MAGAZINE
刊物內容

回列表

高速主軸振動即時異常監控暨熱誤差預測建模

摘要"

本研究分為三個部分,(1)探討高速主軸之振動異常狀態,(2)設計溫度與熱伸長監控系統,(3)建立熱誤差預測模型,並篩選模型變數,藉由最少因變數來達到高精度預測模型。
本研究利用加速規量測主軸運轉時之振動頻率,將振動頻率做傅立葉轉換,並透過LabVIEW程式,以人機介面方式即時呈現。監控系統針對主軸之動平衡、不對心、軸承內外環損壞、軸承滾珠損壞頻率去給予警戒值。在高速主軸運轉時,正常情況下綠色燈會持續亮起;當振幅超過警戒值時,黃色警示燈便會亮起;超過危險值時,紅色燈會亮起並由操作人員判斷是否立即停機,以免發生危險。利用嵌入式馬達定子溫度感測器量測主軸溫升變化,電熱偶量測軸承溫度、冷卻液進出水口溫度、環境溫度,對不適當之加工狀態提出警告。安裝位移計測量主軸Z方向的誤差量,精確掌握機件對於主軸Z方向總體誤差情形。篩選貢獻性高的量測點,以最少之量測點作為熱誤差預估模型之輸入,並且不失預估之精度。

關鍵詞:高速主軸、振動、熱伸長、即時監測、熱誤差預估模型

前言 

智能化主軸技術是工具機之智能化技術中最受業者重視的項目之一,主要原因為主軸是工具機的心臟,主軸的精度與結構動態特性更影響著最終之加工品質。本研究目的為主軸振動與熱伸長量測同步進行,並結合即時監控系統,使得主軸在運轉期間能立即發現異常。以往做主軸健康狀態監控要使用許多外掛設備來做量測,但過多的外掛設備會在加工時產生不必要的危險,有些必須採離線機上量測,無法達到即時量測之功能,以致難以被業界廣泛採用。本研究將精簡量測設備與嵌入式感測器,減少佈置電線線路之複雜程度,也不容易受到外力干擾或人為疏失造成電線被扯斷。
在溫度量測,通常以外掛式溫度計做來量測,但容易受到外界環境干擾,例如室溫、機台腔體的熱氣、切削液和主軸冷卻液的干擾,會造成量測之溫度訊號產生誤差。本研究將溫度計直接埋入在馬達定子的內部,減少外界環境干擾,並且配合即時監控系統,能即時得知馬達各個重要部位之升溫狀態,若有溫升過高情形,系統能即時反應並告知操作人員。
在建立熱誤差預估模型中,本研究將從所有量測訊號中,比較各量測點對熱位移之相關性,並且從溫升、轉速、電流趨勢來判斷是否納入熱誤差預估模型中。以最少之量測點作為熱誤差預估模型之輸入,並且不失預估之精度。

監控與建模原理分析   
  
本研究藉由即時監控系統觀測主軸運轉中的振動頻率、主軸電流值變化可知軸承是否異常,電流值過大可能是軸承損壞,負載造成電流變大,或數值皆正常,不過軸承已出現異音等,並依據國際標準值ISO 10816-3作為一般準則,定義主軸振動異常之警戒基準。經由這些指標來判斷加工時是否出現異常狀態,再進一步判斷更換零件或降轉速避免主軸損壞。
嵌入式複合熱變位計測量心軸Z方向之誤差量,能即時觀測主軸心軸熱伸長之狀態,精確掌握心軸Z方向誤差情形,進而在工具機運轉時,能達到即時反應的效果。
一般主軸的溫升來自於某些特定發熱點,透過量測發熱點之溫度變化與熱位移之間的關係,藉此轉換關係可以根據量測之主軸溫度變化來預估相對於此溫度變化之熱變形誤差。故本研究採用多變數迴歸分析法建立熱誤差預估模型,並透過判斷相關係數、逐步迴歸分析、判別溫升趨勢來尋找最佳多變數迴歸模式。在建立熱誤差預估模型後,依據國際標準ISO 230-3:2007機床測試之熱效應測定中的轉速設定做為測試組之參考,以驗證此模型之準確度。 

實驗架構 

實驗架設如圖1所示。
內藏式高速主軸溫升及影響主軸熱變形最主要有三個主要因素:主軸軸承、馬達及馬達冷卻水套的部分,因此在量測主軸溫度時,即針對軸承、馬達定子和冷卻油進出口部分進行量測。本研究總共在主軸上裝置8個感測器,每個感測器都代表有著重要的訊息,主軸心軸之熱變形量、前軸承、後軸承溫度變化情況、實驗時環境溫度變化、馬達線圈定子溫度情形、冷卻油溫的入油口與出油口溫度資訊…等。環境溫度架設兩個感測器,分別架設於主軸附近之環境溫度與整個實驗空間(遠離主軸)之環境溫度...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

READ MORE BACK TO LIST