第六章 結論：歸納出結論，並提供後續研究方向。
第二章 實驗設備
2-1 實驗平台
論文所使用的實驗平台分兩部分，第一部分為配合對稱高速雙主軸研磨 機所開發出的監控與異常系統偵測，研磨機由國立臺灣師範大學機電系微製 造實驗室的研究團隊設計製造，屬於國科會「智能化對稱高速雙主軸研磨機 開發與LED 探針快速研削成型研究」計畫。第二部分為「疲勞實驗」，購買 的主軸類似第一部分平台的高速主軸，藉由蒐集此平台的訊號來協助完成高 速主軸的異常偵測。
2-1-1 智能化對稱高速雙主軸研磨機
此研磨機由兩個高速主軸、一個低速主軸、兩個精密移動平台及控制器 所組成，藉由精密控制系統操作平台並對工件進行加工，利用雙主軸快速研 削以減少加工時間，表2-1 為對稱高速主軸 NSK BM320 規格，表 2-2 為慢 速主軸規格。
利用三個單軸加速規(PCB 352A24、PCB 352C33、PCB 352C03)及一個 三軸加速規(PCB 356A03)監控加工機的變化，在左右兩側高速主軸上分別擺 放一個單軸加速規，而慢速主軸上則擺放一個單軸加速規及一個三軸加速規，
如圖2-2(b)。擺設三軸加速規於慢速主軸上，主要是觀察加工時振動訊號對 於探針加工的影響。
圖2-1 研磨機實驗平台
(a)擺放示意圖 (b)實際圖 圖2-2 加速規架設位置
PCB 356A03 PCB 352A24
PCB 352C03 PCB 352C33
表2-1 NSK BM320 高速主軸規格
圖2-3 Run-to-Failure 實驗平台 表2-3 NSK NR-303 高速主軸規格
馬達最高轉速 30,000 rpm
主軸同心度 1 μm
最大輸出功率 125 W
最大轉速升溫 室溫+20
2-2 訊號擷取系統軟硬體介紹
資料擷取(Data Acquisition)模組的主要功能是將感測器量測到的類比訊 號，轉換成電腦可以處理的數位訊號。一般而言，一個完整的感測訊號擷取 系統包含： 感測器、DAQ 模組、DAQ 驅動程式以及訊號顯示軟體(圖 2-4)。
感測器是將物理現象轉為電氣訊號，其種類包含電壓、電流、電阻….
等。
DAQ 硬體模組是電腦與感測器中間的橋樑，將感測器所量測的類比訊 號轉為數位訊號。
電腦端的軟體可控制 DAQ 介面卡的作業程序，並可對資料進行處理、
分析及呈現。
此系統所使用的感測器為加速規，型號為 PCB 352A24(圖 2-5)、PCB
352C33(圖 2-6)、PCB 352C03(圖 2-7)、PCB356A03(圖 2-8)，其規格分別為 表2-4、表 2-5、表 2-6 及表 2-7，除了 PCB356A03 為三軸加速規，其餘都為 單軸加速規，352A24 與 352C33 的量測範圍為±50 g，352C03 與 356A03 則 是±500 g。
圖2-4 擷取系統介紹圖
資料擷取卡使用NI9234(如圖 2-9)及 ADLink USB-2405(如圖 2-10)，
其規格如表2-8、2-9 所示。NI-9234 支援四個通道，類比輸入解析度為 24 bits，
具有 IEPE 訊號處理功能，每通道 51.2 kS/s 取樣率，ADLink USB-2405 支 援四個通道，類比輸入解析度為 24 bits，每通道 128 kS/s 同步取樣。
圖 2-5 加速規為 PCB 352A24 表2-4 加速規 PCB 352A24 規格
PERFORMANCE ENGLISH SI Sensitivity 10% 100mV/g 10.2mV/ m/
Measurement Range 50 g pk 491 m/ pk Frequency Range 5% 1 to 8,000 Hz 1 to 8,000 Hz
10% 0.8 to 10,000 Hz 0.8 to 10,000 Hz 3dB 0.4 to 12,000 Hz 0.4 to 12,000 Hz Resonant Frequency 30 kHz 30 kHz
Broadband Resolution(1to10,000Hz) 0.0002 g rms 0.002 m/ rms
Non-Linearity 1% 1%
Transverse Sensitivity 5% 5%
Temperature Range 65 to 250
圖2-6 加速規 PCB 352C33 表2-5 加速規 PCB 352C33 規格
PERFORMANCE ENGLISH SI Sensitivity 10% 100mV/g 10.2mV/ m/
Measurement Range 50 g pk 491 m/ pk Frequency Range 5% 0.5 to 10,000 Hz 0.5 to 10,000 Hz 10% 0.3 to 15,000 Hz 0.3 to 15,000 Hz Resonant Frequency 50 kHz 50 kHz Broadband Resolution(1to10,000Hz) 0.00015 g rms 0.0015 m/
rms
Non-Linearity 1% 1%
Transverse Sensitivity 5% 5%
Temperature Range 65 to 250 54 to 93 Size – Height 0.62 in 15.7 mm Size – Hex 0.44 in 11.2 mm
Weight 0.20 oz 5.8 gm
圖2-7 加速規 PCB 352C03 表2-6 加速規 PCB 352C03 規格
PERFORMANCE ENGLISH SI Sensitivity 10% 10mV/g 1.02mV/ m/
Measurement Range 500 g pk 4900 m / pk
Frequency Range 5% 0.5 to 10,000 Hz 0.5 to 10,000 Hz 10% 0.3 to 15,000 Hz 0.3 to 15,000 Hz Resonant Frequency 50 kHz 50 kHz
Broadband Resolution(1to10,000Hz) 0.0005 g rms 0.005 m/ rms
Non-Linearity 1% 1%
Transverse Sensitivity 5% 5%
Temperature Range 65 to 250 54 to 121 Size – Height 0.62 in 15.7 mm Size – Hex 0.44 in 11.2 mm
Weight 0.20 oz 5.8 gm
圖2-8 加速規 PCB 356A03 表2-7 加速規 PCB 356A03 規格
PERFORMANCE ENGLISH SI Sensitivity 10% 10mV/g 1.02mV/ m/
Measurement Range 500 g pk 4905 m / pk Frequency Range 5% 2 to 8,000 Hz 2 to 8,000 Hz
10% 2 to 8,000 Hz 2 to 8,000 Hz Resonant Frequency 50 kHz 50 kHz
Broadband Resolution(1to10,000Hz) 0.0003 g rms 0.003 m/ rms
Non-Linearity 1% 1%
Transverse Sensitivity 5% 5%
Temperature Range 65 to 250 54 to 93 Size – Height 0.25 in 6.35 mm Size – Hex 0.25 in 6.35 mm
Weight 0.04 oz 1. gm
圖2-9 NI DAQ 介面卡 NI 9234 表2-8 NI DAQ 介面卡(NI9234)規格
RoHS Compliant Yes
Signal Conditioning Current excitation ,Anti-aliasing filter Differential Channels 4
Analog Input Resolution 24 bits Maximum Sample Rate 51.2 kS/s Maximum Bandwidth 23.04 kHz Simultaneous Sampling Yes
Input Impedance 305 kOhm Storage Temperature -40~85 Operating Temperature -40~70
圖2-10 凌華 DAQ 介面卡 USB-2405 表2-9 凌華 DAQ 介面卡(USB-2405)規格
Signal Conditioning Anti-aliasing filter Differential Channels 4
Analog Input Resolution 24 bits Maximum Sample Rate 128 kS/s Simultaneous Sampling Yes
Input Impedance 200 kOhm Storage Temperature -20~70 Operating Temperature 0~55
Dimensions 115 x 150 x 40 (mm)
本研究初期曾使用麥克風來當作感測器。主要的原因是希望利用麥克風 蒐集在不同加工狀態時所產生的聲紋，藉由分析這些聲紋來了解加工狀態以 及加工機的健康情況，但因實驗平台所架設的位置，尚有其他大型機台，加 上實驗時，常有外在的干擾，而這些干擾會影響分析的正確性，因此，我們 取消了麥克風的設置。圖2-11是我們蒐集到的其中一組數據，分別是在轉速 為2,500 以及4500 rpm的運作狀態下，所蒐集到的聲紋訊號，從圖中可以發 現，第47秒時有一個嚴重的干擾。
此外，在實驗初期，我們也曾在慢速主軸上黏貼應變規當作感測器，來 探討在進給研削時是否會造成主軸的應力變化，但是，經過實驗發現，由於 主軸的剛性很強，應變規無法偵測應力的變化，故而取消應變規的設置。故 而本研究所發展的監控系統，其感測器全由加速規所組成。
圖2-11 加工機運轉時由麥克風所取得的聲紋圖
第三章 線上監控系統
本系統在開發初期，使用 NI 公司的 Labview 軟體作為線上監控及資料 儲存的介面與軟體，但後期因添購了凌華公司的資料擷取卡，並為了與「智 能化對稱高速雙主軸研磨機」的其他子系統進行整合，因此採用 MicroSoft Visual Studio C# 作為訊號擷取與簡易分析的開發平台。
圖3-1 為本實驗所設計之監控軟體的流程圖，監控軟體會在程式開始時 檢查擷取卡的傳輸線與電腦是否連結，第二步需要在使用者介面上設定取樣 頻率及加速規的靈敏度等，當確認加速規貼黏好後即可開始取樣，當取樣開 始時，資料將會儲存至介面上所設定的路徑，並且在介面上會即時的呈現加 速規所量測出的振動訊號以及這些振動訊號的頻率特徵以及統計特徵，操作 者可利用肉眼的觀察，判斷加工中是否有異常的振動量或頻率出現。
圖3-1 雙主軸研磨機擷取軟體的程序圖
平台的振動量、振動訊號的方均根值、頻譜圖與時頻圖，用來監控兩個高速 主軸及一個慢速主軸在加工中所產生的振動量及頻率，觀察是否有異常振動 出現，並將所量得的數據儲存於電腦中，介面左側可以讓使用者設定取樣頻 率從1,024 Hz 至 51,200 Hz。
圖3-2 Labview 監控軟體
圖3-2(A)顯示原始振動訊號，X 軸代表時間，單位為秒(sec)，Y 軸代表 加速度，單位為g (9.8 m/ )。圖 3-2(B)是訊號的方均根值，用來分析整體 訊號的能量。圖3-2(C)是訊號的頻譜的監控介面，X 軸代表時間，Y 軸代表 頻率，單位為 Hz，主要是用來偵測是否有異常頻率的發生，圖 3-2(D)為時 頻圖，X 軸代表時間，Y 軸代表頻率，Z 軸代表加速度，時頻圖能觀察頻率 隨著時間所產生的變化狀態，在加工的過程中，可藉由時頻圖找出異常頻率 出現的時間點。
圖3-3 為使用 C#語言所撰寫的的監控軟體，此時，智能化對稱高速雙主 軸研磨機，被設置三個單軸的加速規及一個三軸加速規，這6 個加速度訊號 是透過NI 以及 AD-Link 這兩個資料擷取模組傳送到電腦端。此監控程式的
(A) (B)
(C) (D)
功能涵蓋分別為數值監控(A)、取樣率設定(B)、線上研削力監控(C)。數值監 控(A)是顯示高速主軸上及慢速主軸上單軸加速規的振動量。取樣率設定(B) 是用來設定類比轉數位訊號時的取樣率，取樣率太高，資料量太大，儲存時 會有時間延遲現象，破壞系統即時性，取樣率太低，則會造成混疊(aliasing) 現象。線上研削力監控(C)能即時顯示慢速主軸在加工時所產生的振動量，
藉由振動量的強度，觀察加工時，慢速主軸是否發生異常的振動。
圖 3-3 MicroSoft Visual Studio C#監控軟體
A
B
C
圖3-4 為疲勞試驗(Run-To-Failure)的監控軟體，疲勞試驗模仿 IMS 的實 驗方式，其相關參數設定如2-1 節所述。
圖3-4 疲勞試驗的監控軟體
第四章 預知保養
為了避免加工機因零件損毀造成停擺，或是機台過度保養造成了成本的 增加，因此發展出「預知保養」的技術，一般而言，預知保養系統可分為以 下幾個步驟：1. 資料蒐集：透過加速規蒐集加工機的振動訊號；2. 特徵抽 取：將所蒐集的原始振動訊號，利用各種演算法(例如:頻域分析、時頻分析、
統計分析及亂度分析)轉換成某些特徵值；3. 分類：應用步驟 2 所得的特徵 來進行分類器的建模，再將新的資料輸入模型以求得此新資料之分類結果。
此章介紹特徵抽取及分類的方法
4-1 方均根 (Root Mean Square)
當機械元件隨著運轉時間增加進而導致系統磨損、老化的現象發生，這 些現象將會提高訊號的強度，而方均根可以用來辨別強度是否提高，業界也 普遍使用方均根值做為檢測標準，它也是ISO 檢測旋轉機械的品質之一。
假設一個長度為 的時序訊號，時序訊號為
x { x
1, x
2, x
3, , x
n1, x
n}
，其公式如(4.1)
RMS ∑ (4.1)
方均根物理意義為訊號的平均能量，一般而言，當機械系統發生異常時，RMS 的振動量值就會變大，代表損壞嚴重，因為RMS 為計算訊號的平均強度，
若只單用此統計方法分析，較難精確的分辨錯誤，若要辨別不同種類的錯誤 需與其他分析方式搭配。
4-2 峭度 (Kurtosis) 三類：(1)當 >3 時，代表訊號集中於平均數，稱為高峰態(Leptokurtic)，
自然界的訊號大部分為此分佈情形；(2)當 =3 時，訊號呈高斯曲線分佈；
(3)當 <3 時，表示訊號平均分散於平均值，稱為低峰態(Platyurtic)，人造 的訊號均屬於此分佈情形 (如圖 4-1) 。
圖4-1 機率分佈與峭度示意圖 [26]
軸承在一般正常且健康的狀態下運轉時，振動訊號所呈現的峭度曲線大部分 呈現為常態分布或低峰態，而當軸承內部出現敲擊時，此時的訊號的峭度曲 線則呈高峰態。
4-3 快速傅立葉轉換 (Fast Fourier transform, FFT)
快速傅立葉轉換的功能是將時序訊號由時域轉換為頻域，此方法的計算 時間較離散傅立葉轉換(DFT)少，快速傅立葉轉換是以離散傅立葉轉換為基 礎，因此也承襲了離散傅立葉轉換的限制條件：1.需符合奈奎斯特定理 (Nyquist theorem)，亦指取樣速率(Sampling rate)須大於受測訊號最高頻率的 兩倍或兩倍以上，當不符合條件時，將會使低頻訊號反射至高頻訊號，造成
當頻域訊號需轉換為時域訊號時，可利用反傅立葉轉換(Inverse Fourier transform, IFT)轉換為原時域訊號。
反傅立葉轉換為：
1
2 (4.5)
假設離散訊號為x(n)，離散訊號須採用離散傅立葉轉換(Discrete Fourier transform, DFT)，其公式如：
X ， 0,1, ⋯ , 1 (4.6)
式(4.6)、(4.7)的 N 代表資料的總長度。快速傅立葉轉換的算法是在西元 1965 年由 Cooley 和 Tukey 所提出，其演算法的複雜度正比於 log ，當
式(4.6)、(4.7)的 N 代表資料的總長度。快速傅立葉轉換的算法是在西元 1965 年由 Cooley 和 Tukey 所提出，其演算法的複雜度正比於 log ，當