工具機性能評價

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1 課堂講義技術創新服務貼心工具機性能評價 黃崇瑋財團法人精密機械研究發展中心 2016PMC ( 財 ) 精密機械研究發展中心

2 大綱課堂講義 靜 動態剛性量測 模態測試 測試案例分享與討論 1

3 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 2016/11/30 2

4 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

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

6 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

7 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

8 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)

9 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

10 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 :

11 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

12 靜剛性案例討論課堂講義 X 軸向滑座端剛性 :

13 靜剛性案例討論課堂講義 Y 軸向立柱剛性 :

14 靜剛性案例討論課堂講義 Z 軸向立柱剛性 :

15 動剛性課堂講義 2016/11/30 14

16 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( τ) H(f) 時間頻率

17 動剛性課堂講義 2016/11/30 16

18 f(t) 動剛性 m 課堂講義 k c x(t) 2016/11/30 17

19 動剛性課堂講義 2016/11/30 18

20 動剛性課堂講義 2016/11/30 19

21 動剛性課堂講義 2016/11/30 20

22 動剛性課堂講義 H(ω) 1 f(t) ω 2 m 1 1 ωc x(t) k m ω k H(ω) c ω 0 = k/m 0º ω -90º -180º 時域 m a = f - cv - kx mx && + cx& + kx = f 頻域 X( ω) 1 R R * H( ω) = = = + 2 F( ω) ω m + jωc + k jω ( σ + jωd) jω ( σ jωd) 1 2 Where R = k c c ω d = σ = j2mω 2 d m 4m 2m

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

24 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

25 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 2016/11/30 24

26 激振鎚課堂講義 PMC

27 激振鎚鎚頭選用課堂講義 PMC

28 加速規種類課堂講義 內部基本結構分成三型 : 1. 電容式 (capacitive type) 2. 應變規式 (strain gauge type) 3. 壓電式 (piezoelectric type) 三個基本元件 : 1. 感測器本體 2. 感測元件 3. 振動質量

29 電容加速規應用課堂講義 PMC

30 電容加速規應用課堂講義 案例一 機台參數 Jerk 18 加速度 0.3g 條件下進行量測 2016/11/30 29

31 壓電式加速規 - 加速規選用課堂講義 2016/11/30 30

32 壓電式加速規 - 加速規選用課堂講義 2016/11/30 31

33 壓電式加速規 - 固定方式課堂講義 K /11/30 32

34 壓電式加速度規的應用課堂講義結構模態測試 Modal Testing Impact Hammer 17Z Input Force 3 Axial Accelerometer 13Y Input Force 31X Input Force SigLab 4 Channel Analyzer PMC

35 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 2016/11/30 34

36 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 2016/11/30 35

37 單體主軸案例分析課堂講義 2016/11/30 36

38 立式加工機案例分析課堂講義 立柱與底座接合面於鏟花前後頻率響應比較

39 課堂講義 鏟花前後頻率響應比較圖

40 動剛性案例分析課堂講義 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 11000rpm 12000rpm 時振動量突然變大

41 課堂講義 空轉振動量測 ( 動平衡校正前 )

42 課堂講義 動態剛性量測敲擊 x 向敲擊 y 向

43 空轉振動量測 ( 動平衡校正後 ) 課堂講義

44 案例討論課堂講義 傳動型式 : 齒輪式 刀具規格 : BT50 最高轉速 : 8000rpm 轉速比 : 低檔 :0~1500rpm(1:4) 高檔 :1500~8000rpm(1:1)

45 問題點 & 測試規劃課堂講義 問題點 主軸於 1000 及 4000rpm 振動量較大, 且於動平衡校正後進行高低檔位變換時其振動量不穩定會忽大忽小 測試規劃 頻率響應量測 空轉振動測試 振動量及相位測試

46 頻率響應量測課堂講義 敲擊方向 : 套管端 X Y Z 向 X Y Z

47 頻率響應量測結果課堂講義

48 主軸空轉振動測試課堂講義 轉速 : rpm

49 主軸空轉振動測試結果課堂講義位移振動量測結果

50 立式加工機案例分析課堂講義 問題點 : 立式加工機於 X 向快速來回進給 ( 速度 : 36m/min) 過程中有異音及振動產生 量測規劃 : 進給振動測試 動態剛性測試 模態測試 49

51 進給振動測試課堂講義 50

52 進給振動測試量測結果課堂講義 51

53 動態剛性測試課堂講義 52

54 動態剛性測試課堂講義 53

55 模態測試課堂講義 54

56 模態測試課堂講義 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)

57 模態測試課堂講義

58 模態測試 - 激振器激發法課堂講義

59 模態測試 - 衝擊錘激發法課堂講義

60 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

61 模態測試系統配置圖課堂講義激振源 機身結構體 筆記 B&K3560C 型電頻譜分析儀腦 加速度計

62 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 2016/11/30 61

63 規劃量測點課堂講義 量測位置 : 轉彎點 連接點 避免量測非主結構點 結構不連續位置, 如接合面 滑軌等 能夠表達出振型的足夠點數 避免重複點 激發位置 : 避免選在結構對稱點上, 或可能的節點上, 以免有些自然頻率無法激出 激振方式 : 單點激振 (SISO) 及多點激振 (MIMO) 2016/11/30 62

64 設定量測儀器靈敏度課堂講義 感測器靈敏度 正確的儀器靈敏度才可讓計算正確, 例如使用三軸向加速規時會依據其校正報告得知各軸向每一加速度 (g) 換算成 1mV 的電壓值 信號耦合模式 依據所使用的感測器而定, 如衝擊鎚與加速規等器材皆屬壓電式感測器, 因此會將信號耦合模式方式採用內部電流源型式 信號輸入電壓範圍 加權函數 衝擊鎚信號 : 對於衝擊鎚的衝擊瞬間信號施以作用力加權函數 (Force window) 加速規信號 : 對於加速規信號施以指數加權函數 (Exponential window) 2016/11/30 63

65 設定量測分析功能參數課堂講義 量測設定 : 取樣頻率 解析條數 平均設定 : 由於量測時多少會受各種雜訊的干擾而導致頻譜上產生一些多餘的頻率, 要降低雜訊可藉由放大信號或信號平均方式來改進之 觸發設定 : 需設定該衝擊鎚力量感測器輸出信號之觸發位準, 以確保結構被激發時系統才開始擷取資料 2016/11/30 64

66 設定量測分析功能參數課堂講義 相位變化顯示 相關函數顯示 : 表示兩個信號之間的線性相關程度, 因果函數值為 1 表示輸出信號完全由輸入信號所引起, 因此當相關函數值小於 1 時可能原因為 : 在輸入信號及 ( 或 ) 輸出信號內有雜訊存在 頻率解析度不佳或者是選用不當的加權函數導致洩漏現象 輸出信號不只是因為輸入信號的激發而產生, 可能同時有其他的激發信號 通常在反共振點附近, 因為響應信號較小, 信噪比小, 相關函數將較低 2016/11/30 65

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