多波段微機電加速規整合設計於工具機振動監控與診斷應用

即時監測工具機為工業4.0巷目的主要發展的目標之一，其中透過振動監測能夠對工具機的健康狀態做有效的分析，如顫震、軸承損壞等等。然而工具機會激發由低頻至高頻的振動頻率，而市面上任一的振動感測器無法兼具高頻寬、高靈敏度的特性以量測工具機的振動。同時以智慧製造為主要發展的目標之下，若要將振動感測器用於監測大量機台的振動狀態，尚需具備有體積小與低成本的競爭力。因此在本文整合多個不同頻寬的低成本的微機電加速規，並使用機構設計將電路與多個微機電加速規整合，並且考慮高頻加速規本身靈敏度低的特性，藉由電路設計提升加速規的靈敏度，而在訊號傳輸後使用數位濾波器做初步的資料統合，形成一個高頻寬、高靈敏度、低成本且三軸的整合多波段加速規模組，並將加速規模組初步在激振器上驗證靈敏度及頻寬，再應用於工具機主軸量測不平衡負載實驗及真實的切削情形，並討論其結果。除了量測工具機主軸的振動之外，本研究將加速規模組應用於智慧主軸鑽削平台，量測鑽削時的振動情形，以及機械手臂異音監測，量測機械手臂異常時的振動訊號，達到監測機台之效用。

近年來，在「工業4.0」的架構下，結合虛實整合系統與工業物聯網及大數據分析，使得工廠形成一個大型的網絡系統。透過建立感測及雲端系統，讓各機台擁有感知、決策及執行的能力，形成一個自動化的「智慧工廠」。即時監控及診斷機台的運作狀態, 以便有效延長機台壽命並提升工廠產能，並進行機台預診與壽命評估。 而在此架構下, 合適的感測器選用, 無疑的代表了一個核心的角色。在生產製造上, 素有「機械之母」之稱的工具機為主要的生產來源，因此若是能夠藉由感測系統裝置在工具機上，並且分析工具機複雜的失效來源，使工具機正常運行並且保持一定的加工精確度，更能提升工廠的生產效率及良率。

圖1 各式加速規之響應特性以及整體設計概念

       因此本研究使用尺寸適合，成本較低的微機電加速規做為主要的感測器，整合不同動態特性之微機電加速規晶片並佐以訊號處理，在不同頻率波段使其在頻寬、靈敏度、尺寸、以及價格上均具適合工具機狀態監控應用 (如圖一) 。圖二為實際發展的模組，我們接著將此模組初步在激振器上驗證靈敏度及頻寬，再應用於工具機主軸量測不平衡負載實驗及真實的切削情形，並討論其結果(如圖三)。

圖2 模組實際照片 (內含五個商用加速規晶片)

(a)

(b) 

(c) 

圖3 各式應用 (a) 五軸加工機, (b) 鑽削, 以及(c) 機器手臂振動監控量測

圖4 多重加速規訊號處理實例