 3D 及 2D 的製圖效率，針對工 具機設計提出完整的解決方案。
關鍵詞：工具機設計、知識工程、CAD 二次開發、自動繪圖。
ii
ABSTRACT
This thesis research is intended to establish a "three-axis machine tools CAD/KBE design of guidance systems". Design of three-axis machine tool process professional and complex, inefficient and high error rate. This study will import its design key
technology---"knowledge engineering (Knowledge Based Engineering,KBE)" can effectively improve product development efficiency and reliability. Knowledge based engineering (KBE) combined with the CAD design technology, based on a
knowledge-driven design, a series of systems integration for design needs, integration of knowledge and methods of integration.
Because traditional machine tool design program over-reliance on experience
designers and human actions, need to spend a lot of time and energy in formula calculation and CAD drawing, indirectly impact the speed of the production cycle of the product, design and development costs. Therefore resolve this development topics will be the focus of this thesis research.
First is the use of secondary development module construction of three-axis machine tools Inventor CAD/KBE designing guidance systems. The study design for feed system, for example, for design parameters of machine tools in the early development, calculation, 3D model design and component selection, provide a knowledge guide the design process and flexible framework for designing guidance systems.
Second is to use AutoLisp VB.NET language design engineering drawings and automatic drawing function, for later production required for manufacturing engineering drawing, labels and diagrams provide automated, parametric and intuitive design, effective hours of work time was reduced to 10 minutes.
This study implemented by the above two features of design knowledge-guided,
iii
parametric design, automatic calculation features and intuitive operation interface, a large number of shorter design cycles and improve the efficiency of 3D and 2D graphics,
designed for machine tools and a full solution.
Keywords: machine tool design, knowledge engineering, second development of CAD, automatic drawing.
iv
致 謝
承蒙恩師徐永源博士兩年來細心的指導與栽培，使學生養成邏輯思考與解決問題 的能力，且對於工作應有的態度及做人的道理皆給予諄諄教誨著實令我印象深刻，並 於學術之餘，對本論文給予寫作上的指導與意見，使本論文得以順利完成，在此謹致 由衷的感激與謝意。同時感謝口試委員蔡有藤博士、佘振華博士對本論文的不吝指教，
並提供許多寶貴的意見與指正，使本論文益臻完善，在此亦致上萬分謝意。
感謝研究所學長友誠、建誠、柏凱、弘育在我迷惘時指點迷津，同學子儀、碩漢、
彥儒、曟洧、鴻昌，學弟家鋐、家恩、福恩，在研究與課業上鼎力相助，功不可沒，
令我的求學生涯充滿美好的回憶。
最後僅將本文獻給我最敬愛的父親與母親，洪金良先生、張鳳蘭女士，感謝他們 不斷的關心、鼓勵與精神上的支持，使我能夠無後顧之憂的專心讀書與研究
在此願與他們共同分享這份榮耀和喜悅。
v
目錄
摘要 ... i
ABSTRACT ... ii
致謝 ... iv
目錄 ... v
圖目錄 ... ix
表目錄 ... xiii
第一章 緒論 ... 1
1.1 研究背景與說明 ... 1
1.2 研究動機與目的 ... 2
1.3 文獻回顧 ... 2
1.4 內容大綱 ... 4
第二章 三軸工具機設計原理 ... 6
2.1 立式工具機主要結構件 ... 6
2.1.1 立柱 ... 7
2.1.2 工作台與鞍座 ... 8
2.1.3 底座 ... 8
2.1.4 主要結構設計準則 ... 9
vi
2.2 立式工具機主要功能組件 ... 9
2.2.1 主軸馬達 ... 9
2.2.2 進給馬達 ... 10
2.2.3 導螺桿 ... 11
2.2.4 線性滑軌 ... 13
2.2.5 軸承 ... 14
2.3 滾珠導螺桿設計需求 ... 14
2.4 線性滑軌設計需求 ... 18
第三章 CAD 系統開發原理 ... 24
3.1 CAD 技術發展現況 ... 24
3.2 知識工程(KBE)系統 ... 26
3.3 KBE 系統設計方法 ... 27
3.4 Inventor 二次開發工具簡介 ... 29
3.4.1 Inventor API 簡介 ... 29
3.4.2 Inventor API 的分類 ... 31
第四章 三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統建構 ... 34
4.1 系統架構 ... 35
vii
4.2 X 軸進給系統設計流程 ... 40
4.3 導軌及滑塊設計流程 ... 40
4.4 導螺桿及軸承設計系統 ... 44
4.5 伺服馬達設計系統 ... 46
4.6 聯軸器設計系統 ... 49
第五章 工程圖自動繪製功能建構 ... 51
5.1 AutoCAD 二次開發工具簡介 ... 51
5.2 系統架構 ... 52
5.3 系統主要功能及技術要點 ... 55
5.3.1 圖面自動繪製 ... 55
5.3.2 參數化設計流程 ... 56
5.3.3 參數化設計流程 ... 56
5.3.4 外部圖塊自動匯入 ... 57
5.3.5 圖框比例自動調適 ... 58
第六章 成果展示 ... 60
6.1 線性滑軌設計功能設計案例 ... 62
6.2 導螺桿設計功能設計案例 ... 65
6.3 導螺桿設計功能設計案例 ... 68
viii
6.4 聯軸器設計功能設計案例 ... 70
6.5 工程圖自動繪製功能設計案例 ... 72
第七章 結果與討論 ... 76
參考文獻 ... 77
ix
圖目錄
圖 2-1 三軸立式 CNC 架構圖 ... 6
圖 2-2 三軸立式工具基五大構件示意圖 ... 7
圖 2-3 台灣艾格瑪加工中心 HPA-10... 7
圖 2-4 鞍座示意圖 ... 8
圖 2-5 立式加工中心機 NBP 四硬軌式底座 ... 8
圖 2-6 FANUC α 系列主軸馬達 ... 10
圖 2-7 FANUC β 系列伺服馬達 ... 11
圖 2-8 滾珠導螺桿示意圖 ... 11
圖 2-9 滾珠導螺桿內外循環示意圖 ... 12
圖 2-10 線性滑軌示意圖 ... 14
圖 2-11 線性滑軌水平擺放示意圖 ... 19
圖 2-12 線性滑軌水平懸臂擺放示意圖 ... 20
圖 2-13 線性滑軌橫向傾斜擺放示意圖 ... 20
圖 2-14 線性滑軌慣性垂直擺放示意圖 ... 21
圖 2-15 線性滑軌掛壁擺放示意圖 ... 22
圖 3-1 KBE 系統架構圖 ... 27
圖 3-2 基於 KBE 設計過程 ... 28
圖 3-3 程式語言與 Inventor API 關係圖 ... 30
圖 3-4 Inventor 開發方式示意圖 ... 31
x
圖 4-1 三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統架構圖 ... 36
圖 4-2 X 軸進給系統設計流程圖 ... 39
圖 4-3 線性滑軌設計功能流程圖 ... 41
圖 4-4 線性滑軌設計功能對話框示意圖 ... 42
圖 4-5 滑塊負荷設計公式 ... 43
圖 4-6 直覺式輸入參數對話框示意圖 ... 43
圖 4-7 導螺桿設計系統流程圖 ... 45
圖 4-8 導螺桿及軸承設計功能對話框示意圖 ... 46
圖 4-9 伺服馬達設計流程圖 ... 48
圖 4-10 伺服馬達設計功能對話框示意圖 ... 49
圖 4-11 聯軸器設計功能對話框示意圖 ... 50
圖 5-1 導螺桿參數設定示意圖 ... 52
圖 5-2 工程圖自動繪製功能架構圖 ... 53
圖 5-3 螺帽尺寸設計變更示意圖 ... 54
圖 5-4 肩部尺寸設計變更示意圖 ... 54
圖 5-5 導螺桿組合圖示意圖 ... 55
圖 5-6 選單式規格標註示意圖 ... 57
圖 5-7 圖面比例示意圖 ... 59
圖 5-7 圖面比例示意圖 ... 59
xi
圖 6-1 工具機組裝示意圖 ... 60
圖 6-2 線性滑軌 Excel 型錄庫 ... 62
圖 6-3 線性滑軌設計參數設定示意圖 ... 63
圖 6-4 線性滑軌外型尺寸設定示意圖 ... 64
圖 6-5 線性滑軌模型圖 ... 64
圖 6-6 導螺桿 Excel 型錄庫 ... 65
圖 6-7 導螺桿設計參數設定示意圖 ... 66
圖 6-8 導螺桿外型尺寸設定示意圖 ... 67
圖 6-9 導螺桿之螺帽模型圖 ... 67
圖 6-10 伺服馬達 Excel 型錄庫 ... 68
圖 6-11 伺服馬達設計功能參數設定示意圖 ... 69
圖 6-12 伺服馬達模型圖 ... 69
圖 6-13 聯軸器 Excel 型錄庫 ... 70
圖 6-14 聯軸器設計功能參數設定示意圖 ... 71
圖 6-15 聯軸器模型圖 ... 71
圖 6-16 導螺桿基本參數設定示意圖 ... 72
圖 6-17 螺帽尺寸公差設定示意圖 ... 73
圖 6-18 肩部尺寸公差設定示意圖 ... 73
圖 6-19 大螺帽工程圖 ... 74
xii
圖 6-20 小螺帽工程圖 ... 74 圖 6-21 滾珠導螺桿組合圖 ... 75
xiii
表目錄
表 2-1 滾珠導螺桿安裝方式 ... 13
表 2-2 滾珠導螺桿設計步驟 ... 15
表 2-3 運作條件係數 ... 16
表 2-4 線性滑軌設計步驟 ... 18
1
第一章 緒論
1.1 研究背景與說明
工具機產業是一個國家的樞紐工業，工具機產業與製造業存著密不可分的關係，
工具機精益求精的發展，帶動製造業在生產效能及產品精度的表現，使工具機產業培 養了最專業的人才與最密集的技術，工具機產業的發展帶動國家對外競爭力的影響不 容忽視，也因此工具機產業被視為國家工業化程度的指標。
工具機又名工作母機，是工業生產所必須的基礎設備。當國家於此產業的能力強 大時，不僅可使國內製造業不用採購國外昂貴的設備，並且有能力外銷機械賺取可觀 的營業額。工具機於台灣長久以來皆被歸屬為傳統產業，來自政府資源的輔助遠較於 電子業為少；然而，工具機產業目前是台灣產值最大的機械行業，有將近 75%以上的 生產供給外銷市場。
2008 年台灣工具機產值達 48 億美元，繼 2004 年之後，再度超越韓國，成為全 球第 5 大工具機出口國，僅次於日本、德國、中國大陸及義大利，年成長率達 11.3%。
雖然經歷全球經濟受到金融海嘯影響，但 2010 年台灣工具機明顯領先其他國家進入 復甦階段，預期台灣工具機產值將有超過 50%的成長率，重新回到 40 億美元水準，
2011 年仍將保持超過 20％的成長，有機會超過 50 億美元，更有機會攀升到全球第 4 大工具機生產國。在全球經濟成長穩定之下，台灣工具機出口將在 2011 年重新回到 4 0 億美元水準，展開新一波的成長階段。
在工具機產業發展中，為加快工具機設計製造週期，大量地依賴 CAD 電腦輔助 設計(Computer Aided Design)軟體，但設計流程還是依靠著工程師的習慣與經驗來運 作，並未將設計流程參數化、模組化，在此將結合工具機設計作業流程與 CAD 電腦 輔助設計軟體，並將設計工程師的經驗與專業知識整合在設計導引的系統中，以避免 繁瑣的計算、減少人為的誤差、降低設計的門檻，達到經驗的累積與縮短開發週期。
2
1.2 研究動機與目的
目前工業界工作環境中，強調分工明細與快速交貨，產品開發週期將會越來越短，
顧客對交貨期限及其品質要求越來越高，如何提升產品的開發週期、設計品質與降低 成本變得極為重要，早期為了縮短開發週期採用 CAD 電腦輔助設計軟體可有效縮短 機構設計與製圖上的時間，但其設計經驗與專業知識皆掌握在工程師的品質。一個機 械設計工程師必須執行由構思打樣，組合圖，拆圖至完成整套零件圖面及零件圖表，
才交付到製造工廠。其中構思打樣為機械設計工程師的心血結晶，其中包含豐富專業 的知識與多年累積的經驗，然而工具機業者在培養一個畢業生從零件圖至構思打樣的 機械設計能力，通常需要一年半以上的密集培訓才能奏效，但在目前台灣工業人才都 紛紛投入科技產業，而隸屬於傳統產業的工具機產業，連可培養的人才都非常缺乏。
當機械設計工程師設計的經驗不足且缺乏專業知識，造成產品設計時間過長、產品設 計錯誤而延誤產品交期或產品設計品質不良...等問題，都會提高公司的生產成本。
基於以上因素，本研究探討如何有效結合工具機設計標準作業流程與 CAD 電腦 輔助設計(Computer Aided Design)軟體，加上建立其規格品的資料庫，供設計時選用，
增加其方便性，並將設計工程師的經驗與專業知識整合在專業設計導引的系統中，以 避免繁瑣的計算、減少人為的誤差、降低設計的門檻。透過此系統功能的引導，達到 人才的培養、經驗的傳承、降低設計的錯誤與縮短產品設計的週期，以利降低成本而 增加利潤，提升公司競爭力。
1.3 文獻回顧
目前在工具機零組件設計需求及知識工程技術方面的相關研究上，有許多的學者 及企業在學術研究及實際工程應用做出了許多的探討與嘗試，對本研究在三軸工具機 設計知識及智慧型導引系統的開發上有莫大的幫助，敘述如下：
在工具機設計方面，莊錦照[1]於 2006 年所發表的論文中，以綜合加工機為例，
3
提出組織模組化的設計架構，在一般產品生產週期裡加入具研發功能的育成中心及管 理實務功能的中衛發展中心，使得中小型企業有效地縮短產品設計週期。陳逸軒[2]
在 2008 年探討重構工具機的設計原理與流程規劃，有別於傳統工具機的設計概念，
是針對特定工件加工需求，在對工具機結構進行拓譜圖之抽象描述，配合以螺旋理論 為基礎的加工指令之運動分析與工具機模組之數學模型，提出一種創新得工具機設計 方法。上銀科技公司[3][4]於 2010 年於網站發表的滾珠導螺桿技術手冊與線性滑軌技 術手冊，完整的提供傳動元件相關設計知識與選購辦法，帶給設計者在設計上的幫助 及確立設計流程。
在產品客製化發展方面，Toffler[5]於 1970 年預言了大量客製化的生產模式，他 認為大量客製化在技術上是可行的，且當人民生活越來越富裕，他們會希望獲得更加 多樣化的產品與服務，而這也迫使大量客製化的技術持續的發展，並會成為未來的趨 勢。1993 年 Pine B.J.[6]以生產管理的觀點對大量客製化作了比較系統的論述，認為 它將會成為 21 世紀中最重要、最具競爭優勢的生產方式。在 1996 年，Pine 及 David Anderson [7]提出大量客製化訂製產品設計方法的基本架構及思維，其認為大量客製 化是廠商藉由高度敏捷的製程、彈性及整合的能力，提供每一位客戶量身訂做的產品 與服務，藉此確實符合每位客戶的需求。因此，現代企業如何在此一大量客製化的前 提下，仍能敏捷的進行產品的開發與製造，並同時達到品種多樣化及低成本的目標，
將會是現代企業面臨的重大課題。
在知識工程發展方面，長期以來，人工智能(Artificial Intelligence，AI)學者的目 標一直在開發在某種意義上能夠獨立思考的程序，即開發一種必須用人的智能才能求 解的程序，使得電腦在資料處理中能夠出現智能化的特點。九十年代，人工智能進入 其發展的黃金時期，在自然語言處理、機器學習、專家系統、模式鑑定、定理證明、
專家系統及人工類神經網路等多領域皆有突破性的成果。其中最具有劃時代意義的是 由美國 Standford 大學 Feigenbaum 教授於 1977 年第五屆國際人工智能聯合大會所提 出的「人工智能的藝術：知識工程課題及實例研究」[8]，文章中闡述了專家系統並
4
開啟了「知識工程(Knowledge Engineer，KE)」的概念，他指出人工智能的研究應該 從基於能力獲取知識的策略轉變為基於知識的系統(Knowledge-Based System，KBS) 研究。2003 年趙震[9]提出基於 KBE 工程設計方法，並按照設計知識的幾何相關性對 知識處理的工具與方法進行分類。2003 年唐文獻、李莉敏、陶善新[10]提出基於知識 驅動的產品開發系統的研究與實現及 2003 年李建平、徐林林、滕啓[11]提出智能設 計技術實現將 KBE 導入產品開發設計。
在 CAD 軟體二次開發中，王少宏[12]提出將零件設計尺寸參數化配合 CAD 軟體 所提供之二次開發語言及對話框設計進行工程圖之繪製以提高繪製效率與精確度，楊 聰賢[13]提出 CAD 系統中，建構機械設計專家系統，以資料庫之規畫與管理，使系 統在使用者提供機械元件之規格後，即可達到電腦輔助參數繪圖與分析之目的，並以 六角螺絲進行系統驗證。
1.4 內容大綱
本研究提出以三軸工具機 CAD 設計導引系統及工程圖自動繪製功能，使工具機 設計過程中得到更快、更好及更穩定的品質，並將重複性的工作自動化已簡化設計流 程、參數化設計、全自動計算及減少人為誤差，為達成目標重要的技術要點。所以致 力於簡化工具機設計步驟，以提高工具機 CAD 設計工作，並以規則實現自動化設計 以達到減少人為判斷、計算誤差並避免專業設計人員將時間浪費在重複且耗時的工作 上。系統應用知識導引，資料庫連結、參數化設計、直覺式參數化設計變更及全自動 計算等技術來開發。其實踐的方法是透過 Autodesk Inventor Professional 2011 作為 CAD 軟體平台，並應用該平台的二次開發工具 Inventor API 及 Visual Studio 2008 中 的 VB.NET 程式語言，開發工具機設計系統及運用 Excel 軟體建立資料庫，提高設計 人員進行相關工具機設計的速度。與傳統電腦輔助設計不同的是，在整合了知識導引 的 CAD 系統中，知識是驅動力，幾何模型的建構是由產品配置和工程演算規則驅動，
而不單單只是幾何和尺寸關係。因此，本研究在第二章將介紹三軸工具機的設計原理，
5
包括基本構建、主軸系統、進給系統、導螺桿設計知識及線性滑軌設計。第三章中將 介紹實現此研究方法的基礎理論，包含 CAD 技術發展現況、知識工程(KBE)簡介、
KBE 的設計方法及介紹 Inventor 的二次開發環境，第四章將介紹系統架構及設計方 法與流程，目前以進給系統設計為開發目標，包含四個子功能，分別為導軌及滑塊設 計、螺桿及螺帽設計及伺服馬達設計與聯軸器設計。第五章則說明工程圖自動繪製工 能的系統架構及其設計技術要點，此功能以 AutoCAD/AutoLisp 為系統開 發平台，
搭配 VB.NET 在對話框設計上所擁有的彈性，整合出一套符合導螺桿設計公司需求的 工程圖自動繪製功能，功能包含參數化設計流程、圖面自動繪製、圖框比例自動調適、
自動標註尺寸，直覺式的設計變更及幾何公差標註，以減少專業設計人員將時間消耗 在繁瑣且耗時的工程圖繪製上，並減少錯誤及提升公司設計效率。第六章為成果展示，
以實例展現所設計的功能及其設計方法、步驟、流程、結果能符合設計的需求。第七 章則對目前的研究成果做一個結論，內容為研究成果及未來展望。
6
第二章 三軸工具機設計原理
本章節主要論述三軸立式 CNC 的基本設計原理，主要參考 1994 年工研院與凱誠 國際科技顧問編輯群所編寫工具機設計實務與軟體應用[14]。了解到立式工具機主要 的架構有結構件及功能組件之分，但除了可粗分成結構件及功能件外，亦可細分為床 台結構、功能組件、控制系統、鈑金件及周邊組件等，其細部內容如圖 2-1 所示：
圖 2-1 三軸立式 CNC 架構圖
2.1 立式工具機主要結構件
就立式工具機而言有五大主要結構件，分別為主軸頭、立柱、底座、鞍座及工作 台，大部分主要結構件均由米漢納鑄鐵鑄造而成。每一個重要鑄件結合強韌之肋骨結 構以增加其剛性，可以承受在重切削狀況下所產生之振動及作用力。
除此之外，主軸頭與立柱及工作台、鞍座與底座互為滑動件，在滑動件之滑動面貼有 氟化樹脂(Turcite)，可以確保滑動件在運動時有極佳隻吸振和動態效應。其主要構件 相對位置如下圖所示：
三軸立式CNC工具機
床台結構 功能組件 控制系統 鈑金件 周邊組件
CNC
控 制 台
感 測 元 件
刀 庫 冷
卻 潤 滑 系 統
刀 具 自
動 工 作 台 交 換 機 構
自 動 換 刀 機 構
切 屑 處 理 及 排 屑 機 構 頭
座 立 柱
工 作 台
鞍 座 底
座 主 軸
進
給 金
屬 鈑 金 強 化 透 明 隔 板
盤 型 彈 簧
拉 刀 力
齒 輪
齒 型 皮 帶
V
型 皮 帶
剛 性 聯 軸 器
撓 性 聯 軸 器
扭 力 限 制 器 主
軸 馬 達
主 軸 軸 承
油 壓 打 刀 機 構
拉 刀 機 構
配 重 刀
把 傳 動 機 構
導 軌 及 滑 塊
導 螺 桿
進 給 馬 達
聯 軸 器
進 給 軸 承
7
圖 2-2 三軸工具機五大構件示意圖
2.1.1 立柱
立式工具機的立柱通常以箱型結構為設計基礎，而箱型立柱結構大大改善靜態和 動態剛性，可以降低變形量和刀具在切削時所產生之振動。立柱的設計特別考慮鑄件 的厚度及熱分布隻均勻性，以確保機械有極高的精度。
圖 2-3 台灣艾格瑪加工中心 HPA-10
2.1.2 工作台與鞍座
立式工具機的工作台與鞍座的設計重點在於移動的行程範圍內，可以使工件得到 最佳的支撐。
8
鞍座由強大之肋骨結構組成，使其剛性增加以支持工作台及工件負荷。在高速重 切削的條件下，工具機會產生極大的振動，因此為了達到最佳切削狀態，工作台伸出 於鞍座部分應盡量降至最短距離，以增加工作台的支撐穩定度。
圖 2-4 鞍座示意圖
2.1.3 底座
依照立式工具機的機台大小及加工範圍來決定底座大小及導軌數量，而由兩個或 四個大方型截面滑軌用來支撐鞍座、工作台及工件之重負荷，而降低鞍座伸出量也有 助於增加整體剛性及穩定度。滑軌通常都是以高精密研磨且表面經硬化處理，可以準 確地導引鞍座滑動動作，而底座的支撐方式也是重要關鍵，由三點、四點或多點支撐 配合外在因素，進而讓工具機保持在最佳工作環境中。
圖 2-5 立式加工中心機 NBP 四硬軌式底座
2.1.4 主要結構設計準則
立式工具計其主要結構設計準則，如下列八點：
(1)加工性良好易於製作和裝配。
9
(2)靜剛性良好在最大允許載荷時變形量不超過規定值，在鑄件本身移動時或其它部 件在鑄件移動時靜剛性變化小。
(3)動剛性良好時在預定的切削條件下工作不產生振動。
(4)溫度場分佈合理則工作時的熱變形對加工精度影響小。
(5)導軌面受力合理耐磨性良好。
(6)結構設計合理鑄件應力小能長期的保持規定精度。
(7)鑄件的運輸和吊裝方便。
(8)排屑容易冷卻液和潤滑油的渠道暢通。電氣、液壓及周邊等設備部件的安裝位置 合理。
2.2 立式工具機主要功能組件
立式工具機主要的架構有結構件及功能組件之分。而功能組件則有主軸及進給兩 部分，其中用到相當多的標準零組件，除去螺絲及螺帽等標準品之外，其他的關鍵性 零組件均需透過經驗公式計算來作為選用基礎。而關鍵性零組件包含馬達、導軌、滑 塊、導螺桿與軸承等，且馬達與軸承還分為主軸及進給用兩種型。論文中大部分零組 件多由專業廠商提供的型錄裡節錄出來，選用時供應廠商均提供選用方式，而同類型 產品，選用的方法也大致相同。經此歸納整理，選擇具有代表性的專業廠商，所設計 的計算方式來參考選用。
2.2.1 主軸馬達
主軸馬達主要是用來帶動主軸及切削刀具，再以此來切削加工件。因此，主軸馬 達的馬力由小型精密加工機的小型馬達 2Kw 左右到重型切削機的大型馬達 50Kw 左 右。同時也要考慮體積、重量級冷卻效率等因素，並有低振動、低噪音及高轉速等功 能。當然為了能應付多樣化需求，馬達生產商也有多種不同類型的馬達供應，以符合 多樣的需求。
10
圖 2-6 FANUC α 系列主軸馬達
2.2.2 進給馬達
進給馬達主要是用來帶動工件做加工之用，馬達經由聯軸器或傳動機構到導螺桿 再到工作台移動來移動工件。因此，為了加工工件品質，尺寸及加工後工件粗糙度等，
都需要一高性能、高穩定性的進給馬達。
進給馬達的主要特性就有：運轉平滑、高加速、高品質、高解析度等。馬達本身 也常分一般型及高精度型。
在進給馬達選用上，以所受的負荷大小來決定所需使用的馬達型號。一般來說，
進給馬達其出力需要克服外界的負載後，仍然需要有良好的性能表現。因此，在計算 完所有的慣性力及扭矩後，馬達的慣量佔系統總慣量的多少，亦需要考慮在內。
11
圖 2-7 FANUC β 系列伺服馬達
2.2.3 導螺桿
滾珠導螺桿其結構可分為三部分：導螺桿、螺帽、滾珠三部分，如圖 2-8 所示，
其主要功能在於將旋轉運動轉換為直線運動，或者將扭矩轉換成軸向作用力，滾珠導 螺桿與傳統導螺桿最大的不同在於，傳統導螺桿藉由滑動摩擦傳動，滾珠導螺桿則以 鋼珠進行滾動傳動取代，大大地降低摩擦所造成之耗損，有助於維持高效率及高精度，
滾珠導螺桿常用於工具機、光電、半導體等需要高精密機械之產業上。
圖 2-8 滾珠導螺桿示意圖
滾珠導螺桿依其滾珠循環形式可分為兩種：內循環式及外循環式，如圖 2-9 所示，
兩者之間的差異在於內循環式所占空間較小且因內循環式滾珠較小摩擦損失較少，傳
12
動效率較高，滾珠回程較短，剛性較好，因此內循環式傳動精度較高，而外循環式之 滾珠導螺桿其成本較低，依其製造商之不同滾珠導螺桿會有更細部的分類。
圖 2-9 滾珠導螺桿內外循環示意圖
典型的導螺桿安裝方式，大致有如下四種，如表 2-1 所示。由於安裝方式的不同，
會使容許軸向負荷(buckling load)及容許回轉速(critical speed)不同，因此必需依工具機 的使用條件及精度的要求程度來選擇。
13
安裝方式 適用條件
高速回轉 高精度
中等速度回轉 高精度
一般安裝方式 中等速度回轉
低速回轉 螺桿較短時
表 2-1 滾珠導螺桿安裝方式
2.2.4 線性滑軌
線性滑軌其結構主要可分為三部分：滑塊、滑軌、鋼珠三部分，如圖 2-10 所示，
線性滑軌為一種滾動導引機構，藉著鋼珠在滑塊與滑軌間進行循環式的滾動摩擦，使 負載平台能夠進行高精度之線性運動，由於開始滾動時之摩擦力以傳統的滑動導引相 比摩擦力大大地降低，因此能夠更輕易的達到更加精確的進給定位，且因滑塊與滑軌 間的約束設計可使線性滑軌能承受各方向之負荷，常與滾珠導螺桿搭配使用已大幅提 高設備精度、負載力與機械效能。
14
圖 2-10 線性滑軌示意圖
2.2.5 軸承
一般最通用的是深槽滾珠軸承，係由內外滾珠及扣件所組成，在工作時除滾珠滾 動外，外圈與內圈之間有一個是轉動的，一般為外圈固定，則內圈隨軸旋轉，滾珠隨 內圈旋轉，滾珠有自轉及公轉。有時內圈與心軸固定不動，而外圈隨外殼旋轉，滾珠 隨外圈自轉及公轉。滾珠在滾動中不斷地改變位置，所負載負荷由零變到最大。在純 徑向時，約有三分之一滾珠隨時受到負荷。而止推滾珠軸承，理論上應是全部滾珠受 到負荷，而實際測驗結果僅約有 80%滾珠受力，綜合滾珠軸承，因徑向及軸向負荷有 變動，故滾珠接受負荷數亦隨時有變動。
滾珠軸承內外圈及滾珠間的負荷傳速交替變動，製造上之材料加工、硬度及裝配 等不良，則軸承極易因些微之瑕疵而損壞，縮短了正常之使用壽命。
2.3 滾珠導螺桿設計需求
選擇滾珠導螺桿時依設計時的需求進行相關設定，表 2-2 為滾珠導螺桿設計步驟 圖，由於滾珠導螺桿產品種類眾多，因此選定上銀科技所生產之導螺桿作為導螺桿型 號資料庫，並選用上銀科技之滾珠導螺桿型錄作為滾珠導螺桿資料庫，接下來進行導 螺桿設計公式之說明。
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表 2-2 滾珠導螺桿設計步驟
在挑選所需滾珠導螺桿時，首先應確定滾珠導螺桿之負載條件與預期壽命，以確 保所設計機械設備之可靠度與成本之控制，負載條件為滾珠導螺桿在運作時之負荷情 形，由負載條件可算出導螺桿之平均負荷及平均轉速，在此將工作環境區分成三類：
最大負載、一般負載、最小負載三種工作環境依其所佔時間比例計算出平均負荷及平 均轉速，下列為平均負荷及平均轉速之公式：
1 1 2 2 3 3
n
av n t n t n t
(2.1)
：平均轉速(rpm)
：轉速(rpm)
：轉速 所占之時間比例(%)
步驟 設計條件 導螺桿參數 公式
1
1.負載條件 平均軸向力(N)
平均轉速(rpm)
(2.1)(2.2)
2
預期壽命(N)
平均軸向負荷(N)
平均轉速(rpm)
動額定負荷(N) (2.3)~(2.9)
3
基本動額定負荷(N)
導螺桿導程(mm)
臨界轉速(rpm)
螺桿外徑(mm) (2.13)~(2.15)
4
環境溫度(℃)
螺桿總長(mm)
熱變位(mm) (2.19)
5
螺桿軸剛性 熱變位(mm)
預拉力(N) (2.20)
16
3 3 3 3 3 3
3
1 1 1 2 2 2 3 3 3
bm b b b b b b
F F t f F t f F t f
(2.2)
：平均軸向負荷(N)
：軸向負荷(N)
：運作條件係數，如表所示
運作條件 ƒ
無衝擊運轉 1.1
正常運轉 1.3
衝擊且震動運轉 2.0
表 2-3 運作條件係數
在滾珠導螺桿預期壽命主要取決於滾珠導螺桿滾動面之疲勞破損，疲勞破損則是 指在應力達到某種程度時滾動面會造成表面出現魚鱗狀剝落，此狀態為材料疲勞所造 成之表面破損，而滾珠導螺桿壽命的定義為：使用滾珠導螺桿直到滾動面或滾珠任何 一方出現表面疲勞破損，在表面出現疲勞破損期間便是滾珠導螺桿之壽命。
一般而言滾珠導螺桿壽命必須考慮設計品質、製程等安全因子考慮，但其主要以 動負荷為主，動負荷之定義為：同一批相同規格之滾珠螺桿，經過運轉一百萬次後，
其中 90%之滾珠螺桿，其螺紋軌道或鋼珠表面不產生疲勞損壞的軸向負荷，動負荷其 值皆附於滾珠導螺桿之型號目錄中，且壽命公式依其螺帽形式及單位不同有以下幾 種：
單螺帽回轉壽命公式：
(2.3) L：壽命(rev)
C：動負荷(N)
：軸向負荷(N)
17
無預壓時之軸向負荷(N) 有預壓時之軸向負荷(N) 預壓力(N)
雙螺帽回轉壽命公式：
(2.4)
：大螺帽軸向負荷(N)
(2.5)
：大螺帽回轉壽命(rpm)
(2.6)
：小螺帽軸向負荷(N)
(2.7)
：小螺帽回轉壽命(rpm) 回轉次數轉換為小時公式：
(2.8)
：壽命(hr)
小時轉換為運動距離公式：
(2.9)
：壽命(km) l：導程(mm)
2.4 線性滑軌設計需求
選擇線性滑軌時時依設計時的需求與工作環境進行相關設定，表 2-10 為線性滑 軌步驟圖，由於線性滑軌生產廠商類眾多，因此選定上銀科技所生產之導螺桿作為線
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性滑軌型號資料庫，並參考上銀技術手冊上之線性滑軌設計公式進行型號之挑選，接 下來進行線性滑軌設計公式之說明。
步驟 設計條件 線性滑軌參數
1 安裝形式 滑塊平均負荷(KN)
2 預期壽命(km) 基本動額定負荷(KN)
3 基本動額定負荷(KN) 預壓力(KN)
表 2-4 線性滑軌設計步驟
設計線性滑軌時首先需要確定其選用之線性滑軌系列、安裝形式及預期壽命，每 種線性滑軌系列適用範圍皆不相同，因此線性滑軌系列須先行確定，並依照安裝形式 之不同求出個別滑塊之負荷進一步的求出滑塊平均負荷，以求出其滑塊平均負荷進行 壽命計算，預期壽命主要是對於設備之可靠度及成本之控制，以下為其滑塊平均負荷 公式說明，依其安裝方式不同，個別滑塊負荷皆有所不同，可分為以下五種：
水平擺放
圖 2-11 線性滑軌水平擺放示意圖
滑塊個別負荷公式如下：
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
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：徑向負荷(KN)
n 1 ~ 4
：滑塊至驅動源距離(mm) m：質量(kg)
g：重力加速度
水平懸臂擺放
圖 2-12 線性滑軌水平懸臂擺放示意圖
(2.14)
(2.15)
(2.16)
(2.17) 橫向傾斜擺放
20
圖 2-13 線性滑軌橫向傾斜擺放示意圖
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
：橫向負荷(N) 慣性垂直擺放
圖 2-14 線性滑軌慣性垂直擺放示意圖
(2.24)
21
(2.25)
(2.26)
(2.27) 掛壁擺放
圖 2-15 線性滑軌掛壁擺放示意圖
(2.28) (2.29)
(2.30)
(2.31) 計算出個別滑塊之動負荷後，便可進行平均負荷的運算，以求進行壽命之計算，
其公式如下：
平均負荷公式：
(2.32)
：平均負荷(KN)
：最小負荷(KN)
：最大負荷(KN)
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考慮線性滑軌之環境因素對壽命的影響，其額定壽命會與實際所承受的負荷而不 同，可依照基本額定動負荷(C)及工作負荷(P)推算出使用壽命，且線性滑軌的使用壽 命會隨著運動狀態、滾珠接觸面之硬度及環境溫度的不同而有所變化，其中線性滑軌 之滾珠道接觸面其硬度要求約在 HRC58~62 間，若無法達到其水準將會降低線性滑軌 的額定負荷及使用壽命，在此因所選用之傳動元件製造廠商上銀科技之線性滑軌材質 硬度為 HRC58，因此藉由表 2-11 可知其硬度係數 ，線性滑軌使用環境溫度高 於 100℃時會因高溫影響其使用壽命，因此其環境溫度以不超過 100℃為原則，其溫 度係數由表 2-12 可知 ，線性滑軌之負荷雖可藉由計算求得，但因實際使用時皆 伴隨震動或衝擊，負荷多會大於計算值，因此考慮不同的運轉條件與使用速度下選取 其負荷係數，受環境因促影響之壽命公式如下：
ƒƒ ƒ (2.33) L：壽命距離(km)
ƒ ：硬度係數 ƒ ：溫度係數
ƒ ：負荷係數
：工作負荷
C：基本動額定負荷(KN)
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第三章 CAD 系統開發原理
多年來，工業界企盼如何能將知識工程(Knowledge-Based Engineering, KBE)與 CAD 系統有效結合，以整合性 CAX(CAD/CAM/CAE/CAPP)系統及 KBE 工具為平台，
實現智慧型設計、組裝、製造及維護等。即根據特定的產品模型進行智慧推理，做出 設計決策，以人類的專家能力來解決該領域技術的問題。因此，此研究將以建構 CAD 組合件的最佳組裝順序為目標，嘗試將人工智慧(AI)技術有效導入及整合於 CAD 系 統中，達成知識驅動自動化(Knowledge Driven Auotmation, KDA)系統的建構。以下將 針對 CAD/KBE 技術發展現況、人工智慧、知識工程(KBE)、Inventor 二次開發等技 術發展現況及 KBE 開發工具平台(CAX 開發系統)進行詳細說明。
3.1CAD 技術發展現況
電腦輔助設計(CAD)為 Ivan Sutherland 博士於 1963 年在麻省理工學院（MIT）開 發出來，並於 1980 年代 2D 繪圖並逐漸演進至 3D 繪圖。
由於全球化的時代來臨，在這越來越講求專業化與迅速交貨的時代，目前 CAD 軟體的系統模組已漸漸地不能滿足工業界講求專業與效率的腳步，隨著 CAD 的演進 及人工智慧技術(Artificial Intelligence, AI)的發展，KBE 與 CAD 的結合已成為 CAD 技術突破的策略。
我們可將市場對企業的要求歸納成 T、Q、C、S 四個要素：
(1)Time(時間)：新產品的開發時間及上市時間。
(2)Quality(品質)：高的產品品質。
(3)Cost(成本)：較低的生產成本。
(4)Service(服務)：滿足客戶需求的增值服務。
在此一市場的發展趨勢下，對中小企業來說，若要以更快、更新及更好的產品占 領市場，則應充份考量個別客戶而非僅止於市場的需求，以生產出多種類、小批量及
24
快速反應市場的需求，即大量客製化的設計[15-17]。
1997 年，Anderson 及 Pine 即提出大量客製化訂製產品設計方法的基本架構及思 路，並認定此一生產模式將會是 21 世紀中最重要、最具競爭優勢的生產方式。因此，
現代企業如何在此一大規模定製下，仍能敏捷的進行產品的開發與製造，並同時達到 品種多樣化及低成本的目標，將會是現代企業面臨的重大課題。
在產品設計的全生命周期過程而言，傳統的 CAD 系統及技術長期處於單獨開發 及應用狀態。隨者市場經濟的發展，迫切需要高效能的整合設計系統，其整合項目包 括：
(1) 系統整合：此包括軟體及硬體的整合，硬體可採用區域網路架構將不同 的電腦有效連結，並使用同一資料庫。軟體的整合主要是將各種不同的 軟體系統，依不同的功能有效的結合，用統一的執行控制程序來組織各 種資訊的傳遞，確保系統內資訊的通暢，並協調各子系統的有效運作。
(2) 知識的整合：智慧的設計是基於知識的設計工作，對於知識整合來說，
是透過各種知識庫(資料庫、模型庫、規則方法庫、圖形庫及文字庫等) 及共享知識的整合、知識的統一管理通用知識的智慧通道等方式來實現 知識的整合、管理及控制。
(3) 方法的整合：藉由方法庫將各種知識的智慧型設計方法，如最佳化設 計、基於推理的設計、基於資料探勘的設計、基於滿足的設計、基於實 例的設計、基於原型的設計、物件導向的設計、物件智慧型體的設計、
協同設計、資訊流的設計及虛擬設計方法等整合。
傳統的 CAD 是一個幾何領域的系統，而工程的技術核心為設計理念、設計方法 及過程處理，這些仍需依靠人腦才能達成。因此，我們會說 CAD 只是一個輔助工具，
亦即工程的開發過程仍需大量依賴使用者的技術能力與經驗，而不只是 CAD 系統。
這是因為 CAD 系統不能識別設計與製造過程中的變化，即在設計與製造的過程中不 能有效的應用電腦的能力，進行零件的設計製造與產品的總體性能評估，而使用者的
25
需求與 CAD 系統不具內在的關連性，導致 CAD 系統對技術創新、方案最佳化、綜 合評估等須要應用知識工程領域的問題顯得無能為力，此為當前 CAD 系統發展的瓶 頸。因此，當今的趨勢是 CAD 系統朝向智慧型方向發展，藉由吸收人工智慧的成果(理 念、方法及模式)，融入「知識工程(KBE)」，開始造就新一代的 CAD 系統。
3.2 知識工程(KBE)系統
本節根據[18-21]的文獻，以下作要點整理。知識工程(KBE)是一個非常廣泛的概 念，其概念為：一種基於產品模型，儲存並處理與此產品相關知識的電腦系統，也可 以說 KBE 是藉由知識驅動，對工程問題及任務提供最佳解決方案的電腦整合技術，
是 AI 及 CAX(CAD/CAM/CAE)技術的融合，為目前促進工程化、實用化之產品開發 最值得採用的方法，因此工業界未來的發展趨勢將從資訊整合的操作轉變為基於知識 的工程。
在工程技術上，專家知識一般來自於該領域專家的經驗累積，具有很強的經驗性。
這對知識的交流及繼承帶來很大的阻礙，發展 KBE 技術就是希望藉由知識處理的一 系列技術獲取該領域的專家知識(知識獲取)，以便將專家知識能應用於整個設計、製 造、銷售、管理及維護中(知識應用)。KBE 的應用將有利於專家知識的累積及繼承，
以提高實際解決問題的能力及設計開發的品質，實現現代製造短週期(Time)，高品質 (Quality)、低成本(Cost)及優質服務(Service)的目標。
KBE 的主要特點如下：
(1)它是一種與 CAX 系統整合，用於解決工程問題的電腦輔助系統。
(2)它明確定義知識的問題，並將知識用於特定的工程問題的求解上。
(3)它能深入各領域的核心問題，又能處理具體問題中的各個細節。
(4)它採用模型鑑定，基於規則(Rule)及基於實例(Instance)等方法進行知識的推理。
由此可見，KBE 系統將該領域專家的知識及經驗加以整合，形成規則，存入電 腦系統，建立知識庫，然後採用合適的知識處理策略，根據特定的產品模型進行智慧
26
推理，做出設計決策，以人類的專家的能力來解決該領域技術的問題，圖 3-1 是 KBE 系統的架構圖。它採用物件導向的產品模型，以整合性 CAX 系統及 KBE 工具為平台，
實現智慧型設計、製造及維護。
使用者
KBE系統整合平台
操作介面 CAD系統 知識庫
資料庫 CAD圖庫
圖 3-1 KBE 系統架構圖
從本質看，知識工程的目的是經驗與技術的再運用，即將知識創造性的應用到一 個工業產品的設計開發及生產製造過程中，充份運用各種實踐經驗、專家知識及其有 關的資訊，產生以知識驅動為基礎的工程設計新思路。
3.3KBE 系統設計方法
在傳統的設計過程中，設計過程完全以設計者為中心，重覆性的設計任務需要設 計人員完成，此一完全依賴人的能力完成的工作，導致整個公司設計過程的「瓶頸」。 而基於 KBE 的工程設計是以知識模型為中心，各類資料庫、知識庫、設計實例庫等 與產品模型相關，設計師的任務只提供要求及重要的設計決定，如此可大大提高設計 效率，改進設計品質。由圖 3-2 基於 KBE 的設計過程可知，建立好的 KBE 整合性開 發平台是實施 KBE 技術的核心。此 KBE 整合性開發平台包括知識表示、推理、獲取、
管理、產品知識建模及系統整合等技術。
27
圖 3-2 基於 KBE 設計過程
CAD 與 KBE 在工程領域中的整合是目前的研究重點，亦是下一代機械 CAD 系 統的顯著特徵。因此，其幾何相關知識的處理方法主要可歸納為以下幾種:
A.使用 CAD 平台的 API
許多 CAD 平台軟體皆提供 API 功能，如 Inventor 的 SDK、AutoCAD 的 AutoLISP、
NX 的 NX/OPEN、IDEAS 的 open IDEAS、PRO/E 的 PROTOOLKIT 等。藉由 API 實 現 CAD 環境與知識的整合，隨者設計的深入，不斷地創建新的幾何是較可行的方案。
目前，該方案已成功的應用於許多 KBE 系統。
B.使用具推理機制及幾何機制的知識工具
有些知識工具不僅包括推理機制，亦包括幾何機制，此類工具是 CAD 與 KBE 整合的理想方案，但此類工具的開發難度較大，目前較普遍的是 KTI 的 ICAD、
Technosoft 的 AML 及 Heide 的 Intent/IKS。另外，面對日益增長的智慧型技術市場，
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許多的 CAD 開發商(如 UGS、PTC 及 Dassault)也加入 KBE 工具開發領域，推出如 NX/Knowledge Fusion，CATIA/Knowledge Expert 等產品。在該方法中，KBE 工具的 推理機制與 CAD 平台的幾何數據結構將直接通訊，真正實現 KBE/CAD 的整合。
C.使用具推理機制的知識工具
採用一些不具備幾何機制的知識工具有能實現 KBE 及 CAD 的整合，在此一情形 下，知識工具與 CAD 平台間的訊息交換主要藉由中性數據格式，如 STEP 或 XML，
基於 Java 語言的 JESS 工具在該領域已有成功的應用，證明中性數據通訊方案的可行 性。
3.4Inventor 二次開發工具簡介
本研究中所使用的 CAD 二次開發環境為 Autodesk Inventor Professional 2011、
Microsoft Visual Studio 2008 中的 VB.NET 程式語言及 Microsoft Office 2007 中的 Excel 所建立的型錄庫。Autodesk Inventor 是美國 Autodesk 公司於 1999 年底推出的中階 3D 參數化建模模擬分析整合軟體。與其他同類型產品相比，Inventor 在操作介面上簡單 易懂，3D 運算速度與外觀著色功能方面有突破的發展。Inventor 不僅僅簡化了操作介 面和有效的縮短了軟體學習週期，而且大幅提升 3D 運算及著色速度，減少使用者在 工具軟體使用上時間的消耗，加速整體設計流程及工作效率。
3.4.1Inventor API 簡介
Inventor 具有良好的開發環境，它提供了充分的二次開發介面和開發方法，這樣 使用者可以在其環境中開發滿足設計者特定需求的產品。Inventor 擁有物件導向的 ActiveX 技術，透過此項技術可以方便有效地運用各種高級程式語言如 Visual C++、
C#、VB.NET 及 VBA 等對 Inventor 進行二次開發。透過二次開發可以使得 Inventor 增加新的功能，並能夠使得操作上的簡化，滿足特定使用者需求，亦可設計開發出一 套包含專家經驗及專業知識的設計系統。
29
API 是 Application Program Interface (應用程式介面)的簡稱，它是 Microsoft 公司 的一種自動化開發(COM 自動化)技術。API 主要的功能就是將應用軟體中的各個功能 建立出相對應的函數，可以供其他程式語言直接使用。API 技術廣泛的應用在 Windows 系統設計的應用軟體中，如 Microsoft 公司的 Office 軟體 Word 及 Excel，
Autodesk 的 AutoCAD、MDT、Inventor 等，讓使用者可以透過各種高階程式語言編 輯 API 中的各種物件中的功能和方法，進而設計出特定的專業功能。
在 Inventor 中，API 充分展現了其功能多樣性及自主性，這樣使用者可以運用多 種方式使用現成的 API 函數或者透過程式設計結合迴圈、矩陣、公式運算及設計者的 專業知識等，為 Inventor 增加更多應用功能。Inventor API 有幾種不同的開發方式，
如 VBA，或者是運用高階語言開發的 Add-In 等，將在 3.4.2 節做詳細說明。
API 開發技術有相當多的優點與技術上的優勢。首先，幾乎所有現在常用得程式 語言都可以用來進行編輯 API 程式設計，如 VC++、VB.NET、Delphi、Perl 及 Java 等，如下圖 3-3 所示。可以依自己對特定程式語言的熟悉度來選擇合適的程式語言，
大大降低學習的門檻。其次，API 具有標準的規則，具有一定的通用性。例如使用者 具有 Word API 程式設計經驗，那該使用者對於所有可以運用 API 技術進行二次開發 的應用軟體皆可以快速上手，有效地縮短學習週期，避免不同應用軟體所帶來的不便 及加速設計開發效率。
圖 3-3 程式語言與 Inventor API 關係圖
30
3.4.2Inventor API 的分類
Inventor 二次開發方式有很多種，大致上分為如下四種，本節將簡單介紹一下各 方式的差異。
(1)VBA
(2)Add-in(*.dll) (3)獨立執行檔(*.exe) (4)Apprentice Server
圖 3-4 Inventor 開發方式示意圖
(1)VBA
VBA 的全名為 Visual Basic for Application，意思是說專為特定應用軟體量身訂作 的 Visual Basic。VBA 並不是一個獨立的開發工具，也不為某一項產品獨有，它是 Microsoft 開發的一種程式語言，可以把它當成是 VB 的一個子功能，它包含了 VB 大 部分的常用的功能。但是兩者最大的差異就是 VBA 只能在某一特定應用軟體的內部 執行程式設計，而 VB 可以建置獨立的執行檔(*.exe)，亦可在應用軟體外部執行。VBA 作為一種易學易用的程式語言，廣泛的應用在 100 多種軟體中，如 Microsoft 的 Office
31
軟體(包含 Word、Excel、Access 等)、Autodesk 的各種產品(如 Inventor、AutoCAD 等)。
在 Inventor 中，運用 VBA 所設計的程式一般稱為巨集，需要在 Inventor 內部才 可以執行，不能脫離 Inventor。Inventor VBA 可以說是使用 Inventor API 最便捷的開 發工具，它具有以下四個特點：
(a)VBA 具有 VB 大部分的功能，且具有類似的開發環境。
(b)VBA 隨 Inventor 一同發行，不需要單獨購買。VBA 附加於 Inventor 中，可以直接 在 Inventor 中啟動 VBA 並進行應用程式的開發設計。
(c)VBA 不能創建可以運行在所屬應用軟體外部的獨立的應用程式。它運行在 Inventor 相同的處裡空間，執行效率高。
(d)可以把 VBA 程式做成獨立的 IVB 文件，供其他使用者文件共享或編輯程式。
(2)Add-in(*.dll)
Add-in 是 Inventor 的一種動態連結檔的應用程式，能夠支持 API 的產品進行編輯。
本研究就是運用 VB.NET 程式語言依 Add-in 的方式進行 Inventor API 程式設計，而 Add-in 三個重要特點如下：
(a) Add-in 能夠隨著 Iventor 的啟動而自動加載。
(b) Add-in 能夠創建使用者自行設計的功能選單。
(c) Add-in 能夠創建獨立在 Inventor 外部的動態連結檔，對程式內容有保密的效果又 可以分享給其他人使用。
值得一提的是，Add-in 在 Inventor 運行時會自動加載的特性是一個非常實用的功 能。使用者可以在執行 Inventor 前選擇所需要加載的 Add-in，而沒有選擇的 Add-in 就不會因執行 Inventor 而自動加載，這樣依需求選擇軟體所附加的功能，可以大幅降 低電腦資源因加載太多功能的消耗，以增加應用軟體的執行效率。許多 Inventor 內部 的應用程式也都以 Add-in 的方式加載。
(3)獨立的執行檔(*.exe)
獨立的執行檔可以獨自運行，且與 Inventor 相關聯。這種程式具有自己的介面，
32
不需要使用者在 Inventor 中做任何的交互操作。例如一個用來創建草圖應用程式，當 執行程式時，它透過數據庫之間的交互作用添加新的數據，如果 Inventor 沒有啟動，
則由該程式啟動，並創建所需的檔案與相關的草圖。由於執行檔運作在 Inventor 的處 理空間之外，因此程式的執行效率會有所損失。
(4)Apprentice Server
Apprentice Server 是一個 ActiveX 伺服器，可以當作 Inventor 的一個子功能，運 行在 Inventor 的處裡空間內部。相較於外部的應用程式，執行效率較高。Apprentice Server 包含在 Design Tracking 中，主要是用來提供初階程式設計者練習使用，可由 Autodesk 公司網站免費下載使用。
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第四章 三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統建構
三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統是建構在 Autodesk Inventor Professional 2011 3D 建模設計軟體上，運用 VB.NET 程式語言與 Inventor API(Application Program Interface)進行軟體二次開發。主要設計目標為透過 KBE 設計理念將專家經驗及計算 公式融入系統中，針對三軸工具機的各部分零組件進行導引設計，系統架構主要分為 四大部分，主軸系統設計、進給系統設計、床台結構設計及自動換刀系統。目前導引 系統先以進給系統設計作整體細部規劃，來進行可行性與正確性的探討，未來將依此 進給系統設計架構對其餘三個設計系統繼續建構。
針對進給系統設計，又分為 X、Y 及 Z 軸三大進給系統，其主要設計零組件為滾 珠導螺桿及線性滑軌。系統由滾珠導螺桿及線性滑軌的的零組件設計參數所包含的知 識與設計經驗進行收集、建檔，並加以理解、歸納與描述後建構一個可以重複使用並 持續累積知識的設計導引系統。設計導引系統可在操作過程中詳細記錄與收集的專家 經驗，透過專家知識與快速運算對型錄庫中已有規格品進行篩選，接著可以針對設計 者的需求進行各個零組件的細部參數調整出同素異構體，並新增至原型錄庫中，使系 統的資料庫更加完善，達到知識的傳承與資料的累積。爾後設計者可以依照過去的經 驗及需求找出類似設計條件與專案，進而縮短設計開發週期，提高滾珠導螺桿及線性 滑軌設計的正確性與可行性，降低設計資源的浪費及減少人為設計與判斷上的失誤。
進給系統設計的規劃上分成 X 軸、Y 軸及 Z 軸三個進給系統，採用相同的技術 進行整合不同的建構知識，三個進給系統分別整合了滾珠導螺桿、線性滑軌、軸承、
伺服馬達及聯軸器的建構知識。配合不同的工作環境三種系統皆有其規則可進行最佳 的設計方式。因此進給系統各個零組件的設計變更，其融合設計規則知識與零組件搭 配條件，便可在不同的設計方案下，針對不同工作環境自動產生適當的進給系統所需 的各個零組件。運用 Inventor API 的二次開發環境下開發此系統希望能進行獲取並整 合相關的三軸工具機之設計知識以 KBE 設計原理研發完整設計導引系統。
34
4.1 系統架構
三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統主要是由對話框設計、知識工程引導及 CAD 系統所構成。為解決設計知識與專家經驗經常分散於不同的存放介質上，且知識缺乏 系統性、一致性及完整性的整合，其要點是如何將產品數據、規範、準則及檢驗等應 用系統化的方法轉換成產品設計知識。根據上述說明，本系統之基本架構如圖 4-1 所 示，此系統以 Autodesk Inventor Professional 2011 作為 CAD 系統平台，在此系統下應 用 Inventor API 及 VB.NET 的二次開發軟體做為系統開發的主體架構。
設計者由開發出來的系統介面開始進行三軸工具機設計，而系統介面是由 VB.NET 所編輯，為到導引系統的操作介面，用於建立設計者與運用 Inventor API 所 開發的 CAD 軟體之間的聯繫，對三軸工具機 CAD / KBE 設計導引系統的設計功能進 行管理，且管理功能的實現中，應用了知識工程的理論、方法及軟體系統結構使其成 為一個設計導引系統。以下對各個子系統進行說明：
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圖 4-1 三軸工具機 CAD/KBE 設計導引系統架構圖
系統介面: 此功能是將設計者與系統核心連接，以對話框方式與設計者互動，實 現三軸工具機 CAD / KBE 設計導引系統所開發的功能。
主軸系統設計: 此一系統主要可分為主軸本體設計、主軸軸承設計與傳動系統設
Autodesk Inventor Professional 2011
三軸工具機CAD/KBE設計導引系統
設計者
設計導引系統 主要功能 主軸系統設計
進給系統設計
床台結構設計
換刀系統設計
主軸本體設計 主軸軸承設計 傳動系統設計
工作床台設計 X、Y軸鞍座設計
立柱及底座設計 X軸進給設計
Y軸進給設計
Z軸進給設計
刀具形式設計
刀具數量設計
換刀機構刑式 系
統 介 面
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計。這些主要元件會依照設計機型的市場需求與機型定位所決定，例如馬達工作類型 可分成重切削機型、中切削機型及輕切削機型，此機型的決定會影響後續切削力的估 算。而馬達的匹配非常重要，它決定了工具機一半以上的特性，馬達選定後會基本規 格中有型號、馬達功率、轉速範圍及額定扭矩，如再加上最大刀具直徑及最大鑽削力 的參數，則導引系統就可以馬上估算出 X 方向及 Y 方向的切削力大小及 Z 方向的鑽 削力大小。其設計系統計算公式如下所示：
主軸系統參數設定：
馬達功率： MOTOR_POWER 馬達工作類型： CUTTING_TYPE 最大工具直徑： TOOLDIA_MAX 最大鑽削直徑： MAX_DRILLDIA 最小鑽削直徑： MIN_ DRILLDIA X 方向切削力： CUT_FORCE_X Y 方向切削力： CUT_FORCE_Y Z 方向鑽削力： DRILL_FORCE_Z 鑽削參數： DRILL_PARAMETER CUTING_TYPE ： 重切削： 60 中切削： 100 輕切削： 130 DRILL_PARAMETER： 重切削： 0.3 中切削： 0.5 輕切削： 0.7
MIN_DRILLDIA =
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進給系統設計：進給系統依軸向分為三類，分別為 X、Y、Z 軸向進給系統，各 系統間設計流程相似度很高，主要考慮因素為空間的限制及零組件的選定。零組件又 可分為標準件及加工件兩大類，標準件如伺服馬達、滾珠導螺桿、線性滑軌及軸承與 聯軸器等，加工件如，軸承座、鞍座、移動床台等。
進給系統分為四個設計功能為線性滑軌設計功能、導螺桿設計功能、伺服馬達設 計功能及聯軸器設計功能。以 X 軸進給系統設計為例，其流程如圖 4-2 所示。
設計過程中包含大量的零組件選定計算公式及專家設計經驗。系統中會依適當的 提示及導引，令設計者循序漸進的設計，減少人為設計思考上的疏失，但也會保有相 當設計彈性，讓設計者可以快速在系統中進行設計變更及調整。其細部的設計規劃將 在 4-2 節做詳細說明。
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圖 4-2 X 軸進給系統設計流程圖
床台結構設計: 此系統包含工作床台設計、X、Y 軸鞍座設計及立柱及底座設計，
此部分設計相較於其他零組件，較無設計規範或已成熟的經驗公式，因此系統會依參 考廠商已有機型的設計資料建立型錄庫，設計者可以依市場上現有規格直接調用，以 節省開發週期。但為保有設計上的高自由度，亦可依設計者自行開發新外型，再將其
