工具機動態特性分析基礎技術

前言
本團隊深耕於工具機動態特性分析技術，用以改善模擬分析與實驗量測兩階段皆存在不確定性與分析誤差之問題，協助正確掌握機器動態特性及操作頻率範圍，避免機台運轉異常振動發生。另針對工具機主軸系統建立轉子動態分析技術與發展智慧監控技術，期望對國內工具機主軸業者在產品性能與附加價值的提升上有所助益。

工具機動態特性分析技術
工具機朝向高材料移除率、高加工精度、及高精度壽命等方向發展，其中提升材料移除率可藉由高轉速及高切深的手段達成，但伴隨而來的是振動問題，其不僅會影響機器當前的加工精度及運轉效率，長期累積下更可能造成元件斷裂、機器損壞等情況。目前振動問題可藉由主動控制或被動抑制的方式處理，但此兩種方式皆需對工具機的動態特性有準確之掌握方能有效達成。

工具機的動態特性可藉由動態分析或測試來瞭解，包括模態分析、頻譜分析、簡諧分析、暫態分析等類型。機器運轉之振動來源主要來自於轉動件，當這些轉動件之運轉激振頻率接近系統自然頻率時，機器將產生異常共振。由於異常振動來源與發生機制相當複雜，如軸偏心、鬆脫等皆會產生與轉速頻率相關之簡諧振動。另外，3C電子及汽機車零件的加工通常具短行程高加減速變化之特性，使得工具機易因進給系統頻繁的高加減速運動而產生振動問題。

由於現有工具機動態特性分析技術在模擬分析或實驗量測兩個階段皆存在許多不確定性與分析誤差，為改善此問題，本團隊深耕發展一結構動態特性模擬與量測雙向驗證之技術，其係基於傳統的有限元素分析流程（finite element analysis, FEA）及實驗模態分析流程（experimental modal analysis, EMA）之外，並導入模態參與因子分析（modal participation factors analysis）及模態保證準則分析（modal assurance criterion, MAC），首先利用有限元素分析找出各關鍵零組件之主要振形，並根據此結果定義出最佳之模態測試敲擊位置與方向，以輔助讓敲擊試驗以及自然頻率擬合結果更為準確，接著再利用實驗量測所得之自然頻率數值修正有限元素模型之材料及接觸剛性等參數，讓模擬與實驗結果誤差低於5%。

當各組件單體的動態特性預估具有最大之可信度後，後續的組合特性分析步驟才不會因各組件單體間之結合而放大或累積分析誤差。另外，對於較複雜之振形分析可藉助前述提及的模態保證準則來進行兩個振形向量之比對，模態保證準則可用來輔助判斷對應振形之相關性，其數值介於0與1之間，可自動比對出兩振形之相關程度，0為完全不相關，也就是兩個振形向量正交，1則為完全相同，此法可改善因模態耦合而造成分析誤判之問題。從案例的分析結果顯示，本技術結合模擬分析與實驗量測此兩種動態特性解析方法之優點，避開分析與測試之盲點，有效提升分析結果的準確性。