診斷精密主軸缺陷之振噪測量系統 ---Ho 以及 Randall (2000)除了應用希爾伯轉換實現頻譜分 析外，更導入自適性消除雜訊技巧，對於訊雜比較低的信號
診斷精密主軸缺陷之振噪測量系統 轉換到數字離散信號，轉換過程中取樣 (Sampling)是得到離散信號 的 一 個 重 要 方 式 。 而 取 樣 方 法 是 以 一 個 固 定 的 時 間 區 間 (Time
診斷精密主軸缺陷之振噪測量系統
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於音頻訊號採樣頻率為 44100 (Samples per second) 時其對應頻寬 為 20000 Hz，對於人耳的聽覺頻帶約從 20 Hz 到 20000 Hz，所以
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下章 2.2 節將說明如何結合心理聲學參數(Metrics or Parameters)與利 用加速規等振動檢測儀器和噪音檢測設備來確保軸承之噪音品質。並
診斷精密主軸缺陷之振噪測量系統 上，可藉由相關分析(Correlation analysis)來了解主觀聽測結果與主觀 聽覺量化數據的相關程度。
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圖 2.1：十五種不同的 DDS-BT30 直結式滾珠軸承
2.2.2 音訊錄製
研究對象是以上述普森實業股份有限公司所提供的十五種不同 的 DDS-BT30 直結式滾珠軸承，量測後所錄下來的聲音，可藉由訊 號分析來了解主觀聽測結果與主觀聽覺量化數據的相關程度。
2.2.3 軸承量測實驗
由普森精密主軸工程有限公司生產的高速旋轉主軸 DDS-BT30，
額定轉速 8000rpm，最高轉速 12000rpm，此軸承為普森公司生產的 向心推力球軸承，可以使用預壓方法提高剛性，因此，適用於高旋 轉精度的機床主軸，這種軸承具有接觸角，軸承保持器為接觸角 30°
的向心推力球保持器，是用來承受一個方向的軸向負荷、或合成負 荷。結構上，承受徑向負荷後產生軸向分力，所以裝配時採取成對
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雙聯角接觸球軸承的裝配方式，將兩個軸承對置使用，或兩個以上 成對雙聯使用，特徵是可以承受徑向和一個方向的軸向負荷。以兩 個軸承承受軸向的負荷，適用於一個方向負荷大的場合。
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第三章 軸承缺陷診斷之實現與工程應用
本章節講述以高速主軸測試平台軸承診斷，對於損壞程度不一的滾珠 式軸承檢測軸承缺陷之故障特徵頻率，在機台軸承監測進行時，加速 規的類比訊號透過資料擷取系統蒐集，並進行後續的訊號分析。圖 3.1 說明振動檢測儀(即加速規)從實驗機台上獲取量測訊號，並將其 傳送至訊號分析端之流程。
圖 3.1：高速主軸診斷系統示意圖。
主軸
訊號線
加速規
訊號分析與特徵擷取
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3.1 加速規與資料擷取系統簡介
實驗之量測設備包含加速規、訊號放大器、資料擷取卡(REM
Fireface UCX)。B&K 加速規其優點為尺寸小且成本低廉，因此可用 於大部份的振動測量場合，舉凡汽車安全系統、機械狀態監控與故障 診斷、建築物振動問題、機械設備與交通工具的動態特性測量等等，
這些應用中都可用加速規來提供振動訊號，讓工程師或是控制系統來 判斷系統狀態是否正常或是需要調整。
近來加速規也被應用在一些生醫方面的研究與測量上，例如人體 在運動過程中的振動、勞工工作過程中承受的振動等等，因此加速 規的應用範圍可說是相當廣泛。
加速規的工作原理如圖 3.2 所示，它是質量-阻尼-彈簧系統的應 用，是透過將質量塊在振動時的位移量轉為電子訊號輸出的一種振動 測量工具。壓電材料是加速規常用的電子訊號產生來源，其原理如圖 3.3 所示，它是透過質量位移促使壓電材料變形釋出電荷，然後依據 電荷釋出量來判斷振動大小。
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圖 3.2：質量-阻尼-彈簧系統模型
圖 3.3：加速規工作原理
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音效卡：RME Fireface UCX Fireware/USB 雙規格錄音界面
研究中使用 RME 公司的音訊擷取設備將感測器的類比訊號以數 位形式擷取，還可以把數位信號還原成為真實的聲音輸出，方便進行 複雜的計算與分析，使問題得到更好的處理方式，表 3.1 以及圖 3.4 為音效卡之規格與實圖。
圖 3.4：音效卡。
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表 3.1：音效卡規格表。
REM Fireface UCX Frequency response
@ 44.1 kHz, -0.5 dB:
6 Hz - 20.6 kHz Frequency response
@ 96 kHz, -0.5 dB: 6 Hz - 45.3 kHz Frequency response
@ 192 kHz, -1 dB: -1
Maximum input level: +19 dBu Channel separation: >
110 dB
Input: 6.3 mm TRS jack, electronically
balanced Input sensitivity switchable to Lo Gain, +4 dBu, -10
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3.2 高速主軸測試平台簡介
本研究利用一高速主軸測試平台，進行軸承缺陷狀態相關監測，測試 平台如圖 3.5。
圖 3.5 高速主軸測試平台。
3.2.1 測試平台簡介
實驗中的高速主軸測試平台是由三相異步馬達帶動 DDS-BT30 直結式 高速主軸旋轉，以時規皮帶連結高速主軸與變頻馬達，軸承振動產生 信號後由加速規量測之振動信號進行監測。
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A. DDS-BT30 直結式高速主軸：由普森精密主軸公司所研發之直結式 高速主軸。
圖 3.6：測試平台使用DDS-BT30 直結式主軸 表 3.2：直結式主軸之規格。
直結式主軸型號 DDS-BT30
最高轉速(Maximum rotation speed) 12,000/15,000/20,000/24,000 (rpm)
錐孔 #30(BT/CAT/DIN)
拉刀系統 夾爪
套筒外徑 Ø95 mm
潤滑方式 油脂
冷卻方式 油冷
精度 0.008 mm 以下(測試棒 300 mm)
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B. 高效率三相異步電動機：High Efficiency 3-phase Induction Motor 與單相異步電動機相比，三相異步電機結構簡單，製造方便，運 行性能好，並可節省各種材料，價格便宜。
依照實驗平台所選用新生精技工業有限公司的三相異步電動機，
其規格如下表 3.3 所示。
表 3.3：高效率三相異步電動機之規格。
High Efficiency 3-phase Induction Motor SPEC. CNS 14400 HP 3 TYPE HEF IP 44
KW 2.2 FRAME 90L IC 411 POLE 2 VOLTS 220/380 INS. E
Hz 60 R.P.M 3480 RATING CONT.
EFF 85% BRG DATE 2006 TORQUE
AMB 40℃ Ser.No 0508310
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軸承：
分別置於主軸內部的前後兩端，由軸承座固定，滾珠在內、外環 槽中轉動，研究中所使用的軸承為 DDS-BT30 直結式滾珠軸承，圖 3.XX 為 DDS-BT30 軸承實體，內部滾珠分別由保持架固定，軸承 主要的幾何尺寸分別為：接觸角 0 o 、滾珠直徑 10mm、軸承節徑 35mm。
圖 3.7：高速主軸測試平台使用軸承(DDS-BT30)。
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3.2.2 實驗流程
研究中對高速主軸測試平台進行軸承缺陷檢測，故障診斷流程從 感測元件的安裝，透過信號調節濾波與放大，經由信號處理轉換成不 同的領域並去表現特定元件的特徵，其流程分述如下：
1. 感測器的安裝：將量測振動的加速規放置於平台適當的位置 並利用精密麥克風採集平台上的振動和聲音訊號。
2. 資料擷取：蒐集平台在不同轉速的實驗條件下之動態信號。
3. 信號擴大與轉換：配合資料擷取設備的適當量測範圍(±10v)，
適當範圍內調節信號。轉換前為避免擷取信號時產生的失 真，需加入一濾波器接著透過資料擷取系統將信號轉換成數 位信號。
4. 動態信號分析：利用軟體進行數位信號的分析處理以求得適 當的結果。
圖 3.8：實驗架構流程圖
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3.2.3 實驗設計
本實驗對高速主軸測試平台中的軸承進行監測，在不同轉速及 軸承狀態下進行量測分析，先將加速規分別置於主軸前後端的外殼 上，量測徑向的垂直方向振動信號，並在主軸軸承旁另以麥克風量 測軸承運轉時之噪音信號，其感測器的架設如圖 3.5 所示。
實驗與資料擷取相關參數如下：
三相異步馬達轉速：轉速以 2400~3600 rpm 進行，每隔 600rpm 量測數據。
馬達與轉軸之轉速比：1
每筆資料長度(時間)：定轉速 10 sec。
實驗數據：共 45 筆數據。
軸承缺陷：分為良好軸承、缺陷軸承，如圖 3.9(a)、(b)、(c)；
軸承尺寸及軸承缺陷狀態描述如表 3.4
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表 3.4：軸承缺陷狀態描述。
軸承 軸 承 狀 態
軸承 A 良好軸承
軸承 B 前軸承內環軌道磨損嚴重
軸承 C 後軸承保持器上有一道長約 2 (cm)之磨損 使用軸承皆為普生高速主軸公司所提供之 DDS-BT30。
幾何尺寸
接觸角 軸承節徑 滾珠直徑 滾珠數目 0 o 35(mm) 10(mm) 20
(a)軸承 A (b)軸承 B (c) 軸承 C
圖 3.9：軸承狀態區分(a)良好軸承(軸承 A)、(b)具內環缺陷的 前軸承(軸承 B)、 (c)具保持器損傷的後軸承(軸承 C)。
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3.2.4 動態信號分析
實驗的進行以不同的馬達轉速，分別對具有內、外環缺陷的軸承 檢測軸承缺陷檢測，實驗設計如 3.2.3 節所述，在執行分析前需先 對軸承共振頻率進行探討，以決定軸承缺陷調制訊號的載波頻率，並 設定品質門檻，如圖 3.16 所示。研究中(轉速由 2400 rpm 增至 3600 rpm，各歷時 10 秒)，量測軸承座上方振動信號，發現振動量隨轉速 增加而增強，再以譜圖繪製轉速於 300~4000 rpm 時軸承座上振動訊 號， 繪製歷時 10 秒、頻率至 60k Hz 的譜圖，分析後發現良好軸 承安裝至軸承測試平台時，以 3600 rpm 轉速時的振動狀態為例，良 好軸承振動信號及其頻譜如圖 3.14 所示，振動幅值低且無明顯脈衝 響應，而其餘頻段並無明顯的峰值或能量集中部分。若對此訊號進行 分析程序，分析結果由圖 3.10 所示，可以發現包絡譜中並無任何軸 承的缺陷特徵頻率產生，僅有轉速頻率及其諧頻且波峰幅值低，經由 分析初步研判此軸承為良好軸承。
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經比較分析圖 2.1 中所示兩隻良好軸承與十五隻缺陷軸承音軌之 頻譜分析、高與低速運轉穩定度、整體運轉穩定度、噪音浮動度等相 關數據。可設定編號分別為(a)2230、(b)3420 之軸承為良好軸承，
並從其中獲取軸承振動相關數值作為良好軸承振動之品質門檻，如圖 3.16(a)與(b)所示，若未知品質軸承經檢測獲得之相關數值未超過編 號分別為(a)2230、(b)3420 之良好軸承所設定的品質門檻，此時便
並從其中獲取軸承振動相關數值作為良好軸承振動之品質門檻，如圖 3.16(a)與(b)所示，若未知品質軸承經檢測獲得之相關數值未超過編 號分別為(a)2230、(b)3420 之良好軸承所設定的品質門檻，此時便