主軸性能 (Spindle Capability)¶

SpindleCapability (API) 描述機台主軸的能量、扭矩、功率與熱性能封包。它以 XML 載入（位於 Resource/SpindleCapability/ 的 .SpindleCapability 檔案），掛在 MachiningEquipment.SpindleCapability (API) 上，作為專案設備的一部分。本頁說明此模型的物理意涵，以及加工步上四個比值是如何推導而來。

如何於應用程式中編輯，請見英文 App Anatomy 的 Spindle Capability Page。HiNC 主軸功率與 Fanuc ServoGuide 量測值的驗證比對，請見主軸功率評估。

邊界曲線：連續 vs 瞬時¶

FANUC aT12/12000i 主軸的功率與扭矩對轉速曲線

典型的主軸規格圖（FANUC aT12/12000i，以 FANUC-aT12-12000i.SpindleCapability 出貨）：扭矩 (N-m) 與功率 (kW) 對主軸轉速。S1 Cont. 曲線為連續邊界；S3 60% 曲線為短時額定。HiNC 正是以「可工作時長」為 key 儲存這些曲線。

主軸性能以兩個以「可工作時長 (分鐘)」為 key 的字典儲存，描述各主軸轉速下能交付的最大功率或扭矩：

兩個 duration key 具有特殊意義：

PositiveInfinity — 連續邊界。主軸可在此曲線上任意 (轉速, 數值) 點永遠運行而不過熱。產業上常稱為 S1 額定。
最小有限 key（例如 15）— 瞬時邊界。主軸只能在此曲線上的 (轉速, 數值) 點運行該可工作時長，之後即達溫度上限。

通常還會有中間 key（例如 60 分鐘）用於記錄主軸廠商公布的額定曲線。

為何用 duration 當 key，而不是用兩條曲線？

Duration key 兼具兩種角色。Contour 數值給出尖峰負載能力（用於下方比值計算）。Duration 值則隱含了熱時間常數（用於後方熱封包章節）。一組曲線同時驅動兩件事。

如果 GearShiftSpindleSpeed_rpm (API) 有設定，每條 contour 會以該轉速為界切成兩段，僅取當前轉速所屬的那一段做內插。曲線端點外採取最近鄰夾住，不做外插。

四個比值如何計算¶

每當主軸轉速變動，SpindleSpeedCache (API) 會在當前轉速對四條 contour 內插，並儲存四個純量邊界：

邊界（分母）	來源 contour
`MinInsistentRatioSpindleTorqueBoundary_Nm`	扭矩字典最小 key 的條目，於當前 rpm 內插
`InfInsistentRatioSpindleTorqueBoundary_Nm`	扭矩字典 `∞`-key 的條目，於當前 rpm 內插
`MinInsistentRatioSpindlePowerBoundary_W`	功率字典最小 key 的條目，於當前 rpm 內插
`InfInsistentRatioSpindlePowerBoundary_W`	功率字典 `∞`-key 的條目，於當前 rpm 內插

MachiningStep 上的四個比值即為下列除式：

\[ \begin{aligned} \text{MaxSpindleTorqueRatio} &= \frac{\text{MaxAxialTorque\_Nm}}{\text{MinInsistentRatioSpindleTorqueBoundary\_Nm}} \\[6pt] \text{ContinueSpindleTorqueRatio} &= \frac{\text{MaxAxialTorque\_Nm}}{\text{InfInsistentRatioSpindleTorqueBoundary\_Nm}} \\[6pt] \text{MaxSpindlePowerRatio} &= \frac{\text{inputPower\_W}}{\text{MinInsistentRatioSpindlePowerBoundary\_W}} \\[6pt] \text{ContinueSpindlePowerRatio} &= \frac{\text{inputPower\_W}}{\text{InfInsistentRatioSpindlePowerBoundary\_W}} \end{aligned} \]

由於連續邊界永遠不大於短時邊界，相同負載下對應的 Continue- 比值永遠大於等於對應的 Max- 比值：

Max- 比值超過 100% 表示主軸已瞬時超載，會在額定短時內觸發熱保護。這就是 MaxSpindleTorqueRatio (API) 與 MaxSpindlePowerRatio (API) 在製程可加工性用以判定斷刀的依據。
Continue- 比值超過 100% 表示主軸無法永遠維持此負載 — 短時間爆衝仍可能安全。適合用於規劃長時間操作的步調，而非預測立即性故障。

輸入功率 vs 輸出功率¶

上述比值的功率分子是輸入功率（進入主軸的能量），不是輸出功率（到達切削端的能量）。兩者透過主軸的能量轉換效率關聯：

\[ \text{inputPower\_W} = \frac{\text{AbsAxialPower\_W}}{\text{EnergyEfficiency}} \]

其中 EnergyEfficiency 是 EnergyEfficiency (API)，AbsAxialPower_W 為切削實際所需的功率。失去的比例 \((1 - \text{EnergyEfficiency})\) 變成熱量，必須由熱封包負責散去。

主軸功率評估以實際 Fanuc ServoGuide TCMD 量測數據佐證此換算的合理性。

空轉功率¶

即使刀具未接觸工件，旋轉的主軸仍會以軸承摩擦與空氣風阻形式消耗功率。HiNC 將此建模為一個轉速線性項（軸承摩擦）加上一個轉速高次方項（風阻），由下列係數參數化：

DryRunFrictionPowerCoefficient_mWdrpm (API) — 摩擦項係數
DryRunWindagePowerCoefficient_pWdrpm3 (API) — 風阻項係數

低 rpm 時摩擦項主導；高 rpm 時風阻項主導。熱封包（下節）會在「空轉功率」與「切削產生的熱量」中取較大值，因此即便是空程移動，主軸也持續暖機。

熱封包¶

SpindleCapability 同時驅動主軸機身的熱模型。你不需要直接設定熱容或對流係數 — 熱模型由你已經輸入的資料自動校準：

連續 (∞-key) 曲線 加上 WorkingTemperatureUpperBoundary_C (API) 共同決定主軸於穩態下散熱多快。物理意涵：連續額定就是主軸可以永遠承受而不超過工作溫度上限的負載 — HiNC 由此推得對應的穩態散熱能力。
最短時長曲線 加上其 duration key 共同決定主軸在達到溫度上限前能吸收多少熱量。物理意涵：短時額定就是讓主軸在該可工作時長剛好升至上限的負載 — HiNC 由此推得對應的有效熱質。

對使用者的意義：把 contour 設準（更精確的 (轉速, 功率/扭矩) 數據點、更貼合實際的 duration key），就同時改進了負載能力預測與熱反應速度。沒有額外的熱模型參數需要調整。

步階溫度輸出¶

每一步內，主軸體溫度依當下熱量輸入（切削耗損或空轉，取較大者）演變，趨近該熱量輸入所對應的穩態溫度。每步發布的兩個輸出為：

SpindleTemperature_C (API) — 當下機身溫度
SpindleWorkingTemperatureRatio (API) — 機身溫度的標準化值，環境溫度為 0、工作溫度上限為 1。趨近 1.0 表示主軸接近其熱限。

Note

SpindleWorkingTemperatureRatio 描述的是主軸機身整體的熱狀況。它和製程可加工性中的「熱塑刃應力比 (Thermal Yield Ratio)」不是同一件事 — 後者是局部的刀刃熱失效。

編輯與檔案存取¶

主軸性能以 XML（.SpindleCapability 檔案）持久化。Resource/SpindleCapability/ 內預載三組機種：

FANUC-aT12-12000i.SpindleCapability
TMV-720A-STD-8000RPM.SpindleCapability
VP-8--Fanuc-10000RPM.SpindleCapability

互動式編輯請於 Quasar Web 介面之 Environment → Spindle Capability 進行（詳見英文 App Anatomy 頁面）。WPF 桌面版尚未提供專屬編輯器；改用設備面板上的 ObjectManagementMenuButton 載入 .SpindleCapability 檔。