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自校型溫度感測器應用於主軸即時溫度校正研究

刊登日期：2024/10/01

摘要

工具機產業為我國主要機械設備製造業出口之一，2019年至2023年我國工具機產業的年平均出口值達873億新臺幣[1]。在工具機切削過程中，有40 %至70 %的加工誤差是由熱變形引起的[2]，因此如何即時掌握熱變位補償相關的溫度準確度就成為確保所需精度的關鍵之一。目前在工具機的溫度感測器缺乏線上校正方案，加工期間可能因溫度漂移造成品質難以掌控，品檢需停機、拆裝與後送校正實驗室，整體耗時可達12天以上。本文將利用微型定點囊的技術，發展自校型溫度感測器可滿足工具機線上溫度校正之需求，實現溫度領域新的標準傳遞方式，改善廠商或使用者在校正所需的成本及時間。

Abstract

The machine tool industry is one of major machinery and equipment manufacturing exports in Taiwan. From 2019 to 2023, the average annual export value of the machine tool industry reached NT$87.3 billion. During machine tool cutting processes, about 40 % to 70 % of machining error is caused by thermal deformation. Therefore, how to instantly master the temperature accuracy related to thermal displacement compensation has become one of the keys to ensuring the required precision. Currently, there is a lack of in-situ calibration solutions for temperature sensors in machine tools, and it is difficult to control quality due to temperature drift during processing. Quality inspection requires shutting down, disassembling, and sending to a calibration laboratory, which can take up to 12 days in total. This article will use the technique of miniature fixed-point cells to develop the self-calibrating temperature sensor that can meet the needs of in-situ temperature calibration of machine tools, realize a new way to transfer temperature standard, and improve the cost and required time of calibration for manufacturers or users.

前言
由於工具機主軸在高速運轉時，其前/後軸承內的滾珠會支撐負荷並與軸承內外圈摩擦、以及內置的主軸心軸損耗會產生大量熱量。並透過前/後軸承以熱傳遞方式向主軸各個部件傳遞，進而造成不同程度的熱變形，影響加工精度。因此，主軸溫度感測器一般會安裝於前/後軸承附近，以監測主軸工作溫度。然而，主軸溫度感測器因內部所使用的材質易受主軸長期物理振動或油封等化學環境影響而逐漸產生漂移，造成主軸熱變位補償錯誤與過熱磨損，影響加工精度，如圖1所示。因此，需要定期拆卸溫度感測器進行校正。目前溫度感測器缺乏線上校正方案，加工期間品質難以掌控，品檢需停機、拆裝與後送校正實驗室，整體耗時可達12天以上。另一方面，工業型溫度感測器大多使用傳統溫度加熱爐來進行比較校正，不僅校正所花費的時間久，而且爐體體積大並有高耗能的缺點。此外，溫度感測器的拆裝機也不方便，對一般使用者更是棘手問題。

圖1 工具機熱變位補償△K與溫度T量測的關係

表1為溫度感測器的各種校正方式比較表，面對全球工業4.0的智慧製造浪潮，線上校正技術應用於工具機的技術將成為未來的發展趨勢，不但可實現遠端的監控量測，更能在線上執行校正的功能，逐步取代實驗室校正與現場遊校冗長的作業程序與時間成本。同時，也可有效掌控感測器失效的風險並提高生產品質，減少停機、拆裝、傳遞感測器所耗費的時間與成本。
自校型溫度感測器的技術研究

為了協助國內產業掌握線上製程品質與提升國際競爭力，本文將發展自校型溫度感測器並應用於主軸即時溫度校正上，改善因溫度感測器漂移所造成的主軸熱變位補償錯誤，使生產線精度邁向智慧化製造。
1.自校型溫度感測器的工作原理與規格設計
自校型溫度感測器技術的工作原理，主要是利用加熱絲提供熱量使微型定點囊內的相變化金屬熔化，其熔點TMP溫度會對周圍產生潛熱吸收熱量的現象，使溫度感測器Tm發生特徵性的時間延緩。從這時間延緩過程中，可以在已知參考溫度點(TMP)下獲得與溫度感測器實際量測值(Tm)所需的修正值△T來完成校正，如圖2所示。自校型溫度感測器可透過微型定點囊(包括微型坩堝及相變化金屬材料)、加熱絲、溫度感測器與控制模組之組合，實現溫度感測器自我校正的功能，並可作為長期溫度感測器故障風險的自我驗證。
一般合金類的相變化溫度標準大多採用熔點，而純金屬的相變化溫度標準則主要以凝固點為主。由於合金類的熔化曲線平台一般不如純金屬凝固曲線的平坦，可利用三階多項式來擬合熔化曲線，以轉折點溫度評估方式來評估多項式二階導數為零的溫度作為參考溫度點。
為了將自校型溫度感測器技術應用於主軸即時溫度校正上。因此，本文設計一適用於主軸的螺旋探頭溫度感測器(微型定點囊的直徑≤ 4 mm與長度≤ 30 mm)，以滿足工具機線上內嵌式溫度校正之需求。
同時，工具機主軸溫度狀態監測的使用溫度範圍大多在40 ℃內，重切削則可達60 ℃。為了實現適用於主軸溫度的低熔點合金之相變化溫度在（62 ± 1）℃，因此需選用與配置低熔點合金。目前常見的低熔點合金主要元素包含鉍(Bi)、鉛(Pb)、錫(Sn)、銦(In)鎘(Cd)等。首先，考慮到低熔點合金的成分問題，因為Pb、Cd為有毒重金屬，因此較不適合作為材料。綜整考量下，則選用以Bi/Sn/In成分的低熔點合金材料作為微型定點囊的相變化溫度。