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多波段微機電加速規整合設計於工具機振動監控與診斷應用

多波段微機電加速規整合設計於工具機振動監控與診斷應用

即時監測工具機為工業4.0巷目的主要發展的目標之一,其中透過振動監測能夠對工具機的健康狀態做有效的分析,如顫震、軸承損壞等等。然而工具機會激發由低頻至高頻的振動頻率,而市面上任一的振動感測器無法兼具高頻寬、高靈敏度的特性以量測工具機的振動。同時以智慧製造為主要發展的目標之下,若要將振動感測器用於監測大量機台的振動狀態,尚需具備有體積小與低成本的競爭力。因此在本文整合多個不同頻寬的低成本的微機電加速規,並使用機構設計將電路與多個微機電加速規整合,並且考慮高頻加速規本身靈敏度低的特性,藉由電路設計提升加速規的靈敏度,而在訊號傳輸後使用數位濾波器做初步的資料統合,形成一個高頻寬、高靈敏度、低成本且三軸的整合多波段加速規模組,並將加速規模組初步在激振器上驗證靈敏度及頻寬,再應用於工具機主軸量測不平衡負載實驗及真實的切削情形,並討論其結果。除了量測工具機主軸的振動之外,本研究將加速規模組應用於智慧主軸鑽削平台,量測鑽削時的振動情形,以及機械手臂異音監測,量測機械手臂異常時的振動訊號,達到監測機台之效用。

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近年來,在「工業4.0」的架構下,結合虛實整合系統與工業物聯網及大數據分析,使得工廠形成一個大型的網絡系統。透過建立感測及雲端系統,讓各機台擁有感知、決策及執行的能力,形成一個自動化的「智慧工廠」。即時監控及診斷機台的運作狀態, 以便有效延長機台壽命並提升工廠產能,並進行機台預診與壽命評估。 而在此架構下, 合適的感測器選用, 無疑的代表了一個核心的角色。在生產製造上, 素有「機械之母」之稱的工具機為主要的生產來源,因此若是能夠藉由感測系統裝置在工具機上,並且分析工具機複雜的失效來源,使工具機正常運行並且保持一定的加工精確度,更能提升工廠的生產效率及良率。

然而,工具機的失效來源繁多且複雜,相對需要使用的感測器亦不相同,若是針對工具機機台內部的零件損壞、機台的剛性下降、預壓力減少等等,則需要藉由振動感測器監控機台各個部位的訊號變化,然而工具機的訊號包含低頻至高頻的振動訊號,例如顫震、轉速頻率及軸承損壞頻率等等,而市面上加速規均有其特定應用,在考慮解析度、頻寬、尺度、以及價格競爭力等要素上,並無通用與適合工具機內嵌式的設計.特別是其適用感測頻寬與靈敏度方面不可兼得 (如圖一) 。 

圖1 各式加速規之響應特性以及整體設計概念

       因此本研究使用尺寸適合,成本較低的微機電加速規做為主要的感測器,整合不同動態特性之微機電加速規晶片並佐以訊號處理,在不同頻率波段使其在頻寬、靈敏度、尺寸、以及價格上均具適合工具機狀態監控應用 (如圖一) 。圖二為實際發展的模組,我們接著將此模組初步在激振器上驗證靈敏度及頻寬,再應用於工具機主軸量測不平衡負載實驗及真實的切削情形,並討論其結果(如圖三)。

           

圖2 模組實際照片 (內含五個商用加速規晶片)

(a)

(b) 

(c) 

圖3 各式應用 (a) 五軸加工機, (b) 鑽削, 以及(c) 機器手臂振動監控量測

除了量測工具機主軸的振動之外,本研究亦將加速規模組應用於智慧主軸鑽削平台,量測鑽削時的振動情形,以及機械手臂異音監測,量測機械手臂異常時的振動訊號,達到監測機台之效用 (如圖三)。圖四則為典型之量測時域與頻遇信號。有別於重新設計一特定用途之加速規,本研究則強調以均質或異質整合商用元件為主要之發展策略,相較於前者,此方式之靈活度較高,所需發展周期較短,成本更低,且亦可有效的達成最終模組之各項性能要求。未來除進一步提昇模組性能與全數位化之外,亦可考慮多重感測器之異質整合,與相關之工具機監控與預診策略相互搭配,對工具機或相關應用做出貢獻。而本研究之整體研發策略除了目前聚焦之應用之外,整體流程應可適用於其他相近的產品開發,以縮短研發時間,降低成本,以及提昇系統之應用/升級靈活度。

圖4 多重加速規訊號處理實例

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文章聯絡人

陳國聲教授

服務單位

國立成功大學機械工程學系

聯絡電子郵件

kschen@mail.ncku.edu.tw

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