Optimal design and development for a new quick-released type slide seat of machine tools 曹季涵、賴
E-mail: [email protected]
ABSTRACT
The direction of this research is discussed the CNC machine tool table because the natural vibration and external vibration caused by the modal frequency response analysis. This paper is used the finite element method and the concept of machine tool design to analysis and development for a new quick-released type slide seat of machine tools. Finally, this paper is used PSO with the finite element analysis of ANSYS software to search optimal design parameters for the machine tool table that improve and compare the actual of table machine tool structure and optimization results. In order to verify the optimal design method could effectively
improve the static and dynamic characteristic of the structure. The new quick-released type slide seat of machine tools of this paper is based on industry-university partners design and R&D. This paper was continuation of the design concept to improve the design shape of the new quick-released type slide seat of machine tools to avoid the resonance frequency, and at the same time to reduce the weight of bed for the final design goal of table. This research will be had moderated simplify model to get the optimize design size. In the milling force experimental is used ANSYS software to verify strain differences and actually used in CNC machine tools machine platform.
Keywords : Finite element analysis、Structural shape optimization、Machine tool table、Natural frequency、Modal analysis Table of Contents
封面內頁 簽名頁 授權書...iv 中文摘要...v ABSTRACT...vi 誌 謝...vii 目錄...viii 圖目錄...xi 表目
錄...xv 第一章 緒論...1 1.1研究背景與動機...1 1.2文獻回
顧...4 1.3研究目的...6 1.4研究流程...8 第二章 新型快拆式工具機滑 座之開發說明...10 2.1 新型滑座之創新性...10 2.2 舊式床台使用上面臨的問題與改善對策...12 第三章 研究方法...20 3.1 有限元素法...20 3.2 ANSYS模態分析...22 3.3 ANSYS結構最佳化設計...23 3.3.1 最佳化問題架構...23 3.3.2 基座最佳化模型參數定
義...25 3.4 粒子群演算法...31 3.4.1 粒子群演算法步驟...32 3.4.2 PSO最佳化演算 法數學模式...35 第四章 實驗方法與量測...39 4.1 拉伸試驗...39 4.2 自然頻率敲 擊試驗...42 4.3 洛氏硬度試驗...46 4.4 平行度檢測...48 4.5 銑削力實驗量 測...49 第五章 有限元素模型建立...51 5.1 有限元素模型建構...51 5.2 模型元 素選擇及邊界條件設定...53 5.3 模型網格化...55 5.4 模態分析邊界條件設
定...56 5.5 收斂性分析...57 第六章 研究結果與討論...60 6.1 自然頻率敲擊 試驗結果驗證...60 6.2 匯入模型比對參數化模型...65 6.3 銑削力模擬之模型建立與分
析...66 6.3.1銑削力理論計算與驗證...69 6.4 新型滑座之基座底部挖槽設計結構改善...70 6.4.1基座底部挖槽設計改善樣式與初步結果比較...76 6.4.2 ANSYS最佳化方法...78 6.5 ANSYS最佳化 與PSO演算法結果比較...88 第七章 結論與未來研究方向...91 7.1 結論...91 7.2 未來研究方向...93 參考文獻...94
REFERENCES
[1] 陳建智，“立式銑床工作台傳動機構”，中華民國專利公報, M022877, 1984.05.01.
[2] 陳銘泉，“鑽、銑床傾斜工作台之改良構造”，中華民國專利公報, M038456, 1987.09.16.
[3] 廖誼淙，“工具機滑動結構改良”，中華民國專利公報, M182748, 2001.10.11.
[4] Bathe, K. J., “Finite Element Procedures”, Prentice-Hall, 1996.
[5] Dalenbring, M., “Damping function estimation based on measured vibrationfrequency responses and finite-element displacement modes.
Mechanical System and Signal Processing”, 13(4):547-569, 1999.
[6] Dalenbring, M., “Experimental material damping estimation for planarisotropic laminate structures”, International Journal of Solids and Structures, 39:5053-5079, 2002.
[7] Dalenbring, M., “Validation of estimated isotropic viscoelastic materialproperties and vibration response prediction”, Journal of Sound and Vibration, 265:269-287, 2003.
[8] Wu, B. C., Young, G. S. and Huang, T. Y., “Application of a Two-LevelOptimization Process to Conceptual Structural Design of a Machine Tool”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 40, No. 6, pp.783-794, 2000.
[9] R. Jalili Saffar, M.R. Razfar, O. Zarei, E. Ghassemieh, “Simulation ofthree-dimension cutting force and tool deflection in the end milling operation based on finite element method”, Simulation Modelling Practice and Theory 16, pp.1677-1688, 2008.
[10] O. Pantale, J.-L. Bacaria, O. Dalverny, R. Rakotomalala, S. Caperaa, “2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effects”, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 193 (2004) 4383-4399.
[11] 陳精一，“ANSYS振動學實務分析”，高立圖書有限公司出版，2005。
[12] 陳精一，“ANSYS 7.0電腦輔助工程實務分析”，全華科技圖書股份有限公司，2004。
[13] 趙芝眉、湯銘權、蔡在亶，“金屬切削原理”，全華科技圖書股份有限公司，2002。
[14] 龔黃光、黃柏文、陳鴻雄，“ANSYS與電腦輔助工程分析”，全華科技圖書股份有限公司，1992。
[15] 呂俊弦，“工具機結構設計與動態性能優化”，私立中原大學機械工程研究所碩士論文，2001。
[16] 蘇崑熙，“使用ANSYS之機械結構動態分析”，國立屏東科技大學機械工程研究所碩士論文，2007。
[17] 施習中，“綜合加工機之模態測試與分析及其結構改善”，私立大葉大學機械工程與自動化研究所碩士論文，1994。
[18] 王世明，“CNC工具機結構分析與最佳化評估”，私立中原大學機械工程研究所碩士論文，2001。
[19] 車成祥，“微銑削加工之新切屑厚度與新解析銑削力模式之建立與應用”，國立高雄應用科技大學機械與精密工程研究所碩士論文
，2001。
