中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

傳動元件專業 CAD/KBE 自動繪圖系統開發 Transmission Elements Professional CAD / KBE

Automatic Drawing System Development

系 所 別：機械工程研究所碩士班 學號姓名：M09808019 黃柏凱 指導教授：徐 永 源 博士

中 華 民 國 100 年 7 月

摘 要

本研究主要目的為建構傳動元件自動繪圖系統，利用 AutoCAD 系統中內建之二 次開發程式語言 AutoLISP 進行建構，並且導入知識工程(Knowledge Based Engineering, KBE)技術，將滾珠導螺桿與線性滑軌之選用知識與設計技術融入傳動元件自動繪圖 系統中，進一步實現知識的重用，協助機構設計人員在選用滾珠導螺桿與線性滑軌時 以便於快速選用與繪圖並減少人為因素之錯誤，提升公司的設計周期與產品開發效 率。

關鍵詞：Auto LISP、知識工程、滾珠導螺桿、線性滑軌

ABSTRACT

The main purpose of this research for the construction of transmission components, automatic mapping system, built, using the AutoCAD system in the secondary

development of AutoLISP programming language for building and into Knowledge Engineering (Knowledge Based Engineering, KBE) technology, the ball screw and linear guideway the use of knowledge and technology into the design of automatic drawing transmission system elements, and further to achieve, the reuse of knowledge, to assist organizations in the selection of designer ball screw and linear guideway for quick selection and when the graphics and reduce the human factor of error enhance the company's design cycle and product development efficiency.

Keywords: AutoLISP, Knowledge Engineering, ball screw, linear guideway

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、林文輝博士以 及黃國饒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、威行、一峰在我迷惘時指點迷津，同學弘育、

建宏、煒智、晨曦、永傳，學弟晟峰、家恩，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，黃文洲先生、劉貴英女士，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。

目 錄

摘要...i

ABSTRACT...ii

致謝...iii

目錄...iv

圖表目錄...vi

第一章 簡介...1

1.1 研究背景與說明...1

1.2 研究動機與目的...1

1.3 文獻回顧...2

1.4 內容大綱...3

第二章 滾珠導螺桿與線性滑軌設計...4

2.1 滾珠導螺桿介紹...4

2.2 線性滑軌介紹...4

2.3 滾珠導螺桿設計需求...4

2.4 線性滑軌設計需求...15

第三章 系統開發應用技術...22

3.1 C A D 技術發展現況...22

3 . 2 知 識 工 程 ( K B E ) 系 統 . . . .. . ... . ... . ... . ... . ... . . 2 4 3 . 3 K B E 系 統 設 計 方 法 . . . 2 5 3 . 4 A u t o C A D 二次開發工具簡介... 2 7 第四章 系統建構...29 4 . 1 系 統 架 構 . . . 2 9 4 . 2 滾 珠 導 螺 桿 自 動 繪 圖 系 統 . . . 3 2 4 . 3 線 性 滑 軌 自 動 繪 圖 系 統 . . . 3 3

4 . 4 系 統 主 要 功 能 與 技 術 . . . 3 4

第五章 系統驗證...35

5.1 滾珠導螺桿自動繪圖系統案例(一)...35

5.2 滾珠導螺桿自動繪圖系統案例(二)...38

5.3 滾珠導螺桿自動繪圖系統案例(三)...41

5.4 滾珠導螺桿自動繪圖系統案例(四)...44

5.5 滾珠導螺桿自動繪圖系統案例(五)...48

5.6 滾珠導螺桿自動繪圖系統案例(六)...50

第六章 結論...52

參考文獻...53

圖表目錄

圖 2-1 滾珠導螺桿示意圖...4

圖 2-2 線性滑軌示意圖...5

圖 2-3 線性滑軌水平擺放示意圖...16

圖 2-4 線性滑軌水平懸臂擺放示意圖……...16

圖 2-5 線性滑軌橫向傾斜擺放示意圖...17

圖 2-6 線性滑軌慣性垂直擺放示意圖...…….18

圖 2-7 線性滑軌掛壁擺放示意圖………..………...18

圖 3-1 KBE 系統架構圖...25

圖 3-2 基於 KBE 設計過程...26

圖 4-1 基本架構圖...30

圖 4-2 系統架構圖...31

圖 4-3 滾珠導螺桿自動繪圖系統流程圖...32

圖 4-4 線性滑軌自動繪圖系統流程圖...33

圖 5-1 滾珠導螺桿型錄資料庫……...36

圖 5-2 案例一之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框...37

圖 5-3 案例一之型號選擇對話框...37

圖 5-4 案例一之組合圖輸出示意圖...38

圖 5-5 案例一之工程圖輸出示意圖...38

圖 5-6 案例一之設計參數 Execl 輸出表……...39

圖 5-7 案例二之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框...40

圖 5-8 案例二之型錄對話框...40

圖 5-9 案例二之組合圖輸出示意圖...41

圖 5-10 案例二之工程圖輸出示意圖...41

圖 5-11 案例二之設計參數 Execl 輸出表...42

圖 5-12 案例三之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框...43

圖 5-13 案例三之型錄對話框………...43

圖 5-14 案例三之組合圖...………...44

圖 5-15 案例三之工程圖...………...44

圖 5-16 案例三之設計參數 Execl 輸出表...…...45

圖 5-17 案例四之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框...45

圖 5-18 案例四之型錄對話框...46

圖 5-19 案例四之組合圖...46

圖 5-20 案例四之工程圖...47

圖 5-21 案例四之設計參數 Execl 輸出表...47

圖 5-22 案例五之線性滑軌自動繪圖系統對話框...48

圖 5-23 案例五之組合圖………...48

圖 5-24 案例五之工程圖………...49

圖 5-25 案例五之設計參數 Execl 輸出表……….………...49

圖 5-26 案例六之線性滑軌自動繪圖系統對話框……….………...50

圖 5-27 案例六之組合圖…………..……….………...50

圖 5-28 案例六之工程圖…………..……….………...51

圖 5-29 案例六之設計參數 Execl 輸出表..……….………...51

表 2-1 滾珠導螺桿設計步驟...6

表 2-2 運作條件係數...7

表 2-3 挫屈負荷組裝係數...9

表 2-4 組裝係數...10

表 2-5 臨界轉速組裝係數...11

表 2-6 組裝係數...11

表 2-7 挫屈負荷、組裝方式及安裝間距關係表………...12

表 2-8 臨界轉速、組裝方式及安裝間距關係表………...12

表 2-9 螺桿剛性表………...13

表 2-10 線性滑軌設計步驟...15

表 2-11 硬度係數表………...20

表 2-12 溫度係數表………...20

表 2-13 負荷係數表...20

表 2-14 線性滑軌系列預壓力公式表...21

第一章 簡介

1.1 研究背景與說明

滾珠導螺桿(Ball screw)與線性滑軌(Linear Guideway)此兩種傳動元件皆為精密機 械中常用之機構，滾珠導螺桿其主要功能為將旋轉運動轉換為直線運動，或將扭矩轉 換為軸向反覆作用力，同時兼具高精度、高可逆性與高效率等優點，而線性滑軌主要 功能為滾動導引，藉由鋼珠在滑塊與滑軌間作無限滾動循環，負載平台能沿滑軌作高 精度線性運動，兩者已成為現代工具機、光電、半導體等精密機械設備上之常用傳動 元件。

隨著科技的進步與傳統產業的轉型發展下，目前市面上有著許多 CAD 電腦輔助 設計製造軟體，製造流程的參數化是必然的結果，也因此設計工程師的離職將對設計 流程與技術銜接上造成相當大的影響，所以將整個設計流程以符合滾珠導螺桿與線性 滑軌之設計需求所開發出來的 CAD 輔助設計模組，將工程師多年的設計經驗整合在 自行開發之 CAD 輔助設計模組裡達到經驗的傳承與縮短產品設計流程。

1.2 研究動機與目的

在現今全球化的環境，講求分工明細與快速交貨的氛圍下，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，為了縮短開發週期採用 CAD 開發軟體可有效縮短期開 發時間，但其設計經驗與知識皆在設計工程師身上，當設計錯誤時將造成產品交期的 延後與製造成本的增加，若能有效地將設計經驗與知識融合在 CAD 軟體裡將能大幅 減少人為設計錯誤與技術快速累積並且大幅的縮短開發週期，且電腦輔助設計工程製 圖為機構設計工程師與現場設備工程師對於產品之意見溝通傳達之橋梁，設計工程師

將設計之構思與組裝規畫藉由工程圖轉達，兩者各司其職，若在設計之初因人為因素 將工程圖繪製錯誤，將造成現場組裝之設備工程師相當大之困擾，若可開發一 CAD 傳動元件自動繪圖系統，將可提升產品的設計效率與工程圖之可靠度。

本研究便是為了解決該問題開發一套以知識工程(Knowledge Based Engineering, KBE)技術為基礎所建立之「傳動元件自動繪圖系統」，幫助機構設計工程師在設計時 進行滾珠導螺桿與線性滑軌之挑選，此系統是依據滾珠導螺桿與線性滑軌之設計需求 進行參數設定與完成自動繪圖，並將滾珠導螺桿與線性滑軌的設計知識(包括經驗)融 入自動化繪圖過程中，大大的提升設計開發的效率，並增加設計的可靠性。此傳動元 件之專業繪圖系統可以不間斷地提供設計之經驗與知識，並可將知識與經驗儲存建檔 可以有效地累積經驗與技術不需擔心設計工程師離職後造成的技術銜接上的困擾，經 由此系統的使用，除了可提升產品設計效率與可靠度，並能展現機械設備設計業者之 公司形象。

，

E)」

本研究之目的為在 AutoCAD 系統環境下使用其二次開發語言 AutoLISP 建構以 知識工程為基礎之傳動元件專業繪圖系統，進行參數化設計選用與繪圖，提高繪圖與 設計效率，增加繪圖可靠度。

1.3 文獻回顧

目前在滿足設備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，對本研究在滾珠導螺桿及線 性滑軌設計及其相關選用上有莫大的幫助，敘述如下：

在客製化產品方面，1993 年 Pine[1]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。

在知識工程方面，1977 年美國 Stnadford 大學的 Feigenbaum [2]以一篇名為「人 工智慧的藝術:知識工程課題及實例研究」開啟了「知識工程(Knowledge Engineer, K 的概念，其中闡述了專家系統的思想並指出人工智慧的研究方向，其獲取智慧的策略

應該從基於能力轉變為基於知識系統(Knowledge-Based System, KBS)，自此確立「知 識(Knowledge)」在人工智慧中的重要地位，2003 年趙震與彭穎紅[3]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，並 以沖壓模具設計作為驗證。

在 AutoCAD 二次開發中，王少宏[4]提出將零件設計尺寸參數化配合 AutoCAD 所提供之二次開發語言 VisualLISP 及 DCL 對話框進行工程圖之繪製以提高繪製效率 與精確度，楊聰賢[5]提出 AutoCAD 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

為了可以滿足設計時針對各種傳動元件設計需求的傳動元件繪圖系統，本研究以 快速且方便產生所需傳動元件為訴求，利用知識工程技術產生智能化的 CAD 建模系 統，透過 AutoCAD 作為 CAD 系統，並利用該平台的二次開發工具，開發以知識工 程為基礎的快速繪圖系統，此系統可供使用者非常方便地選擇出適合之導螺桿型號，

並繪製出其工程圖，達到縮短生產時間及降低生產成本的效果。

第二章將分別介紹滾珠導螺桿與線性滑軌之種類與設計需求；第三章將敘述研究 理論的基礎，KBE 系統的概念，KBE 的介紹及技術以及 KBE 的設計方法及工具平台 及介紹 AutoCAD 的二次開發環境及 AutoLISP 的技術及建構方式，並說明如何利用 AutoCAD/AutoLISP 將知識整合到系統中；第四章將介紹整個傳動元件系統的架構與 技術；第五章為系統驗證；第六章為結論。

第二章 滾珠導螺桿與線性滑軌設計

本章節主要論述滾珠導螺桿與線性滑軌的介紹，內容上將介紹滾珠導螺桿與線性 滑軌細部結構。本章節先針對滾珠導螺桿與線性滑軌進行基本介紹，最後說明滾珠導 螺桿與線性滑軌設計需求與選用。

2.1 滾珠導螺桿介紹

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 2-1 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。

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，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 2-1 滾珠導螺桿示意圖

2.2 線性滑軌介紹

線性滑軌其結構主要可分為三部分：滑塊、滑軌、鋼珠三部分，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。

圖 2-2 線性滑軌示意圖

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 2-1 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。

表 2-1 滾珠導螺桿設計步驟

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

1. 預期壽命(N)

N N

2. 平均軸向負荷( ) 3. 平均轉速( rpm )

動額定負荷( ) (2.3)~(2.9)

3

1. 基本動額定負荷(N ) 2. 導螺桿導程(mm ) 3. 臨界轉速( rpm )

螺桿外徑( mm ) (2.13)~(2.15)

4

1. 環境溫度(℃) 2. 螺桿總長(mm )

熱變位( mm ) (2.19)

5

1. 螺桿軸剛性

( )

2. 熱變位(mm )

預拉力(N ) (2.20)

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

nav =n t +n t +n t ( 2.1) n ：平均轉速(av rpm)

n ：轉速( rpm ) 1

t ：轉速1 n₁所占之時間比例(%)

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 ³ ( 2 . 2 )

F ：平均軸向負荷(bm N) Fb ：軸向負荷(N)

fb ：運作條件係數，如表所示

表 2-2 運作條件係數

運作條件 f_b

無衝擊運轉 1.1

正常運轉 1.3

衝擊且震動運轉 2.0

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：

3

106 a

L C F

⎛ ⎞

= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.3)

L ：壽命(rev) C：動負荷(N) F ：軸向負荷(a N)

a b

F =F_m 無預壓時之軸向負荷(N)

a bm

F =F + 有預壓時之軸向負荷( ) p N

2.8 Fbm

p= 預壓力(N) 雙螺帽回轉壽命公式：

3/ 2

1 1

3

bm bm

F p F

p

⎛ ⎞

= ⎜ +

⎝ ⎠⎟ (2.4)

1

Fbm ：大螺帽軸向負荷(N)

3 6 1

1

10

bm

L C F

⎛ ⎞

= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.5)

L ：大螺帽回轉壽命(1 rpm)

2 1

bm bm bm

F =F −F (2.6)

2

Fbm ：小螺帽軸向負荷(N)

3 6 2

2

10

bm

L C F

⎛ ⎞

= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.7)

L ：小螺帽回轉壽命(2 rpm) 回轉次數轉換為小時公式：

h 60

av

L L

= n (2.8) L ：壽命(h hr)

小時轉換為運動距離公式：

5

6 10

h av d

L = L n l (2.9)

L ：壽命(d km) l：導程(mm)

經由壽命公式求出動負荷後選定其合適之滾珠導螺桿，再進一步進行挫屈負荷、

臨界轉速、剛性及預拉力之計算以得知滾珠導螺桿詳細資訊進行參考與核對，以下將 進行原因與公式之說明。

當滾珠螺桿的兩軸在靜態時程受軸向壓應力至一定程度時，會造成螺桿軸有嚴重 徑向變形的發生，易使該軸損壞，此時之軸向負載稱為挫屈負荷(Bucking Load)，其 公式如下：

4 2

3

2 2^r 10

p

t t

md N EI

F L L

=α π = (2.10)

：最大挫屈負荷(N) Fp

α：安全係數，α= 0.5

：楊氏系數

E

(

)

：軸承間距( mm ) Lt

：滾珠螺桿軸根徑斷面之二次力矩(mm )⁴ ， ⁴

64 ^r I ₌ π d

I

dr ：滾珠螺桿軸根徑(

， ：組裝係數，依其組裝方式之不同其係數如表 2-3 所示：

表 2-3 挫屈負荷組裝係數 組裝方式

mm ) m

N

m N

固定 固定- 5.1 1

固定-支撐 10.2 2

支撐-支撐 20.3 4

固定-自由 1.3 0.25

因本研究參考上銀科技之導螺桿技術型錄，因此(2.11)式經其推導成為下式：

4

40720 ^f2^r t k

F N d

L

⎛ ⎞

= ⎜⎜ ⎟⎟

⎝ ⎠ (2.11)

F ：挫屈負荷(k kgf )

Nf ：組裝係數，依其組裝方式如表 2-4 所示：

表 2-4 組裝係數

組裝方式 N_f

固定-固定 1.0

固定-支撐 0.5

支撐-支撐 0.25 固定-自由 0.0625

p 0.5 k

F = F (2.12) 隨著滾珠導螺桿轉速之提高，將會逐漸接近滾珠導螺桿的自然頻率，引起共振現 象而不能繼續轉動所以滾珠導螺桿之轉速，必須限制在共振點的臨界轉速(Critical speed)以下，以下為其公式：

2

7 2

60 10

2

r c

t t

d N EIg

L A L

α λ

π γ

= = f ₂ (min^-1) (2.13)

N ：臨界轉速(c rpm)

A ：滾珠導螺桿軸之斷面積(mm²) α：安全係數，α= 0.8

g ：重力加速度

(

)

f ，γ ：組裝係數，依其組裝方式其係數如表 2-5 所示：

表 2-5 臨界轉速組裝係數

組裝方式 f γ

固定-固定 21.9 4.73

固定-支撐 15.1 3.927

支撐-支撐 9.7 3.142

固定-自由 3.4 1.875

(2.14)式經上銀科技推導後如下式：

8

2.71 10 ^f2 ^r c

t

N M d

= × L (2.14)

：組裝係數，依其組裝方式如表 2-6 所示：

表 2-6 組裝係數 組裝方式

Mf

M_f

固定 固定- 1.0

固定-支撐 0.5

支撐-支撐 0.25 固定-自由 0.0625

p 0.8 c

N = N (2.15)

p：最大容許轉速( rpm )

2-7 2-8

N

計算出挫屈負荷與臨界轉速後經由表 及表 進行對照確認滾珠導螺桿其挫

屈負荷與臨界轉速是否符合其值，若不符合則重新挑選導螺桿。

表 2-7 挫屈負荷、組裝方式及安裝間距關係表

表 2-8 臨界轉速、組裝方式及安裝間距關係表

機密機械往往藉由精密滾珠導螺桿來進行定位、進刀、進給，因此除了滾珠導螺 桿本身之精度為決定因素外，剛性太低則會造成失位，進而影響整體系統之定位精度，

依此需將其剛性加以評估，且因進給系統的軸向剛性是包含支撐軸承及螺帽組裝在床 台之剛性，因此也要將支撐軸承剛性及螺帽剛性納入考量，而系統剛性為各元件剛性 倒數和之倒數，經由上銀科技的分析與歸納測試，其導螺桿總剛性可簡化為(2.17)式，

螺帽鋼性皆附於螺帽型錄規格中，計算出滾珠導螺桿剛性後與表 2-7 進行對照檢驗是 否符合所需。

1 1 1

bs s n

K = K +K (2.16) K ：導螺桿總剛性bs

( )

螺桿軸之剛性公式如下：

組裝形式為固定 固定時：-

2

67.4 ^r

s

t

K d

= L (2.17)

：導螺桿剛性

( )

Ks

2

16.8 ^r

s

t

K d

= L

組裝形式為固定-自由時： (2.18)

表 2-9 螺桿剛性表

由於螺桿軸會因運轉而升溫，由於熱應力效應的關係會使螺桿伸長，造成螺桿長 度不穩定而使定位精度下降，其伸長量可由(2.19)式求出，此伸長量可藉由預拉來做 誤差補償，避免因熱應力效應所引起溫度上升的影響有兩種作法：

(1) 將滾珠螺桿基準運行距離的目標值(T = LΔ )定為負值。

(2) 對螺桿軸施加預拉力。

但過大的預拉力會燒壞支撐軸承，在此通常採用升溫小於 5℃之預拉值，如(2.20) 式所示，且導螺桿直徑超過 50mm 時也不適合做預拉，導螺桿直徑越大需要越大的預 拉力，因此會導致支撐軸承過熱而燒壞，因此採用升溫補償值 T 作誤差補償值，對於 導螺桿的不同應用，需要不同的 T 值，因此需與導螺桿製造商進行確認。

11.6 10 6 _s

L ⁻ TL

Δ = × Δ (2.19) Δ ：導螺桿溫升而產生之伸長量(L mm)

Δ ：導螺桿溫升(℃) T L ：導螺桿總長(s mm)

f s

P =K ΔL (2.20)

K ：導螺桿剛性s

( )

Pf ：預拉力(N) Δ ：拉伸量( mL μ )

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。

表 2-10 線性滑軌設計步驟

步驟 設計條件 線性滑軌參數 公式

1 安裝形式 滑塊平均負荷(KN) (2.22)~(2.44) 2 預期壽命(km) 基本動額定負荷(KN) (2.45)(2.46) 3 基本動額定負荷(KN ) 預壓力(KN)

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：

，

1. 水平擺放

圖 2-3 線性滑軌水平擺放示意圖 滑塊個別負荷公式如下：

3 2

1

0 1

4 2 2

mg mg

p =mg + l − l

l l (2.21)

3 2

2

0 1

4 2 2

mg mg

p =mg − l − l

l l (2.22)

3 2

3

0 1

4 2 2

mg mg

p = mg− l + l

l l (2.23)

3 2

4

0 1

4 2 2

mg mg

p =mg + l + l

l l (2.24) p ：徑向負荷(n KN ) n=1 ~ 4

l ：滑塊至驅動源距離(n mm)n=0 ~ 3 m ：質量(kg)

g ：重力加速度

(

)

2. 水平懸臂擺放

圖 2-4 線性滑軌水平懸臂擺放示意圖

3 2

1

0 1

4 2 2

mg mg

p =mg + l + l

l l (2.25)

3 2

2

0 1

4 2 2

mg mg

p =mg − l + l

l l (2.26)

3 2

3

0 1

4 2 2

mg mg

p = mg− l − l

l l (2.27)

3 2

4

0 1

4 2 2

mg mg

p =mg + l − l

l l (2.28)

3. 橫向傾斜擺放

圖 2-5 線性滑軌橫向傾斜擺放示意圖

3 2

1

0 1

cos

cos sin

cos

4 2 2 2

mg

mg mg h

p mg ¹

1

θ

θ θ

= θ + l − l +

l l l ( 2 . 2 9 )

3 2

2

0 1

cos

cos sin

cos

4 2 2 2

mg

mg mg h

p mg ¹

1

θ

θ θ

= θ − l − l +

l l l ( 2 . 3 0 )

3 2

3

0 1

cos

cos sin

cos

4 2 2 2

mg

mg mg h

p mg ¹

1

θ

θ θ

= θ − l + l −

l l l ( 2 . 3 1 )

3 2

4

0 1

cos

cos sin

cos

4 2 2 2

mg

mg mg h

p mg ¹

1

θ

θ θ

= θ + l + l −

l l l ( 2 . 3 2 )

2

1 4

0

cos sin

4 2

T T

mg

p p mg θ θ

= = + l

l ( 2 . 3 3 )

2

2 3

0

cos sin

4 2

T T

mg

p p mg θ θ

= = − l

l ( 2 . 3 4 ) p ：橫向負荷(nT N) n=1 ~ 4

4. 慣性垂直擺放

圖 2-6 線性滑軌慣性垂直擺放示意圖

2

1 4

2 0

p = p = −mgl

l (2.35)

2

2 3

2 0

p = p = mgl

l (2.36)

3

1 4

2 0

T T

p = p =mgl

l (2.37)

3

2 3

2 0

T T

p = p = −mgl

l (2.38) 5. 掛壁擺放

圖 2-7 線性滑軌掛壁擺放示意圖

3

1 2

2 1

p p mg×

= = −

× l

l (2.39)

3

3 4

2 1

p p mg×

= =

× l

l (2.40)

2

1 4

4 2 0

T T

mg p = p =mg + ×

× l

l (2.41)

2

2 3

4 2 0

T T

mg p = p = mg− ×

× l

l (2.42) 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：

(

1 2

m 3

P = P + P

)

P ：平均負荷(m KN ) Pmin：最小負荷(KN) Pmax：最大負荷(KN)

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( )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

P

h 1

f = ，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：

t 1 f =

50 ^{h t}

w c

f f C L f P

⎛ ⎞

= ⎜

⎝ ⎠⎟ (2.44)

L ：壽命距離(km)

f ：硬度係數，h f 如表 2-11 所示。 _h f ：溫度係數，t f 如表 2-12 所示。 _t f ：負荷係數，w f 如表 2-13 所示。 _w P ：工作負荷 c

C：基本動額定負荷(KN)

表 2-11 硬度係數表

表 2-12 溫度係數表

表 2-13 負荷係數表

負荷狀況 使用速度 f _w

無出極力且平滑 V ≤15m/ min 1

微小衝擊力 15m/ min < ≤V 60m/ min 1.2 普通負荷力 60m/ min< ≤V 120m/ min 1.5 受衝擊力及振動 V <120m/ min 2.0

當線性滑軌的使用行程與往復次數為定值時，可將公式(2.45) 運動距離轉換為小時，

其公式如下：

103 h 60 L L

= V (2.45)

為提高線性滑軌之剛性及消除間隙，因此利用滾珠及滾珠軌道之間之負向間隙施

，用來提高線性滑軌剛性，其中預壓力可分為四種，線性滑軌每一系列提供 之預壓力等級與預壓力公式建議值皆有所不同，預壓力公式如下表：

表 2-14 線性滑軌系列預壓力公式表

QH 列 Q WE 系列 R

e

L ：壽命時間(h hr) V ：運行速率(_e m/ min)

與預壓力

系 E 系列 G 系列

線 軌 系 列 預 壓 力 等 級

性 滑

0.02C

無預壓 0.02C 0.02C

輕預壓 0.0 C 3 0.03C 0.02C

中預壓 0.05C 0.06C 0.06C 0.07C

重預壓 0.10C 0.12C

第三章 系統開發應用技術

如何能將知識工程(Knowledge-Based Engineering，KBE)工具與 CAD 系統有效結 合並以其為平台，實現智慧型設計、組裝、製造及維護等功能，為近年工業界所引頸 期盼的技術。此平台將根據產品模型，依照該產品所導入的知識進行計算分析，做出 設計決策，以人類的經驗與智慧來解決該領域技術的問題。

以下將針對 CAD、知識工程(KBE)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。

3.1 CAD 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:

Time(時間)：新產品的開發時間及上市時間。

Quality(品質)：高的產品品質。

Cost(成本)：較低的生產成本。

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 快速反應市場的需求，即大量客製化的設計[6,7,8]。

在 1997 年，Anderson 及 Pine[9]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，對於知識的整合來說，

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

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[10,11,12,13]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(Intance)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 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。

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利用，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，充份利用各種實踐經驗、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。

3.3 KBE 系統設計方法

本節根據[14,15,16]參考文獻，以下作重點整理。在傳統的設計過程中，設計過 程完全以設計者為中心，重覆性的設計任務須要設計人員完成，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 3-3 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。

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 AutoCAD 的 AutoLISP，NX 的 NX/O 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。

PEN，

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，

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 Jave 語言的 JESS 工具在該領域以有成功的應用，證明中性數據通訊方案的可行 性。

3.4 AutoCAD 二次開發工具簡介

AutoLISP 是 AutoCAD 軟體給用戶或者是第三方開發人員所提供的二次開發環境，

利用此開發環境用戶可以對 AutoCAD 系統進行客製化的開發及設計，透過交談式 (interactive)的操作環境，可直接於指令欄上執行程式，可依照用戶所需要融合知識自 行定義系統規則，滿足用戶廣泛的需求。

AutoCAD/AutoLISP 主要有以下幾個部份所構成：

AutoLISP 是 AutoCAD 系統內建之二次開發語言，以 LISP(List Processing)語言為 主要架構，AutoLISP 其功能為擴充及客製化 AutoCAD 系統的程式語言，其優點如下：

1. AutoLISP 語法簡單易學，為直譯式程式，不需再作編譯。

2. 橫跨各作業平台，不需進行改寫即可使用。

言，

3. AutoLISP 可直接呼叫並執行 AutoCAD 指令，因此其程式設計相當靈活多變。

DCL(Dialogue Control Language)語言為 AutoCAD 內建之對話框之開發控制語 其生產之對話框可與 AutoLISP 整合運用，讓使用者在對話框直接輸入參數和 AutoLISP 進行交互操作達到參數化繪圖之目的。

本研究將以 AutoLISP 進行開發，AutoLISP 其跨平台、易學等特性對於現今產品 設計週期越來越短與分工細膩的的趨勢下，AutoLISP 有著極大的優勢。

第四章 系統建構

傳動元件自動繪圖系統是架構在 AutoCAD 軟體上進行開發，透過 KBE 系統將專 家經驗融入系統中，將各種滾珠導螺桿及線性滑軌的的幾何數據知識與設計經驗收集 建檔；並加以理解、歸納與描述後建構一個可重復使用的知識庫，滾珠導螺桿及線性 滑軌，皆可在操作過程中詳細記錄、收集的專家經驗，可以用來再重用以針對每個細 部調整出同素異構體史系統更加龐大，行成知識的堆疊，設計工程師可以依照需求找 出類似工作環境與專案的澆口滾珠導螺桿及線性滑軌進行變更，免除設計時間的浪費，

與減少人為設計之失誤。

、

在系統的規劃上分成滾珠導螺桿及線性滑軌系統兩個子系統，採用相同的技術進 行整合不同的建構知識，兩個子系統分別整合了滾珠導螺桿及線性滑軌的建構知識。

配合不同的工作環境兩種系統皆有其規則可進行最佳的設計方式，因此將個別方式之 滾珠導螺桿及線性滑軌的設計變更融合其生產規則知識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滾珠導螺桿及線性滑軌方案，因此利用

AutoCAD/AutoLISP 的開發環境下開發此系統希望能進行獲取並整合相關的滾珠導螺 桿及線性滑軌之設計知識以產生完整設計的 KBE 系統。

4.1 系統架構

滾珠導螺桿及線性滑軌主要是由對話框、知識工程及幾何設計所構成。為解決設 計知識與經驗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 AutoCAD 作為 CAD 系統平台，在此系統下應用 AutoCAD/AutoLISP 的二次開發軟體做為系統開發的主體 架構。

系 統 介 面

AutoCAD系統

數據庫

1.滾珠導螺桿數據 2.線性滑軌數據 3.歷史成品數據

圖庫

1.滾珠導螺桿圖庫 2.線性滑軌圖庫 3.滾珠軸承圖庫 滾珠導螺桿設計

線性滑軌設計

其他應用程式 工程圖及相關輸出

報表系統 滾珠導螺桿及線性 滑軌自動繪圖系統

使用者

圖 4-1 基本架構圖

系統介面為整個系統的操作介面用於建立使用者與 AutoCAD/AutoLISP 軟體之間 的關係，對滾珠導螺桿與線性滑軌 CAD / KBE 系統的設計開發設計進行管理，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自動化繪 圖系統。以下對各個子系統進行說明：

1. 系統介面: 此功能是將使用者與系統核心連接，以對話框方式與使用者互動，以 進行滾珠導螺桿與線性滑軌的設計與開發。

2. 滾珠導螺桿自動繪圖系統: 此一系統提供使用者較大的滾珠導螺桿設計彈性，以 針對實際的需求進行工作環境之設置以選擇適合之滾珠導螺桿。

3. 線性滑軌自動繪圖系統：此一系統提供使用者較大的線性滑軌的設計彈性，以針 對實際的需求進行工作環境之設置，進而選擇合適之線性滑軌。

4. 圖庫: 圖庫用以儲存系統所需的各式圖型，以參數化的方式定義圖形各部位尺 寸。

5. 數據庫: 數據庫用於存放系統內的各種數據。

系統依照其功能目的的不同分成兩個部分，如圖 4-2 所示，第一部分為滾珠導螺 桿的自動繪圖系統；第二部分則為線性滑軌的自動繪圖系統，在設計完成時進行滾珠 導螺桿、線性滑軌相關資料的輸出以獲得設計之參考資料，並且獲取相關設計知識，

圖 4-2 之系統架構圖以簡化表示，其細節將在後續章節詳細敘述各部分之內容。

藉 改變對話框中的參數快速的建構滾珠導螺桿、線性滑軌之自動繪圖系統。

圖 4-2 系統架構圖

本研究使用 AutoCAD 軟體平台的二次開發語言 AutoLISP 作為建立滾珠導螺桿、

線性滑軌的專業 CAD 自動繪圖系統，並使用了 DCL 語言編寫對話框，設計人員可 由

4.2 滾珠導螺桿自動繪圖系統

滾珠導螺桿自動繪圖系統其流程如下圖 4-3 所示，本研究之滾珠導螺桿形式依照 上銀科技之滾珠導螺桿型錄進行設計。

圖 4-3 滾珠導螺桿自動繪圖系統流程圖

滾珠導螺桿自動繪圖之流程於開始時輸入設計參數，如：滾珠導螺桿系列、導程、

有無預壓、支撐方式 負載條件、升溫值、滾珠導螺桿最大行程及總長等設計參數依

序代入公式 求出由使用者輸入之設計參數計算出來之動負荷，並讀取滾珠

、 (2.1)~(2.9)

導螺桿 EXCEL 型錄中之動負荷進行篩選，選出動負荷值大於使用者輸入之設計參數 所求出之值且其動負荷值最為接近之導螺桿型號，並讀取型錄中之幾何數據進行滾珠 導螺桿之工程圖及組合圖之建置，並可輸出利用公式(2.10)~(2.20)算出之臨界轉速、

挫屈負荷、預拉力、升溫補償值、配套之軸承等滾珠導螺桿重要參數，以提供給設計 程師進行參考及進行下一步驟之設計。

.3 線性滑軌自動繪圖系統

如圖 4-4 所示，本研究之滾珠導螺桿形式依照上銀科技 之線性滑軌型錄進行設計。

工

4

線性滑軌自動繪圖系統流程圖

圖 4-4 線性滑軌自動繪圖系統流程圖

線性滑軌自動繪圖之流程輸入所需之設計參數，如：線性滑軌系列、負載條件、

安裝方式等設計參數依序代入公式(2.22)~(2.46) ，求出由使用者輸入之設計參數計算 出來之動負荷，並讀取線性滑軌 EXCEL 型錄中之動負荷進行篩選，選出動負荷值大 於使用者輸入之設計參數所求出之值且其動負荷值最為接近之線性滑軌型號，並讀取 型錄中之幾何數據進行線性滑軌之工程圖及組合圖之建置。

4.4 系統主要功能與技術

系統中除了透過滾珠導螺桿與線性滑軌的設計原理進行工程圖及組合圖之繪製 外也需配合工程圖進行圖面比例之設置，及參數之匯出與匯入以達到知識之再利用，

由於這些技術皆會進行使用，因此在此提出進行說明，其中包含工程圖比例自動判斷 與知識儲存再利用。

在繪製平面製圖中常須進行標註及標明圖面比例，以了解設備零件之實際大小以 進行裝配或製造，其中標註在工程圖中是非常重要但進行標註之過程枯燥乏味，因此 常因人為失誤造成標註之錯誤，造成現場組裝與製造人員之困擾進而生產出與產品規 格不符之產品，在本系統中將產品中之重要標註、經驗與習慣寫入程式中，並且在輸 出工程圖時也一併進行標註，以減少人為失誤之影響，而圖面比例之調控則是將圖面 比例設定之經驗與規則進行整理與歸納後建置在系統中，減低人為因素之錯誤判斷，

並且建立其標準，而圖面比例之判斷規則為抓取圖面上 X 軸與 Y 軸之距離最遠之兩 端點，判斷 X 軸與 Y 軸之長度，再依規則之設定進行圖面比例之調控，其中圖面比 例進行變動後其標註之文字與數字之位置與大小皆會依照寫入程式之中的繪圖經驗 進行自動化的調控。

本系統透過 KBE 原理之設計概念將滾珠導螺桿與線性滑軌之設計原理程式化，

透過程式之運算規則與判斷機制進行型號的選取及快速繪圖，且為了達到知識之儲存 在系統對話框添加輸出 Excel 按鈕，在繪製完成後透過 Excel 匯出資料並儲存下來，

，

這些數據裡面包含了可供後續參考使用之設計參數，可加快整體設計流程效率並可避 免資料遺失或輸入錯誤之情形發生，此種將設計參數儲存至 Excel 來構成本系統的資 料庫而形成完整之 KBE 系統，即為知識的儲存，當使用者將設計參數輸入對話框後 經過運算可得到導螺桿型號，相關設計資訊皆由輸出 Excel 按鈕將相關設計參數輸 出。

第五章 系統驗證

本研究所開發之傳動元件專業 CAD/KBE 自動繪圖系統可快速選用滾珠導螺桿 與線性滑軌型號並進行自動繪製與設計參數之輸出。

5.1 滾珠導螺桿自動繪圖系統驗證案例(一)

本節將透過本研究所開發之滾珠導螺桿自動繪圖系統透過調用滾珠導螺桿型錄 Excel 資料庫來選取並繪製一個滾珠導螺桿組合圖、工程圖及輸出其相關設計參數，

以展示系統的可用性，如圖 5-1 所示，此系統依照其設計時之操作流程依序在對話框 中輸入設計參數，如圖 5-2 所示。

圖 5-1 滾珠導螺桿型錄資料庫

圖 5-2 案例一之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框

完成設定參數後按下確定鈕將移至另一對話框進行型號選擇、是否輸出組合圖、

工程圖、及設計參數報表之輸出，如圖 5-3 所示。

圖 5-3 案例一之型號選擇對話框

選擇完型號後，便可進行組合圖、工程圖及設計參數報表之放置與輸出，如圖 5-4、圖 5-5、圖 5-6 所示，圖 5-4 為組合圖輸出示意圖，其裝配方式由圖 5-2 在輸入 設計參數時所選定的裝配方式版案例中其裝配方式設定為固定-固定型式，圖 5-5 為 其案例一之工程圖，圖 5-6 為其設計參數之 Excel 輸出表，其設計資料可供設計師進 一步設計時之參考與使用，並且依照滾珠導螺桿之大小選定符合之滾珠軸承進行裝配 在此得之選定之滾珠導螺桿型號為 63-10T6，與其配合之軸承型號為 6310。

，

圖 5-4 案例一之組合圖輸出示意圖

圖 5-5 案例一之工程圖輸出示意圖

圖 5-6 案例一之設計參數 Excel 輸出表

在此其圖面比例會因繪圖之經驗與規則經由圖面資訊進行自動判斷，本案例之比 例為 1 比 2.5，將會在案例二進行對照。

5.2 滾珠導螺桿自動繪圖系統驗證案例(二)

本節將透過本研究所開發之滾珠導螺桿自動繪圖系統來選取並繪製一個滾珠導 螺桿組合圖、工程圖及輸出其相關設計參數，以展示系統的可用性，此案例將與案例 一進行對照，如圖 5-7 所示。

圖 5-7 案例二之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框

完成設定參數後按下確定鈕將移至另一對話框進行型號選擇、是否輸出組合圖、

工程圖、及設計參數報表之輸出，如圖 5-8 所示。

圖 5-8 案例二之型錄對話框

滾珠導螺桿之篩選主要由滾珠導螺桿動負荷決定，本系統則是求出其大於設計條 件所求得之動負荷其最接近型號的動負荷，為避免型號之動負荷比設計條件之動負荷 過大，造成成本增加，因此可藉由調控動負荷誤差範圍 5%至 20%避免選取至超過設 計條件所求出之動負荷太多的型號造成設計成本增加，本案例經由篩選有兩種型號符 合結果，其中依照順序排列排列越靠後其動負荷差值越大，其資料也會存於設計參數

Excel 輸出表，如圖 5-11 所示，在此經由設定之設計參數求得所需滾珠導螺桿型錄為 63-6T4，軸承型號為 6310。

圖 5-9 案例二之組合圖輸出示意圖

圖 5-10 案例二之工程圖輸出示意圖

圖 5-11 案例二之設計參數 Excel 輸出表

在此案例中由於圖面資訊之不同，經由寫入本系統之繪圖經驗及其規則判斷，將 本案例之圖面比例進行調控成 1 比 2 之比例。

5.3 滾珠導螺桿自動繪圖系統驗證案例(三)

本節透過調控導螺桿導程、負載條件參數、滾珠導螺桿行程及總長進而選擇其滾 珠導螺桿型號並繪製工程圖、組合圖及報表輸出，如圖 5-12 所示。

圖 5-12 案例三之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框

完成設定參數後按下確定鈕將移至另一對話框進行型號選擇、是否輸出組合圖、

工程圖、及設計參數報表之輸出，如圖 5-13 所示。

圖 5-13 案例三之型錄對話框

選擇完型號後，便可進行組合圖、工程圖及設計參數報表之放置與輸出，如圖 5-14、圖 5-15、圖 5-16 所示，圖 5-14 為組合圖輸出示意圖，其裝配方式由圖 5-12 在 輸入設計參數時所選定的裝配方式版案例中其裝配方式設定為支撐-支撐型式，圖 5-15 為案例三之工程圖，圖 5-16 為其設計參數之 Excel 輸出表，其設計資料可供設

計師進一步設計時之參考與使用，並且依照滾珠導螺桿之大小選定符合之滾珠軸承進 行裝配，在此得之選定之滾珠導螺桿型號為 25-5T4，與其配合之軸承型號為 6206。

圖 5-14 案例三之組合圖

圖 5-15 案例三之工程圖

圖 5-16 案例三之設計參數 Excel 輸出表

5.4 滾珠導螺桿自動繪圖系統驗證案例(四)

本節透過調控導螺桿導程、負載條件參數、滾珠導螺桿行程及總長進而選擇其滾 珠導螺桿型號並繪製工程圖、組合圖及報表輸出，所設定之設計參數如圖 5-17 所示。

圖 5-17 案例四之滾珠導螺桿自動繪圖系統對話框

完成設定參數後按下確定鈕將移至另一對話框進行型號選擇、是否輸出組合圖、

工程圖、及設計參數報表之輸出，如圖 5-18 所示。

圖 5-18 案例四之型錄對話框

選擇完型號後，便可進行組合圖、工程圖及設計參數報表之放置與輸出，如圖 5-19、圖 5-20、圖 5-21 所示，圖 5-19 為組合圖輸出示意圖，其裝配方式由圖 5-20 在 輸入設計參數時所選定的裝配方式版案例中其裝配方式設定為固定-自由型式，圖 5-20 為案例四之工程圖，圖 5-21 為其設計參數之 Excel 輸出表，其設計資料可供設 計師進一步設計時之參考與使用，並且依照滾珠導螺桿之大小選定符合之滾珠軸承進 行裝配，在此得之選定之滾珠導螺桿型號為 25-6T4，與其配合之軸承型號為 6206。

圖 5-19 案例四之組合圖

圖 5-20 案例四之工程圖

圖 5-21 案例四之設計參數 Excel 輸出表

5.5 線性滑軌自動繪圖系統驗證案例(五)

本節透過調控線性滑軌與滑塊形式、作用力、線性滑軌行程、滑塊個數及滑軌及 滑塊間距進而選擇其滾珠導螺桿型號並繪製工程圖、組合圖及報表輸出，所設定之設 計參數如圖 5-17 所示。

圖 5-22 案例五之線性滑軌自動繪圖系統對話框

完成設定參數後按下執行運算鈕後進行型號之選定，接下來便可進行工程圖組合 圖及 Excel 報表之輸出，其中如圖 5-23、圖 5-24、圖 5-25 所示。

圖 5-23 案例五之組合圖

圖 5-24 案例五之工程圖

圖 5-25 案例五之設計參數 Excel 輸出表

5.6 線性滑軌自動繪圖系統驗證案例(六)

本節透過調控線性滑軌與滑塊形式、作用力、線性滑軌行程、滑塊個數及滑軌及 滑塊間距進而選擇其滾珠導螺桿型號並繪製工程圖、組合圖及報表輸出，所設定之設 計參數如圖 5-26 所示。

圖 5-26 案例六之線性滑軌自動繪圖系統對話框

完成設定參數後按下執行運算鈕後進行型號之選定，接下來便可進行工程圖組合 圖及 Excel 報表之輸出，其中如圖 5-27、圖 5-28、圖 5-29 所示。

圖 5-27 案例六之組合圖

其中其圖面比例會因繪圖之經驗與規則經由圖面資訊進行自動判斷，本案例之比 例為 1 比 1.5。

圖 5-28 案例六之工程圖

圖 5-29 案例六之設計參數 Excel 輸出表

第六章 結論

本文以傳動元件選用與自動繪圖為研究對象，使用 AutoCAD 軟體為 CAD 系統，

並應用該平台的二次開發工具 AutoLISP 語言，開發以知識工程為基礎，簡化傳動元 件設計流程為目標，結合自動繪製工程圖、組合圖、產品參數化建模和數據庫連結的

「傳動元件專業 CAD/KBE 自動繪圖系統」。由於傳動元件系統是以繁複的設計步驟 與流程進行設計，並且在設計的過程中過度依賴設計人員的設計經驗，若因人為疏失 造成設計錯誤，便會浪費時間與成本，因此解決此類問題，本研究開發了傳動元件專 業 CAD/KBE 自動繪圖系統，並獲得了初步的研究成果，如下所示：

1. 依照滾珠導螺桿設計原理，且在圖面與資料輸出的配置與生產上的需求等對滾珠 導螺桿與線性滑軌進行整理及歸納。

2. 應用知識工程技術，並藉由 CAD 模型、約束條件、設計規則及產品外部資料來實 現此傳動元件的設計知識。

3. 實現 CAD 系統與 Excel 表格文件的直接連結，透過建立表中數據與幾何參數的連 結，從而實現表格驅動幾何模型和知識庫的重用。