车削振动音频采集与材质辨识作品英文名称-机械与机电工程学系.PDFVIP

105 年「機電工程專題競賽與成果展」 作品中文名稱：車削 振動音頻 採集與材質辨識 作品英文名稱：Lathe Vibration Frequency Measurement and Material Identification 中山大學 /機械與機電工程學系/ 高嘉駿/B023022054 指導教授：林哲信 主辦單位：國立中山大學機械與機電工程學系 一、摘要 本研究採用貼近式音頻採集方法， 將小型電容式麥克風直接貼附在車 床之車刀上，並搭配訊號處理電路，建立加工時車刀振動的感測系統，分 析加工不同材質時所產生的信號，並比較建立材料性質與訊號之關係，且 加以量化，以建立利用振動信號回推材料性質的系統；此系統因使用振動 感測獲取即時加工情況而可做為具即時性的檢測系統與安全保護裝置，同 時材料性質檢測本身亦可做為品管的依據。 關鍵字：麥克風、震動、工具機 二、動機與目的 自從工業 4.0的概念被提出之後，各國紛紛投入並發展此自動化智能工 廠的相關技術包含：通訊、感測、監控、大數據分析、雲端運算等等；而在 此智能化工廠中感測器技術為連結工廠實際情形與電腦運算之重要技術。 工具機是現代工業生產製造必備之工作機台，其在運作時所產生的震動 和加工情形有著密切的關係，而近年來在工具機智能化技術的發展中，振動 感測系統為一重要之感測系統，並應用於顫振偵測、損壞判斷、壽命預估、 維修預警等以異常狀況排除為目的之應用[1] 。 而本計畫基於此技術以簡便之感測架構 ，監測機具運作時所產生的振 動情形，並認為此訊號可用於評估所切削工件材料性質，甚至更進一步去 分辨多層結構或性質不均勻的材料之交界面，而於此同時保有原本的異常 監測之能力 [2] 。 三、研究內容 本研究由三部分所構成。分別為振動量測系統的建構、車床切削震動的 實測，以及實測信號與切削情形之相關性分析。  振動量測系統的建構 量測系統的建構包含：麥克風於車刀之架設與固定，以及其供電與 訊號擷取系統；關於麥克風架設部分：我們選用了 小型電容式麥克風做 為我們的感測元件，並利用絕緣膠帶以緊貼的方式將其固定於車刀之背 面 圖一( ) ，這麼做除了可以減少外界干擾，同時也能更直接的接收振動 訊號；在麥克風供電與訊號擷取系統部分：使用 9伏特電池供應電力， 並以簡單的電阻電容等被動元件組成感測電路，並將訊號連接至訊號擷 取系統圖二( ) ；訊號擷取方面使用ZOOM UAC-8作為類比數位轉換器 將所接收之振動訊號轉入電腦進行進一步的分析。 1 圖一 實際感測器裝設圖 圖二 震動訊號截取系統示意圖  車床切削震動的實測 實測方面，我們探討不同型號之車刀與工件材質在切削時所產生之振動 訊號差異，並檢視不同切削條件、情形下之訊號變化。為此使用 K-10與M-20 兩種型號之車刀進行黃銅與鋁在330 、490 、650與950RPM 四種轉速下的切 削，而切削條件 將以(車刀型號 ,工件材質轉速, ,進刀量)表示。  實測信號與切削情形之相關性分析 信號分析部分，首先將震動訊號以音頻形式儲存，並對其進行短時距傅 立葉轉換(Short-Time Fourier Transform, STFT )將其轉為頻譜，再更進一步 對頻譜中切削部份之訊號進行積分並取平均求得切削時各頻段訊號之頻率 響應圖，最後以此為基礎進行分析。 圖三 切削黃銅之震動音頻訊號與其頻譜圖(M-20黃銅, ,330RPM,1mm) 2 -40 ) B -50 D -60 ( 度 -70 強 -80 均 -90 平