應用光纖光柵於高速內藏式主軸及工具機的動態特性、溫升以及變形之精密量測

1. 應用光纖光柵於高速內藏式主軸
及工具機的動態特性、溫升以及
變形之精密量測
第十六屆全國AOI論壇專題演講
國立臺灣大學機械工程系
馬劍清教授

2. 磨床光纖光柵感測器 內藏式主軸 銑床
 FBG感測器的優勢
及應用實例
 共振波長飄移理論
 溫度及變形訊號之
解耦合
 I-MON波長解調
器
 客製化SLD光源

3. 磨床光纖光柵感測器
之精密量測
內藏式主軸 銑床
 系統架設
 實際作動
 主軸轉速、溫升、
熱應變量測
 SLD光源
 光柵光纖多點量
測

4. 磨床光纖光柵感測器
之精密量測
內藏式主軸 銑床
 系統架設
 實際作動
 主軸轉速、溫升、
熱應變量測
 工件振動、溫升、
熱應變量測

5. 磨床光纖光柵感測器
之精密量測
內藏式主軸 銑床
 系統架設
 實際作動
 主軸轉速、溫升、
熱應變量測
 工件振動、溫升、
熱應變量測
 刀具顫振現象的
量測與討論

6. 光纖光柵感測器之精密量測
的特性及優勢
• 抗腐蝕
• 不受電磁波干擾
• 高靈敏度
• 可量測應變及位移
• 徑細質輕具有可撓性
• 可以同時進行多點的量測
• 長時間的監測
• 可在水中進行量測

7. 7
Dynamic Response of Strain forThin Plate
15
PVDF
FBG
FS
27
25
5
25
5
E=69GPa
0.33v 
32705kg
m
 

8. 8
Dynamic Response of Strain for Thin Plate
FSFBG

9. 9
Resonant Frequency of Thin Plate
FSFBG

10. 10
Mode Shape of Thin Plate
e11
1
104.53
2
346.61
3
648.1
4
1172.97
5
1608.73
6
1867.48
7
2401.78
Mode
Shape
W
1
104.53
2
346.61
3
648.1
4
1172.97
5
1608.73
6
1867.48
7
2401.78
Mode
Shape
x
y

11. 11
Resonant Frequency of Thin Plate
Mode Comsol FBG Error(%)
1 104.53 102.5 -1.94
2 346.61 347.5 0.26
3 648.1 642.5 -0.86
4 1172.97 1170.5 -0.21
5 1608.73 1609.5 0.05
6 1867.48 1862.5 -0.27
7 2401.78 2396.5 -0.22
Mode Comsol FS Error(%)
1 104.53 102.5 -1.94
2 346.61 347.5 0.26
3 648.1 642.5 -0.86
4 1172.97 1170.5 -0.21
5 1608.73 1607.5 -0.08
6 1867.48 1863.5 -0.21
7 2401.78 2396.5 -0.22

12. H
12
Transient Response of Thin Plate
Fdt ( ) c Vdtbefore after
m v v   2before
v gH
( )
Vdt
before after
m v v
c



0

13. 13
Transient Response of Strain forThin Plate
The strain of FBG
Simulation middle point
Theory of C.Y. Liao (2016)
Transient strain of cantilever plate
       
2
11 2
2
0 0 0
22
1
0 0
sin, ,
t
ii i
a b
ii i
w
z
x
F t dW x y W x y
z
h xW dxdy

   
 



 

         


 

14. 14
FBG Immersed in Water
233mm
143mm
207mm
E=69GPa 0.33v  32705kg
m
 

15. 15
FBG Immersed in Water

16. 16
FBG Immersed in Water
1st mode 2nd mode

17. 17
The Transient Response of Thin Plate in the
Water (7mm)
The strain of FBG

18. Page 18
Water Pressure Measurements
Steel ball freely fall and strike the water box system
• Large steel ball : D=12.71mm
• Middle steel ball : D= 9.51mm
• Small steel ball : D= 6.35mm
From 150cm above
the water surface
FBG pressure sensor IV
30cm
30cm
11cm
7cm
FBG
15cm15cm
Strike point

19. Page 19
Water Pressure Measurements
0.178 sec 
Large steel ball – 150cm

20. Page 20
Water Pressure Measurements
Middle steel ball - 150cm
0.308 sec 

21. Page 21
Water Pressure Measurements
Steel ball freely fall and strike the water box system
• Large steel ball : D=12.71mm
• Middle steel ball : D= 9.51mm
• Small steel ball : D= 6.35mm
From 50cm above
the water surface
Large steel ball
0.336 sec 

22. Page 22
0.358 sec 
0.392 sec 
Middle steel ball
Small steel ball

23. Multiple point measurement
Strain & displacement measurement
Experimental setup
Top view
Displacement
Strain
4.5mm
10mm
5mm
300mm
10mm5mm
PVDF
FBG3
FBG4
FS
70mm
23

24. Multiple point measurement
Time response of FBG sensors
0.0 4.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 4.5
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
Voltage(V)Voltage(V)
FBG3
PVDF3
0.0 4.5
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
-0.015
-0.010
-0.005
0.000
0.005
0.010
Voltage(V)
Time(s)
FBG4
FS
Voltage(V)
Voltage(V)
0.00 0.04
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040
-0.015
-0.010
-0.005
0.000
0.005
0.010
Time(s)
FBG4
FS
Voltage(V)Voltage(V)
0.000 0.040
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.000 0.040
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
Voltage(V)
FBG3
PVDF3
24

25. 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
0
50
100
150
200
250
300
5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
0
20
40
60
FBG3
PVDF3
Frequency(Hz)
MagnitudeMagnitude
5738
8740
6194
7517
104558933
104638736 8936
7518
7164
5736
6195
25
FBG3 & PVDF3
0~1000Hz
1000~5000Hz
5000~11000Hz
FBG4 & FS
0 200 400 600 800 1000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
0 200 400 600 800 1000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
FBG3
PVDF3
Frequency(Hz)
MagnitudeMagnitude
28.4
270.1177.8
28.4
496.6 972.1
496.8177.8
270.1 972.2524.860
1000 2000 3000 4000 5000
0
500
1000
1500
2000
2500
1000 2000 3000 4000 5000
0
100
200
300
FBG3
PVDF3
Frequency(Hz)
MagnitudeMagnitude
1578
2656
1606
2406 3777
3361
4468
1578
2656
1606
2406
3777
3360
4469 4951
5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
0
50
100
150
200
250
300
5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
0
5
10
15
20
25
FBG4
FS
Frequency(Hz)
MagnitudeMagnitude
5737
7517
6195
7164
104698739 8932
5736
7517
6195
7161
10464
8738
0 1000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
0 200 400 600 800 1000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
FBG4
FS
Frequency(Hz)
MagnitudeMagnitude
28.4
496.6177.7
28.4
200 400 600 800
524.8 972.1
496.8
177.7
524.8
972.2
60
1000 2000 3000 4000 5000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1000 2000 3000 4000 5000
0
50
100
150
200
250
FBG4
FS
Frequency(Hz)
MagnitudeMagnitude
1578
1607
2408
37773360
4951
1578
1606
2407
33612656
4951
3778
Multiple point measurement
Frequency response
25

26. Multiple point measurement
Frequency comparison
Mode ABAQUS
FBG3
(error)
PVDF3
(error)
FBG4
(error)
FS
(error)
1 28.4 28.4(0%) 28.4(0%) 28.4(0%) 28.4(0%)
2 178.1 177.8(0.2%) 177.8(0.2%) 177.7(0.2%) 177.8(0.2%)
3 277.2 270.1(2.6%) 270.1(2.6%) X X
4 498.8 496.6(0.4%) 496.6(0.4%) 496.6(0.4%) 496.8(0.4%)
5 527.2 X 524.8(0.5%) 524.8(0.5%) 524.8(0.5%)
6 977.8 972.1(0.6%) 972.2(0.6%) 972.1(0.6%) 972.2(0.6%)
7 1590 1578(0.8%) 1578(0.8%) 1578(0.7%) 1578(0.7%)
8 1617 1606(0.7%) 1606(0.7%) 1607(0.6%) 1606(0.7%)
9 1661 X X X X
10 2417 2406(0.5%) 2406(0.5%) 2408(0.4%) 2407(0.7%)
11 2678 2656(0.8%) 2656(0.8%) X 2656(0.8%)
12 3377 3361(0.5%) 3360(0.5%) 3360(0.5%) 3361(0.5%)
13 3808 3777(0.8%) 3777(0.8%) 3777(0.8%) 3778(0.8%)
14 4318 X X X X
15 4371 X X X X
16 4495 4468(0.6%) 4469(0.6%) X X
17 4993 X 4951(0.8%) 4951(0.8%) 4951(0.8%)
18 5770 5738(0.6%) 5736(0.6%) 5736(0.6%) 5737(0.6%)
19 6248 6194(0.8%) 6195(0.8%) 6195(0.8%) 6195(0.8%)
20 7200 X 7164(0.5%) 7161(0.5%) 7164(0.5%)
21 7581 7517(0.8%) 7518(0.8%) 7517(0.8%) 7517(0.8%)
22 7934 X X X X
23 8780 8740(0.5%) 8736(0.5%) 8738(0.5%) 8739(0.5%)
24 9004 8933(0.8%) 8936(0.8%) X 8932(0.8%)
25 10524 10455(0.5%) 10463(0.4%) 10464(0.4%) 10469(0.4%)
Mode ABAQUS
FBG3
(error)
PVDF3
(error)
FBG4
(error)
FS
(error)
26

27. Experimental Setup: Rail System
27
 Geometry
Length ：50cm
Width ：5cm
Depth ：0.5cm

28. Experiment Setup
28
in
out Isolator
Hi-Power
Broadband Source
FBG filter
FBG sensor
Photo
diode
1
2
3
Circulator
12
3
P
o
w
e
r
dSpace
Oscilloscope
Amplifier
50 mm
Steel ball
Electromagnet
98 mm
FS

29. Experiment：Uniform Velocity Roll Motion
29

30. Transient Behavior of Cantilever Rail System
30
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
-0.0001 0.0006 0.0013 0.0020
-0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
Voltage(V)
Time(s)
1st experiment
2nd experiment
3rd experiment
-0.010
-0.005
0.000
0.005
0.010
-0.010
-0.005
0.000
0.005
0.010
-0.02 0.01 0.04 0.07
-0.012
-0.007
-0.002
0.003
0.008
0.013
Vertical FBG (Displacement) In-palne FBG (Strain)

31. Ball Roll：Vertical FBG (Displacement)
31
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
-0.02
-0.01
0.00
0.01
FS
FBG
Voltage(V)
Time(s)

32. Ball Roll：In-Plane FBG (Strain)
32
-0.020
-0.010
0.000
0.010
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
-0.011
-0.006
-0.001
0.004
0.009 Strain gauge
FBG
Voltage(V)
Time(s)

33. High Speed：Vertical FBG (Displacement)
33
FS
FBG
-0.05
-0.01
0.03
0.07
0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34
-0.02
0.00
0.02
0.04
Voltage(V)
Time(s)

34. Ball Roll：In-Plane FBG (Strain)
34
Strain gauge
FBG
-0.020
-0.010
0.000
0.010
0.020
0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34
-0.011
-0.006
-0.001
0.004
0.009
0.014
Voltage(V)
Time(s)

35. Impact force history
 PVDF film
 Impact force history
 Choose three impact points to testify the ability of
FBG strain sensors
FBG Sensor 1 FBG Sensor 2
FBG Sensor 3
Impact force history
35
190 mm
75.4mm
FBG
Sensor 1
x
y
z
FBG Sensor 3
60 mm
PVDF 1
PVDF 2
PVDF 3

36. Frequency Response
36Magnitude
Frequency(Hz)
0 2000 4000 6000 8000 10000
0
2000
4000
6000
8000
0 2000 4000 6000 8000 10000
0
2000
4000
6000
8000
0 2000 4000 6000 8000 10000
0
2000
4000
6000
8000
4910.2(O1)
7196.3(O2)
8799.36(O3)
Magnitude
Frequency(Hz)
10000 12000 14000 16000 18000 20000
0
200
400
600
800
1000
10000 12000 14000 16000 18000 20000
0
200
400
600
800
1000
10000 12000 14000 16000 18000 20000
0
200
400
600
800
1000
10242.42(I1)
10429.43(O4)
11044.46(I2)
13370.55(I4)
15159.62(I5)
15261.63(O5)
15368.63(I6)
15847.65(O6)
16524.68(I7)
18065.74(O7)
19031.78(I8)
Magnitude
Frequency(Hz)
20000 22000 24000 26000 28000 30000
0
100
200
300
400
500
20000 22000 24000 26000 28000 30000
0
100
200
300
400
500
20000 22000 24000 26000 28000 30000
0
100
200
300
400
500
20172.83(I9)
21368.88(I10)
21837.9(I11)
22403.92(I13)
23118.95(O8)
23366.96(I16)
23469.97(O9)
25468.05(I18)
25869.07(I19)
26345.09(I20)
27645.14(I23)
28507.17(O12)
28945.19(O13)
29485.21(O14)
Out-of-plane mode In-plane mode
 FBG strain sensor has ability to measure the signal over
30000Hz
 12 out-of-plane modes and 16 in-plane modes

37. FBG Sensor 1 FBG Sensor 2
FBG Sensor 3 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
FBG_E11
ABAQUS_E11
Time(ms)
Voltage
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 Impact A point
FBG_E22
ABAQUS_E22
Time(ms)
Voltage
-150
-100
-50
0
50
100
150

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
FBG_E33
ABAQUS_E3
Time(ms)
Voltage
Impact A point
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100

FBG 𝜀11
Simulation 𝜀11
FBG 𝜀22
Simulation 𝜀22
FBG 𝜀33
Simulation 𝜀33
37

38. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
FBG_E22
ABAQUS_E22
Time(ms)
Voltage
-300
-200
-100
0
100
200
300

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
FBG_E11
ABAQUS_E11
Time(ms)
Voltage
-600
-400
-200
0
200
400
600

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
Time(ms)
Voltage -200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
FBG_E33
ABAQUS_E33

FBG Sensor 1 FBG Sensor 2
FBG Sensor 3
FBG 𝜀11
Simulation 𝜀11
FBG 𝜀22
Simulation 𝜀22
FBG 𝜀33
Simulation 𝜀33
38

39. FBG Sensor 1 FBG Sensor 2
FBG Sensor 3
0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
FBG_E11
ABAQUS_E11
Time(ms)
V
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
FBG_E22
ABAQUS_E22
Time(ms)
V
-60
-40
-20
0
20
40
60

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.30
-0.25
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
FBG_E33
ABAQUS_E33
Time(ms)
V
-60
-40
-20
0
20
40
60

FBG 𝜀11
Simulation 𝜀11
FBG 𝜀22
Simulation 𝜀22
FBG 𝜀33
Simulation 𝜀33
39

40. Embedded FBG sensors
Separator
FBG sensor
Acid-proof tape
LiFePO4
Laminated Aluminum
40

41. Temperature converting factor of bare FBG
41
 Temperature: 0.0098nm/℃
 Immerse bare FBG sensor and thermocouple into the water
which is heated by hot plate to acquire the temperature
converting factor.

42. Strain difference of Lithium-ion battery
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
voltageCStrain() Time (hour) 42
B TK K T     
:
: .T
K strain sensitivity of wavelength
K temp sensitivity of wavelength

Resonance wavelength drift theory with Photo-elastic
and thermo-optic effect :
Dynamic Sensitivity of sensors

43. In-situ monitoring the strain evolution of graphite electrode during
charging and discharging process
43
I-MON
Interrogation monitors
3×1 coupler
Li-ion battery
Circulator
ASE light source
PC
PCD-300
Chroma
Regenerative battery pack test system
• Chroma’s Regenerative battery pack test system model 17020
which is utilized for the investigation of a continuous cycling
test
• A flexible programming recipe operated by a powerful Battery
Pro software to create cycling tests

44. Cell cycling under different suspension conditions
44

45. Temperature and internal pressure monitoring
45
 Temperature : (external) Thermocouple
(internal) FBG with stainless steel tube
 The maximum of temperature difference is 6 °C
 The maximum of the internal pressure is 9kPa

46. 光纖光柵感測器：量測原理、系統架設
應力 溫度
共振波長
波長
光
能
量
波長
光
能
量 受正向應力時
波長
光
能
量 光纖受熱時
共振波長飄移理論
1
B
T
B
K K T




  

47. 溫度及變形訊號之解耦合
1
B
B
K




 T
T
K T T
K



    

裸光纖+套管裸光纖
1
1
1 T
T
K



 

2
2
2 T
T
K



 

1 2T T T     （應變貢獻的） TK T K  
TK
T
K
  
光纖光柵感測器：量測原理、系統架設

48. I-MON波長解調器
光纖光柵感測器：量測原理 、系統架設

49. 客製化SLD光源
光纖光柵感測器：量測原理 、系統架設
超光二極體光源

50. Motivation
Vibration
Temperature
Thermal deformation
軸承剛性劣化
形狀誤差 尺寸誤差
影響加工精度
50

51. 高速內藏式主軸
（旭泰精密有限公司產品，為銑削主軸的一種，
刀把型號為SK-40）

52. 高速內藏式主軸：系統架設、實際作動、實驗結果
外部
內部
量測點

53. 高速內藏式主軸：系統架設、實際作動、實驗結果

54. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
轉速量測
外部FBG+ASE（時域） 外部FBG+ASE（頻域）
裸光纖可精準
量測主軸轉速
套管光纖不受振動影響
只量測到溫度訊號
主軸定轉速
5943rpm
(99.05Hz)

55. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
溫升量測
Thermal couple vs. Tube FBG：0.106˚c/pm
外部FBG+ASE 不同轉速下主軸的溫升
套管光纖量測結果
與熱電偶相當一致
最高溫升約為14℃

56. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
熱應變量測
外部FBG+ASE 內部FBG+ASE
最高應變約為170𝝁𝜺
最高應變約為66𝝁𝜺

57. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
SLD光源
時域+頻域（外部FBG） 溫升（外部FBG）
SLD光源也可精準
量測主軸轉速

58. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
SLD光源
熱應變（外部FBG）

59. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
多光柵段光纖+熱像儀

60. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之轉速量測
時域 頻域
主軸定轉速
12000rpm
(200Hz)
200.1Hz

61. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之溫升量測
當時溫度 溫升結果 各點溫升曲線
最高溫升約為12℃

62. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之熱應變
6000rpm下熱應變值 12000rpm下熱應變值
最高熱應變約為110𝝁𝜺最高熱應變約為55𝝁𝜺

63. 溫升
高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之熱應變
不同轉速下主軸的溫升與熱應變
應變結果與主軸溫升相當一致
代表應變主要就是
主軸溫升所造成的熱應變
溫升 熱變形

64. 高速內藏式主軸：系統架設、 實際作動、 實驗結果
SLD光源
時域（ASE） 時域（SLD）

65. 即時轉速監測
轉速量測

66. 超精密平面磨床
（廠牌為日本Kuroda，型號為GS-45PNFNC）

67. 磨床： 系統架設、實際作動、實驗結果
量測點
實驗材料：不鏽鋼 420
工件尺寸：標準六面體 150.31 x 74.86 x 30.40 mm

68. 磨床： 系統架設、實際作動、實驗結果

69. 磨床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之轉速量測
時域（主軸定轉速2500rpm） 頻域

70. 磨床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之溫升與熱應變
磨削過程主軸
溫升約為0.4℃
磨削過程主軸
應變約為6𝝁𝜺

71. 磨床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
工件之量測訊號
時域 時域（140~230秒）

72. 磨床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
工件之振動、溫升、熱應變量測
頻域（140~230秒） 溫升與熱應變
delta
裸光纖也可精準
量測到磨削頻率
裸光纖可精準
量測到主軸轉速

73. 銑床
（永進MV66A立式綜合加工機）

74. 銑床： 系統架設、實際作動、實驗結果
量測點
實驗材料：中碳鋼 AISI 1050
工件尺寸：標準六面體 40 x 50 x 70 mm
面銑刀盤直徑：40 mm
刀刃數：3
每轉進給量：0.1 mm/rev

75. 銑床： 系統架設、實際作動、實驗結果
轉速：800 rpm→744rpm(93%)
切深：6.2 mm
降轉速顫振加劇

76. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之轉速量測
時域（主軸定轉速800rpm） 頻域（顫振發生前）
裸光纖可精準
量測主軸轉速

77. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之轉速量測
頻域（顫振發生後） 頻域（降轉速至744rpm）
裸光纖可精準
量測顫振頻率
降轉速後顫振
現象依舊存在

78. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
工件之量測訊號
加工歷程（裸光纖） 裸光纖、套管光纖、熱電偶訊號
銑削過程工件最高溫升約為120℃

79. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
工件之量測訊號
時域（顫振發生後）時域（顫振發生前）
顫振發生後訊號波形明顯改變

80. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
工件之振動與熱應變量測
頻域（顫振發生前） 頻域（顫振發生後）
裸光纖可精準
量測顫振頻率
裸光纖可精準
量測切削頻率

81. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
工件之振動與熱應變量測
頻域（主軸降轉速後） 熱應變
銑削過程工件
應變約為1060𝝁𝜺降轉速後顫振
現象依舊存在

82. 銑床： 系統架設、實際作動、實驗結果
轉速：1400 rpm→1624rpm(116%)
切深：6 mm
升轉速顫振消失

83. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之轉速量測
時域（主軸定轉速1400rpm） 頻域（顫振發生前）
裸光纖可精準
量測主軸轉速

84. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸之轉速量測
頻域（顫振發生後） 頻域（升轉速至1624rpm）
升轉速後顫振
頻率明顯消失
裸光纖可精準
量測顫振頻率262.6Hz

85. 銑床： 系統架設、 實際作動、 實驗結果
主軸即時轉速監測

86. 1. 波長飄移量→相對係數→溫升
2. 套管光纖與裸光纖→轉速、溫升(0.05˚C) 、熱變形(0.4με )
3. 成功將光纖光柵感測器放入主軸內部
4. 已利用超光二極體為光源設計出一套適合工業界應用之量測系統
5. 光纖光柵時域量測訊號能透過振幅大小真實反映加工歷程
6. 本研究提供一種簡單方便且可精密量測到加工時的顫振頻率
7. 量測方式的穩定性以及實用性。
結論

87. 磨床光纖光柵感測器 內藏式主軸 銑床
 套管光纖相對係數
→溫升（ 0.05˚C ）
 裸光纖+套管光纖
→應變（ 0.4με ）

88. 磨床光纖光柵感測器 內藏式主軸 銑床
 已成功將光纖埋入
主軸內部長期監測
 利用超光二極體光
源設計出一套適合
工業界應用之量測
系統

89. 磨床光纖光柵感測器 內藏式主軸 銑床
 光纖光柵的量測
訊號能透過振幅
大小真實反映加
工歷程
 精密量測主軸工
件之轉速、溫升、
熱應變

90. 磨床光纖光柵感測器 內藏式主軸 銑床
 即時轉速監測可
精密量測到顫振
頻率
 光纖光柵量測系
統的穩定性以及
實用性

91. 91
Thanks for your attention