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技術通報 284期_可攜式齒輪傳動監測儀技術報告 2022.05.09


可攜式齒輪傳動監測儀技術報告

文／設計製造部 黃日昶
▋ 前言
齒輪組件在工業上具有極大的重要性，不論是減速機、第四軸、差速器、方向機等，依據不同的使用情況搭配不同的齒輪組配方式，像是平行軸（Parallelaxes）、相交軸（Intersecting axes）、交錯軸（Non-aralleland non-intersecting axes）等各種形式間轉換其相互關係位置來達到目的。

隨著國內機械業走向超精密加工發展，對於齒輪組件精度要求愈來愈嚴苛，而以往齒輪檢測的齒輪量測儀或是齒輪嚙合量測設備，皆為量測齒輪單一精度，並無量測齒輪組件（減速機、第四軸等）整體的適配性以及傳動誤差，齒輪組件中影響精度的原因很多，除了齒輪本身精度、組裝上的適配性亦有很大之原因，像是軸心偏擺、齒輪偏擺，以及轉子不對中等問題，都會使齒輪組件產生很大的震動及噪音影響，因此在量測議題上隨著時代的變化不斷的改變與精進。

因此本文所提之可攜式齒輪傳動監測儀，目的為量測齒輪組件的傳動誤差，能夠讓使用者了解其組件的定位精度之外，也可透過頻譜分析，找出組配上的問題，像是軸心偏擺、齒輪偏擺等問題，而不用像以往實際運轉下，發現有極大之噪音時，才將整體拆除重新組配，浪費大量的時間成本。圖一為財團法人精密機械研究發展中心於2019年所開發出的可攜式齒輪傳動監測儀。
齒輪組件檢測技術的提升有助於齒輪應用產業製造符合精度品質的產品，並能及時反應齒輪的精度以及組配的好壞，進而降低廠商組裝時間成本提升國際競爭力。




▋ 齒輪監測儀量測說明
量測傳動誤差的必要條件就是主動軸（待測物入力端）的量測訊號與被動軸（待測物出力端）做比對，而本文所提之可攜式齒輪傳動監測儀就是將訊號擷取模組化來得到被動軸角度，並透過PMC 所開發的轉接盒擷取主動軸訊號，將兩訊號做比較，來得到傳動誤差，其架構如圖二、量測示意如圖三。



 
從圖可知被動軸的定位是透過高精度快拆治具做定位，因此待測物並無限制，僅需搭配適合之治具即可使用於各種齒輪組件，不論是第四軸、減速機，齒輪箱等組件皆可量測；而可攜式齒輪傳動監測儀的量測必須將外部固定、芯軸旋轉，因此須加上PMC 所設計的固定座，其具有五軸自由度的固定座，加上磁性座可吸附於機台上，即可依實際環境來固定外部。圖四至圖五分別為量測案例，圖六則為固定座。



由於齒輪組件的種類廣泛，所呈現的方式也不盡相同，因此將產品設計為可攜式並配合適當治具來量測各種齒輪組件，可將效益最大化，圖七為可攜式齒輪傳動監測儀產品。其內容物包含：產品本身、轉接盒、訊號擷取卡以及治具。



▋ 監測儀操作步驟分解說明
本章節將介紹可攜式齒輪傳動監測儀的操作步驟，步驟如下：
❶ 連接擷取卡
首先，須先將系統的擷取卡連接，當系統偵測轉接盒電路接通以及擷取卡電路接通後，即會顯示連接按鈕。



❷ 參數設定
再來，設定待測物的資料，像是齒輪組配方式、軸數、齒數、主動軸馬達的分割數以及轉速，而此介面備有資料庫功能，可儲存參數以供往後快速設定，並具有示範圖示教導，圖面亦會依據所選取得功能不同而改變，像是不同的組配方式、軸數等，如圖十至圖十二。




❸ 量測介面
將參數設定完成之後，即可進入量測介面，當準備就緒之後即可開始量測，量測時因本產品不具有控制功能，僅量測功能（以免控制上的問題而導致量測結果不穩），因此在量測中會有操作只是的彈幕，使用者僅須依據彈幕指示操作即可，步驟如下：








❹ 歷史數據
最後是歷史數據的部分，可於連結介面（於不連接狀態下開啟以往資料）與量測介面開啟（再連接狀態下開啟），歷史數據如圖十八。



▋ 量測資訊
介紹完組裝方式以及操作步驟後，本章皆將說明可攜式齒輪傳動監測儀可量測到的資訊介紹。
以下將針對單齒腹量測的量測項目做簡單的說明：

（一）量測項目說明
❶ 傳動誤差
為本系統最主要的量測資訊，透過主動軸以及被動軸的轉動角度來計算，亦可當成定位精度。
❷ 長短波
若是待測物的齒輪軸數僅為一對齒輪嚙合時，可開啟之功能，長波可視為齒輪旋轉一周所造成的振動，短波則為每齒之間的振動；若是軸數超過一軸亦可自行從頻譜圖中找出高頻與低頻區段。
❸ 背隙
透過正反轉的傳動誤差計算，可量測出每齒的背隙。
❹ 頻譜分析
將傳動誤差透過FFT 從時域轉為頻域，以輔助使用者找出組配上的問題，更可評估噪音發生原因。

（二）量測結果對噪音的影響
齒輪嚙合振動及噪音的問題一直是齒輪相關應用商所頭痛的議題，傳動誤差訊號在經過計算後，可分為長短波，長波為齒輪旋轉一周所造成的振動，屬於低頻的振動；而短波為每齒嚙合的振動，屬於高頻的振動。透過此特性，能夠有效地找出噪音問題。根據各產業別對齒輪組所使用的環境，其齒輪精度影響噪音的最大主因，如表一。



▋結論
以上章節大致說明了可攜式齒輪傳動監測儀的原理、安裝方式以及操作步驟，本章節再統整可攜式齒輪傳動監測儀的特點：



財團法人精密機械研究發展中心近十年來，極力推廣、開發齒輪嚙合量測設備，以往嚙合設備皆針對齒輪製造商的量測，本文所提之“可攜式齒輪傳動監測儀”則為針對齒輪應用商的量測；開發齒輪及其組件產品一系列的量測設備，旨在幫助提升國內齒輪及其組件產品的品質提升、優化，增加國際競爭力，未來也將持續開發齒輪方面的各式量測設備，並期許PMC 能夠與國內齒輪相關產業廠商一同成長。

 
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