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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:錢信諺
研究生(外文):Shin-Yan Chian
論文名稱:聲紋診斷滾珠導螺桿預壓力失效之研究
論文名稱(外文):Diagnosis of Ball Screw Preload Loss by Acoustic signals
指導教授:黃宜正黃宜正引用關係
指導教授(外文):Yi-Cheng Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:滾珠導螺桿螺帽預壓力失效短時傅立葉邊際頻譜
外文關鍵詞:Ball ScrewNut Preload LossSTFTMarginal Frequency
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機械傳動元件之滾珠導螺桿視為當今應用於高速運動機台的重要元件,而螺桿於高速運作時內部元件運動,因為(1)內部滾珠間因相互自旋與公轉之滾動與滑動以導致有滾珠撞擊力於軌道、迴流管,(2)螺桿潤滑不良造成滾珠與軌道之摩擦與溫升,(3)螺桿於長時間使用,螺桿內部滾珠磨耗後將導致預壓力下降,如此將造成螺桿定位精度與傳動效率降低等問題;本文欲藉用麥克風來分析出與滾珠導螺桿預壓力有關連性之特徵訊號。
本研究為了提升麥克風所擷取數據的可靠性,將檢視環境背景音、機台馬達轉速、麥克風的取樣頻率及佈點位置對訊號的影響力,並搭配加速規來驗證麥克風所擷取的數據。此外,研究中將使用不同預壓力之螺桿及增加負載於加工平台來進行實驗,所擷取訊號先使用希爾伯特黃轉換(Hilbert-Huang Transform, HHT)來進行訊號前處理,訊號後處理則使用短時矩傅立葉轉換(Short-Term Fourier Transform, STFT)及邊際頻譜(Marginal Spectrum) 來分析滾珠導螺桿剛性特徵。
研究成果為(1)可提供一套如何找出麥克風及機台的最佳化參數設定方法。(2)經聲紋及振動訊號比對後,本研究所使用的2%、4%、6%滾珠導螺桿主要頻率區段約落於320Hz、450 Hz、850 Hz附近。 (3) 不同預壓的滾珠導螺桿之聲紋訊號利用HHT及STFT分析及交叉比對,可找尋出各不同預壓力螺桿的特徵頻率及振幅趨勢,並可分辨及診斷出螺桿預壓是否失效。讓使用者得知是否需要更換螺桿,以降低成本的耗損。

The ball screws of mechanical transmission elements are used as the fast moving components in recent years. There are some issues when the inner elements of ball screw operate in high speed: (1) impact force of internal ball rolling and sliding on the raceway and returning pipe (2) friction and heat due to poor lubrication (3) wear effect when ball screw operates for a longtime and renders the preload loss problem.
In this thesis, the microphone was used to detect and distinguish the sounds from the background noise, motor, coupling, ball screw and nut when the feed system in operation. Both of accelerometer and microphone validate the data acquisition signals for diagnosis. Hilbert Huang transform (HHT), Short-Term Fourier Transform (STFT) and Marginal Spectrum are used to analyze the characteristics of ball screw stiffness.
The experiment results show (1) optimization method for finding microphone position is provided. (2) The dominated frequency of the 2%, 4% and 6% preload ball screw is about 320Hz, 450 Hz and 850 Hz through sound and vibration signals (3) Different preload ball screws by using the HHT and STFT analysis can be realized through the acoustic signals. This diagnosis method realizes the purposes of prognostic effectiveness on knowing the preload loss and utilizing convenience.

目錄
中文摘要 I
Abstract III
謝 誌 V
目錄 VI
表目錄 X
圖目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 論文架構 8
第二章 實驗目的及架設 9
2-1 實驗目的 9
2-2 實驗機台架設 9
2-2-1 滾珠導螺桿架設 10
2-2-2 控制系統 11
2-2-3 量測儀器 12
2-3量測位置 15
2-4實驗參數 16
2-5資料之時間擷取長度 16
2-6實驗步驟 17
第三章 滾珠導螺桿 18
3-1 滾珠導螺桿介紹 19
3-1-1 滾珠導螺桿種類 19
3-1-2 滾珠螺桿之預壓方式 21
3-1-3 滾珠螺桿之預壓力 23
3-2 滾珠螺桿之運動分析 25
3-2-1 座標系之定義 25
3-2-2 滾珠相鄰之相位角 27
3-2-3 滾珠公轉自轉角速度及導螺桿角速度 28
3-3 滾珠導螺桿與軸承的配置 32
3-4 滾珠導螺桿之挫屈負荷 33
第四章 理論背景 35
4-1聲學基本原理 35
4-2希伯特黃轉換(Hilbert Huang Transform, HHT) 36
4-2-1經驗模態分析法(Empirical Mode Decomposition ,EMD) 37
4-2-2內稟模態函數(Intrinsic Mode Function) 41
4-2-3瞬時頻率(Instantaneous Frequency) 43
4-2-4 希爾伯特頻譜分析 (Hilbert Spectrum) 44
4-2-5 短時距傅立葉轉換(STFT) 46
第五章 實驗結果與分析 48
5-1 麥克風量測之各項參數設定及選用 49
5-1-1背景噪音量測 50
5-1-2取樣頻率之選擇 51
5-1-3 麥克風佈點 54
5-1-4 馬達轉速 58
5-1-5 滾珠導螺桿頻率區段 60
5-2滾珠導螺桿剛性比較 62
5-3 負載 75
第六章 研究成果與未來展望 82
6-1 研究成果 82
6-2未來展望 83
參考文獻 85
附錄A 伺服馬達規格表 90
附錄B 光學尺規格表 91
附錄C 麥克風規格表 92
附錄D 加速規規格表 93



表目錄
表3.1 螺桿規格表[37] 24
表3.2 螺桿預壓力規格表[37] 24
表5.1 機台及儀器設定表 62
表5.2 有無負載的頻率特徵比對圖 77


圖目錄
圖2.1 螺桿架設示意圖(俯視圖) 10
圖2.2 螺桿架設示意圖(側視圖) 10
圖2.3 實驗控制迴路圖 12
圖2.4 Labview8.6 內建錄音程式 13
圖2.5儀器之架設示意圖 13
圖2.6 PCB-壓電式麥克風 14
圖2.7 KISTLER-單軸加速規 14
圖2.8加速規架設點(軸,徑) 15
圖2.9資料擷取長度示意圖 16
圖3.1 滾珠導螺桿[37] 18
圖3.2 外循環式滾珠導螺桿[37] 19
圖3.3 端蓋式滾珠導螺桿[37] 20
圖3.4 內循環式滾珠導螺桿[37] 20
圖3.5 螺帽分類表 21
圖3.6 不同形式之預壓螺桿的剛性關係圖[12] 21
圖3.7 定位預壓[37] 22
圖3.8 定壓預壓[37] 22
圖3.9 P-type預壓[37] 23
圖3.10 Z-type預壓[37] 23
圖3.11 滾珠與螺桿之座標關係圖[19] 26
圖3.12 相鄰滾珠位置關係圖與螺桿導程角示意圖 27
圖3.13滾珠和螺帽軌道接觸、滾珠自旋角示意圖 29
圖3.14 滾珠和螺桿軌道接觸示意圖 30
圖3.15 機台軸承配置示意圖 33
圖4.1 希爾伯特黃轉換架構 37
圖4.2 經驗模態分解篩選流程 40
圖4.3 典型之內稟模態函數圖形[7] 42
圖5.1 實驗流程圖 48
圖5.2 參數設定循環圖 49
圖5.3 環境音之背景音時頻圖 50
圖5.4 儀器及環境音之背景音時頻圖 51
圖5.6 取樣頻率FFT比對圖 52
圖5.7 取樣頻率Marginal Frequency比對圖 53
圖5.8 取樣頻率Marginal Frequency比對圖(1.2KHz內) 53
圖5.9麥克風支架設點 54
圖5.10 麥克風佈點比較圖(0Hz~5kHz) 56
圖5.11 麥克風佈點比較圖(0Hz~1.8kHz) 56
圖5.12 麥克風佈點比較圖(1.8kHz~5kHz) 57
圖5.13 A點時頻圖 57
圖5.14 B點時頻圖 57
圖5.15 馬達轉速300rpm之時頻圖 59
圖5.16 馬達轉速600rpm之時頻圖 59
圖5.17 馬達轉速900rpm之時頻圖 59
圖5.18 聲紋及振動訊號頻譜圖(a)聲紋訊號(b)振動訊號(徑向、Z軸)(c)振動訊號(軸向、Y軸) 61
圖5.19 不同預壓之頻率響應比較圖[1] 63
圖5.20 聲紋訊號之不同預壓螺桿比較圖 64
圖5.21 聲紋訊號後處理流程圖 66
圖5.22 4%滾珠導螺桿-300rpm時頻圖 69
圖5.23 4%滾珠導螺桿-600rpm時頻圖 69
圖5.24 4%滾珠導螺桿-900rpm時頻圖 69
圖5.25 2%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 70
圖5.26 4%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 70
圖5.27 6%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 70
圖5.28 2%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 72
圖5.29 4%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 72
圖5.30 6%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 72
圖5.31 2%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 74
圖5.32 4%滾珠導螺桿-時頻圖(300rpm) 74
圖5.33 6%滾珠導螺桿-時頻圖 (300rpm) 74
圖5.34 (a)軸設計之示意圖(b)軸之彎矩示意圖(c)軸之彈性變化圖 75
圖5.35 機台加裝負載(約35kg) 76
圖5.36 聲紋及振動之負載(約35kgf)比較圖 77
圖5.37 機台增加負載後之受力示意圖 78
圖5.38 機台增加負載後之剛性示意圖 78
圖5.39 預壓4%螺桿加裝35Kg負載的IMF(300rpm) 80
圖5.40 4%滾珠導螺桿-負載時頻圖(280Hz) 81
圖5.41 4%滾珠導螺桿-負載時頻圖(550Hz) 81
圖5.42 4%滾珠導螺桿-負載時頻圖(780Hz) 81


[1] Denkena, B., Harms, A., Jacobsen, J., Möhring, H.-C., Lange, D. , Noske, H., “Life-cycle Oriented Development of Machine Tools” CRIP, pp. 693~698,( 2006)
[2] Tokunaga, Y., Igarashi, T., Ookuma , K. “Studies on the Sound and Vibration of a Ball Screw” JSME., J. Series Ⅲ, Vol.31, No.4, pp.732-738, (1988)
[3] Tokunaga, Y., Igarashi, T., Sugiura , T. “Studies on the Sound and Vibration of a Ball Screw” JSME., J. Series Ⅲ, Vol.55, No.520, pp.2945-2950, (1989)
[4] Kajita, T., Ishikawa, A. “Noise Level of Precision Ball Screws” Motion & Control, NSK Ltd., No.1, pp.37-41, (1996)
[5] Igarashi, T., Goto, M., Kawasaki, A., “Studies on Impact Sound ” , JSME , Vol.28 , No.235,pp.148-155,(1985)
[6] Hubbel, P.I., Ro, P.I. “Model Reference Adaptive Control of Dual-mode Micro/macro Dynamics of Ball Screws for Nano-meter Motion ” ASME, Measurement and Control , Vol.115, No.1, pp.103-108, (1993)
[7] Xuesong , M . Masaomi , T. , Tao , T. , Nuogang , S. “Study on the Load Distribution of Ball Screw with Errors ” , Mechanism and Machine Theory, Vol.38,pp.1257-1269,(2003)
[8] Huang, N. E., Shen, Z., Long, S. R., Wu, M.C., Shih, H. H., Zheng, Q., Yen, N. C., Tung, C. C., Liu, H. H., “The Empirical Mode Decomposition and The Hilbert Spectrum for Nonlinear and Nonstationary Time Series Analysis”, Proceedings of Royal Society of London Series A, Vol.454, pp. 903-995, (1998)
[9] Cheng, J., Yu, D., Yang, Y., “Application of time-frequency entropy method based on Hilbert-Huang transform to gear fault diagnosis”, Measurement, Vol.40, pp. 823-830, (2007)
[10] Cheng, J., Yu, D., Yang, Y., “The application of time-frequency entropy operator demodulation approach based on EMD in machinery fault diagnosis”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.21, pp. 668-677, (2007)
[11] Lei, Y., He, Z., Y, Y., “Application of the EEMD method to rotor fault diagnosis of rotating machinery”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.23, pp.1327-1338, (2009)
[12] Korane Kenneth, “ Ball-Screw Basics:Debunking the Myths”, Mechanical, pp. 88~90,(2004)
[13] Julius, S., Allan, G., “Random data: Analysis and Measurement Procedures” ,John Wiley & Sons Inc, pp. 484–490, (1986)
[14] Qian, S., Chen, D., “Joint Time-Frequency Analysis”,Prentice-Hall, (1996)
[15] Hibbeler, R.C., “Mechanics of Materials”,Pearson Education Taiwan Ltd.,(2005)
[16] 陳政傳“滾珠螺桿振動及機械效率之理論及實驗分析”國立成功大學,碩士論文,(1998)
[17] 魏進忠“單螺帽雙圈滾珠螺桿在預負荷及潤滑作用條件下運動機制與機械性能的理論分析及實驗證”國立成功大學,博士論文,(2002)
[18] 賴瑞軒“高速滾珠螺桿振動訊號擷取與響應分析”國立虎尾科技大學,碩士論文,(2010)
[19] 蘇栢賢“滾珠導螺桿振動噪音之研究”,國立清華大學,碩士論文,(2005)
[20] 王建文“滾珠導螺桿低頻噪音源之鑑別及改善研究”,國立清華大學,碩士論文,(2006)
[21] 廖信韋“聲音訊號處理應用於引擎檢測之研究”,國立成功大學,碩士論文,(2005)
[22] 黃嘉銘“聲音及振動訊號之時頻分析”,國立成功大學,碩士論文,(2007)
[23] 張志宏“應用加速規、麥克風和高速攝影機量測機械系統訊號之振動頻譜分析”,國立成功大學,碩士論文,(2009)
[24] 黃國華“應用希爾伯特黃變換(HHT)之邊際譜分析於旋轉機械的元件鬆脫故障診斷”,國立中央大學,碩士論文,(2009)
[25] 傅翰敏“希爾伯特-黃變換(HHT)在旋轉機械之軸承故障診斷的應用”,國立中央大學,碩士論文,(2010)
[26] 劉文彩,“壓電式麥克風之製程與分析”,國立逢甲大學,碩士論文,(2008)
[27] 曾志豪, “應用HHT於軌道結構分析之研究”,碩士論文,中原大學土木工程學系, (2006)
[28] 羅佐良,張恩生,洪瑞斌, “聲紋時頻轉換法於工具機械磨耗檢測”,機械工業雜誌, pp.84–49, (2010)
[29] 陳振雄“應用希爾伯特-黃轉換之訊號濾波研究”,科學與工程技術期刊Vol.6, No.1, pp.75-84, (2010)
[30] 梁裕冠, “自動調心軸承系統”,機械月刊, pp. 61–70, (2010/02)
[31] 于德介,楊宇,程軍聖“機械故障診斷的Hilbert-Huang變換方法”,科學出版社, pp.24–34, (2007/03)
[32] 台灣專利公開號TW200940852 “具可調整預壓結構之滾珠螺桿ADJUSTABLE SPACER FOR A BALL SCREW SPACER FOR A BALL SCREW”, 上銀科技股份有限公司,(2009)
[33] 台灣專利公開號TW201002963 “滾珠螺桿之可調式預壓裝置ADJUSTABLE PRE-PRESSING DEVICE FOR A BALL SCREW”, 上銀科技股份有限公司,(2010)
[34] 美國專利公開號US20070068292 “PRELOAD ADJUSTING DEVICE FOR A BALL SCREW ”, 上銀科技股份有限公司,(2007)
[35] 日本專利公開號JP2004361247 “BALL SCREW INSPECTION DEVICE AND ITS INSPECTION METHOD”, NSK,(2004)
[36] 美國專利公開號 US2009017159 “MACHINE DIAGNOSING METHOD AND DEVICE THEREFOR”,上銀科技股份有限公司,(2009)
[37] 上銀科技股份有限公司, “滾珠導螺桿技術手冊”,(2007)
[38] 台達電子工業故份有限公司, “ASDA-A2系列高機能通訊行伺服驅動器應用技術手冊”,(2008)
[39] 寶元數控精密科技股份有限公司, “LNC-M310i硬體應用手冊”,(2008)


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