主軸狀態監測技術-主軸軸承預壓量測

前言
因應工業零組件的國產化需求，使得目前工具機的需求持續擴張，相對應的也使工具機內相關零組件需求顯著成長。其中，組成工具機中最重要的一項組件：主軸，更可視為工具機的心臟，主軸的品質將會很大程度上決定工具機的加工精度。為了掌握主軸的品質，勢必要對主軸的狀態進行量測，以監測主軸運轉狀態。為了掌握主軸運行的狀態，可安裝不同類型的感測器於主軸上，主軸組裝不佳導致軸承預壓不平均或是錯誤大小預壓，會加速軸承之磨耗，此為主軸運轉時異常振動、異常溫升之主要原因。如振動、溫度。根據過往拜訪主軸製造商、工具機製造商之回饋，目前並沒有一套可直接量測，並量化主軸軸承預壓力量大小的量測設備，皆採用間接的量測，如量測主軸安裝時軸向位移量、由老師傅聽音判斷主軸目前是否產生異音等，這些方式並非有效的判斷標準。本文之目標即是開發主軸軸承預壓感測器，對主軸軸承預壓進行直接的量測，提供主軸製造商、工具機製造商及工具機終端使用者一個有效判斷預壓異常的工具。
因此技術團隊考量業界需求發展主軸軸承之預壓量測技術，預壓大小主要取決於所使用軸承建議預壓規格，根據軸承生產商所提供之規格表，特定外徑之軸承皆有其建議之預壓範圍，以常見之主軸規格其所使用之軸承尺寸為例，內環直徑由60 mm~100 mm，其預壓之建議範圍為2,800 N~7,700 N (重預壓)。根據此預壓範圍，本文預計完成主軸預壓力量感測器製作及感測器與主軸整合，驗證主軸軸承預壓力量感測器可於主軸工作環境正常運作，並完成連續1小時工件切削之數據監測監控，感測器之力量量測範圍達10 kN。
主軸軸承預壓量測技術介紹
1.力量感測器架構介紹
當主軸進行組裝時，因為主軸剛性及軸承規格要求，需要施加預壓以確保主軸剛性，此時就會使軸承受力，當軸承受力時，軸承間的間隔環(spacer)也會因此承受相同力量，本文目標將間隔環結構進行修改，使用應變規作為形變感測元件，於間隔環上特定位置貼附應變規，可量測間隔環形變，進而量測軸承間受力，即預壓。本文透過與主軸製造商之配合進行主軸預壓力量感測器的開發，根據主軸製造商所提供間隔環規格，技術團隊進一步透過有限元素分析軟體模擬確認工件結構受力之變化所導致之應變量，確認應變規貼附位置，並進一步完成應變規的貼附。
為了確保可量測軸承在安裝上的不平衡，將於工件結構沿0°、120°、240°位置分別設置一組應變規電橋，每組應變規電橋可獨立輸出一組力量量測訊號，可透過三組應變規電橋量測主軸軸承預壓，可作為組裝人員安裝或是主軸實際運轉時的預壓不平衡參考依據，感測器實體如圖1所示，因未來感測器會安裝至主軸內部，主軸中結構複雜，且為了確保運作正常，主軸中也會有潤滑需求，因此會有油氣產生，為避免未來與主軸整合後內部零件或是油氣影響感測器量測，技術團隊亦針對感測器之防水防塵性能做評估，於應變規貼附區域上防水防塵膠進行保護。

                              (a)                                        (b)
圖1 感測器實體圖(a)應變規貼附區域(b)應變規實際貼附情形

2.感測器功能驗證
(1)感測器規格驗證結果
完成預壓感測器的製作與防水防塵保護，便需經由實驗驗證感測器量測範圍與解析度，透過將感測器安裝於國家度量衡標準實驗室的靜法碼量測系統進行實際校正，驗證感測器之量測範圍，量測結果如圖2所示，可根據結果判斷本文所開發感測器達成量測範圍10 kN要求，而感測器之量測解析度則是透過法碼施力確認，量測結果如圖3，根據結果判斷感測器量測解析度達10 N。

圖2 力量感測器校正結果

圖3 力量感測器解析度量測結果