2023/9/23

振動在設備狀態偵測與問題判斷的應用分享

這幾年有看到凌華推了應用振動檢測作為設備狀態檢知的產品,

參考凌華發布消息:凌華振動監診MCM-100產品網頁

最近聽了Altair研討會,其中一個工研院Speaker介紹振動模擬應用在工具機顫振Chatter問題的應用,

圖片擷取自Altair網站

另有ITRI的說明影片可以參考,從5:30開始看


台灣工業在應用振動跟模擬上越來越多,也越來越重視相關應用,

例如在半導體展看到在晶圓機械手臂上裝振動偵測,確保晶圓搬送的安全性,要價不斐(畢竟竟12"晶圓很貴,尤其是越接近完成品的越貴)。

分享一些蒐集到的資訊跟個人淺見供參考,如有問題或不當之處請不吝告知,謝謝。

振動問題是一種動態(Dynamic)問題,

主要有二大因素要考量:

1. 結構本身的模態,振型與對應自然頻率,跟結構的剛性(K,彈性係數)、質量分佈(m)、外部能量消耗能力(c,阻尼)有關,以單一自由度公式與系統示意圖參考如下:


無阻尼自然頻率,Natural Frequency

有阻尼自然頻率

阻尼比
不同阻尼比對系統振動響應的影響

2. 振動源(力量F、位移dx,來自內外部運動元件),作用頻率與方向與對應模態的響應

設備未開啟動力時,可以視為靜態,理論上不會有振動,但是可能會有來自地面或其他接觸物體等由外部傳入的力量或位移造成的振動響應,未開啟動力作動下可以量測到一個基礎振動頻譜,但是這個振動頻譜對設備狀態偵測來說是不會用到的,

設備狀態偵測要看的是設備通常開啟動力後,也就是內部振動源產生的振動頻譜變化,

設備作動下的振動頻譜變化看的主要就是在剛性的改變,例如軸承鋼珠產生疲勞破壞,此時軸承徑向剛性會變差,從公式可以看出剛性降低會造成系統在某個方向上的振動頻率變低與位移變大,線軌鋼珠則會牽涉到兩個方向(移動方向以外)的剛性。

凌華推出的產品提供針對馬達軸的頻譜偵測,

如果出現頻率降低與振幅(位移)變大,

表示軸承鋼珠剛性變差(受損),這時候就可以在狀態變得更差之前進行預防性的元件更換。

在手機開始發展後,半導體元件讓振動偵測系統建置成本大幅下降,但是檢測範圍可能會比較受限;

看過更便宜的元件是貼應變規來偵測變形量,但是貼應變規要技術跟考慮溫濕度補償與訊號處理,比較麻煩,需要更有經驗的規劃設計才能降低建置成本與維護來提高可靠性。

模擬軟體可以根據結構的材質、形狀模擬計算模態(振型加頻率),

與系統振動頻譜比對就有機會找出是那個軸承或線軌的剛性改變(鋼珠損壞),或者是其他結構剛性變差,

實務上透過模擬、實驗與經驗累積,

透過振動頻譜的改變確實有很大機率可以找到對應的結構剛性改變與對應的問題元件。


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