数控机床主轴校准与颤振监测系统

提高生产数量与产品质量始终是制造业努力追求的目标，工业4.0更勾勒出智能制造的美好愿景，促使被制造业视为是重要生产设备的CNC工具机（数控机床）也得因应这样的趋势不断地精益求精。而数控机床制造商在积极改善自家机器性能并提升加工精度以符合客户需求的过程中，机器校准正确与否是影响加工精度的重要因素之一。但一直以来制造业都是靠累积多年经验的老师傅来进行机器校准，工厂每日必须先以这种传统作法来检查设备才能正式开工；如果该厂需要制造的产品种类较多，每一次产线调整时还得再次为机器重新设定与校准。如此科学的作业模式既繁琐又费时，一旦作业程序有所疏失就会发生加工精度失准的问题。

另一项影响加工质量的元凶则是颤振。当CNC机床在进行快速或深度切削时非常容易产生颤振，由于其乃属于较轻微的高频振动，因此通常都较难被人所察觉，但此一现象不仅会降低工件的加工精度，若未能即早发现则恶性循环下必将损坏刀具、主轴、轴承等重要零组件。因此，要如何尽早发现颤振以防止问题持续恶化向来都是令设备制造商头痛但却又必须解决的问题。

为了减少校准时间并提高加工精度，设备制造商可以利用感测技术来协助自家机床完成自动校准与实时监测的工作。然而，要为早已开发完成的CNC机床导入新功能，又要避免大幅更动机台的现有设计，设备制造商必须先克服机箱空间有限与噪声干扰等问题，同时还要妥善控管开发成本，以免新功能的花费过高而稀释了企业获利并影响产品之市场竞争力。研华为CNC机床提供的主轴校准与颤振量测解决方案能以小尺寸、易安装、免插适配卡、快速开发与验证等特色解决上述种种问题，从而让设备制造商能以经济实惠的方案顺利完成新功能。

系统需求

拥有超过五十年工具机研发与生产经验的亚洲某家加工中心机制造厂商以优异的制造技术与对高质量的坚持让该公司生产的工具机深受国际*大厂的肯定。而身为世界级*的这家工具机制造厂商，其不仅持续开发高技术含量的机型，也从现有客户所碰到的问题着手来优化加工中心机的功能。近来，为了解决由老师傅校准所衍生的不确定性问题并降低机台颤振影响加工质量，该公司决定在现有CNC机床机台内加入主轴校准与颤振量测的功能，期能以一致性的校准与自动化监测打造出更高效的加工设备。

由于是在现有的CNC机床中增加新功能而非设计一台全新的机型，该设备制造厂商需要的是易于整合的解决方案，像是：硬件尺寸与安装方式需配合现有机箱所剩不多的空间；以工规等级的平板计算机作为机台的人机控制接口；以USB外接模块取代插适配卡之方式来完成数据的收集；数据采集模块必须有足够的分辨率与采样率以快速取得所需资料；避免数据采集过程中受到环境讯号之干扰而影响所收集数据的正确性；提供模块连接IEPE传感器。此外，该公司还提出软件开发工具与客制化服务的需求以缩短项目开发时间，让新的CNC机床可以早日投入市场。

系统概述

研华以10.4吋的无风扇平板计算机搭配数据采集模块USB-4716PMS、IEPE讯号处理模块ADAM-3017PMS、以及软件开开发工具WebAccess/MCM所提供的自动监测解决方案可满足CNC机床制造商的种种需求。透过USB-4716PMS搭配ADAM-3017PMS来连接IEPE传感器，作为操控平台的平板电脑即能取得振动信息，藉此实现主轴校准与颤振量测的功能。

 
系统架构图：

提供16位分辨率、采样率可达200 kS/s的USB-4716PMS是一款掌上型、采导轨式安装之即插即用数据撷取模块，其能直接透过USB端口来传送所采集的数据；而且无需额外接电源线，仅靠USB供电即可运作，因此可省去拆开计算机机壳安装适配卡的麻烦，或者像是此项目采用的是无法加装适配卡的平板计算机也非常适合以此模块来收集数据。研华USB-4716PMS根据产业需求具备了电阻电容滤波器（R-C filter）功能来获取特定频率范围内的讯号，藉此去除不必要之噪声以确保传送正确数据供系统分析。而ADAM-3017则是负责连接IEPE传感器的讯号处理模块，透过其内建的4或10 mA可让系统顺利取得IEPE传感器的讯号，而所支持的讯号放大和抗混迭滤波功能则确保撷取之信号不会受到噪声干扰。

软件方面，WebAccess/MCM与DAQNavi是在智能设备预测性维护领域针对研华的数据采集产品而设计的软件开发工具包，使用者可以透过易于使用的操作接口来快速建立数据采集及控制系统。此外，DAQNavi软件还提供了像是特殊设计的直觉式精灵、现成的应用模板与范例程序代码、无需撰写程序即能进行组态设定及功能测试、函式库与公用程序等多种好用的功能，藉此可协助系统设计工程师更快地完成应用程序的开发。

应用产品：

总结

不论是全新设计的工具机或在现有机台进行功能改造，拥有众多产品线的研华都能针对客户需求规划出*适合的自动监测解决方案。以此项目的设备制造业为例，该公司多年来已采用研华各式各样的产品以便导入智能应用并提升机器性能，这一回其原本想要大幅更动机台来新增主轴校准与颤振量测的功能，但这样的作法既会增加开发成本、也会让新机器难以达到Time-to-Market的目标。

 所幸，透过研华经验丰富的项目经理仔细评估后，推荐该公司改采能即插即用的数据采集模块与IEPE讯号处理模块，拖过对通用产品的小幅修改硬件电路，因而让其无需重新设计机台就能以具成本效益的方式来新增所需功能，而且收集来的数据还能成为设备制造商日后导入预测性维护系统等智能管理与维护应用时的参考数据，让其CNC机床不仅提升了加工精度，更能让机器变聪明以增加生产效率。