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轨道与传动元件设计两大趋势
专访虎尾科技大学动力机械工程系暨机械与机电工程研究所魏进忠教授
[作者 王景新]   2018年09月14日 星期五 浏览人次: [3790]


目前任职於虎尾科技大学动力机械工程系暨机械与机电工程研究所的魏进忠教授,为国立成功大学机械工程博士,专长为流体力学、薄膜工程、微奈米制造与检验、流力实验,并主持精密机械与表面科学实验室 。


他长期叁与台湾机械产业的产学合作,并对传动元件与轨道技术多所着墨,更曾经获得上银的论文奖,非常熟稔该领域的前端技术发展。


而对於目前轨道与传动元件的设计趋势,魏进忠教授表示:「轨道与传动元件设计有两大趋势。」



图1 : 与上银合作的垂直式的模拟高速钻孔中心机分一、二两期,是消费性电子产品的特殊客制化机台。(摄影/王景新)
图1 : 与上银合作的垂直式的模拟高速钻孔中心机分一、二两期,是消费性电子产品的特殊客制化机台。(摄影/王景新)

「滚珠螺杆轨道设计,依照用途可分为一般传动型、精密定位型,以及重负载型三种。」魏进忠首先讲述,各轨道因用途不同,其设计重点自有殊异。一般型应用於人工复健机、太阳能轨道追日系统,单纯传动用途,轨道设计着重於寿命(至少20年),灰尘杂质等进入预防。


精密定位用途的滚珠螺杆须设计适当预压力以产生系统刚性,与定位精准度有关。轨道面磨耗会造成预压力下降使滚珠与轨道接触几何产生变异,且滚珠与轨道磨擦会导致滚珠螺杆温度上升,也会造成定位精准度变动;追求预压力稳定,长久使用时,变异量不大,轨道设计着眼於摩擦力降低,磨损量下降。配合温度增加,温升稳定後,轨道热膨胀可以预期接触角,传动性能之效益才会达到最好。



图2 : 螺帽表面的应变量测,可监控各个珠卷受力状况。(摄影/王景新)
图2 : 螺帽表面的应变量测,可监控各个珠卷受力状况。(摄影/王景新)

重负载无预压力,传动条件极为严苛,是一种非常大接触面负载。「我们与上银科技去年的合作案,滚珠跟轨道接触压力可以达到两个GPa以上,设计重点在於如何降低摩擦,如何让不可避免的磨耗状态均匀,每一个珠卷之间,平均分担外部压力,就是所谓接触面压均匀。」


他比喻,像拔河比赛,总是有些人力气大、有些人力气小,力量均匀分配才有机会得胜;而一个螺帽有四到八个珠卷,受力均匀,磨损均匀,寿命自然增加。他提醒,重负载螺杆的轨道面磨损非影响预压力,而是造成接触角变化,负荷分担量增加,导致某些珠卷失效。


魏进忠分析,智慧化时代监控成为显学,以上三大类,监控的评估重点都不一样。单纯传动型主要监控运转顺畅度,例如:太阳能追日系统风沙恐导致机台失灵,维护、润滑是不二法门;定位型螺杆监控项目多,像是:运转顺畅度、温度、扭力变异、预压力下降状况;温度过高,可能肇因於装备有问题或内部元件产生故障。其中,预压力下降曲线,影响後续残馀寿命的评估。


重负载型强调内部作用力监控,目前利用螺帽表面的应变量测,去监控各个珠卷受力状况,未来可??应用於内部负载评估,以期提升周转率。因为射出成形机多用重负载型,机台待修、停下直接影响周转率;因此残馀寿命提升,将大大增加设备周转率。


至此,我们可以清楚知解,智慧监控目的是为了预知保养、提高设备周转率。魏进忠更进一步指出,智慧润滑势必成为此一趋势下的关键技术。他说,机台产生失效,或许因为前面已经有小毛病,磨屑产生所以卡住等;或润滑不足导致温度异常,元件受到内伤。监控过程把这些现象,经由智慧诊断方式找到,及时给予治疗,降低受伤状况,延长使用寿命。


同时,智慧润滑可不再受限於?百公里,打多少油进来,而是需要时给予适当的油,「润滑量降低,厂房保养成本跟着降低。」魏进忠说,关键技术在於找出润滑关键点,并产生传动元件性能曲线,即时监控给予适当处理。不单单只是大数据(Big Data),乃是何以将资料转换为资讯的关键过程。



图3 : 虎尾科大魏进忠教授期盼能有更多产学合作,培养实务端所需人才。(摄影/王景新)
图3 : 虎尾科大魏进忠教授期盼能有更多产学合作,培养实务端所需人才。(摄影/王景新)

综上趋势带动之下,魏进忠看好相关数据分析处理设备商、资讯量测设备商、润滑机制造商将有新一波的成长动能。「智慧润滑机制造并非一般检测设备制造商可处理,现有注油机控制程式比较rough(粗略),与精密注油控制中间连结比较弱,预估至少还要五年时间发展。」


魏进忠期??相关模型的设计能使润滑关键点一目了然,但这不像轴承那般简单,油嘴设计、进油角度、供油量与周期等变因,且滚珠螺杆内部传动行为较轴承元件复杂,致使滚珠螺杆轨道较难有模型设计出来。即便,智慧监控、润滑对公司的营收不会有立竿见影的效果,却会大幅提升客户使用上的满意度。


魏进忠最後分享与上银科技合作的两种机台。水平斜背式,具高速、轻负载特性,模拟工具机作动情况,中空冷却螺杆是关键,实验温度对运转性能影响。藉由计画对螺杆温度、定位精度、传动扭矩等,提供给设计端进行轨道几何设计。


垂直式的模拟高速钻孔中心机,则是消费性电子产品的特殊客制化机台。由於垂直传动,负载由螺帽承担,模拟在背负刀库并进行车削情况,所产生的高速、高频(往复频率)。探讨主轴在於轨道几何设计对摩擦力、温升、预压力下降的影响。


**刊头图:水平斜背式机台,具高速、轻负载特性。(摄影/王景新)


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