修平科技大學機械工程學系

實務專題論文

工具機主軸靜態剛性量測夾治具

設計製作與量測

指導教授： 周志忠

班 級： 四機三甲

組 長： 陳亞新 BA102055

組 員： 劉冠奇 BA102023

孫國修 BA102082

中華民國一○五年六月十五日

I

摘 要

本專題研究配合亞崴機器工業股份有限公司合作研究 CNC 銑床之主軸靜

剛性量測，檢驗規範參照精密機械發展協會工具機檢驗細則中銑床之靜剛性

測試標準，並以此規範設計出適合床台使用的量具夾治具。在已往對於主軸

的設計分析， 常根據組立圖主軸的配置，建立分析模型，將主軸的軸承模擬

成一彈簧，並依軸承公司推薦的軸承剛性值，來給予分析模型彈簧剛性。這

種忽略軸承裝配剛性的作法，造成了設計與分析出的主軸剛性與實際的不同。

當設計人員制定機械規 格，需要更精確的機械剛性數據；或者客戶要買機器，

想知道更明確的切削能力時，分析所得出的主軸單元理論剛性，只是參考值

而很難給予正確答案。須知，CNC 銑床面臨的加工條件各式各樣，所需依附

之機械設計規格、裝配限制條件也因此而不同，單純的主軸靜剛性分析，便

會與實際脫節，難達實用目的。

基於上述理由，主軸靜剛性之分析，便顯得非常重要。本研究將設計製

作出主軸靜剛性量測夾治具，並量測主軸靜剛性，記錄其量測數據。

II

致 謝

感謝周志忠老師鼎力幫忙，願意出借壓力計給我們，還租借教室給我們

使用，並在碰到問題的時候都能夠適時的幫助我們，也感謝各位同學，雖然

不是同一個專題得組員，不過遇到問題時大家都會互相幫忙解決，也感謝同

學家長們願意出借工廠讓我們有地方加工，最後在感謝亞崴機械股份有限公

司願意提供讓我們參考、實驗，沒有這些人的幫助，是沒辦法完成這個專題

的，謝謝各位。

III

目 錄`

摘 要 .............................................................................................................................. I

致 謝 ............................................................................................................................. II

目 錄 ........................................................................................................................... III

圖目錄 ........................................................................................................................... V

表目錄 ........................................................................................................................ VII

第一章 緒論 ........................................................................................................... 1

1.1 前言 ........................................................................................................... 1

1.2 研究動機 ................................................................................................... 1

1.3 研究方向 ................................................................................................... 1

1.4 研究目的 ................................................................................................... 1

1.5 時間進度管制 ........................................................................................... 7

1.6 工作分配 ................................................................................................... 8

第二章 工作原理 ................................................................................................... 4

2.1 靜剛性 ....................................................................................................... 4

2.2 靜剛性量測 ............................................................................................... 4

第三章 實驗設備 ................................................................................................... 5

3.1 使用器具 ................................................................................................. 10

3.2 量測儀器 ................................................................................................. 11

3.3 夾治具設計圖 ......................................................................................... 13

3.4 夾治具製作過程 ..................................................................................... 20

第四章 實驗過程 ................................................................................................. 23

4.1 夾治具製作過程 ..................................................................................... 28

4.2 夾治具製作過程 ..................................................................................... 30

4.3 夾治具製作過程 ..................................................................................... 31

第五章 結果與討論 ............................................................................................. 28

5.1 檢討 ......................................................................................................... 28

5.2 結論 ......................................................................................................... 34

IV

參考文獻 ..................................................................................................................... 30

附錄 ............................................................................................................................. 30

V

圖目錄

圖 1.5.1 計畫進度管制圖.................................................................................... 2

圖 2.2.1 主軸靜剛性量測示意圖 ....................................................................... 4

圖 3.2.1 JIHSENSE- S LOAD CELL-S2T .............................................................. 8

圖 3.2.2 J JIHSENSE- S LOAD CELL-S2T 規格表 .............................................. 8

圖 3.2.3 JS300荷重顯示控制器 ...................................................................... 82

圖 3.2.4 JS300荷重顯示控制器規格表 ............................................................ 8

圖 3.3.1 主軸承靠螺絲 ....................................................................................... 9

圖 3.3.2 壓力計 ................................................................................................... 9

圖 3.3.3 連接螺桿 ............................................................................................... 9

圖 3.3.4 連接軸 ................................................................................................... 9

圖 3.3.5 連接螺桿及連接軸之內螺絲 ............................................................... 9

圖 3.3.6 螺桿及連接軸之墊片 ........................................................................... 9

圖 3.3.7 手搖握柄 ............................................................................................... 9

圖 3.3.8 螺桿 ....................................................................................................... 9

圖 3.3.9 千斤頂之內螺紋 ................................................................................... 9

圖 3.3.10 千斤頂之本體 ....................................................................................... 9

圖 3.3.11 底板 ....................................................................................................... 9

圖 3.3.12 組合圖 ................................................................................................... 9

圖 3.3.13 成品展示圖 ........................................................................................... 9

圖 3.4.1 千斤頂主體切削 ................................................................................. 20

圖 3.4.2 螺桿切削 ............................................................................................. 20

圖 3.4.3 螺桿連接連接座之內螺紋鑽孔 ......................................................... 21

圖 3.4.4 螺桿連接連接座之內螺紋攻牙 ......................................................... 21

圖 3.4.5 連接座切削 ......................................................................................... 17

圖 3.4.6 連接座之攻牙 ..................................................................................... 17

圖 3.4.7 主軸承靠部之切削 ............................................................................. 19

圖 3.4.8 手搖柄切削 ......................................................................................... 19

VI

圖 3.4.9 主體與底板焊接 ................................................................................. 19

圖 3.4.10 螺桿焊接 ............................................................................................. 19

圖 3.4.11 螺桿之手搖柄孔鑽孔 ......................................................................... 20

圖 3.4.12 底座鑽孔 ............................................................................................. 20

圖 3.4.13 噴漆施工 ............................................................................................. 20

圖 3.4.14 成品展示 ............................................................................................. 22

圖 4.1.1 軸向之靜剛性量測 ............................................................................. 23

圖 4.1.2 徑向之靜剛性量測 ............................................................................. 24

圖 4.3.1 軸向之剛性曲線 ................................................................................. 27

圖 4.3.2 徑向之剛性曲線 .............................................. 錯誤! 尚未定義書籤。

VII

表目錄

表 4.2.1 功率與荷重對照表 ........................................................................... 30

表 4.3.1 軸向之量測數據 ............................................................................... 31

表 4.3.1 徑向之量測數據 ............................................................................... 31

1

第一章 緒論

1.1 前言

本專題配合亞崴機械工業股份有限公司，以 CNC 銑床為主進行主剛性量測治

具的設計及製作，並且量測及記錄其數據。

1.2 研究動機

工具機的靜剛性性能與加工精度息息相關，其中剛性的影響與加工精度有極

大的關係，而工具機因數個組件結合，導致間隙及慣性加大，系統剛性提高不易，

高精度要求也相對困難。所以在切削時，主軸剛性就顯得特別重要，因此，為了

研究主軸受應力之變形，我們得設計出一套專門量測主軸之剛性的夾治具。

1.3 研究方向

請為了要達到高精度，本專題製作將以工具機靜剛性量測規範為基準來設計、

製造工具機主軸靜剛性的量測夾治具，並量測分析主軸剛性之變形。

1.4 研究目的

1. 了解主軸靜剛性對機床性能的重要性。

2. 設計出一套量測主軸靜剛性的夾治具。

3. 探討主軸之量測之靜剛性數值。

2

1.5 時間進度管制

剛開專題研究時，大家都摸不著頭緒，大部分的時間都花在資料收集及研究

上，之後經過組員的努力及老師的開導，我們邁入了夾治具設計的階段，接下來

設計完以後就輪到製作夾治具的部分了，製作完之後發現有許多地方需要修改，

花了點時間在設計變更及成品修改上，之後修改完解決問題就邁向實測的部分，

最後如預期時間完成。

月 次

工作項目

第

1

月

第

2

月

第

3

月

第

4

月

第

5

月

第

6

月

第

7

月

第

8

月

第

9

月

第

10

月

第

11

月

第

12

月

備

註

1.資料收集及研究

2.夾治具設計

3.夾治具製作

4.實測、研究

5.修改設計

6.修改夾治具

7.實驗設備安裝與測

試

8.靜剛性量測

9.實驗與計算數值之

整理、分析與比較

10.結案報告撰寫與製

作

預定進度累計百分比 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 85% 95% 100%

預定進度 實際進度

圖 1.5.1 計畫進度管制圖

3

1.6 工作分配

陳亞新:車床、洗床、鑽床操作、焊接、材料蒐集、實務量測、廠商接洽、

論文修改

劉冠奇: 車床、洗床、鑽床操作、焊接、材料蒐集、實務量測、廠商接洽、

論文修改

孫國修: 車床、洗床、鑽床操作、焊接、材料蒐集、實務量測、廠商接洽、

論文修改

4

第二章 工作原理

2.1 靜剛性

主軸靜剛性是指主軸抵抗(靜態)外力變形能力，為評估主軸結構系統性

能表現的重點；主軸靜剛性定義為使主軸產生單位變形量所需之力量值

(kg/mm)。

2.2 靜剛性量測

對於主軸軸承靜剛性的量測，係利用施立之治具模擬靜態力，以位移計

量取相對變形，並同時記錄測力計與位移計之讀數，所得知機台的受力、變

形曲線或靜剛性資料。

圖2.2.1 主軸靜剛性量測示意圖

5

第三章 實驗設備

3.1 使用器具 要量測主軸靜剛性，需要一施力機構、千分表以及測力計，分別對徑向及軸

向施力以模擬靜態力；本專題設計一施力機構及測力計之夾治具，配合亞崴機械

實施主軸之靜剛性之量測，使用到的設備有車床、铣床、鑽床和電焊機、攻牙工

具組，以下為設備之介紹及用途。

車床 用於千斤頂本體、螺桿、螺紋、鑽孔的加

工。

铣床 用於承靠部螺絲之加工。

鑽床 用於螺桿、底板之鑽孔加工。

攻牙工具

組

用於螺桿與連接部位之螺紋。

電焊機 主要用於千斤頂本體以及螺桿之加工

6

3.2 量測儀器

JIHSENSE- S Load cell-S2T

圖3.2.1 JIHSENSE- S Load cell-S2T

本 S 型荷重元(S Load cell)系最常用的荷重元，最大荷重為 2000KG，由於固定

點與施力點在同一軸線上，安裝容易並且體積小， 成本較低；本型荷重元本體

採用高強度合金剛並以完全密封方式保護感應元件，因此非常精確耐用； 特別

適用於吊秤、精確重量、力量量測及自動控制上，具以下之特點：體積小、密封

保護、拉壓雙向、高精度、溫度變化補償。

圖3.2.2 JIHSENSE- S Load cell-S2T 規格表

7

JS300 荷重顯示控制器

圖3.2.3 JS300荷重顯示控制器

JS-300 係高功能、高精度荷重顯示器，本顯示器針對應變規式感測器而設計，有

絕佳之穩定性，採用快速類比數位轉換器，及高接數位濾波器,取樣速度最快可

達每秒 500 次；內部解析度高達 50 萬，顯示解析度最高可達 2 萬，具 5 位數 LED

顯示螢幕，有 10 個指示燈，隨時顯示其工作狀態，特別設計的高點保持及自動

復歸功能，使量測自動循環起動,並具備 5 種常用之單位轉換，類比及數位輸出

介面，易於與電腦或 PLC 連線。

圖3.2.4 JS300荷重顯示控制器

8

3.3 夾治具設計圖

圖3.3.1 主軸承靠螺絲

圖3.3.2 壓力計

9

圖3.3.3 連接螺桿

圖3.3.4 連接軸

10

圖3.3.5 連接螺桿及連接軸之內螺絲

圖3.3.6 螺桿及連接軸之墊片

11

圖3.3.7 手搖握柄

圖3.3.8 螺桿

12

圖3.3.9 千斤頂之內螺紋

圖3.3.10 千斤頂之本體

13

圖3.3.11 底板

圖3.3.12 組合圖

14

圖3.3.13 成品展示圖

15

3.4 夾治具製作過程

圖3.4.1 千斤頂主體切削

圖3.4.2 螺桿切削

16

圖3.4.3 螺桿連接連接座之內螺紋鑽孔

圖3.4.4 螺桿連接連接座之內螺紋攻牙

17

圖3.4.5 連接座切削

圖3.4.6 連接座之攻牙

18

圖3.4.7 主軸承靠部之切削

圖3.4.8 手搖柄切削

19

圖3.4.9 主體與底板焊接

圖3.4.10 螺桿焊接

20

圖3.4.11 螺桿之手搖柄孔鑽孔

圖3.4.12 底座鑽孔

21

圖3.4.13 噴漆施工

22

圖3.4.14 成品展示

23

第四章 實驗過程

4.1.1 靜剛性量測

靜剛性之量測:將千斤頂至於工作檯一剛性平面上，量表架設於主軸上，對

主軸往上施力，以壓力計量測每一階段主軸變形量並記錄當前之施力之數值。

圖4.1.1 軸向之靜剛性量測

24

圖4.1.2 徑向之靜剛性量測

25

4.2 量測依據

主軸靜態剛性測試，依其功率決定最大測試荷重(JIS 6338)

主軸馬達功率(KW) 荷重

KN Kgf

2.2 0.9 92

3.7 1.6 163.

5.5 2.4 245

7.5 3.3 326

11 4.7 479

15 6.4 653

18.5 80 815

18.5 8.0 815

22 9.2 938

30 13.0 1326

表4.2.1 功率與荷重對照表

26

4.3 量測數據

靜態剛性:荷重由零逐次遞增至最大負荷，再由最大負荷逐次遞 減至零

負荷，分別對軸向與徑向進行測試。

徑向

變位

施力

Kg

鬆力

Kg

1um 51 23

2um 74 34

3um 99 64

4um 112 82

5um 155 115

6um 189 163

7um 227 187

8um 271 271

表4.3.1 徑向之量測數據

軸向

變位

施力

Kg

鬆力

Kg

1um 61 35

2um 88 42

3um 104 70

4um 120 99

5um 160 131

6um 198 175

7um 246 203

8um 293 293

表4.3.2 軸向之量測數

27

圖4.3.1 徑向之剛性曲線

圖4.3.2 軸向之剛性曲線

進行主軸靜剛性試驗時，施力與鬆力的線形路徑並不一致，這是所謂”

遲滯現象”。

28

第五章 結果與討論

5.1 檢討

剛開始製作的時候千斤頂規格太長了，經過試驗後發現超出切削中心機的最

大行程，所以只好整組拆掉來修改長度，第二次的成品發現在使用時，壓力

器的連接器設計不良，會使壓力計在千斤頂軸承頂出時跟著旋轉，所以只好

改成另一種設計，提供更高的剛性，在施力時也不會帶動壓力計，修改完了

要實際上機量測時才發現找不到適合的量測點，所以只好再更變底板的設計，

配合工具機台，才有辦法固定在機台的剛性表面上，最後再為改善千斤頂外

觀，噴上白色的噴漆；這次的專題花掉了太多的時間在修改設計上，一直在

製作途中修改零件的設計，浪費的很多材料以及時間，並且在加工精度上還

有待改善，為了達到更高的量測準確性，在材料的選擇上也還有改善空間，

如果能夠達更高的準確性，相信對於亞崴機械來說，透過量測出來的數據可

以有利於做後續評估的主要依據，並透過量測紀錄之數據來做最佳化 的改

善進而讓主軸精度提高之落實，對工具機的性能的理解會有更多的幫助。

29

5.2 結論

本專題所量測出之主軸靜剛性對於工具機來說是一項很重要的數據，主

軸的剛性對於一客戶來說，客戶必須明白這台機器能夠哪種種類及哪種程度

的加工，這樣才能符合客戶加工的需求；製作這具夾治具花了很多時間也遇

到了許多的問題，雖然在做的過程中難免會遭遇到瓶頸，但在指導老師的建

議之下，一點一滴的修改錯誤中學習改進，直到最後終於完成本次的專題作

品，不過我們也學到了很多東西，這些東西是無可取代的，非常感謝大家的

合作及努力，以及老師的幫助，讓我們感到非常的有成就。

30

參考文獻

1. 東培工業股份有限公司(TPI)，精密滾動軸承

http://www.tpi.tw/upload/2013/09/20130916115242.pdf

2. 工具機主軸靜剛性分析與測試之整合-www.tool-to

http://beeway.pixnet.net/blog/post/25199095-%E5%B7%A5%E5%85%B7%E6%

A9%9F%E4%B8%BB%E8%BB%B8%E9%9D%9C%E5%89%9B%E6%80%A7

%E5%88%86%E6%9E%90%E8%88%87%E6%B8%AC%E8%A9%A6%E4%B9

%8B%E6%95%B4%E5%90%88-www.tool-to

3. 紀華偉(2014) 大葉大學機械與自動化工程學系，工具機系統設計與分析 主

軸系統(三) 分析與檢測

http://dmlab.nchu.edu.tw/IMT/uiyroijdfliliilllisdsalidliaygjhbksja/teach/102%E4%

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31

附錄

公司簡介

[ 公司名稱 ] : 亞崴機電股份有限公司

[成立日期] : 1986 年 7 月 1 日

公司類別 : 股票上市公司

資本額 : 919,944,490 元 ( 2014.06.26 )

廠房佔地 : 新竹廠 26,000 平方公尺

員工人數 : 480 人

董事長 : 楊德華

( 工具機暨零組件工業同業公會 理事長 )

( 精密機械發展協會 理事長 )

( 台中工業區廠商協進會 榮譽理事長 )

總經理 : 康劍文