工具機傳動系統進給剛性衰減快速檢測技術

摘要：進給系統是工具機中最重要的零組件之一，然而隨著機台加工時間增加，進給系統的損傷會逐漸累積，在進給系統中最容易發生故障的部分為滾珠螺桿之預壓力消失，使得加工品質與效率逐漸下降，因此，定期進行進給系統狀態監控成為維持加工效率與品質的重要因素，現階段的售服人員大多依賴自身經驗與試誤法來猜測問題，加上無設計端的研發人員參與問題解析，使得機台加工品質不良以及故障原因判別問題無法即時得到解決。本文將建立工具機傳動系統進給剛性衰減快速檢測技術，連結實際加工製程品質，當整機動態性能指標因滾珠螺桿之預壓力產生變化時，即可連結到分析資料庫進行螺桿預壓力狀態比對，並發出警訊給終端使用者及工具機設備售服維修單位進行故障排除，達到提升設備稼動率及工具機產品妥善率的目標，縮短臺灣工具機產業在維修售服端的成本並降低客戶停機時間損失。

Abstract：The feed system is one of the most critical components in machine tools. However, as the machine's processing time increases, damage to the feed system accumulates. The most common failure in the feed system is the loss of preload in the ball screw, leading to a gradual decline in processing quality and efficiency. Therefore, regular monitoring of the feed system's condition has become a crucial factor in maintaining processing efficiency and quality. Currently, service personnel mostly rely on their own experience and trial-and-error methods to diagnose problems. Additionally, the lack of involvement of design engineers in problem analysis results in delayed resolution of issues related to poor machining quality and fault identification. This article aims to establish a rapid detection technique for feed system rigidity degradation in machine tool transmission systems, linking it to the actual quality of machining processes. When changes occur in the overall dynamic performance indicators due to variations in the preload of the ball screw, it connects to an analysis database for a comparison of screw preload conditions. It then issues alerts to end-users and machine tool service and maintenance units for troubleshooting. The goal is to improve equipment uptime and product reliability while reducing maintenance costs for Taiwan's machine tool industry and minimizing customer downtime losses.

關鍵詞：工具機、進給系統、快速診斷
Keywords：Machine tool, Feed drive system, Rapid diagnostic testingmotor regulations

前言
全球少子化趨勢衝擊傳統勞力密集的製造產業，面對未來不斷向上攀升的人力成本，目前全球產業的各種產品都朝向導入智能化輔助生產來提高產值，最終目標是建立資料庫系統增加產品數據化資料分析能力，以求因應產業的變遷並鞏固自我市場競爭力，並提升產品附加價值，工具機進給系統是由進給機構與NC控制系統所組成，各軸向進給系統伺服特性為影響工具機動態精度的主要來源，進給系統品質的好壞，會影響到工具機切削加工的品質，工具機設備如發生切削瑕疵時會影響客戶端的產品交期，造成生產效率大幅降低，因此售服維修端往往需要快速針對機台問題進行故障辨別與修復，現階段的售服人員大多依賴自身經驗與試誤法來猜測問題，加上無設計端的研發人員參與問題解析，使得故障原因判別問題無法即時得到解決，本文主要建立工具機傳動系統進給剛性衰減快速檢測技術，連結實際加工製程品質，機台出機時即先建立一組螺桿預壓力100%的頻率響應函數(Frequency Response Function , FRF)資料並進行模態參數特徵化作為基準，使用者可定期進行掃頻量測得到機台現況響應，回傳至資料庫中進行比對即可快速判斷螺桿預壓力狀況，當整機動態性能指標因滾珠螺桿之預壓力產生變化時，即發出警訊給終端使用者及工具機設備售服維修單位進行故障排除，達到提升設備稼動率及工具機產品妥善率的目標，縮短臺灣工具機產業在維修售服端的成本並降低客戶停機時間損失。

工具機進給系統快速檢測模組
本文主要透過系統掃頻快速量測進給系統頻率響應函數資料，並將此頻率響應函數轉換為量化的共振頻率與振幅，回傳至資料庫中進行螺桿預壓力狀況比對，如圖1所示，以下說明本文使用情境，如表1所示，主要可應用於1.機台出機時進行三軸進給系統共振頻率與振幅基準值量測，並定義此時螺帽出廠預壓為100%；2.機台使用後進行三軸進給系統共振頻率與振幅例行量測，並與基準值進行比對判別，量測條件如下:規劃於每日開機時進行，無需暖機，基準溫度為30℃，工作台無荷重並置於基準位置(通常為置中) ，後續量測皆置於此位置，即可透過模組進行10~500 Hz每1 Hz一振幅大小1000 mm弦波的系統掃頻，並自動輸出系統共振頻率與振幅，出機前將此值設定為基準值，機台使用後持續與基準值進行比對以確認螺桿預壓力狀態。

圖1 工具機進給系統快速檢測技術流程圖

表1 使用情境說明與比較

本文主要透過系統掃頻快速量測進給系統頻率響應函數進行螺桿預壓力狀態判斷，故針對FANUC控制器利用FOCAS進行Ethernet功能二次開發可直接進行機台掃頻訊號撈取，通過頻譜分析得到機台頻率響應函數波德圖，頻率響應函數波德圖之輸入為一弦波掃頻速度命令，輸出為速度回授，如圖2所示，主要目的為使用該通訊模組進行機台振動訊號辨識，如圖3所示，並將其轉換為量化的共振頻率與振幅資訊，提供給敏感度資料庫進行參考比較，透過定期監控共振頻率與振幅的改變，來判斷目前機台磨耗狀況，提早進行維護保養動作，如圖4所示。

數位模型敏感度資料庫建立
鑒於汽機車、航太與精密加工設備的高附加價值與用戶端停機壓力大之前提，透過前期之工具機數位模型連結關鍵零組件故障自主辨識模組來提高後續售服維護的效率可大幅增加產業效益，同時降低其高額的維護人事成本支出，最終甚至可以提前進行設備保養來建立自身品牌價值提高國際競爭力。

國內現有預兆診斷技術，大多以電流或加速規訊號為監控目標，並對訊號進行特徵處理來進行故障與否判別，在該技術架構下需要透過前期大量蒐集實際加工訊號並進行模型建立，應用上主要以故障與否進行判別目標，尚無法針對故障零件進行準確診斷，有鑒於此，德國慕尼黑大學於2019 EMO展即提出基於Digital Twin技術下的自主故障辨別模組，期望透過數位模型的擴展應用，在前端即可於數位環境中低成本又快速的建構關鍵零組件的敏感度資料庫，使用者只需在機台特徵點安裝加速規，出機後定期進行特徵點訊號擷取，即可與關鍵零組件敏感度資料庫進行比對，增加故障識別的準確性。本文使用伺服馬達以弦波掃頻方式激振機台，將馬達扭矩訊號進行頻譜分析，即可得到扭矩對位移的頻率響應函數，使用馬達激振機台的好處為不需要額外的人員與衝擊槌…等人事設備成本，只需設定機台控制器定期進行掃頻量測就可快速完成機台健康狀況診斷，適合機台數量大與自動化導入完善的生產線，可以降低大量量測人力支出。