全球少子化趋势冲击传统劳力密集的制造产业，面对未来不断向上攀升的人力成本，目前全球各产业的各种产品都朝向导入智能化辅助生产来提高产值，最终目标是建立资料库系统增加产品数据化资料分析能力，以求因应产业的变迁并巩固自我市场竞争力，并提升产品附加价值，工具机进给系统是由进给机构与NC控制系统所组成，各轴向进给系统伺服特性为影响工具机动态精度的主要来源。进给系统品质的好坏，会影响到工具机切削加工的品质，工具机设备如发生切削瑕疵时会影响客户端的产品交期，造成生产效率大幅降低，因此售服维修端往往需要快速针对机台问题进行故障辨别与修复，现阶段的售服人员大多依赖自身经验与试误法来猜测问题，加上无设计端的研发人员参与问题解析，使得故障原因判别问题无法即时得到解决。
本文主要建立工具机传动系统进给刚性衰减快速检测技术，连结实际加工制程品质，机台出机时即先建立一组螺杆预压力100%的频率响应函数(Frequency Response Function , FRF)资料并进行模态参数特征化作为基准，使用者可定期进行扫频量测得到机台现况响应，回传至资料库中进行比对即可快速判断螺杆预压力状况，当整机动态性能指标因滚珠螺杆之预压力产生变化时，即发出警讯给终端使用者及工具机设备售服维修单位进行故障排除，达到提升设备稼动率及工具机产品妥善率的目标，缩短台湾工具机产业在维修售服端的成本并降低客户停机时间损失。
本技术主要透过系统扫频快速量测进给系统频率响应函数(Frequency Response Function , FRF)资料，并将此频率响应函数转换为量化的共振频率与振幅，回传至资料库中进行螺杆预压力状况比对，如下图1.所示，以下说明本技术使用情境，如下表1.所示，主要可应用于1.机台出机时进行三轴进给系统共振频率与振幅基准值量测，并定义此时螺帽出厂预压为100%；2. 机台使用后进行三轴进给系统共振频率与振幅例行量测，并与基准值进行比对判别，量测条件如下：规划于每日开机时进行，无需暖机，基准温度为30度C，工作台无荷重并置于基准位置(通常为置中)，后续量测皆置于此位置，即可透过模组进行10~500Hz每1Hz一振幅大小1000mm弦波的系统扫频，并自动输出系统共振频率与振幅，出机前将此值设定为基准值，机台使用后持续与基准值进行比对以确认螺杆预压力状态。
本技术主要透过系统扫频快速量测进给系统频率响应函数进行螺杆预压力状态判断，故针对FANUC控制器利用FOCAS进行Ethernet功能二次开发可直接进行机台扫频讯号捞取，通过频谱分析得到机台频率响应函数波德图，频率响应函数波德图之输入为一弦波扫频速度命令，输出为速度回授，如下图2.所示，主要目的为使用该通讯模组进行机台振动讯号辨识，如下图3.所示，并将其转换为量化的共振频率与振幅资讯，提供给敏感度资料库进行参考比较，透过定期监控共振频率与振幅的改变，来判断目前机台磨耗状况，提早进行维护保养动作，如下图4.所示。
鉴于汽机车、航太与精密加工设备的高附加价值与用户端停机压力大之前提，透过前期之工具机数位模型连结关键零组件故障自主辨识模组来提高后续售服维护的效率可大幅增加产业效益，同时降低其高额的维护人事成本支出，最终甚至可以提前进行设备保养来建立自身品牌价值提高国际竞争力。
国内现有预兆诊断技术，大多以电流或加速规讯号为监控目标，并对讯号进行特征处理来进行故障与否判别，在该技术架构下须要透过前期大量搜集实际加工讯号并进行模型建立，应用上主要以故障与否进行判别目标，尚无法针对故障零件进行准确诊断，有鉴于此，德国慕尼黑大学于2019 EMO展即提出基于Digital Twin技术下的自主故障辨别模组，期望透过数位模型的扩展应用，在前端即可于数位环境中低成本又快速的建构关键零组件的敏感度资料库，使用者只需在机台特征点安装加速规，出机后定期进行特征点讯号撷取，即可与关键零组件敏感度资料库进行比对，增加故障识别的准确性。本技术使用伺服马达以弦波扫频方式激振机台，将马达扭矩讯号进行频谱分析，即可得到扭矩对位移的频率响应函数(FrequencyResponse Function , FRF)，使用马达激振机台的好处为不需要额外的人员与冲击槌等人事设备成本，只须设定机台控制器定期进行扫频量测就可快速完成机台健康状况诊断，适合机台数量大与自动化导入完善的生产线，可以降低大量量测人力支出。
本文针对一立式三轴加工机建立其X轴螺杆预压力等效刚性衰减资料库，于模拟环境中进行进给系统不同螺杆刚性之频率响应函数(Frequency Response Function , FRF)数位模型建立，螺杆刚性设定由1 0 0%降低至3 0%，每1 0%一个阶层，共8组资讯，如下表2.所示。频率响应函数透过资料讯号处理为虚部值减去总系统惯量值的结果，横轴为频率，纵轴为虚部值，如下图5.所示，接着将各个峰值部位的参数鉴别出来，包含频率与振幅，以此案例将会鉴别出2组频率与振幅值，并将其保存下来做为敏感度资料库判别核心。
本技术使用一立式三轴加工机进行螺杆传动系统的预压力等效刚性衰减验证，实际执行上透过调整螺杆预压垫片的厚度来进行螺杆预压力变动，如下图6.所示，进行不同预压力下进给系统共振频率与振幅之量测，验证当螺杆预压力逐渐变差的状态其进给系统共振频率与振幅之变化率，螺杆规格为上银R45-16K5-FDC-1560的双螺帽预压螺杆，初始设计的预压量为3%，上银提供之预压力为217 kgf，螺帽刚性为94.3 kgf/um，本次实验主要研磨预压垫片，以降低预压量至1.5%~1%，分别对应之预压力为101.7与67.8 kgf，螺帽刚性为68.0 及59.0kgf/um，如下表3.所示。
实验设备之立式三轴加工机，使用FANUC0i-MF Plus控制器，实验条件之机械位置座标为(X650,Y-300,Z-300)，扫频振幅为2000，温度为31度，拆除伸缩护罩板金。首先确认伸缩护罩之影响，量测结果显示，差异不明显，如图7.所示，可用无拆除护罩的量测情形分析实际状况。
在温度变化的敏感度表现下，本实验针对31度C与39度C量中温度进行实验比较，31度C为一般开机时温度，39度C为长时间维持最高进给下的温度，一般机台温度约在这温度范围内，而量测结果显示，X轴103Hz频率会因温度升高后降低至94Hz，且振幅变大，表示量测结果对温度敏感，需控制在31-32度C之间，如下图8.所示。
接着探讨螺帽预压力对应不同刚性对响应之影响，藉由调整不同螺帽预压垫片厚度进行预压力等效刚性条件设定，主要针对螺帽刚性100%、72%与63%情形下进行量测，量测结果如图9.所示，将量测结果透过资料讯号处理为虚部值减去总系统惯量值的结果，横轴为频率，纵轴为虚部值，如下图10.所示，螺帽预压力降低即对应螺帽刚性降低，103Hz会降低至97Hz，振幅变大；141Hz会降低至136Hz，但振幅缩小。
针对虚部参数进行鉴别后，主要特征参数系统惯量值(m0 )依据不同预压刚性下分别为0.0166 kgm^2、0.0168 kgm^2与0.0169kgm^2，变动量约为2%，在合理误差范围内，如下表4.所示，而其变化较大频率与振幅主要有两组，分别为103Hz与141Hz的频率，如下图11.所示。
最后将实际量测结果与数位模型资料库产生的参数频率与振幅进行比较，数位模型资料库可准确预测当螺杆预压力降低其频率变化的情形，实验与数位模型频率比对误差小于3%，如下图12.所示，本技术透过建立一准确数位模型的优势即在可低成本地快速进行各预压力对应等效刚性变数的敏感度分析，后续更可加入线轨滑块、螺杆与轴承…等关键零组件之刚性变异参数进行扭矩对位移的频率响应函数(Frequency ResponseFunction , FRF) 之预测，最终汇整入资料库内加入人工智能进行学习判断来提高辨识准确度。
本技术开发一工具机传动系统进给刚性衰减快速检测技术，于FANUC控制器利用FOCAS进行Ethernet功能二次开发可直接进行机台扫频讯号捞取，透过伺服马达以弦波扫频方式激振机台，将马达扭矩讯号进行频谱分析，快速得到进给系统频率响应函数，并将此频率响应函数转换为量化的共振频率与振幅，回传至资料库中进行螺杆预压力状况比对，资料库数位模型以螺帽预压力对应之等效刚性为变数、进给振动频率为指标，建立参数频率与振幅作为螺杆预压力状况判别核心，并透过一立式三轴加工机进行螺杆传动系统的预压力等效刚性衰减验证，当螺帽预压力降低即对应螺帽刚性降低，103Hz会降低至97Hz，振幅变大；141Hz会降低至136Hz，但振幅缩小，透过进给系统频率响应函数可合理监测螺杆预压力变化状态。本技术可有效应用于当整机频率响应函数因关键零组件磨耗产生变化时，连结到敏感度分析资料库提早预测，并发出警讯给终端使用者及工具机设备售服维修单位进行故障提前排除，达到提升设备稼动率及工具机产品妥善率的目标。
