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歷史雜誌

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摘要

工具機主軸長時間高速運轉時,軸承、馬達與冷卻系統的熱變化會影響加工精度。若溫度感測器 長期使用後產生漂移,也會降低熱補償與狀態判斷的可靠度。本文介紹一種以自校型溫度感測器為基準 的主軸溫度感測器網路校正技術,利用內嵌微型定點囊產生約47℃ 相變化參考溫度,再透過類神經網路 修正多點低成本感測器偏差。實驗結果顯示,校正後多點溫度誤差可控制於 ± 0.5℃ 內,並可結合主軸 跑合平台進行溫度監測、異常診斷與溫升預警,提升主軸長期監測與智慧維護能力。

Abstract

variation in machine tool spindles affects machining accuracy, especially during longterm high-speed operation. In addition, sensor drift after long-term use may reduce the reliability of thermal compensation and condition assessment. This article introduces a spindle temperature sensor network calibration technique based on a self-calibrating temperature sensor. A miniature fixed-point cell embedded in the sensor provides a phase-change reference temperature of approximately 47℃, and a neural-network-based model is then used to correct the deviations of multiple low-cost temperature sensors. Experimental results show that, after calibration, the temperature errors of multiple sensing points can be controlled within ± 0.5℃. The proposed technique can also be integrated with a spindle run-in platform for temperature monitoring, abnormal condition diagnosis, and temperature-rise warning, thereby enhancing long-term spindle monitoring and intelligent maintenance capability.

前言

工具機主軸是加工設備中影響精度與穩定性的關鍵單元。主軸於長時間高速運轉時,前後軸承摩擦、主軸內部熱傳導及冷卻條件變化,會造成主軸溫升與熱變形,進而影響加工精度。相關工具機試驗標準亦已將熱效應量測列為工具機性能評估的重要項目[1],因此主軸溫度監測與熱狀態判斷對加工穩定性具有實務意義。

目前產業常用的方式,常以主軸軸承區溫度作為主軸熱狀態判斷的重要指標;其中,前軸承區因接近加工端,通常是溫升監測與異常判斷的重點位置之一。而在主軸出廠前跑合測試或研發驗證階段,則可進一步於前軸承、後軸承、主軸外表面及環境位置配置多點溫度感測器,以取得主軸於啟動、加速及長時間運轉下之溫度動態資料,作為熱穩定性與運轉狀態評估依據。

然而,溫度感測器於長時間使用後,可能因感測元件老化、電路漂移或環境影響而產生量測偏差,因此仍需定期校正或確認其量測狀態。特別是在多點感測器同步監測的應用中,若每一節點皆採傳統拆卸送校方式,將增加維護時間與校正成本;若各感測器節點之量測結果不具一致性,也將影響主軸跑合溫升判斷、熱補償模型建立及異常診斷結果。為解決此問題,本文發展主軸溫度感測器網路校正(Sensor network calibration)技術,以自校型溫度感測器內嵌微型定點囊作為溫度參考標準,將數位化校正資訊擴散至其他溫度感測器節點,以提升主軸長時間多點溫度量測之準確性與一致性。此技術除了可提升多點溫度監測品質,也可進一步支援主軸溫度狀態監測與溫升預警功能,作為智慧化工具機的重要基礎。

主軸溫度感測器網路校正技術

主軸溫度感測器網路校正的概念,是將一支自校型溫度感測器作為參考節點,並與其他多支低成本溫度感測器建立對應關係。本文中以 T1 作為自校型溫度感測器,T2 至 T5 作為分散式溫度感測節點,分別配置於主軸內部、外部表面或周圍環境等位置。

DOI:10.30256/JIM.202610_(523).0009

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