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技术趋势
地震监测对CNC工具机水平精度之影响
2025.03.12∣浏览数:298

地震监测对CNC工具机水平精度之影响

国立勤益科技大学 机械工程系 研究生 吴孟宪
国立勤益科技大学 机械工程系 教授 陈绍贤

研究目的

台湾与日本同为地震频繁之区域,地震对工具机与精密机械之水平精度监测则相形重要,本研究开发一套长时间水平量测与监测系统,如图一所示。透过持续且高精度的数据搜集与分析,评估地震活动是否造成机台水平偏移,进而影响加工与量测精度。并且了解与分析地震对精密机械稳定性的潜在影响,并为未来的地震补偿技术与精密加工设备设计提供参考依据。本研究证实地震与CNC工具机之水平精度关系时,其影响程度甚是轻微,其水平精度皆于0.02mm/m,消除地震发生后对于机台可靠度下降之疑虑产生。

圖1. 水平量測系統整體架構圖

研究方法

  • 1.设备原理

    本研究开发量测设备传感器采用电解式(Electrolytic)倾斜传感器如图二所示。传感器外壳通常由金属或玻璃构成,内部含电极与电解液,其原理如图三所示,传感器有三个电极,分别为一个撷取电极以和两个激发电极。经由两端激发电极输入电压后,电压经过电解液,撷取电极撷取两个激发电极之间的电压差。

    当传感器处于水平状态时,内部电解液覆盖两个激发电极比例相同,这使得激发电极与撷取电极间R1和R2电阻相同,而当传感器倾斜时,内部电解液覆盖两个激发电极比例不同,导致R1和R2电阻不同两端电压产生差如图四所示。

    圖二:電解液感測器[1]與圖三:工作原理圖[2] 圖四:電解液感測器電路圖[1]

    经由模拟数字转换器(Analog to Digital Converter)将撷取到的电压转换成数字讯号,其分辨率由ADC解析倍率决定,θ为设备分辨率,R为传感器量测范围,n为ADC解析位数,分辨率计算如式(1)所示。

    解析度計算

    本研究所使用的ADC解析位数为16位,量测范围为±3度,经过计算,本设备最小分辨率为0.0001度如式(2)所示,使用此传感器需特别注意,两个激发电极必须输入占空比为50%且相互交错的交流讯号,如图五所示,若输入直流电会导致电解反应,从而损坏传感器。

    圖五:感測器訊號時序圖[1]
  • 2.设备开发

    本系统针对工具机水平校正量测设备进行开发,包含水平实时量测、水平可视化图表及仪器内外部温度监测三大功能,开发流程如图六所示。

    圖六:設備開發流程圖

    硬件开发

    本设备以铝合金材质作为底板原材料,并以压克力作为外壳以便观察内部情况外观如图七所示。

    圖七:外殼示意圖
  • 软件开发

    使用Visual Studio之中C语言windows form作为人机接口建置,软件接口包括实时曲线、实时水平状况、温度监测、运行时长及数据撷取等功能如图八所示。

    圖八:人機介面圖

    韧体开发

    本设备透过嘉立创EDA设计PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板)。内含水平传感器、模拟数字转换器、微控制器及LDO电流稳压系统等等。

  • 3.精度验证

    模型建立

    将量测设备放置于正弦杆上,藉由调整正弦杆角度,并记录传感器输出的数字讯号值及正弦杆上量表的量测值,接着,使用Python中itertools模块产生可能的分段组合,并计算每个组合的赤池信息准则(AIC)值,如式(3)所示n 为数据点数量、SSE为残差平方和 (Sum of Squared Errors)、k为模型中的自由参数数量 (参数个数),以此选择最佳的分段点。对每个分段组合是以最小平方法来调整参数,使得模型曲线尽可能贴合数据点,如式(4)所示,建模范围为±0.5mm/m。X轴最佳分段点共有6个,量测模型之线性方程式如表一所列,图九所示。Y轴最佳分段点共有10个,量测模型之线性方程式如表二所列,图十所示。

    圖八:人機介面圖
    表一:X軸量測模型線性方程式 表二:Y軸量測模型線性方程式
    圖九:X軸多段式線性回歸 圖十:Y軸多段式線性回歸
  • 稳定性测试

    稳定性测试用以评估仪器在一定时间内测量值的稳定性。将量测仪器放置于正弦杆上,并在讯号稳定后以1Hz的取样频率进行数据收集,总计撷取360个数据点。X轴和Y轴分别进行了7次测试,实验结果如表三、表四所列,根据制程能力等级表,测试结果均达到 A 等级指针。

    表三:X軸向穩定性測試結果 表四:Y軸向穩定性測試結果
  • 重复性测试

    将本设备放置于正弦杆上,并调整输入变量,比对电子量表与软件所显示的量测值。进行了21次独立的测量,均使用相同的输入变量,实验结果如表五所列,对照制程能力等级表X轴和Y轴的重复性精密度与准确度均达到A等级。

    表三:X軸向穩定性測試結果
  • 分辨率测试

    将本设备与市售Wyler电子式水平仪放置于正弦杆上,并调整输入变量来观测本设备与市售电子式水平仪脂数值变化,后续经由分辨率测试结果比较图可得知本设备分辨率与市售水平仪趋势相同,分辨率可达0.002mm/m,如图十一所示。

    圖十一:解析度測試結果比較圖
  • 4.滤波方式

    本研究采用二阶低通滤波器对传感器撷取的讯号进行处理,转换函式如式(5)所示s为拉普拉斯运算符、ω_n为自然角频率、ζ(Zeta)为阻尼比。滤波前须先设定适当的截止频率,该频率作为讯号通过与阻挡的界线,确保高于截止频率的噪声得以显著衰减,避免其干扰量测结果;同时,使低于截止频率的有效量测讯号能够无衰减地顺利通过。透过此讯号处理方法,可提升量测数据的稳定性与准确性,并减少外部环境噪声对系统水平精度的影响。

    轉換函式

    本研究首先以1Hz的取样频率撷取1000笔传感器量测讯号,并透过傅立叶变换将此段时域讯号转换为频域进行频谱分析,如图十二、十三所示。从频谱图分析结果显示,振幅最大的噪声主要分布在0.1Hz以上的高频范围,而传感器所撷取的有效讯号频率则集中在0.01Hz以下。基于此分析结果,本研究将0.01Hz设定为低通滤波器的截止频率。

    当取样频率与对应的截止频率后,将这些参数套用至二阶低通滤波器的转移函式中进行数据撷取与处理。透过滤波前后的比较结果显示,结果如图十四所示,水平检测设备撷取为16bit(0~65535)数值于人机接口内的实时量测滤波前后数据,由量测结果可得知噪声改善前讯号标准偏差为32.83经低通滤波后讯号标准偏差3.44,则改善89.52%。

    圖十二:感測器擷取訊號(時域訊號) 圖十三:頻譜分析圖
    轉換函式 轉換函式

实验结果

本章节分为两种主题做说明:第一部分为长时间运行对于水平设备之影响;第二部分为地震对于水平状态之影响。

  • 1. 长时间运行对于水平设备之影响

    实验场域运行测试

    本实验旨在探讨水平量测设备在长时间运行下是否存在无法收敛并呈现无限发散的现象。研究目的是为了消除长时间观测过程中,无法补偿的发散现象所导致的数据可靠性下降问题,确保后续量测数据的稳定性与可信度。

    本实验将水平量测设备放置于花岗岩平台上如图十六,并以每分钟撷取一笔数据的速率进行逐点记录,藉此监测其数据波动与变化情况。

    本实验将撷取一天之水平数据与温度进行比对并计算其皮尔森相关系数如表六所示,得知水平状态与温度之间有强烈正关系,且数据并无发散现象产生结果如图十七(a.b.c.d)所示。为验证其长时间之状态。

    圖十六:設備擺放示意圖 表六:內外部溫度與雙軸傾斜皮爾森相關係數
    圖十七:12/04內外部溫度與實際水平狀態結果圖

    实际场域运行测试

    后续为确保水平量测设备在实际场域运行时趋势与先前实验一致,因而将本水平量测设备移置实际场域再次进行实验安装方式如图十八所示。

    本实验结果表明与先前实验趋势一致结果如图十九所示,温度与水平状态之趋势一致且水平状态未向同一方向无限发散有收敛之趋势,水平精度为0.04mm/m,且双轴向趋势一致其皮尔森相关系数如表七所示,在十四天时长之精度为0.04mm/m,如图二十所示,可证明本设备在长时间趋势下有足够之稳定性。

    表七:內外部溫度與雙軸傾斜皮爾森相關係數 圖十八:機台安裝位置
    圖十九:溫度與水平狀態比較圖 圖二十:X軸與Y軸水平狀態比較圖
  • 2.地震对于水平状态之影响

    本实验旨在探讨地震发生时是否会对工具机机台的水平状态产生影响,包含结构永久性变形、地脚位移及地基坍陷等因素。透过长时间监测与数据分析,评估地震对机台水平精度的影响,确保机台在地震之后仍维持稳定的运作与精确的加工能力。

    本次实验因地震之随机性因此将本设备藉由C型固定治具固定至机台上后逐点纪录,如图十八,并且每天进行数据统整在地震发生时藉由云端功能时刻纪录地震发生当下之水平情形,记录时间为2025年1月15日至2025年1月31日,其中在台中地区发生7次有感地震,本水平量测设备皆有撷取该讯号如图二十一所示,后续分别探讨1月21号(极大有感地震)如图二十二所示、1月25号(单日两次地震)如图二十三所示及1月30号(单日单次地震)如图二十四所示。

    当发生规模6.4级较大有感地震时,如图二十二所示,机台的水平精度确实受到影响其误差值为0.04mm/m。从放大图中可观察到一段拉扯状态,推测为机台结构出现暂时性变形。经4小时后其水平状态逐渐回复其误差值恢复至5%内,其每日水平精度皆控制于0.02mm/m,将地震前后数据可视化后如表八所示,因此可判定地震会对机台的水平精度产生暂时性影响,而非永久性损害。

    当发生规模5.6~4.8级相对较小的地震(台中地区约2至3级)中,如图二十三与图二十四所示,无论是双次地震或单次地震,对机台水平精度的影响皆极为轻微。在三次地震事件中皆观察到短暂的拉扯现象,但并未对整体的连续性波形产生显著影响,以1月30号的情况为例,地震发生于10点13分观察地震前、地震当下、地震后1分钟的水平倾斜数值如表九所示,在地震当下水平精度有受到影响数值偏移33.79%,但地震后1分钟之数据与地震前1分钟数据进行比较误差仅1.79%,此结果证明在小型地震下对于水平精度之影响不大。

    表八:地震前、地震當下、地震後誤差比較圖 圖二十二:1 月21 號水平狀態變化圖[5]
    圖二十一:地震發生時水平狀態變化圖 圖二十二:1 月21 號水平狀態變化圖[5]
    圖二十三:1 月25 號水平狀態變化圖[5] 圖二十四:1 月30 號水平狀態變化圖[5]

结论与未来展望

  • 结论

    本研究开发一款水平量测系统来进行机台的远程监测,并实时记录数据会整至云端系统,提供便利性的同时兼顾精密度(Cp)、准确度(Ca)及精准度(Cpk)均达A 等级。

    水平检测设备撷取为16bit(0~65535) 数值于人机接口内的实时量测滤波前后数据,由量测结果可得知噪声改善前讯号标准偏差为32.83 经低通滤波后讯号标准偏差3.44,则改善89.52%。

    本研究根据设备在长时间运行有微量飘移现象,主要问题于关键参数( 温度) 变化状态。在证实地震与CNC工具机之水平精度关系时,其影响程度甚是轻微其水平精度皆于0.02mm/m,消除地震发生后对于机台可靠度下降之疑虑产生。

    未来展望

    考虑非线性因素的影响希望能对温度、微小振动等因素对水平仪的非线性影响,并建立非线性模型进行补偿后,再次进行实验。

    更换水平量测系统之量测位置进行多方位比较消除仅有单一点位的随机性误差。

    软件开发地震警报器,并对地震后的良好加工精度判别,及后续探讨多少能量之地震会对水平精度造成永久性影响,亦或将地震能量分割探讨地震强度与水平精度之间的关系与百分比等等。

参考文献:
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[5] https://scweb.cwa.gov.tw/zh-tw/earthquake/data/
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[7] 陈彦哲,工具机水平精度量测设备实时模型切换与稳态判别之研究,国立勤益科技大学,机械系硕士论文,台中市,2024。
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[9] 李季洵,精密机械于不同温度场域之几何精度预测,国立勤益科技大学,硕士论文,台中市,2019。
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[11] 曺家鑫,工具机支撑螺丝与水平调整之系统模块设计开发应用,国立勤益科技大学,机械系硕士论文,台中市,2021。

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