CN108318158B - 侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，工具机包含线性滑轨及设置于线性滑轨上的工作载台，工作载台上设置有多个振动传感器，该方法包含以下步骤：每一个振动传感器在第一时点产生一个第一振动信号；根据至少一个相关于工作载台的理论模态振型与所述第一振动信号计算出至少一个相关于工作载台的第一自然频率；每一个振动传感器在第二时点产生一个第二振动信号；根据至少一个理论模态振型与所述第二振动信号计算出至少一个相关于工作载台的第二自然频率；及根据该至少一个第一自然频率与该至少一个第二自然频率判断线性滑轨的预压值变化。借此，可以不需从工具机上拆卸线性滑轨即可有效地侦测出线性滑轨的预压值的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种侦测线性滑轨预压值变化的方法，特别是涉及一种侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法。
背景技术
工具机的线性滑轨在出厂时即对应有一个预压值，一般来说，线性滑轨的预压值会随着线性滑轨的使用损耗而渐渐变小；而当预压值下降到不符使用需求时，则需汰换线性滑轨。
目前来说，若要量测线性滑轨的预压值，需先将线性滑轨从工具机上拆卸下来，再利用量测工具测得预压值的大小；因此，若要通过实际量测线性滑轨的预压值来观察其变化，需一再地在工具机上装卸线性滑轨，相当地不便与耗时。
发明内容
本发明之目的在于提供一种不需从工具机上拆卸线性滑轨即可实施的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法。
本发明的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法由多个振动传感器及一个计算模块实施。该工具机包含至少一个线性滑轨及一个设置于该至少一个线性滑轨上的工作载台，所述振动传感器设置于该工作载台。该侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法包含一个步骤(a)、一个步骤(b)、一个步骤(c)、一个步骤(d)，及一个步骤(e)。
该步骤(a)是每一个振动传感器在一个第一时点感测该工作载台的振动而产生一个对应该第一时点的第一振动信号。
该步骤(b)是该计算模块根据至少一个相关于该工作载台的理论模态振型与所述第一振动信号计算出至少一个相关于该工作载台的第一自然频率。
该步骤(c)是每一个振动传感器在一个第二时点感测该工作载台的振动而产生一个对应该第二时点的第二振动信号。
该步骤(d)是该计算模块根据该至少一个理论模态振型与所述第二振动信号计算出至少一个相关于该工作载台的第二自然频率。
该步骤(e)是该计算模块根据该至少一个第一自然频率与该至少一个第二自然频率判断该至少一个线性滑轨的预压值变化。
本发明的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，在该步骤(b)，该计算模块利用一个操作模态分析法根据所述第一振动信号计算出相关于该工作载台的多个自然频率与多个分别对应所述自然频率的操作模态振型，并根据每一个操作模态振型与每一个理论模态振型的相似程度从所述自然频率中选出该至少一个第一自然频率，且在该步骤(d)，该计算模块利用该操作模态分析法根据所述第二振动信号计算出相关于该工作载台的多个自然频率与多个分别对应所述自然频率的操作模态振型，并根据每一个操作模态振型与每一个理论模态振型的相似程度从所述自然频率中选出该至少一个第二自然频率。
本发明的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，在该步骤(b)，该计算模块从所述自然频率中选出一个第一自然频率，该第一自然频率所对应的操作模态振型所对应的相似程度为所述相似程度中的最大者，且在该步骤(d)，该计算模块从所述自然频率中选出一个第二自然频率，该第二自然频率所对应的操作模态振型所对应的相似程度为所述相似程度中的最大者。
本发明的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，在该步骤(b)与该步骤(d)，该操作模态振型与该理论模态振型的相似程度对应该操作模态振型与该理论模态振型的一个模态确认指标值。
本发明的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，在该步骤(e)，当该第二自然频率小于该第一自然频率时，该计算模块判定该至少一个线性滑轨的预压值变小。
本发明的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，在该步骤(b)，该计算模块计算出一个第一自然频率，在该步骤(d)，该计算模块计算出一个第二自然频率，且在该步骤(e)，当该第二自然频率小于该第一自然频率时，该计算模块判定该线性滑轨的预压值变小。
本发明的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，在该步骤(e)，该至少一个线性滑轨的预压值的下降比率为由该第一自然频率下降至该第二自然频率的下降比率。
本发明的有益效果在于：不需从工具机上拆卸线性滑轨即可有效地侦测出线性滑轨的预压值的变化。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是一个俯视示意图，说明一个工具机与将多个振动传感器设置于该工具机的一个工作载台的态样；
图2是一个流程图，说明本发明侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法的一个实施方式；及
图3是一个示意图，说明利用奇异值σ2(k)的倒数的曲线求取相关于该工作载台的自然频率。
具体实施方式
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。
参阅图1，本发明侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法由多个振动传感器1及一个电连接所述振动传感器1的计算模块(图未示)实施。
该工具机2为一个现有的工具机，并包含一个马达21与一个进给单元22。该进给单元22包括一个连接该马达21的螺杆221、多个枢接该螺杆221的轴承222、二个线性滑轨223，及一个设置于所述线性滑轨223上的工作载台224，且该二个线性滑轨223均具有相同的一个初始预压值。
所述振动传感器1设置于该工作载台224，并用于感测该工作载台224的振动；在此以三个振动传感器来说明，但并不限于此，振动传感器的个数只要是复数即可。该计算模块包含一个具有一般计算功能的计算机。
参阅图2，以下详述本发明侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法的一个实施方式。
首先，在步骤31，该马达21在一个第一时点激振(excite)该进给单元22而使该工作载台224振动；每一个振动传感器1感测该工作载台224的振动而产生一个对应该第一时点的第一振动信号。虽然在此是利用该工具机2本身所具有的该马达21来激振该进给单元22，但可不限于此；在另一个实施方式中，也可利用一个外部的激振器(vibrationexciter)来激振该进给单元22而使该工作载台224振动。
接着，在步骤32，该计算模块利用一个现有的操作模态分析法(operationalmodal analysis,OMA)根据所述第一振动信号计算出相关于该工作载台224的多个自然频率(natural frequency)与多个分别对应所述自然频率的操作模态振型(operationalmode shape)。该操作模态分析法为本发明所属技术领域的具有通常知识者所熟悉，然而，为了便于说明本发明的技术内容，以下简述之。
令所述振动传感器1所感测到的所述第一振动信号所分别对应的频域信号为X1(k)、X2(k)，及X3(k)，其中k表示频率。接着，根据所述频域信号产生对应该工作载台224的多个位移传递率T12(k)、T13(k)、T23(k)(displacement transmissibility)，其中
且函数G为功率频谱密度函数(power spectrum density function)。接着，对于每一个频率k，针对矩阵[T(k)]＝[T12(k),T13(k),T23(k),1]T进行奇异值分解(singular valuedecomposition)，即[T(k)]＝[U(k)][Σ(k)][V(k)]T，其中奇异值矩阵
且σ1(k)≥σ2(k)≥…≥σn(k)。
对于每一个频率k，均可计算出一个对应的奇异值σ2(k)，而所有σ2(k)的倒数，也就是所有的1/σ2(k)，所形成的曲线中的每一个峰值所对应的频率即为一个自然频率，而该自然频率所对应的操作模态振型也就是该自然频率对应的奇异值在奇异值分解过程中所对应的特征向量(eigenvector)。例如，参阅图3，其中的频率k1、频率k2，及频率k3均为自然频率；而σ2(k1)、σ2(k2)、σ2(k3)所分别对应的特征向量也就是频率k1、频率k2，及频率k3所分别对应的操作模态振型。
接着，在步骤33，该计算模块根据预先通过现有的有限元素法(finite elementmethod,FEM)分析出来的最符合该工作载台224的振动方式的一个理论模态振型，与每一个操作模态振型的相似程度从所述自然频率中选出一个第一自然频率，其中选出与该理论模态振型有最大相似程度的操作模态振型所对应的自然频率做为该第一自然频率。
在此是利用现有的模态确认指标(modal assurance criterion,MAC)来计算该理论模态振型与该操作模态振型之间的相似程度。模态向量
与模态向量
的模态确认指标值的计算方式为
其中模态确认指标值愈高代表
与
的正交性愈低，相似程度也就愈高。若向量
表示该理论模态振型，向量
表示步骤32所计算出的所述操作模态振型，则在此是计算
并以具有最大MAC值的操作模态振型所对应的自然频率为该所选出的第一自然频率。
接着，在步骤34，该马达21在一个晚于该第一时点的第二时点激振该进给单元22而使该工作载台224振动；每一个振动传感器1在该第二时点感测该工作载台224的振动而产生一个对应该第二时点的第二振动信号。
接着，在步骤35，类似于针对所述第一振动信号的处理，该计算模块利用该操作模态分析法根据所述第二振动信号计算出相关于该工作载台224的多个自然频率与多个分别对应所述自然频率的操作模态振型。
接着，在步骤36，该计算模块根据步骤33所述的该理论模态振型，与步骤35所述的每一个操作模态振型的相似程度从所述自然频率中选出一个第二自然频率，其中选出与该理论模态振型有最大相似程度的操作模态振型所对应的自然频率做为该第二自然频率。在此也是利用该模态确认指标来计算该理论模态振型与该操作模态振型之间的相似程度。
接着，在步骤37，该计算模块根据该第一自然频率与该第二自然频率判断所述线性滑轨223的预压值变化。当该第二自然频率小于该第一自然频率时，该计算模块判定所述线性滑轨223的预压值变小，且判定所述线性滑轨223的预压值的下降比率为由该第一自然频率下降至该第二自然频率的下降比率。
由上述可知，若该第一时点为所述线性滑轨223在安装至该工具机2后开始运作的时点，且该第二时点为所述线性滑轨223运作一段时间后的时点，则所述线性滑轨223在该第一时点对应的预压值为所述线性滑轨223在出厂时即具有的该初始预压值，通过上述自然频率的变化估计出所述线性滑轨223的预压值的下降比率后，能在不将所述线性滑轨223从该工具机2上拆卸下来的情况下，进一步根据该初始预压值与该下降比率估计出所述线性滑轨223在该第二时点的预压值。
虽然上述实施方式仅利用到单一个理论模态振型，但可不限于此。在另一个实施方式中，可预先利用该有限元素法分析出多个相关于该工作载台224的理论模态振型，然后计算根据所述第一振动信号所分析出的每一个操作模态振型与每一个理论模态振型的模态确认指标值，并选出具有最大模态确认指标值的操作模态振型所对应的自然频率做为该第一自然频率；并计算根据所述第二振动信号所分析出的每一个操作模态振型与每一个理论模态振型的模态确认指标值，且选出具有最大模态确认指标值的操作模态振型所对应的自然频率做为该第二自然频率。
也就是说，若向量
表示所述理论模态振型，向量
表示根据所述第一振动信号所分析出的所述操作模态振型，则计算
并以具有最大MAC值的操作模态振型所对应的自然频率做为该第一自然频率；而求取该第二自然频率的方式类似前述求取该第一自然频率的方式，所以不再赘述。
在另一个实施方式中，也可利用根据有限元素法所分析出来的多个相关于该工作载台224的理论模态振型与根据所述第一振动信号所计算出来的多个操作模态振型来获得对应该第一时点的多个第一自然频率；并利用所述理论模态振型与根据所述第二振动信号所计算出来的多个操作模态振型来获得对应该第二时点的多个第二自然频率；然后，根据所述第一自然频率与所述第二自然频率来预测所述线性滑轨223的预压值的下降比率。
举例来说，可从根据所述第一振动信号所计算出的所述操作模态振型中选出分别具有最大模态确认指标值与次大模态确认指标值的两个操作模态振型，并以该两个操作模态振型所对应的自然频率做为两个第一自然频率，在此以向量
与
分别表示该两个第一自然频率所对应的操作模态振型，其中
对应的自然频率小于
对应的自然频率。
类似地，令向量
与
分别表示根据所述第二振动信号所获得的两个第二自然频率所对应的操作模态振型，其中
对应的自然频率小于
对应的自然频率。然后，将
输入一个预先训练好的预测模型，例如类神经网络或线性回归模型，来预测所述线性滑轨223的预压值的下降比率。
综上所述，本发明侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，根据至少一个理论模态振型与所述第一振动信号分析出对应该第一时点的相关于该工作载台的至少一个第一自然频率；并根据该至少一个理论模态振型与所述第二振动信号分析出对应该第二时点的相关于该工作载台的至少一个第二自然频率，且根据该至少一个第一自然频率与该至少一个第二自然频率来估计/预测所述线性滑轨的预压值的下降比率，能在不将所述线性滑轨从该工具机拆卸下来的情况下，判断出所述线性滑轨的预压值变化，所以确实能达成本发明的目的。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。
Claims (6)
1.一种侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，由多个振动传感器及一个计算模块实施，该工具机包含至少一个线性滑轨及一个设置于该至少一个线性滑轨上的工作载台，所述振动传感器设置于该工作载台，其特征在于：该侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法包含以下步骤：
(a)每一个振动传感器在一个第一时点感测该工作载台的振动而产生一个对应该第一时点的第一振动信号；
(b)该计算模块根据至少一个相关于该工作载台的理论模态振型与所述第一振动信号计算出相关于该工作载台的至少一个第一自然频率，该计算模块利用一个操作模态分析法根据所述第一振动信号计算出相关于该工作载台的多个自然频率与多个分别对应所述自然频率的操作模态振型，并根据每一个操作模态振型与每一个理论模态振型的相似程度从所述自然频率中选出该至少一个第一自然频率；
(c)每一个振动传感器在一个第二时点感测该工作载台的振动而产生一个对应该第二时点的第二振动信号；
(d)该计算模块根据该至少一个理论模态振型与所述第二振动信号计算出相关于该工作载台的至少一个第二自然频率，该计算模块利用该操作模态分析法根据所述第二振动信号计算出相关于该工作载台的多个自然频率与多个分别对应所述自然频率的操作模态振型，并根据每一个操作模态振型与每一个理论模态振型的相似程度从所述自然频率中选出该至少一个第二自然频率；及
(e)该计算模块根据该至少一个第一自然频率与该至少一个第二自然频率判断该至少一个线性滑轨的预压值变化。
2.根据权利要求1所述的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，其特征在于：在该步骤(b)，该计算模块从所述自然频率中选出一个第一自然频率，其中该第一自然频率所对应的操作模态振型所对应的相似程度为所述相似程度中的最大者，且在该步骤(d)，该计算模块从所述自然频率中选出一个第二自然频率，其中该第二自然频率所对应的操作模态振型所对应的相似程度为所述相似程度中的最大者。
3.根据权利要求2所述的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，其特征在于：在该步骤(b)与该步骤(d)，该操作模态振型与该理论模态振型的相似程度对应该操作模态振型与该理论模态振型的一个模态确认指标值。
4.根据权利要求2所述的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，其特征在于：在该步骤(e)，当该第二自然频率小于该第一自然频率时，该计算模块判定该至少一个线性滑轨的预压值变小。
5.根据权利要求1所述的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，其特征在于：在该步骤(b)，该计算模块计算出一个第一自然频率，在该步骤(d)，该计算模块计算出一个第二自然频率，且在该步骤(e)，当该第二自然频率小于该第一自然频率时，该计算模块判定该线性滑轨的预压值变小。
6.根据权利要求4或5所述的侦测工具机的线性滑轨预压值变化的方法，其特征在于：在该步骤(e)，该至少一个线性滑轨的预压值的下降比率为由该第一自然频率下降至该第二自然频率的下降比率。
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