嵌入式無線量測減速機技術研究

摘要：在工業應用上，減速機乃重要動力傳達裝置，普遍是藉由大小不同之齒輪和軸承，組合成一個減速機，連結馬達及機械設備二側，使馬達之迴轉數降低，進而獲取較大的轉矩。一般在量測減速機振動數據時，多半是利用壓電形式加速規，以外掛於減速機表面進行。此舉固然能夠得到精準數值，但在某些場合礙於空間限制，無法順利實施。本文開發目標為嵌入式無線量測減速機系統，此技術可提供使用者即便受到上述阻礙時，仍可成功收取相關振動訊號。除此之外，選用感測器不僅測得振動數據，也包含溫度數據，對於使用者在後台分析上有更多參考。本文透過機構設計、動態分析、雛型機功能驗證，建立具無線量測之減速機功能技術。
Abstract：In industrial applications, the reducer is an important power transmission device. Generally, gears and bearings of different sizes are combined into a reducer to connect the two sides of the motor and mechanical equipment, so that the number of revolutions of the motor is reduced, and a larger torque is obtained. Usually, when measuring the vibration data of the reducer, a piezoelectric accelerometer is used, which is attached to the surface of the reducer. Although this way can obtain accurate values, but in some cases due to space constraints, it cannot be worked out successfully. The goal of this article is to develop an embedded wireless measurement reducer system that provides users with the ability to successfully receive relevant vibration signals even when facing the above mentioned obstacles. In addition, the selected sensor not only measures vibration data, but also includes temperature data, which provides more reference for users in background analysis. This article establishes the technology of reducer with wireless measurement through mechanism design, dynamic analysis, and prototype function verification.

關鍵詞：減速機、嵌入式、無線
Keywords：Reducer, Embedded, Wireless

前言
減速機制有許多方案可採納，而工業應用上最見用方式是利用齒輪來減速，因此一般也稱減速機為齒輪箱。除此之外，將齒輪、皮帶輪及鏈輪組成一個傳動系統，也可達成減速目的。齒輪減速之工作原理是藉由大小不同齒輪間的嚙合運轉來實現降低馬達轉速及提高扭力。馬達端動力源因齒輪減速器的齒輪彼此互相轉換，輸入軸小齒輪(齒數少)被嚙合在輸出軸上大齒輪(齒數多)。輸出軸大齒輪因旋轉較慢，使輸入速度降低，相對地增加了扭矩。大眾齒輪減速器都是藉幾組大小不同之齒輪，用相同之原理達到減速成效。
減速機乃工業不可或缺重要元件，但對於一般社會大眾來說極為陌生，多數民眾第一次聽到「減速機」一詞時，往往一知半解，然實際上它已在大眾生活中成為不可或缺角色。有許多人都認定減速機僅出現在機械設備中，日久便產生錯誤刻板印象，但伴隨金屬加工技術不停進步，減速機應用在民生產品上都可見其蹤跡，而非僅限於工業產品。
近年來因應工業4.0蓬勃發展，傳統機械元件不僅可實現自身功能，也要具備資料傳輸功能來因應工業物聯網熱潮。本團隊為響應此熱潮，乃將相關功能建立在相關產品上。一般來說，多數專業人士會先收集減速機振動數據，再施以人工智慧方法，進而預測元件壽命。收集方式多採用外掛加速規置於減速機外殼上收集振動數據，此法具有重大缺點，假若處在嚴苛空間限制環境中，即無法實現外掛功能。
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術日趨成熟，因此MEMS加速規量測振動訊號逐漸受到青睞。MEMS加速規量測振動訊號在車輛載具、工業機台設備、生醫工程等領域被廣泛使用，而MEMS加速規相較於壓電型加速規之最大優點為成本低廉，前者與後者價差相比可達10倍以上。正因如此導致許多量測振動應用中傾向使用低成本MEMS加速規作為量測異常振動訊號之感測器，選用過程中振動感測器電壓靈敏度校正及設定影響頗為關鍵，一旦輕忽此細節，衍生量測訊號(頻率及振幅)不精準問題，連帶影響後續數據分析與診斷[1]。
目前市售產品中，僅德國WITTENSTEIN推出具備數據傳輸功能減速機產品。此產品以有線方式進行資料傳輸，但選用該產品時，往往必須預留充足空間給予有線通訊，因此並不通用於各式機台設備，這對使用者相當不便。有鑒於此，本文開發目標為嵌入式無線量測減速機系統，選用可同時量測溫度及加速度這二項後台分析者常用數據之MEMS感測器，並結合機構與電控，將無線量測電路嵌入於減速機上蓋中，可利用Wi-Fi通訊協定將量測數據傳出，作為解決嚴苛空間限制手法。
本文分成三個部分，第一部分為設計規格與機構原理說明，先介紹設計規格，並說明如何實現將量測電路結合減速機機構，進而實現無線傳輸功能。第二部分為模擬分析，利用CAE 動態分析，尋求機構上設置電路板最佳位置，最後是製造出雛型樣機，以驗證設計理念。
設計規格與機構說明
本文開發之減速機，於面板產業、運輸產業、工具機產業上廣泛運用，因此需具備高精度、高可靠性、高效率等特色，搭配的馬達規格為：1100 W、3000 rpm，減速機長寬設計邊界為：130 mm * 130 mm，由上述設計條件下，選用行星齒輪系統進行設計，行星齒輪系統相較平行軸式系統，所具備的優勢為：設計空間緊湊、承載能力高、高扭力密度、高精度。
行星齒輪動力學概念圖如圖1(a)所示

(a)                                                 (b)
圖1 行星傳動系統(a)齒輪動力學概念圖 (b)機構架構圖