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歷史雜誌

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工具機智慧監測技術之發展與應用

作者 羅宇然

刊登日期:2026/10/01

摘要

隨著智慧製造與工業4.0 發展,工具機及其關鍵零組件之健康管理,已成為提升加工品質、降低設 備停機風險與維護成本的重要課題。傳統工具機維護多依據固定時間或累積運轉時數進行預防性保養, 較難即時反映主軸與軸承之實際劣化狀態。近年來,感測器、資料分析與人工智慧技術快速進步,使工 具機狀態監測逐漸由定期維護,轉向以即時量測與資料驅動分析為基礎之智慧化預知保養。本文首先介 紹兩種工具機主軸與軸承狀態監測技術,包含以加工製程監測資料結合非監督式機器學習,用於分析主 軸故障與製程事件關聯之方法,以及以數位-實體雙驅動多尺度轉移技術,解決軸承故障樣本不足問題 之診斷方法。接著,本文以多物理量智慧化量測模組為案例,說明預壓、振動與溫度等訊號之整合方式, 以及主軸軸承健康度分級模型之建立方法,並探討其於主軸跑合、軸承狀態辨識與早期異常預警之應用。 透過上述內容,本文期望提供工具機主軸狀態監測技術開發與產業導入之參考。

Abstract

With the development of smart manufacturing and Industry 4.0, health management of machine tools and their key components has become an important issue for improving machining quality, reducing unexpected downtime, and lowering maintenance costs. Conventional machine tool maintenance is generally performed according to fixed time intervals or accumulated operating hours, making it difficult to reflect the actual degradation status of spindles and bearings in real time. In recent years, advances in sensors, data analytics, and artificial intelligence have enabled machine tool condition monitoring to shift from scheduled maintenance toward intelligent predictive maintenance based on real-time measurement and data-driven analysis. This article first introduces two condition monitoring approaches for machine tool spindles and bearings: one method applies in-process monitoring data combined with unsupervised machine learning to analyze the relationship between spindle faults and machining events; the other uses a digital–physical dual-driven multi-scale transfer method to address the problem of insufficient bearing fault samples. Next, an intelligent multi-physical measurement module is presented as a case study, illustrating how preload, vibration, and temperature signals are integrated to establish a health classification model for spindle bearings, with potential applications in spindle running-in, bearing condition identification, and early anomaly warning.

前言

在製造業中,設備停機往往伴隨高額經濟損失與安全風險,其中主軸故障更是造成工具機停機的主要原因之一,而其失效多與軸承缺陷、潤滑不良、預壓異常及疲勞損壞有關。工具機主軸為影響加工精度、表面品質與設備稼動率的核心單元,一旦主軸軸承狀態劣化,將可能造成振動上升、溫升異常、旋轉精度下降,嚴重時甚至導致非計畫性停機與零組件損壞。

目前工業界仍多採用預防性維護(Preventive Maintenance)策略,即不論設備實際劣化程度,皆依據固定時間或累積運轉時數進行元件更換。此方式雖可降低突發故障發生率,卻也可能導致尚未達壽命極限之元件被提前汰換,進而產生不必要的維護成本。因此,狀態監測式維護(Condition-based Maintenance,CBM)相關技術逐漸受到重視。CBM 是一種於設備運行過程中進行即時或週期性監控的維護策略,透過感測器擷取可反映設備內部失效機制演變的特徵訊號,並於系統出現明顯劣化徵兆或達到設定維護條件時,才安排相關維護作業。相較於傳統預防性維護,CBM 可有效降低維護成本,並減少設備非計畫性停機時間。

隨著感測器技術、邊緣運算與人工智慧(Artificial Intelligence,AI)技術日益成熟,透過振動、溫度、電流、製程訊號等多元感測資訊蒐集設備運轉數據,並結合機器學習(Machine Learning)演算法進行特徵分析與狀態辨識,已逐漸成為設備健康管理與預知保養的重要發展方向。對工具機而言,主軸與軸承狀態監測技術大致可由兩個方向切入:其一是由加工製程監測資料與主軸振動特徵出發,分析刀具斷裂、切削顫振、撞機等製程事件與主軸故障之間的關聯;其二則是進一步聚焦於軸承本身,透過振動訊號、數位模型與轉移學習方法,建立可於少量故障樣本條件下運作之軸承狀態辨識模型。

然而,主軸軸承之劣化並非僅能由振動訊號反映。預壓變化、熱行為、潤滑狀態、偏載與結構變形,皆可能影響主軸旋轉精度與軸承壽命。若僅依賴單一振動訊號作為判斷依據,可能難以完整掌握軸承受力與熱-機耦合狀態,也較不易在異常初期即提出有效預警。因此,如何整合多物理量訊號,建立兼具即時性、準確性與可解釋性之主軸軸承健康監測架構,成為工具機智慧監測技術發展的重要課題。

DOI:10.30256/JIM.202610_(523).0008

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