工具機主軸狀態監控與數位模型應用

摘要：隨著新冠肺炎疫情趨緩，2021年工具機累計出口金額較2020年同期成長29.5%，在製造業生產能量增加及全球工具機需求量提升的同時，氣候危機也隨之而來，又因隨著2021年格拉斯哥氣候公約的建立，工具機需透過智能化軟體協助，朝著綠色能源的方向拓展，對於整個製造加工業而言，主軸加工時的振動穩定度、發熱導致的精度誤差及主軸長期運轉影響主軸健康等問題，若能透過有效數據分析，實時掌握機台主軸及加工件材質等資訊，則可以避免工件損壞及設備停機導致的維修時間增加。有鑑於此，透過工具機主軸狀態監控與數位模型應用，有效地蒐集數據並透過數據AI技術分析，解決工具機主軸迴轉精度偏移及主軸振動穩定等問題，提早預測工具機主軸健康狀態，降低機台設備損耗的維修頻率，將成為製造加工產業轉型的關鍵要素，藉由此技術協助國內業者掌握數據處理的核心能力，透過實際應用協助工具機產業進行的智慧轉型，提升國內業者在全球工具機市場的競爭力。

Abstract：As the COVID-19 pandemic slows down, the cumulative export value of machine tools in 2021 has increased by 29.5% compared with the same period in 2020. The increase in manufacturing productivity and the increase in global demand for machine tools have also contributed to the climate crisis. At the same time, with the establishment of the Glasgow Climate Change Conference in 2021, the machine tool market is bound to expand in the direction of green energy. In the manufacturing industry, the spindle vibration and spindle thermal error are important factors affecting the health of the spindle. To avoid damage to the workpiece or machine tool, the data of machine tool spindle must be analyzed. Therefore, by monitoring the machine tool spindle and using digital model, the process information can be collected. Then, AI analysis model will be used to solve the spindle problem caused by rotation error and vibration. Predict the machine tool spindle health in advance and reduce maintenance frequency of machine tool are important factors for the transformation of manufacturing industry. Using this technology can enhance the competitiveness of domestic industry in the global machine tools market.

關鍵詞：工具機主軸、振動監控、主軸數位模型
Keywords：Machine tool spindle, Vibration monitoring, Spindle digital model

前言
隨著2021年格拉斯哥氣候公約的建立，全球淨零碳排意識高漲，若要實現永續發展則勢必邁向減碳轉型，尤其在工業領域中，透過有效的設備維護，降低產線停滯空轉更是製造轉型的關鍵。在邁向工業智慧化轉型的路上，利用預防性維護分析製程中收集到的資料，並於設備故障前找出潛在問題即時解決，將能有效預測故障、減少作業中斷，進而支援即時最佳化維護作業，不僅可降低因運送而產生的碳排放量，更可以有效延長設備壽命，因此製造商若能掌握及了解所有設備的資訊，亦可以藉由即時分析設備相關資訊，有效地進行預測並適時維護模型，將可以提升機器運行效率及降低設備維護工程時間。

本文將介紹工具機主軸狀態監控，透過一車用零件加工案例解釋主軸健康度的好壞與加工效率、品質之間的關係。此技術是透過本中心開發的工具機機邊智能監控系統，蒐集機台每日暖機時的振動數據，判斷主軸的健康狀態，避免使用者在主軸損壞的情況下進行加工，造成加工品質與效率下降。此外，主軸數位模型的應用亦會在本文介紹，透過蒐集主軸振動訊號，結合主軸理論，建立主軸數位雙生模型，可用於預測主軸迴轉精度、切削力與切削振動等，待主軸數位模型技術成熟後可開發如工具機主軸預兆診斷系統、工具機數位雙生系統與主軸切削模擬系統等前端技術。

工具機主軸狀態監控
隨著肺炎疫情的趨緩，2021年工具機累計出口金額較2020年同期成長29.5%，在製造業生產能量增加及全球工具機需求量提升的同時，氣候危機也隨之而來，又因隨著2021年格拉斯哥氣候公約的建立，工具機市場勢必朝著綠色能源的方向拓展，對於整個金屬製造加工業而言，主軸長期發熱而產生的不規則變形，加工時發生切削振動、精度誤差、斷刀及碰撞等問題，這些問題輕者表面紋、精度不佳及效率低落等問題，重者設備損耗而迫使產線停機，如何透過數據降低機台來回維修的頻率將成為拓展的一大要素，有鑑於此，需透過主軸狀態監控及主軸數位雙生模型的開發與運用來滿足客戶需求，透過智慧方案協助業者掌握核心自主能力，透過模組整合應用加速業者於全球工具機市場的佈局，共創國內工具機產業的新藍海。

主軸是工具機中最重要的零組件，加工的效率與品質大部分皆仰賴主軸性能與精度，然而，隨著主軸加工時間增加，主軸的損傷會逐漸累積，導致如主軸動平衡下降、軸承損耗、切削振動過大等問題發生，使的加工品質與效率逐漸下降，因此，定期進行主軸成了維持加工效率與品質的重要因素。為此，本中心開發工具機機邊智能監控系統，其中包含開發機台暖機健康診斷功能如圖1，透過安裝於主軸的加速規如圖2，於工具機每日暖機時蒐集主軸空轉的振動訊號，結合ISO 10816-3標準規範[1]，便可得知當下主軸健康狀態，若是發現主軸轉動振動過大，軟體會自動發出警告，通知使用者進行近一步的主軸檢測與維修。此外，本軟體亦會記錄每日的暖機檢測結果，包含振動幅值與頻譜，讓使用者可以知道主軸的健康趨勢，方便提早安排主軸保養時程，避免主軸在加工過程中突然損壞，除了會造成加工中的工件損毀，更可能使的加工人員受傷。 

圖1 機台暖機健康診斷功能

圖2 加速規安裝於工具機主軸