CN110082099A - 滚珠传动组件预压力诊断方法 - Google Patents

滚珠传动组件预压力诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种滚珠传动组件预压力诊断方法，包含以下步骤：当滚珠传动组件作动时，设置于滚珠传动组件的振动感测单元产生振动信号；通过对振动信号的多个信号部分，分别进行时频分析来产生对应的多个测试样本，其中每一个测试样本包括多个相关于滚珠传动组件的球通频率的频域特征；计算所述测试样本与预先准备的多个参考样本的相似度，其中每一个参考样本包括对应具有预压力的其他滚珠传动组件的所述频域特征；当该相似度大于预定的门坎值时，判定滚珠传动组件具有预压力，否则判定滚珠传动组件已无预压力。

Description

滚珠传动组件预压力诊断方法
技术领域
本发明涉及一种诊断传动组件预压力的方法，特别是涉及一种用于诊断通过滚珠来进行传动的传动组件的预压力的方法。
背景技术
滚珠螺杆因具有定位精度高、使用寿命长的优点，所以近来已广泛地运用于需要精密定位的工具机中。一般来说，滚珠螺杆是由螺帽通过可滚动的滚珠与螺杆螺合而成，并通过螺帽中滚珠的滚动来使得螺帽相对于螺杆直线移动。
然而，滚珠螺杆在被使用一段时间后会逐渐产生背隙；相对地，滚珠螺杆的预压力逐渐减少。若背隙过大而使得滚珠螺杆不具有预压力，螺帽在往返的移动过程中容易产生前后振动的现象；这会加速折损滚珠螺杆的使用寿命，也会导致滚珠螺杆的定位精准度降低，所以如何自动诊断滚珠螺杆是否仍有预压力乃是一项重要的课题。
例如，中国台湾专利公告号I482919公开一种滚珠螺杆预压力侦测的方法，其通过获得滚珠螺杆运作时的振动信号，并根据该振动信号估计出滚珠螺杆的实际球通频率阶次，然后通过比较所估计出的实际球通频率阶次与滚珠螺杆的理论球通频率阶次的差异来判断滚珠螺杆是否仍具有预压力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滚珠传动组件预压力诊断方法。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法由诊断系统实施，该诊断系统包含计算单元与振动感测单元，该振动感测单元设置于该滚珠传动组件上，该滚珠传动组件预压力诊断方法包含步骤(a)、步骤(b)、步骤(c)、步骤(d)与步骤(e)。
该步骤(a)是当该滚珠传动组件作动时，该振动感测单元产生振动信号。
该步骤(b)是该计算单元通过对该振动信号的多个信号部分，分别进行时频分析来产生对应的多个测试样本，其中每一个测试样本包括多个相关于该滚珠传动组件的球通频率的频域特征。
该步骤(c)是该计算单元计算所述测试样本与预先准备的多个参考样本的相似度，其中每一个参考样本包括对应具有预压力的其他滚珠传动组件的所述频域特征。
该步骤(d)是当该计算单元判断出该相似度大于门坎值时，该计算单元判定该滚珠传动组件具有预压力。
该步骤(e)是当该计算单元判断出该相似度不大于该门坎值时，该计算单元判定该滚珠传动组件已无预压力。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在该步骤(b)，对于每一个信号部分，该计算单元先利用带通滤波器对该信号部分进行滤波后再对经滤波的该信号部分进行时频分析，该带通滤波器的中心频率为该滚珠传动组件的理论球通频率。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在该步骤(b)，每一个信号部分均撷取自该振动信号的对应该滚珠传动组件于等速作动的部分。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在该步骤(b)，所述频域特征包含实际球通频率阶次、该实际球通频率阶次对应的球通振动信号振幅、对应该实际球通频率阶次的球通振动变异数，及球通频率阶次分散度的其中至少二者。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在步骤(c)，所述参考样本已经被预先划分成多个参考样本群，且对于每一个参考样本群，该计算单元计算所述测试样本与该参考样本群的第二相似度，并根据所述第二相似度计算出该第一相似度。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在步骤(c)，该计算单元根据所述测试样本估计出所述测试样本的第一机率分布，且对于每一个参考样本群，根据该参考样本群估计出该参考样本群的第二机率分布，并计算该第一机率分布与该第二机率分布的相似度作为所述测试样本与该参考样本群的该第二相似度。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在步骤(c)，所述参考样本已经被预先划分成至少一个参考样本群，对于每一个测试样本，该计算单元计算该测试样本与每一个参考样本群的距离，并根据所述距离计算出所述测试样本与所述参考样本的相似度。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在步骤(c)，该测试样本与该参考样本群的距离为该测试样本与该参考样本群的群中心的距离。
本发明的滚珠传动组件预压力诊断方法，在步骤(c)，该测试样本与该参考样本群的距离为该测试样本与该参考样本群中的每一个参考样本的距离中的最小者。
本发明的有益效果在于：能自动判断该滚珠螺杆是否具有预压力。
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是一个示意图，说明将一个振动感测单元设置于一个滚珠螺杆的螺帽上；
图2是一个流程图，说明本发明滚珠传动组件预压力诊断方法所包含的步骤；
图3是一个示意图，示意该振动感测单元所产生的一个振动信号；
图4是一个示意图，示意一个阶次谱对应的各个频率阶次与其对应的频率振幅方均根；及
图5是一个示意图，说明将多个参考样本划分成三个参考样本群。
具体实施方式
参阅图1，本发明滚珠传动组件预压力诊断方法由一个诊断系统实施，该诊断系统包含一个计算单元7与一个电连接该计算单元7的振动感测单元1。较佳地，该滚珠传动组件为一个滚珠螺杆2并设置于一个工具机8，该振动感测单元1为一个加速度计并设置于该滚珠螺杆2的螺帽21上，且该计算单元7为一个计算机装置。
参阅图2，以下详述本发明滚珠传动组件预压力诊断方法所包含的步骤。
在步骤31，当该滚珠螺杆2作动时，该振动感测单元1产生一个振动信号。
一并参阅图1与图3，当该滚珠螺杆2作动时，该滚珠螺杆2的螺帽21在其螺杆22的一个第一端221与一个第二端222间往返移动。在从该第一端221往该第二端222移动的初期，该螺帽21以一个第一加速度往该第二端222移动，所以此期间对应了该振动信号9的一个具有较高振幅的信号部分S11；接着在移动的中期，该螺帽21等速度往该第二端222移动，所以此期间对应了该振动信号9的一个具有较低振幅的信号部分S12；接着在移动的末期，该螺帽21以一个方向相反于该第一加速度的第二加速度往该第二端222移动，所以此期间对应了该振动信号9的一个具有较大振幅且方向相反于信号部分S11的信号部分S13。
类似地，在从该第二端222往该第一端221移动的初期、中期与末期，该螺帽21分别以该第二加速度、等速度与该第一加速度移动，所以所述期间分别对应该振动信号9的具有较高振幅的信号部分S21、具有较低振幅的信号部分S22与具有较高振幅的信号部分S23。
接着在步骤32，该计算单元7撷取该振动信号9的多个对应该螺帽21的等速度移动的信号部分。例如，参阅图3，可通过侦测出信号部分S11对应的峰点P11与信号部分S13对应的谷点P12，来定义出位于峰点P11与谷点P12间的对应该螺帽21的等速度移动的信号部分S12；类似地，可通过侦测出信号部分S21对应的谷点P21与信号部分S23对应的峰点P22，来定义出位于谷点P21与峰点P22间的信号部分S22。
接着在步骤33，对于在该步骤32所撷取的每一个信号部分，该计算单元7利用一个带通滤波器(band pass filter)对该信号部分进行滤波，其中该带通滤波器的中心频率为该滚珠螺杆2的理论球通频率(theoretical ball passing frequency)。
接着在步骤34，对于经上述滤波的每一个信号部分，该计算单元7通过对该信号部分进行时频分析(time-frequency analysis)来产生一个对应的测试样本，其中该测试样本包括多个通过该时频分析所产生并相关于该滚珠螺杆2的球通频率(ball passingfrequency)的频域特征，其中，参阅图1，该球通频率为单位时间内该滚珠螺杆2的回流管23(return tube)的某一位置所通过的滚珠24的数量；较佳地，所述频域特征包含对应该信号部分的实际球通频率阶次、该实际球通频率阶次对应的球通振动信号振幅、对应该实际球通频率阶次的球通振动变异数，及球通频率阶次分散度的其中至少二者。
详细来说，对于一个对应该螺帽21的等速度移动的信号部分来说，令矩阵[Xti]∈Rm×n为对该信号部分进行时频分析后所获得的频谱(spectrogram)，其中t表时间，i表频率，且Xti为在时间t时频率i的振幅；该频谱对应的阶次谱为[Xtj]∈Rm×n，其中j＝i/ω表示频率阶次，且ω为该滚珠螺杆2的转速(转/秒)。
参阅图4，对于每一个频率阶次j，计算出其所对应的所有频率振幅，也就是{Xtj|t＝1,2,…,m}，的方均根(root mean square,且令则h为所估计出来的该实际球通频率阶次，rh为该球通振动信号振幅，且{Xth|t＝1,2,…,m}的变异数(variance)为该球通振动变异数。
此外，令且则该球通频率阶次分散度为
接着在步骤35，该计算单元7计算所述测试样本与预先准备的多个参考样本的相似度，其中该参考样本与该测试样本具有相同的频域特征；例如，每一个测试样本与每一个参考样本皆由该实际球通频率阶次与该球通振动信号振幅所组成。
接着在步骤36，该计算单元7判断是否所述测试样本与预先准备的多个参考样本的相似度大于一个预定的门坎值；当判断结果为肯定的，则判定该滚珠螺杆2具有预压力(步骤37)；而当判断结果为否定的，则判定该滚珠螺杆2已无预压力(步骤38)。
要特别说明的是，所述参考样本的产生方式类似所述测试样本的产生方式，其中的差异仅在于：所述参考样本是针对具有预压力的其他滚珠螺杆，例如刚出厂/全新的滚珠螺杆，进行前述步骤31～34所产生的样本。虽然需要预先准备所述参考样本，但预先准备的工作仅需执行一次；有了所述参考样本后，即可利用所述参考样本来诊断任何已经被使用一段时间的滚珠螺杆是否仍具有预压力。
关于计算所述测试样本与所述参考样本的相似度，在一个实施方式中，可根据所述测试样本估计出所述测试样本的一个第一机率分布，并根据所述参考样本估计出所述参考样本的一个第二机率分布，然后计算该第一机率分布与该第二机率分布的相似度作为所述测试样本与所述参考样本的相似度。例如，该第一机率分布与该第二机率分布均为常态分布(Normal distribution)，且计算该第一机率分布与该第二机率分布的巴氏距离(Bhattacharyya distance)，若该巴氏距离愈小，则该第一机率分布与该第二机率分布的相似度愈高，所述测试样本与所述参考样本的相似度也愈高，也就是说，可将该巴氏距离的相反数作为所述测试样本与所述参考样本的相似度。也可将该巴氏距离的倒数或者其他参数作为所述测试样本与所述参考样本的相似度。
参阅图5，在另一个实施方式中，可利用k-均值(k-means)分群法、模糊C均值(fuzzy C-means,FCM)分群法或其他现有的分群法，将所述参考样本4预先划分成多个参考样本群5，然后计算所述测试样本6与每一个参考样本群5的巴氏距离(指第二相似度)，并将所述巴氏距离的平均值的相反数作为所述测试样本6与所述参考样本4的相似度(指第一相似度)。另外,所述参考样本群5的数量也可以为一个，并不以此为限。
或者，计算每一个测试样本6与每一个参考样本群5的距离，并将所述距离的平均值的相反数作为所述测试样本6与所述参考样本4的相似度。其中，该测试样本6与该参考样本群5的距离可为该测试样本6与该参考样本群5的群中心(mean)的欧几里德距离(Euclidean distance)，或是该测试样本6与该参考样本群5中的每一个参考样本4的欧几里德距离中的最小者。
综上所述，本发明滚珠传动组件预压力诊断方法，通过利用该振动感测单元感测该滚珠传动组件的振动而产生该振动信号，并对该振动信号的对应该滚珠传动组件的等速作动的所述信号部分进行特征撷取而产生所述具有多个相关于该滚珠传动组件的球通频率的频域特征的测试样本，且计算所述测试样本与所述预先准备的参考样本的相似度，能据以判断该滚珠传动组件是否具有预压力，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 (9)

1.一种滚珠传动组件预压力诊断方法，由诊断系统实施，该诊断系统包含计算单元与振动感测单元，该振动感测单元设置于该滚珠传动组件上，其特征在于：该滚珠传动组件预压力诊断方法包含以下步骤：
(a)当该滚珠传动组件作动时，该振动感测单元产生振动信号；
(b)该计算单元通过对该振动信号的多个信号部分，分别进行时频分析来产生对应的多个测试样本，其中每一个测试样本包括多个相关于该滚珠传动组件的球通频率的频域特征；
(c)该计算单元计算所述测试样本与预先准备的多个参考样本的第一相似度，其中每一个参考样本包括对应具有预压力的其他滚珠传动组件的所述频域特征；
(d)当该计算单元判断出该第一相似度大于门坎值时，该计算单元判定该滚珠传动组件具有预压力；及
(e)当该计算单元判断出该第一相似度不大于该门坎值时，该计算单元判定该滚珠传动组件已无预压力。
2.根据权利要求1所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在该步骤(b)，对于每一个信号部分，该计算单元先利用带通滤波器对该信号部分进行滤波后再对经滤波的该信号部分进行时频分析，其中该带通滤波器的中心频率为该滚珠传动组件的理论球通频率。
3.根据权利要求1所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在该步骤(b)，每一个信号部分均撷取自该振动信号的对应该滚珠传动组件于等速作动的部分。
4.根据权利要求1所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在该步骤(b)，所述频域特征包含实际球通频率阶次、该实际球通频率阶次对应的球通振动信号振幅、对应该实际球通频率阶次的球通振动变异数，及球通频率阶次分散度的其中至少二者。
5.根据权利要求1所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在步骤(c)，所述参考样本已经被预先划分成多个参考样本群，且对于每一个参考样本群，该计算单元计算所述测试样本与该参考样本群的第二相似度，并根据所述第二相似度计算出该第一相似度。
6.根据权利要求5所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在步骤(c)，该计算单元根据所述测试样本估计出所述测试样本的第一机率分布，且对于每一个参考样本群，根据该参考样本群估计出该参考样本群的第二机率分布，并计算该第一机率分布与该第二机率分布的相似度作为所述测试样本与该参考样本群的该第二相似度。
7.根据权利要求1所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在步骤(c)，所述参考样本已经被预先划分成至少一个参考样本群，对于每一个测试样本，该计算单元计算该测试样本与每一个参考样本群的距离，并根据所述距离计算出所述测试样本与所述参考样本的相似度。
8.根据权利要求7所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在步骤(c)，该测试样本与该参考样本群的距离为该测试样本与该参考样本群的群中心的距离。
9.根据权利要求7所述的滚珠传动组件预压力诊断方法，其特征在于：在步骤(c)，该测试样本与该参考样本群的距离为该测试样本与该参考样本群中的每一个参考样本的距离中的最小者。
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