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TWI707740B - 可調式工件支撐系統及方法 - Google Patents

可調式工件支撐系統及方法 Download PDF

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TWI707740B
TWI707740B TW108142897A TW108142897A TWI707740B TW I707740 B TWI707740 B TW I707740B TW 108142897 A TW108142897 A TW 108142897A TW 108142897 A TW108142897 A TW 108142897A TW I707740 B TWI707740 B TW I707740B
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張柏鈞
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Abstract

一種可調式工件支撐系統，包括一可調式支撐裝置、一分析支撐點模組、一座標後處理模組以及一控制模組。可調式支撐裝置具有一組支撐元件用來支撐一被支撐工件，該各支撐元件可以調整高度與角度。分析支撐點模組用來匯入該被支撐工件之電腦輔助設計檔案，以及分析該電腦輔助設計檔案以得到被支撐工件之一組支撐點位。座標後處理模組用來計算該組支撐點位所對應之該各支撐元件之支撐座標。控制模組用來接收該各支撐元件之支撐座標，以及調整該各支撐元件之高度與角度來支撐該被支撐工件，使得該被支撐工件之變形量是最小。

Description

可調式工件支撐系統及方法
本發明係有關於一種工件支撐系統，特別是有關於一種曲面工件之可調式工件支撐系統及方法。
一般對於大型曲面工件定位方式多以人工來定位，所使用的支撐系統必須貼合工件曲面，但支撐點數量龐大，每一點都必須對準，以人力進行支撐系統的角度調整，需要較長的操作時間，且定位準確性低。此外，通常採用相同支撐點位對工件進行支撐，導致工件變形量大，對於不同材料或不同外型輪廓的工件進行支撐時，由於材料與形體不同，工件強度弱的位置亦不同，若使用相同支撐點位的方式對工件進行支撐，將導致工件在進行支撐過程中變形量大。
玻璃纖維強化塑膠複合材料因重量輕且強度高，因此在汽車、航太和船舶領域大量被採用。以往複合材料零件在加工過程大多採用固定式模具輔助固定。而在少量多樣的市場中，模具除了需要根據產品特別開發，模具拆裝的過程亦繁瑣，且模具保存需佔用巨大的空間，尤其在如船舶、航太等大型零件的加工中，其治具相當龐大，導致加工成本居高不下和產線彈性不足。於是調整型夾持治具逐漸開始被應用，但由於少量多樣且大型的工件，使用調 整型夾持治具支撐點數量龐大，若以人力調整，需要較長的設定時間，且定位準確性低。因此，須要一種操作速度快能因應少量多樣化的大型工件且定位準確性高的支撐系統及方法。
本發明之目的是提供一種可調式工件支撐系統及方法，操作速度快能因應少量多樣化的大型工件且定位準確性高。
本發明為達成上述目的提供一種可調式工件支撐系統，包括一可調式支撐裝置、一分析支撐點模組、一座標後處理模組以及一控制模組。可調式支撐裝置具有一組支撐元件用來支撐一被支撐工件，該各支撐元件可以調整高度與角度。分析支撐點模組用來匯入該被支撐工件之電腦輔助設計檔案，以及分析該電腦輔助設計檔案以得到被支撐工件之一組支撐點位。座標後處理模組用來計算該組支撐點位所對應之該各支撐元件之支撐座標。控制模組用來接收該各支撐元件之支撐座標，以及調整該各支撐元件之高度與角度來支撐該被支撐工件，使得該被支撐工件之變形量是最小。
與習知之工件支撐系統比較，本發明具有以下優點：
1.本發明之可調式工件支撐系統，在各別支撐元件中具有致動元件，可同步定位所有支撐元件。
2.本發明之可調式工件支撐系統具有旋轉軸，可順利貼和曲面工件表面，且具有位置回授功能，能夠準確定位。
3.本發明之可調式工件支撐系統，會先計算全部支撐點位在工件受支撐後之變形量，使得該被支撐工件之變形量是最小。
200:本發明之整體架構
100:可調式工件支撐系統
10:可調式支撐裝置
12:支撐元件
70:支撐點位
50:被支撐工件
20:分析支撐點模組
30:座標後處理模組
40:控制模組
90:電腦輔助設計檔案
22:有限元素法
14:吸盤
16:A軸
86:XY平面
88:9個點
89:9條基準軸
18:C軸
19:Z軸
82:上曲面
84:下曲面
第1圖為本發明之可調式工件支撐系統之架構示意圖。
第2圖顯示本發明之可調式支撐裝置之機構圖。
第3圖是本發明之座標後處理模組得到各支撐元件之支撐座標。
第4圖顯示本發明之支撐元件之機構圖。
第5A圖顯示本發明之可調式支撐裝置支撐曲面薄件之機構圖。
第5B圖顯示本發明之可調式支撐裝置實際支撐曲面薄件之照片。
第6圖顯示本發明之可調式工件支撐方法之流程圖。
本發明揭露一種可調式工件支撐系統，此可調式工件支撐系統可以計算出全部支撐點位在被支撐工件受支撐後之變形量，使得該被支撐工件之變形量是最小。
第1圖顯示本發明之可調式工件支撐系統之架構示意圖，如第1圖所示，本發明之整體架構200包括可調式工件支撐系統100以及被支撐工件50之電腦輔助設計(Computer Aided Design,CAD)檔案90。可調式工件支撐系統100具有一可調式支撐裝置10、一分析支撐點模組20、一座標後處理模組30以及一控制模組40。
第2圖顯示本發明之可調式支撐裝置之機構圖，如第2圖所示，可調式支撐裝置10具有一組支撐元件12用來支撐一被支撐工件50。各支撐元件12可以調整高度與角度。被支撐工件50是使用一組3x3且固定間距之支撐元件12進行支撐。基本上，可調式支撐裝置10之支撐元件12之最少數量只要2x2就可以了。
分析支撐點模組20用來匯入該被支撐工件50之電腦輔助設計檔案90，以及分析該電腦輔助設計檔案90以得到被支撐工件50之一組支撐點位70。座標後處理模組30用來計算該組支撐點位70所對應之該各支撐元件12之支撐座標。控制模組40用來接收該各支撐元件12之支撐座標，以及調整該各支撐元件12之高度與角度來支撐該被支撐工件，使得該被支撐工件50之變形量是最小。
本發明所揭露之可調式工件支撐系統100，其中被支撐工件50是以三層複合材料曲面形狀薄件來舉例說明。曲面形狀薄件之被支撐工件50之電腦輔助設計檔案90匯入分析支撐點模組20後，會對於被支撐工件50進行材料設定。材料設定是對於被支撐工件50於本發明中進行三層的材質設定，第一層為斜織編織布，第二層為玻璃纖維強化塑膠，第三層為斜織編織布。材料設定完成後，分析支撐點模組20對工件支撐分佈點進行初始點位設定，再進行一組支撐點位70設定，再得出一組支撐點位70支撐下之工件變形量分析結果。分析支撐點模組20是使用有限元素法22進行分析，以被支撐工件50受支撐後，變形量最小化為有限元素法22分析目標， 分析後之一組支撐點位70即為最佳支撐點位。有限元素法22是使用ANSYS軟體。
第3圖是本發明之座標後處理模組得到各支撐元件之支撐座標，如第3圖所示，本發明得出工件最佳支撐點位後，座標後處理模組30計算該組支撐點位70所對應之該各支撐元件12之支撐座標。上曲面82為被支撐工件50之電腦輔助設計檔案90，下曲面84為根據上曲面82向外偏移一個特定距離之曲面。上述之特定距離是根據本發明所使用之支撐元件12之吸盤14至A軸16旋轉軸心之距離。平面86為XY平面86，XY平面86上之9個點88即為最佳支撐點位。9條基準軸89為下曲面84在最佳支撐點位座標處的法向量(i()、j()、k())。本發明所使用之支撐元件12的Z軸19座標計算方法為下曲面84與基準軸89之交點與XY平面86之垂直距離。座標後處理模組30根據支撐點位計算工件表面之法向量如基準軸89，支撐元件12的A軸16座標的計算方法為上述法向量(i()、j()、k())與XY平面86之法向量之夾角，
Figure 108142897-A0305-02-0007-1
 本發明之支撐元件12的C軸18座標的計算方法為上述(i()、j()、k())投影在XY平面86之分量與X軸線之夾角。
Figure 108142897-A0305-02-0007-2
控制模組40接收各支撐元件12之支撐座標之後，進行調整該各支撐元件12之高度與角度來支撐該被支撐工件，使得該被支撐工件之變形量是最小。第4圖顯示本發明之支撐元件之機構圖，如第4圖所示，可調式支撐裝置10之所有支撐元件12之作動時序首先需要在傘齒輪嚙合的情形，方能定位A軸16。接著定位Z軸19，在Z軸19上升的同時，兩傘齒輪也脫離嚙合待Z軸19到達指令高度時，方能定位C軸18。座標後處理模組30需要知悉支撐元件12之作動時序，才能成功轉換出對應之指令。座標後處理模組30由分析支撐點模組20所產生的支撐點位70計算得到支撐座標，並且根據所有支撐元件12之作動時序能夠對可調式支撐裝置10發出命令使得支撐元件12作動。第5A圖顯示本發明之可調式支撐裝置支撐曲面薄件之機構圖，被支撐工件50是使用可調式支撐裝置10之一組3x3且固定間距之支撐元件12進行支撐。被支撐工件50之該組支撐點位70是對應該各支撐元件12之支撐座標。各支撐元件12可以調整高度與角度來支撐該被支撐工件50，使得該被支撐工件50之變形量是最小。第5B圖顯示本發明之可調式支撐裝置實際支撐曲面薄件之照片，由照片可以看出本發明之可調式支撐系統確實能實現本發明之目的，具有操作速度快能因應少量多樣化的大型工件且定位準確性高的功能。大型工件在使用可調式支撐裝置支撐定位後，可以再進行切削、鑽孔或裁剪等機械加工。
第6圖顯示本發明之可調式工件支撐方法之流程圖。本發明之可調式工件支撐方法，適用於複合材料曲面形狀薄件，是 藉由可調式工件支撐系統100來實現。首先，提供一可調式支撐裝置，具有一組支撐元件用來支撐一被支撐工件，該各支撐元件可以調整高度與角度，如步驟S10所示。其次，匯入該被支撐工件之電腦輔助設計檔案，以及分析該電腦輔助設計檔案，如步驟S20所示。 其次，設定該被支撐工件之材質以及設定該被支撐工件之支撐分佈點初始點位，以得到被支撐工件之一組支撐點位，如步驟S30所示。其次，使用有限元素法分析該組支撐點位，以得到該被支撐工件受支撐後之變形量是最小，如步驟S40所示。其次，計算該組支撐點位所對應之該各支撐元件之支撐座標，如步驟S50所示。最後，根據該各支撐元件之支撐座標調整該各支撐元件之高度與角度來支撐該被支撐工件，使得該被支撐工件之變形量是最小，如步驟S60所示。
200:本發明之整體架構
100:可調式工件支撐系統
10:可調式支撐裝置
12:支撐元件
50:被支撐工件
20:分析支撐點模組
30:座標後處理模組
40:控制模組
90:電腦輔助設計檔案
22:有限元素法

Claims (4)

  1. 一種可調式工件支撐系統，適用於複合材料曲面形狀薄件，包括：一可調式支撐裝置，具有一組支撐元件用來支撐一被支撐工件，該各支撐元件可以調整高度與角度；一分析支撐點模組，用來匯入該被支撐工件之電腦輔助設計檔案，以及分析該電腦輔助設計檔案，再設定該被支撐工件之材質以及設定該被支撐工件之支撐分佈點初始點位，以得到被支撐工件之一組支撐點位；一有限元素法，設置於該分析支撐點模組內，該有限元素法分析該組支撐點位，以得到該被支撐工件受支撐後之變形量是最小；一座標後處理模組，用來計算該組支撐點位所對應之該各支撐元件之支撐座標；以及一控制模組，用來接收該各支撐元件之支撐座標，以及調整該各支撐元件之高度與角度來支撐該被支撐工件，使得該被支撐工件之變形量是最小。
  2. 如請求項1所述之可調式工件支撐系統，其中，該組支撐元件之數量為2x2。
  3. 一種可調式工件支撐方法，適用於複合材料曲面形狀薄件，包括下列步驟：提供一可調式支撐裝置，具有一組支撐元件用來支撐一被支撐工件，該各支撐元件可以調整高度與角度；匯入該被支撐工件之電腦輔助設計檔案，以及分析該電腦輔助設計檔案； 設定該被支撐工件之材質以及設定該被支撐工件之支撐分佈點初始點位，以得到被支撐工件之一組支撐點位；使用有限元素法分析該組支撐點位，以得到該被支撐工件受支撐後之變形量是最小；計算該組支撐點位所對應之該各支撐元件之支撐座標；以及根據該各支撐元件之支撐座標調整該各支撐元件之高度與角度來支撐該被支撐工件，使得該被支撐工件之變形量是最小。
  4. 如請求項3所述之可調式工件支撐方法，其中，該組支撐元件之數量為2x2。
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