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軌道與傳動元件設計兩大趨勢
專訪虎尾科技大學動力機械工程系暨機械與機電工程研究所魏進忠教授
[作者 王景新]   2018年09月14日 星期五 瀏覽人次: [2304]


目前任職於虎尾科技大學動力機械工程系暨機械與機電工程研究所的魏進忠教授,為國立成功大學機械工程博士,專長為流體力學、薄膜工程、微奈米製造與檢驗、流力實驗,並主持精密機械與表面科學實驗室 。


他長期參與台灣機械產業的產學合作,並對傳動元件與軌道技術多所著墨,更曾經獲得上銀的論文獎,非常熟稔該領域的前端技術發展。


而對於目前軌道與傳動元件的設計趨勢,魏進忠教授表示:「軌道與傳動元件設計有兩大趨勢。」



圖1 : 與上銀合作的垂直式的模擬高速鑽孔中心機分一、二兩期,是消費性電子產品的特殊客製化機台。(攝影/王景新)
圖1 : 與上銀合作的垂直式的模擬高速鑽孔中心機分一、二兩期,是消費性電子產品的特殊客製化機台。(攝影/王景新)

「滾珠螺桿軌道設計,依照用途可分為一般傳動型、精密定位型,以及重負載型三種。」魏進忠首先講述,各軌道因用途不同,其設計重點自有殊異。一般型應用於人工復健機、太陽能軌道追日系統,單純傳動用途,軌道設計著重於壽命(至少20年),灰塵雜質等進入預防。


精密定位用途的滾珠螺桿須設計適當預壓力以產生系統剛性,與定位精準度有關。軌道面磨耗會造成預壓力下降使滾珠與軌道接觸幾何產生變異,且滾珠與軌道磨擦會導致滾珠螺桿溫度上升,也會造成定位精準度變動;追求預壓力穩定,長久使用時,變異量不大,軌道設計著眼於摩擦力降低,磨損量下降。配合溫度增加,溫升穩定後,軌道熱膨脹可以預期接觸角,傳動性能之效益才會達到最好。



圖2 : 螺帽表面的應變量測,可監控各個珠卷受力狀況。(攝影/王景新)
圖2 : 螺帽表面的應變量測,可監控各個珠卷受力狀況。(攝影/王景新)

重負載無預壓力,傳動條件極為嚴苛,是一種非常大接觸面負載。「我們與上銀科技去年的合作案,滾珠跟軌道接觸壓力可以達到兩個GPa以上,設計重點在於如何降低摩擦,如何讓不可避免的磨耗狀態均勻,每一個珠卷之間,平均分擔外部壓力,就是所謂接觸面壓均勻。」


他比喻,像拔河比賽,總是有些人力氣大、有些人力氣小,力量均勻分配才有機會得勝;而一個螺帽有四到八個珠卷,受力均勻,磨損均勻,壽命自然增加。他提醒,重負載螺桿的軌道面磨損非影響預壓力,而是造成接觸角變化,負荷分擔量增加,導致某些珠卷失效。


魏進忠分析,智慧化時代監控成為顯學,以上三大類,監控的評估重點都不一樣。單純傳動型主要監控運轉順暢度,例如:太陽能追日系統風沙恐導致機台失靈,維護、潤滑是不二法門;定位型螺桿監控項目多,像是:運轉順暢度、溫度、扭力變異、預壓力下降狀況;溫度過高,可能肇因於裝備有問題或內部元件產生故障。其中,預壓力下降曲線,影響後續殘餘壽命的評估。


重負載型強調內部作用力監控,目前利用螺帽表面的應變量測,去監控各個珠卷受力狀況,未來可望應用於內部負載評估,以期提升周轉率。因為射出成形機多用重負載型,機台待修、停下直接影響周轉率;因此殘餘壽命提升,將大大增加設備周轉率。


至此,我們可以清楚知解,智慧監控目的是為了預知保養、提高設備周轉率。魏進忠更進一步指出,智慧潤滑勢必成為此一趨勢下的關鍵技術。他說,機台產生失效,或許因為前面已經有小毛病,磨屑產生所以卡住等;或潤滑不足導致溫度異常,元件受到內傷。監控過程把這些現象,經由智慧診斷方式找到,及時給予治療,降低受傷狀況,延長使用壽命。


同時,智慧潤滑可不再受限於?百公里,打多少油進來,而是需要時給予適當的油,「潤滑量降低,廠房保養成本跟著降低。」魏進忠說,關鍵技術在於找出潤滑關鍵點,並產生傳動元件性能曲線,即時監控給予適當處理。不單單只是大數據(Big Data),乃是何以將資料轉換為資訊的關鍵過程。



圖3 : 虎尾科大魏進忠教授期盼能有更多產學合作,培養實務端所需人才。(攝影/王景新)
圖3 : 虎尾科大魏進忠教授期盼能有更多產學合作,培養實務端所需人才。(攝影/王景新)

綜上趨勢帶動之下,魏進忠看好相關數據分析處理設備商、資訊量測設備商、潤滑機製造商將有新一波的成長動能。「智慧潤滑機製造並非一般檢測設備製造商可處理,現有注油機控制程式比較rough(粗略),與精密注油控制中間連結比較弱,預估至少還要五年時間發展。」


魏進忠期望相關模型的設計能使潤滑關鍵點一目了然,但這不像軸承那般簡單,油嘴設計、進油角度、供油量與週期等變因,且滾珠螺桿內部傳動行為較軸承元件複雜,致使滾珠螺桿軌道較難有模型設計出來。即便,智慧監控、潤滑對公司的營收不會有立竿見影的效果,卻會大幅提升客戶使用上的滿意度。


魏進忠最後分享與上銀科技合作的兩種機台。水平斜背式,具高速、輕負載特性,模擬工具機作動情況,中空冷卻螺桿是關鍵,實驗溫度對運轉性能影響。藉由計畫對螺桿溫度、定位精度、傳動扭矩等,提供給設計端進行軌道幾何設計。


垂直式的模擬高速鑽孔中心機,則是消費性電子產品的特殊客製化機台。由於垂直傳動,負載由螺帽承擔,模擬在背負刀庫並進行車削情況,所產生的高速、高頻(往復頻率)。探討主軸在於軌道幾何設計對摩擦力、溫升、預壓力下降的影響。


**刊頭圖:水平斜背式機台,具高速、輕負載特性。(攝影/王景新)


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