工具機主軸動態特性分析與狀態監測技術

摘要：工具機中最關鍵且與切削力傳遞最直接相關的組件為主軸系統，其旋轉精度與動態特性影響最終的加工品質，故各類工具機對於主軸系統都有相當高的穩定性要求，因此在機器設計階段，如何正確分析與掌握主軸系統的動態特性已成為重要的研究課題。另外，隨著感測器、微機電、網路通訊和軟體技術的快速發展，工具機智慧監控技術近幾年在業界已逐步實現，其中主軸智慧化技術是最受業者重視的項目之一。基於上述情況，本文將對此兩議題所對應之核心技術（主軸轉子動態分析、主軸狀態監測）作一介紹，提供相關領域研發人員做為技術開發之參考。

Abstract: Since the most important component in the machine tool is the spindle system, the rotation accuracy and dynamics of the spindle system are key affecting factors of production quality. The high reliability of the spindle is strongly demanded for machine tools. Therefore how to correctly analyze and control the dynamic characteristics of the spindle system at machine design stage has become an important research topic. In addition, with the rapid development of sensors, microelectromechanical systems, network communications and software technology, intelligently monitoring machine tools has been gradually realized in recent years. The spindle intelligentalization technology in particular is one of the most important development topics. In light of the above mentioned development and to provide reference for R&D personnel in technology development, this article introduces the techniques of machine tool spindle dynamics analysis and condition monitoring.

關鍵詞：工具機、主軸、監測

Keywords：Machine Tool, Spindle, Monitoring

前言
工具機中最關鍵且與切削力傳遞最直接相關的組件為主軸系統，其旋轉精度與動態特性影響最終的加工品質，因而各類工具機對於主軸系統都有相當高的穩定性要求，即長期高速運轉下要能維持高旋轉精度、低溫升熱變形、低振動噪音等性能。另外，主軸系統亦是工具機中轉速最高與耗能較大的組件，且在汽機車零件與3C電子產品等量產型高稼動率的加工應用場合中，主軸需進行非常頻繁的高加減速運動，因而使其成為工具機中失效率較高的組件之一[1]如圖1，加上為提高加工效率，主軸技術持續往高速化發展，由系統臨界轉速引起的振動問題及散熱冷卻相關的熱變形問題愈發顯著，因此在工具機設計階段，如何正確分析與掌握主軸系統的動態特性已成為重要的研究課題。如同前述，主軸系統的穩定性與可靠度已成為產品販售的重要競爭指標，如DMG公司在型錄上明確標示提供主軸10,000小時或18個月保固，且其夾刀系統可提供5億次穩定夾持。

另外，隨著感測器、微機電、網路通訊和軟體技術的快速發展，工具機智慧監控技術近幾年在業界已逐步實現，其中主軸智慧化技術是最受業者重視的項目之一，如DMG公司提供機器保護控制功能，其係透過主軸內振動感測器進行加工監視、碰撞防護等，當發生振動異常時可在10 ms內快速停機，保護主軸避免受損；Mikron公司則透過埋設在主軸內的渦電流位移計搭配熱變位補償軟體進行主軸熱誤差之控制，以維持加工品質。而國產工具機主軸系統的保固期大多為1年，且僅提供主軸負載狀態之監測，並無其他智慧化功能，如主軸熱變位監控與補償、主軸關鍵零件狀態監測與保養預估功能等。

綜上所述，提升工具機主軸可靠度與發展工具機主軸智慧監控技術已成為國內各產學研單位之研發目標，本文將分別對此兩部份之核心技術做一簡介，提供相關領域研發人員做為技術開發之參考。於本文後續的各章節中，將先介紹主軸系統轉子動態分析流程，包括轉子動態分析模型建立、無阻尼臨界轉速分析、軸承支撐剛性計算、側向臨界轉速坎貝爾圖及振型分析等，並以一內藏式主軸為例進行轉子動態分析說明，最後概要介紹主軸狀態監測技術，包括感測器規格選用與安裝位置建議、主軸軸承運作特徵分析與狀態監測等。