CN105319235A - 预压力残存率的侦测方法 - Google Patents

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Abstract

一种预压力残存率的侦测方法，包含有下列步骤：a.在可相对移动的二组件其中之一安装一温度传感器；b.使该二组件相对移动，同时记录该温度传感器所感测到的温度随时间的变化，进而得到一初始温升曲线；c.使该二组件相对移动，同时记录该温度传感器所感测到的温度随时间的变化，进而得到一侦测温升曲线；d.比较该初始温升曲线与该侦测温升曲线的差异，进而得到该二组件在该步骤c进行时相对于该步骤b进行时的预压力残存率；该侦测方法可在受测物运转时侦测其所受预压力的残存率，且成本低、使用寿命长、反应速度快、侦测结果较为准确。

Description

预压力残存率的侦测方法
技术领域
本发明与预压力侦测方法有关，特别是关于一种预压力残存率的侦测方法。
背景技术
公知许多进给或传动装置，例如滚珠螺杆装置、线性滑轨装置、齿轮机构等等，其中二相对移动的组件之间会在制造或组装的过程中被施予预压力，以消除背隙并提高结构刚性，进而达到高速及高定位精度的性能。
以滚珠螺杆装置为例，其螺杆与螺帽之间会放置较大尺寸的滚珠，以产生具前述效果的预压力。然而，在运转过程中，滚珠会与螺杆及螺帽相互磨耗，使得预压力逐渐减小，导致定位精度逐渐降低进而产生失步(lostmotion)的问题。因此，若未能在预压力失效前实时更换滚珠，将使机台产生不良的运作精度。但若采用定期更换滚珠的方式以避免预压力失效，则容易更换掉尚未过度磨耗的滚珠，造成成本上的浪费。因此，较佳的解决方式系对预压力进行侦测，以于预压力降低至预定的残存量时进行补正。
传统量测滚珠螺杆装置的预压力的方法，是以拉力计勾住螺帽而进行量测，再将拉力计测得的弹簧力换算为滚珠螺杆装置的预压力，但此量测方法进行时需将机台停机，而无法进行在线量测，且需代入相关的物理参数(例如弹性系数)以进行换算，如此会有参数不准确及换算过程产生的误差。
另一种公知预压力量测方法，是使用扭力计量测滚珠螺杆的扭力变化，并将量测到的扭力等效为螺杆的预压力，但扭力计价格昂贵且因易磨耗而使用寿命短。
又一种公知预压力量测方法，是利用加速规或位移计量测滚珠螺杆的振动情况以估测预压力，但此方法容易受到其他振动源造成的噪声干扰，因此无法准确预估预压力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预压力残存率的侦测方法，用以在受测物运转时侦测其所受预压力的残存率，且该侦测方法成本低、使用寿命长、反应速度快、侦测结果较为准确。
为实现上述目的，本发明提供的预压力残存率的侦测方法包含有下列步骤：
a.在可相对移动的二组件其中之一安装一温度传感器；
b.使该二组件相对移动，同时记录该温度传感器所感测到的温度随时间的变化，进而得到一初始温升曲线；
c.使该二组件相对移动，同时记录该温度传感器所感测到的温度随时间的变化，进而得到一侦测温升曲线；以及
d.比较该初始温升曲线与该侦测温升曲线的差异，进而得到该二组件在该步骤c进行时相对于该步骤b进行时的预压力残存率。
举例而言，该二组件可分别为一滚珠螺杆装置的一螺杆及一螺帽，该步骤a及该步骤b可于该滚珠螺杆装置出厂前进行，该步骤c及该步骤d可于该滚珠螺杆装置开始使用后进行。当该滚珠螺杆装置的预压力减少时，滚珠与螺杆及螺帽之间的摩擦力及其所产生的热能也会随之减少，因此，将螺杆或螺帽在运转时的温升曲线与其出厂前的温升曲线进行比较，即可侦测出预压力残存率。
由此，本发明可在受测物(亦即该二组件)运转时侦测其所受预压力的残存率，而且，由于温度传感器价格低且无磨耗问题，因此本发明的侦测方法成本低且使用寿命长，温度传感器更有反应速度快的优点，此外，该侦测方法不需由复杂的分析过程，也不需将物理参数代入公式以计算出结果，因此本发明的侦测方法有较佳的强健性(robustness)、侦测结果较为准确。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例所提供的预压力残存率的侦测方法的步骤图；
图2为一应用该预压力残存率的侦测方法的滚珠螺杆装置的剖视示意图；
图3类同于图2，惟该预压力残存率的侦测方法中的一温度传感器在图2及图3是设于不同位置；以及
图4为一温度对时间的曲线图，显示该预压力残存率的侦测方法中的一初始升温曲线及一侦测升温曲线。
附图中主要组件符号说明：
10组件(螺杆)，20组件(螺帽)，22安装孔，24外周面，26端面，30温度传感器，40滚珠螺杆装置，50滚珠，60初始温升曲线，62线性区段，70侦测温升曲线，72线性区段。
具体实施方式
有关本发明所提供的预压力残存率的侦测方法的详细构造、特点、组装或使用方式，将于后续的实施方式详细说明中予以描述。然而，在本发明领域中具有通常知识者应能了解，该些详细说明以及实施本发明所列举的特定实施例，仅是用于说明本发明，并非用以限制本发明的专利申请范围。
申请人首先在此说明，在以下将要介绍的实施例以及附图中，相同的参考号码，表示相同或类似的组件或其结构特征。
请参阅各附图，本发明一较佳实施例所提供的预压力残存率的侦测方法包含有下列步骤：
a.在可相对移动的二组件10、20其中之一安装一温度传感器30。
本实施例是以一滚珠螺杆装置40为例，以说明本发明所提供的预压力残存率的侦测方法，该二组件10、20在本实施例中分别为该滚珠螺杆装置40的一螺杆及一螺帽。该温度传感器30可为一热电耦(thermalcouple)或其他可感测温度的传感器，是用以侦测该螺杆10或该螺帽20因与设于其之间的多数滚珠50摩擦生热而产生的温度变化。
在本实施例中，该温度传感器30设于该螺帽20，但亦可设于该螺杆10。为了侦测到明显的温度变化，并降低外界空气对侦测结果的影响，该螺帽20可设有一安装孔22，以供该温度传感器30设于该安装孔22内，例如，该安装孔22可自该螺帽20的一外周面24朝该螺杆10的方向凹陷(如图2所示)，或者，该安装孔22可自该螺帽20的一端面26邻近该螺杆10之处凹陷；由此，该温度传感器30能非常靠近该螺杆10及该些滚珠50，以感测到明显的温度变化。
b.使该二组件10、20相对移动，同时记录该温度传感器30所感测到的温度随时间的变化，进而得到一初始温升曲线60。
该滚珠螺杆装置40运作时，各该滚珠50摩擦该螺杆10及该螺帽20而使其温度逐渐升高，此摩擦生热现象所造成该螺杆10及该螺帽20温度的上升可由下列的方程式表示：
c·ΔT·m＝F·ΔS
其中，c为该螺杆10或该螺帽20的比热，m为其质量，F为该螺杆10或该螺帽20与滚珠50之间的摩擦力，ΔS为该螺帽20在该螺杆10的螺纹斜面上的等效位移量，ΔT为该螺杆10或该螺帽20的温度上升量。该螺杆10或该螺帽20是受到一垂直其轴向的预压力Fp作用而产生前述的摩擦力F，因此该摩擦力F可由下列的方程式表示：
F＝Fp·sinρ·μ
其中，ρ为该螺杆10的导程角，Fp·sinρ是由预压力Fp分解出的朝向螺纹斜面的正向力，μ为摩擦系数。该螺帽20沿着该螺杆10直线移动的位移量ΔSaxial与ΔS的关系可由下列的方程式表示：
ΔSaxial＝ΔS·sinρ
将上列三方程式对时间微分一次，可推导出预压力Fp与温升速率ΔT/Δt的关系如下：
ΔT/Δt＝(μ/mc)·(ΔSaxial/Δt)·Fp
即，当该螺帽20沿着该螺杆10直线移动的速度(ΔSaxial/Δt)固定时，预压力Fp是与温升速率ΔT/Δt成正比。在此步骤b进行的过程中，预压力Fp可视为定值，则温升速率ΔT/Δt亦为定值，如图4所示，在该滚珠螺杆装置40刚开始运转时(大约在0至50秒之间)，该初始温升曲线60具有一近似于直线的线性区段62，此时该螺杆10及该螺帽20的温升速率ΔT/Δt为定值，亦即该线性区段62的斜率。在该滚珠螺杆装置40运转一段时间后，由于摩擦产生的热能与空气之间的对流增加，因此该初始温升曲线60转变为非线性，最后呈现温度稳定状态。
c.使该二组件10、20相对移动，同时记录该温度传感器30所感测到的温度随时间的变化，进而得到一侦测温升曲线70。
前述步骤a及步骤b可在该滚珠螺杆装置40出厂前进行，而此步骤c及后续步骤d可在该滚珠螺杆装置40开始使用后进行，以测得该螺杆10或该螺帽20在其本身以及该些滚珠50可能已有相当程度的磨耗的情况下的温升曲线70以及预压力残存率。如图4所示，该侦测温升曲线70在该滚珠螺杆装置40刚开始运转时亦具有一近似于直线的线性区段72，此时该螺杆10及该螺帽20的温升速率ΔT/Δt为定值，亦即该线性区段72的斜率。
d.比较该初始温升曲线60与该侦测温升曲线70的差异，进而得到该二组件10、20在该步骤c进行时相对于该步骤b进行时的预压力残存率。
当该滚珠螺杆装置40的预压力Fp减少时，该螺杆10或该螺帽20与滚珠50之间的摩擦力F及其所产生的热能也会随之减少，温升速率ΔT/Δt也会随之降低。由前述的方程式可得知，温升速率ΔT/Δt是正比于(ΔSaxial/Δt)·Fp，因此，由该螺帽20沿着该螺杆10直线移动的速度(ΔSaxial/Δt)以及温升曲线60、70，可估测出该滚珠螺杆装置40在使用后残存的预压力与出厂时的预压力的比值，亦即前述的预压力残存率。
本发明提供的预压力残存率的侦测方法中，还可将该二组件10、20相对移动的速度在该步骤c及该步骤b中设定为相同的速度，即，在本实施例中，使该螺帽20沿着该螺杆10直线移动的速度(ΔSaxial/Δt)在该步骤c及该步骤b中为相等的速度，如此一来，该滚珠螺杆装置40的预压力Fp是正比于温升速率ΔT/Δt。前述的步骤b中可利用该初始温升曲线60取得一初始温升率，亦即该初始温升曲线60的线性区段62的斜率，前述步骤c中亦可利用该侦测温升曲线70取得一侦测温升率，亦即该侦测温升曲线70的线性区段72的斜率，此步骤d中的预压力残存率即为该侦测温升率与该初始温升率的比值。
换言之，只要测得该初始温升曲线60及该侦测温升曲线70，即可由其线性区段62、72的斜率计算出该滚珠螺杆装置40的预压力残存率，不需再将其他相关的物理参数代入公式计算，因此本发明的侦测方法有较佳的强健性(robustness)、侦测结果较为准确。而且，本发明可在受测物(亦即该二组件10、20)运转时进行侦测。此外，本发明利用温度传感器30进行侦测，具有成本低、使用寿命长，以及反应速度快的优点。
最后，必须再次说明，本发明于前述实施例中所揭示的构成组件，仅为举例说明，并非用来限制本发明的范围，其他等效组件的替代或变化，亦应为本发明申请的权利要求范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种预压力残存率的侦测方法，包含有下列步骤：
a.在可相对移动的二组件其中之一安装一温度传感器；
b.使该二组件相对移动，同时记录该温度传感器所感测到的温度随时间的变化，进而得到一初始温升曲线；
c.使该二组件相对移动，同时记录该温度传感器所感测到的温度随时间的变化，进而得到一侦测温升曲线；以及
d.比较该初始温升曲线与该侦测温升曲线的差异，进而得到该二组件在该步骤c进行时相对于该步骤b进行时的预压力残存率。
2.根据权利要求1所述预压力残存率的侦测方法，其中，该二组件在该步骤c中相对移动的速度与该二组件在该步骤b中相对移动的速度相等。
3.根据权利要求1所述预压力残存率的侦测方法，其中，该二组件分别为一滚珠螺杆装置的一螺杆及一螺帽，该步骤a及该步骤b是于该滚珠螺杆装置出厂前进行，该步骤c及该步骤d是于该滚珠螺杆装置开始使用后进行。
4.根据权利要求3所述预压力残存率的侦测方法，其中，该螺帽在该步骤c中沿着该螺杆直线移动的速度与该螺帽在该步骤b中沿着该螺杆直线移动的速度相等。
5.根据权利要求2或4所述预压力残存率的侦测方法，其中，该步骤b中利用该初始温升曲线取得一初始温升率，该步骤c中利用该侦测温升曲线取得一侦测温升率，该步骤d中的预压力残存率为该侦测温升率与该初始温升率的比值。
6.根据权利要求5所述预压力残存率的侦测方法，其中，该初始温升曲线及该侦测温升曲线分别具有一近似于直线的线性区段，该初始温升率及该侦测温升率分别为该初始温升曲线及该侦测温升曲线的线性区段的斜率。
7.根据权利要求3所述预压力残存率的侦测方法，其中，该螺帽具有一外周面，以及一自该外周面朝该螺杆的方向凹陷的安装孔，该温度传感器设于该安装孔内。
8.根据权利要求3所述预压力残存率的侦测方法，其中，该螺帽具有一端面，以及一自该端面邻近该螺杆之处凹陷的安装孔，该温度传感器设于该安装孔内。
9.根据权利要求1所述预压力残存率的侦测方法，其中，设有该温度传感器的该组件具有一安装孔，该温度传感器设于该安装孔内。
10.根据权利要求1所述预压力残存率的侦测方法，其中，该温度传感器为一热电耦。
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