課堂講義技術創新服務貼心工具機性能評價 財團法人精密機械研究發展中心禁止轉載智慧應用技術部黃崇瑋 2018PMC ( 財 ) 精密機械研究發展中心

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1 課堂講義技術創新服務貼心工具機性能評價 財團法人精密機械研究發展中心智慧應用技術部黃崇瑋 2018PMC ( 財 ) 精密機械研究發展中心

2 大綱課堂講義 空轉振動量測 靜 動態剛性量測 模態測試 測試案例分享與討論 1

3 何謂振動課堂講義 振動是一物體相對於某一個參考點的往復式移動 以彈簧懸吊一物體為例, 當物體被拉下再釋放後, 倘若忽略所有摩擦 空氣阻力, 則彈簧會以其原來的平衡點為基準, 上下來回不停的移動 2

4 振動種類課堂講義 自由振動 (Free Vibration) 機械結構的自然頻率被慣量所激發 進給系統的自然頻率被電控系統激發 受迫振動 (Forced Vibration) 內部振動源 : 主軸 馬達 傳動皮帶 油壓泵等 外部振動源 : 鄰近機械運轉等 自激振動 (Self-excited Vibration) 切削顫振 : 和切削條件 ( 轉速, 切深, 刀具形狀 ) 有關, 切削中自激振動之振動頻率接近結構自然頻率 3

5 振動單位與選用原則課堂講義 振動的量測單位有三種 : - 位移 (displacement) - 速度 (velocity) - 加速度 (acceleration) 根據量測頻率來選擇 : - 加速度 : 高頻區域適用 - 速度 : 代表一般中低頻帶 - 位移 : 適用於低頻的振動 2018/11/274

6 振幅 (Amplitude) 課堂講義 通常振幅表示方式的使用時機與振幅單位的選用有以下習慣性搭配 : 加速度速度位移 P-P 值 X X O Peak 值 v O v Avg 值 X X X RMS 值 O O X 註 :O 表示最常使用,v 表示偶爾使用,X 表示不使用 5

7 相位 (phase) 課堂講義 相位通常使用於共振分析 模態分析, 在實施動平衡校正工作時, 相位分析更是確認不平衡位置的最重要工具 6

8 振動訊號圖 - 時間波形課堂講義 時間波形 (Time Waveform) 是以振幅對時間為座標的方式來表現振動訊號, 時間波形分析對於初學者較為困難, 從時間波形中最容易得到的訊息是有無衝擊現象, 這是判斷軸承及齒輪等是否損壞很寶貴的訊息 7

9 振動訊號圖 - 頻譜課堂講義 由於時間波形大都呈現相當複雜的訊號, 致使設備振動問題分析工作相當不易, 因此, 透過傅利葉的想法, 為使振動訊號變成較易診斷的訊號, 而 發展出將時間波形訊號經過快速傅利葉轉換 (FFT ) 形成頻譜 8

10 動振動頻譜量測課堂講義主軸問題之特徵頻譜動不平衡油漩 Dynamic unbalance 軸承 Oil whirl Bearing 組件鬆動的諧波軸不對心或組件鬆動保持器 Looseness Misalignment 軸承的邊頻或摩擦 Harmonics Looseness Bearing 量頻率 (Frequency) 振Rub Hz Side-band Orders RPM

11 振動問題分析改善步驟課堂講義 確認是否為振動問題 蒐集設備相關資料 研判設備可能發生之振動種類 決定量測點 量測工具及預備量測訊號種類 擷取振動訊號 分析振動訊號 出具分析診斷及改善建議報告書 10

12 主軸空轉測試課堂講義 量測主軸在不同轉速下的振動情形 反應馬達與主軸的動平衡狀態 反映主軸組裝品質 結構因主軸不平衡刺激力的反應 利用頻譜分析儀與加速度規量測 將時域 (Time Domain) 振動波形轉變成頻域 (Frequency Domain) 訊號 主軸位置 (Z 軸 ) 需固定 ( 比較基準 )

13 主軸空轉測試課堂講義 測試設備 PC Adaptec SlimSCS I-1460D 多頻道動態訊號分析儀 三向加速規 PCB 356A08

14 主軸空轉測試課堂講義 測試流程圖主軸空轉量測主軸空轉作業程序 儀器架設測試位置選定 擷取結構之振動加速度訊號結構動態特性完成 2018/11/27 13

15 主軸空轉測試課堂講義 測試流程圖 - 結構動態特性

16 立式加工機案例分析課堂講義 問題 :CNC 立式工具機, 其主軸為直結式, 最高轉速為 12000rpm, 當轉速 3000rpm 10000rpm 12000rpm 時振動量突然變大

17 空轉振動量測 ( 動平衡校正前 ) 課堂講義

18 動態剛性量測課堂講義敲擊 x 向敲擊 y 向

19 空轉振動量測 ( 動平衡校正後 ) 課堂講義

20 立式加工機案例分析課堂講義 立式加工機於空轉時用振動計 ( 速度量 ) 量測主軸 X 向時, 於轉速 0~8000rpm 時振動量較低, 待轉速由 8000~10000rpm 時振動量較大且不符合廠內標準 主軸傳動型式 :BT40 皮帶式主軸 主軸與馬達間傳動比例 :12k 10k 廠商有微調皮帶鬆緊度後再進行量測結果振動量有略小一點但未達廠內標準, 另外, 將主軸頭座移至 Z 軸上端及最下端時量測的振動量結果不同 2018/11/27 19

21 空轉振動量測課堂講義 加速規量測位置 : 主軸側及馬達側

22 主軸側 X 向量測結果課堂講義

23 馬達側 X 向量測結果課堂講義

24 主軸側 ( 無皮帶 )X 向量測結果課堂講義

25 靜 動剛性課堂講義 概述 靜剛性影響工件的尺寸精度 動剛性影響工件的表面精度及機台的切削去除率 L d 2018/11/27 24

26 靜剛性測試課堂講義 工具機受到切削等外力影響, 會造成主軸結構及接觸面產生變形, 影響加工精度, 因而受外力作用時產生的變形量, 必須控制在設計需求以內, 以確保工具機之精度 工具機主軸結構受力時會產生變形, 而剛性即是物體產生單位變形所需的作用力, 一般以 K 表示 : K 其中 F 為靜態切削力 X 為結構量測點的位移 F X

27 主軸靜剛性測試課堂講義 Load cell 軸向測試 Load cell 徑向測試

28 靜剛性測試課堂講義 靜剛性測試的設備包括 : 力感測器 (Load cell)..量取施予主軸的力量 位移計 (LVDT)..量取主軸鼻端的變形 施力進給機構 表架 固定夾治具 多頻道動態訊號分析儀

29 靜剛性測試課堂講義 施力大小及施力點 : 根據機台主軸馬達功率大小, 並參考 JIS 之規範, 施力點為鼻端下 100mm 主軸馬達功率荷重 (KW) kn Kgf

30 靜剛性測試課堂講義 測試結果 測試時, 加載與卸載的線形路徑不一致, 這是所謂的遲滯現象 48 Force (N) 加載卸載 Deflection (um)

31 靜剛性案例討論課堂講義 車銑複合機結構靜剛性測試 : 施力方式 : 緩慢施力 : 將力量緩慢增加至 160kg 後再緩慢減少至 0kg 瞬間施力 : 將力量瞬間增加後再瞬間減少至 0kg 施力點 : X Y Z

32 靜剛性案例討論課堂講義 銑主軸 X Y Z 向主軸剛性之施力 位移曲線圖 : X Y Z

33 靜剛性案例討論課堂講義 光學尺開關與施力速度對進給剛性的影響 : 光學尺開啟瞬間施力 光學尺關閉瞬間施力

34 靜剛性案例討論課堂講義 Y 軸向立柱剛性 :

35 動剛性課堂講義振動反應激振力 b(t) a(t) 脈衝響應函數 頻率響應函數 h( ) H(f) 時間頻率

36 f(t) 動剛性 m 課堂講義 k c x(t) 2018/11/27 35

37 動剛性課堂講義 2018/11/27 36

38 動剛性課堂講義 2018/11/27 37

39 動剛性課堂講義 H( ) 1 f(t) 2 m 1 1 c x(t) k m k H( ) c 0 = k/m 0º -90º -180º 時域 m a f - cv - kx mx cx kx f 頻域 H( ) Where X( ) F( ) 2 R 1 m j c k 1 j2m d R j ( j d k m d ) c 2 4m 2 R * j ( j d ) c 2m

40 動剛性課堂講義 R R* H( ) where p = + j j p j p* d R At resonance: H( ) R = Residue Real & Imaginary Log. Magnitude & Phase Magnitude & Phase H Re H Im

41 動剛性課堂講義力源結構特性反應 f2 - f2 f1 f1=f2 共振 暫態 f2 穩態 f2 f1 f1 f2 自激顫振

42 動剛性課堂講義 動剛性測試的設備包括 : 衝擊鎚..施予主軸端動態力量 位移計 (Capacitive)..量取結構振動的位移訊號 三軸向加速規 : 量取結構振動的加速度訊號 2018/11/27 41

43 動剛性課堂講義 測試流程圖動剛性量測動剛性作業程序 儀器架設測試位置選定 施加動態衝擊力量擷取結構之響應訊號結構動態特性完成 2018/11/27 42

44 動剛性課堂講義 測試流程圖 - 測試位置選定 & 施加衝擊力 量測座標方向依機台機械座標, 位移計測試點的指定說明如下 : 依待測軸向將位移計指向各軸向刀具側 當電容式位移計固定於 X 方向時, 各別敲擊 +X +Y +Z 向做為量測點 每一個頻率響應函數是以 3~5 次良好的敲擊平均而得, 避免干擾及誤差影響 2018/11/27 43

45 單體主軸案例分析課堂講義 2018/11/27 44

46 模態行為課堂講義 當結構受到激振力時, 會於特定頻率儲能量及振動 振動反應 b(t) 頻率響應函數 激振力 a(t) 頻率 H(f)

47 模態分析的參數及目的課堂講義 結構之動態反應可以分離為一組互相獨立的特定運動, 這些運動被稱為振動模式 每一振動模式可以以一組模態參數加以描述 : 自然頻率 (Natural Frequency) 及阻尼 (Damping) 振型 (Mode Shape) 衝擊鎚敲擊點

48 課堂講義 47

49 模態資料之應用課堂講義 頻率與阻尼 於特定頻率結構有弱點 吸收振動能量之能力有多好 振型 特定頻率之動態變形 48

50 模態測試課堂講義

51 模態測試課堂講義 模態分析則透過結構之空間各點的頻率響應函數進而建構出結構之整體動態行為 : 模態參數 : 自然頻率 阻尼 振型 自然頻率與阻尼稱為總體參數 - 與量測點所在位置 無關 振型係由空間上各點之殘值所組成被稱為局部參數 - 量測點位置不同測試值就不一樣

52 EMA- 模態測試 - 激振器激發法課堂講義

53 EMA- 模態測試 - 衝擊錘激發法課堂講義

54 速度計EMA- 模態測試系統配置圖課堂講義 激振源加機身結構體 筆記 B&K3560C 型電頻譜分析儀腦

55 EMA- 模態測試分析流程圖課堂講義模態測試與模態設定顯示相位變化顯示軟體教學量測結果參數相關函數顯示 SOP 量測系統架構衝擊鎚激發響應測試設定加權函數範圍規劃量測 敲擊位置檢視相關函數 設定量測儀器靈敏度 設定感測器靈敏度 信號耦合模式 信號輸入電壓範圍 設定量測定義敲擊點位置及方向 計算模態頻率與振形 模態軟體操作教學 加權函數模態頻率與振形評估設定量測分析設定解析條數完成功能參數設定分析頻寬設定信號檢視 2018/11/27 54

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