CN113586692A - 传动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传动装置及其控制方法。传动装置包括驱动部以及控制部。驱动部包括马达、耦接马达的螺杆、耦接螺杆的螺帽。螺杆在轴向上进行转动，螺帽被螺杆驱动且沿着螺杆的轴向移动。控制部接收马达的多个物理量信号，计算驱动部的整体摩擦力，根据整体摩擦力计算出包含螺杆与螺帽间的摩擦力的摩擦信息，计算整体摩擦力与摩擦信息之间的差量信息，并在差量信息超过容许范围时，发出警示讯号。

Description

传动装置及其控制方法

技术领域

本发明是有关于一种传动装置及控制方法，且特别是有关于一种进给系统的传动装置及其控制方法。

背景技术

在作为传动装置的进给驱动系统(feed drive system)中，滚珠螺杆为一种可将马达的旋转运动转换成一直线运动的元件。

当马达转动时，联轴器(coupling)以及螺杆(ballscrew)均会旋转，而螺帽(nut)则会沿螺杆轴的延伸方向移动。由于螺帽与平台(table)相连接，因此当螺帽被螺杆带动时，平台也会随之移动。由于马达的转动到平台的移动，中间透过了许多传动元件的带动，只要元件之间相接之处有松动，即会产生背隙(backlash)效应，并造成平台定位不准确。

为了改善上述情况，在习知技术中会使螺杆与螺帽之间的滚珠的尺寸增大以减少背隙效应的产生，但同时也增加了滚珠的压力，并同时增加了滚珠与螺杆以及滚珠与螺帽之间的摩擦力。

为了量测螺杆与螺帽之间的摩擦力，需要将进给系统的螺帽与平台松开，以及另外准备拉力计量测，在操作上十分不方便。

发明内容

本发明提供一种进给系统的传动装置，可实时侦测元件间的摩擦力。

本发明的传动装置包括驱动部以及控制部。驱动部包括马达、第一元件以及第二元件。第一元件耦接马达，用以在一轴向上进行转动。第二元件耦接第一元件，根据第一元件的转动以在轴向上移动。控制部耦接马达，用以：接收马达的多个物理量信号，根据物理量信号计算出反应驱动部的整体摩擦力的第一摩擦信息，根据第一摩擦信息计算出第二摩擦信息；以及计算第二摩擦信息与基准摩擦信息两者之间的差量信息，并在差量信息超过容许范围时，发出警示讯号。第二摩擦信息包含该第一元件与该第二元件间的摩擦力。

本发明亦提供一种传动装置的控制方法。控制方法包括：在驱动部中提供马达，使马达驱动第一元件以在轴向上进行转动；使第二元件根据第一元件的转动以在轴向上移动；接收马达的多个物理量信号，根据物理量信号计算出反应驱动部的整体摩擦力的第一摩擦信息，根据第一摩擦信息计算出第二摩擦信息，其中第二摩擦信息包含第一元件与第二元件间的摩擦力；以及计算第二摩擦信息与基准摩擦信息两者之间的差量信息，并在差量信息超过容许范围时，发出警示讯号。

基于上述，本发明实施例的传动装置利用马达的多个物理量信号来计算出驱动部的整体摩擦力以及各元件间摩擦力。并透过判断元件间摩擦力与基准摩擦信息两者之间的误差，来决定是否发出警示讯号。本发明实施例的传动装置可以实现在不使用拉力计、不拆装机械元件以及不加装传感器的情况下，得知其中的各元件间摩擦力，提升传动装置的工作效能。

附图说明

图1绘示本发明一实施例的传动装置100的示意图。

图2绘示本发明另一实施例的传动装置200的示意图。

图3A绘示本发明实施例中，传动装置上的马达的物理量信息的波形图。

图3B则绘示图3A的局部放大图。

图4绘示本发明一实施例的传动装置的螺杆以及螺帽的预压力的检测方法的流程图。

图5绘示本发明一实施例的传动装置的控制方法的流程图。

符号说明：

100、200：传动装置

110、210：驱动部

111、211：马达

120、220：控制部

121：第一元件

12N：第N元件

221：分析分部

221：螺杆

222：计算分部

222：螺帽

223：记忆分部

223-1、223-2：轴承

224：线轨

226联轴器

310～330、310-1～310-3：波形

A：位置换向时间点

B：摩擦力饱和点

K：斜率变化点

PI1、PI2：物理量信号

S1、S2：斜率

S410～S480：检测步骤

S510～S540：控制步骤

t1、t2：时间区间

Z1：区域

具体实施方式

请参照图1，图1绘示本发明一实施例的传动装置的示意图。在图1中，传动装置100包括驱动部110以及控制部120。驱动部110包括马达111以及第一元件121至第N元件12N，其中，第一元件121至第N元件12N相互耦接。马达111耦接至第一元件121，并耦接至控制部120。其中，马达111用以驱动第一元件121，以使第一元件121在一轴向上进行转动，并使耦接至第一元件121的第二元件122根据第一元件121的转动以在轴向上移动。

控制部120用以接收马达111的多个物理量信号PI1、PI2，并根据物理量信号PI1、PI2计算出反应驱动部110的整体摩擦力的第一摩擦信息，再根据第一摩擦信息计算出第二摩擦信息，其中，第二摩擦信息包含第一元件121与第二元件122间的摩擦力。控制部120更计算第二摩擦信息与预设的一基准摩擦信息两者之间的一差量信息，并在使差量信息与一容许范围进行比较，以在当差量信息超出上述的容许范围时，发出一警示讯号。

在此，基准摩擦信息可以为驱动部110在理想的状态下，第一元件121与第二元件122间的摩擦信息。容许范围则可以由工程人员根据传动装置100的工作状态来进行设定。警示讯号可以为声音讯号、影像讯号以及震动讯号的其中之一或其中之多个的组合，没有特定的限制。

在本实施例中，物理量信号PI1包括马达111的电流、扭矩以及扭力的至少其中之一，物理量信号PI2则包括马达111的位置、速度以及角度的至少其中之一。值得一提的，马达111的电流、扭矩以及扭力为可交互算而得的信息，马达111的位置、速度以及角度同样为可交互算而得的信息。也就是说，控制部120可根据马达111的电流、扭矩以及扭力的其中之任一，计算出马达111的电流、扭矩以及扭力的其中之另二。控制部120可根据马达111的位置、速度以及角度的其中之任一，计算出马达111的位置、速度以及角度的其中之另二。

请参照图2，图2绘示本发明另一实施例的传动装置的示意图。在图2中，传动装置200包括驱动部210以及控制部220。驱动部210包括马达211、螺杆221、螺帽222、轴承223-1、223-2、线轨224以及联轴器226。其中，螺杆221、螺帽222、轴承223-1、223-2以及线轨224可分别对应图1实施例的第一元件121至第N元件12N。在本发明实施例中，第一元件可为螺杆221。一般而言，螺帽222与平台(未绘示)连接，因此在本发明实施例的描述中，将以螺帽222表示螺帽222与平台，并对应于第二元件。第三元件可为轴承223-1、223-2，用以设定螺杆221(第一元件)的位置。第四元件可为线轨224，与螺帽222(第二元件)接触，用以导引螺帽222在轴向上移动。

在动作细节上，控制部220可得知马达211的旋转角度讯号θ、马达211的电流讯号i、马达211的扭矩讯号τ、马达电流常数常数κ。其中，讯号θ可由马达211上的编码器来量测，讯号i可由马达211的驱动器中获得，讯号i可以为一数位数值。而讯号i与讯号τ之间，满足方程式τ＝κi。

控制部220可针对讯号θ进行两次微分获得马达211的加速度(为讯号α)。控制部220并使讯号α与已知的转动惯量J相乘，可得到为惯性扭矩τ_in。在此请注意，如果马达211为空载的状态，转动惯量J等于马达211的转动惯量。如果马达211用以带动螺杆221、螺帽222、轴承223-1、223-2、线轨224以及联轴器226，那么转动惯量J等于马达211的转动惯量以及螺杆221、螺帽222、轴承223-1、223-2、线轨224以及联轴器226之等效的转动惯量之和。

当马达211的运动速度极低时，由于加速度非常小，故可忽略惯性扭矩的作用，即惯性扭矩τ_in为0。控制部220可将马达211的扭矩(讯号τ)扣除惯性扭矩τ_in后，可求得驱动部210的整体摩擦力的第一摩擦信息。

关于螺杆221以及螺帽222间的第二摩擦信息的计算细节，可同步参照图2、图3A以及图3B，其中图3A绘示本发明实施例中，传动装置上的马达的物理量信息的波形图，图3B则绘示图3A的局部放大图。在图3A中，波形310为马达211的位置与时间的关系波形，其中纵轴的单位为毫米；波形320为驱动部210的摩擦力与时间的关系波形，其中纵轴的单位为牛顿-米；波形330为驱动部210的背隙与时间的关系波形，其中纵轴的单位为毫米。波形310至330的横轴单位皆为秒。图3B的波形310-1～330-1则分别为波形310至330在区域Z1的局部放大图。

当马达211产生转动时，马达211的位置与时间的关系为一弦波。在本发明另一实施例中，马达211的位置与时间的关系为钟型波或梯型波。在进入区域Z1中的位置换向时间点A，马达211的位置变化由递减变更为递增。在本发明另一实施例中，在进入区域Z1中的位置换向时间点A，马达211的位置变化由递增变更为递减。另外，在进入区域Z1后，马达211的摩擦力瞬间增大。根据波形320-1，在区域Z1中的位置换向时间点A以及斜率变化点K间，摩擦力以第一斜率S1上升。并在斜率变化点K后，摩擦力变更为以第二斜率S2上升，其中第一斜率S1大于第二斜率S2。在摩擦力饱和点B后，摩擦力几乎皆为保持为一定值。

在本实施例中，控制部220可侦测马达210的位置换向时间点A，根据第一摩擦信息来计算出斜率变化点K，并撷取根据第一摩擦信息计算的摩擦力饱和点B。控制部220并根据位置换向时间点A、斜率变化点K以及摩擦力饱和点B来分别设定第一时间区间以及第二时间区间，再计算出第一时间区间t1中的第一斜率S1以及第二时间区间t2中的第二斜率S2。在本发明实施例中，第一时间区间为位置换向时间点A与斜率变化点K两者的区间，第二时间区间为斜率变化点K与摩擦力饱和点B两者的区间，其中第一时间区间的发生点在第二时间区间之前。

接着，控制部220可根据第一斜率S1以及第二斜率S2来分别获得第二摩擦信息以及第三摩擦信息。其中，摩擦力在位置换向时间点A以及斜率变化点K间的变化量，主要为轴承223-1、223-2、螺杆221与螺帽222之间的摩擦力变化(第二摩擦信息)，摩擦力在斜率变化点K以及摩擦力饱和点B间的变化量，主要为螺帽222以及线轨224之间的摩擦力变化(第三摩擦信息)。

在图2以及图3A中，影响造成摩擦力变化的机械元件为马达211、轴承223-1、223-2、螺杆221与螺帽222之接面以及线轨224的摩擦力。其中，螺杆221与螺帽222之接面的摩擦力，为两种摩擦力的组成。其中的第一个摩擦力为滚珠225于螺杆221槽中滚动的摩擦力，而此摩擦力正比于预压力。其中的第二个摩擦力则为线轨224的摩擦力，其由推动螺帽222的方向平行于螺杆221，又由于此力将造成螺帽222与螺杆221间的相对位移，因此此力也会造成背隙的产生。

而在图3B中的斜率变化点K与摩擦力饱和点B间中，同时影响摩擦力与背隙变化的元件只有线轨224。因此，斜率变化点K至摩擦力饱和点B间之摩擦力变化(第三摩擦信息)为线轨224所造成。进一步说明，第三摩擦信息包括线轨224与螺帽222间的摩擦力。而位置换向时间点A与斜率变化点K间的摩擦力，则主要由线轨224以外的元件所造成。其中，位置换向时间点A与斜率变化点K间的摩擦力变化是由马达111、轴承223-1、223-2、螺杆221与螺帽222之间的摩擦力所组成。一般情况下，马达111与轴承223-1、223-2间的摩擦力相对于螺杆221与螺帽222之间的摩擦力来的小，因此于位置换向时间点A与斜率变化点K间的摩擦力变化(第二摩擦信息)，主要来自于螺杆221与螺帽222间的摩擦力，而螺杆221与螺帽222间的摩擦力主要受到其间的预压力所影响。

如果透过数学方法求得位置换向时间点A与斜率变化点K的摩擦力变化，也就是传动装置200换向后驱动部210的整体摩擦力的第一次变化，即可得到螺杆221与螺帽222间的摩擦力。螺杆221与螺帽222间的摩擦力大时，则代表螺杆221与螺帽222之间的预压力大；而当螺杆221与螺帽222间摩擦力小时，则代表螺杆221与螺帽222之间的预压力小。

以下请同时参考图2与图3B，将详细说明位置换向时间点A、斜率变化点K与摩擦力饱和点B之定义。控制部220可由马达211的旋转角度讯号θ求得换向时间点A，在本发明一实施例中，当马达211的旋转角度讯号θ由递增讯号转变为递减讯号的时间点，控制部220判断为位置换向时间点A，代表马达211的运动开始换向。在位置换向时间点A后，控制部220将第一斜率S1变化为第二斜率S2的时间点判断为斜率变化点K。在斜率变化点K后，控制部220将第二斜率S2变化为一定值的时间点判断为摩擦力饱和点B。

请重新参照图2，在图2中，控制部220包括分析分部221、计算分部222以及记忆分部223。计算分部222可接收物理量信号PI1、PI2，并针对物理量信号PI1、PI2进行计算，并借以获得第一摩擦信息以及第二摩擦信息。分析分部222则用以计算第二摩擦信息与预设的基准摩擦信息两者之间的差量信息，并在使差量信息与容许范围进行比较，以在当差量信息超出上述的容许范围时，发出警示讯号。记忆分部223可用以储存基准摩擦信息与容许范围。记忆分部223则可以为任意形式的存储器。

在本实施例中，分析分部221、计算分部222可应用数位电路来建构，

以下请参照图4，图4绘示本发明一实施例的传动装置的螺杆以及螺帽的预压力的检测方法的流程图。在当螺杆以及螺帽刚完成更新后，透过步骤S410进行螺杆以及螺帽的诊断功能。在步骤S420中，传动装置使驱动部进行一特定运动。在本发明实施例中，驱动部运动形式不限，于运动过程中有换向行为即可。在步骤S430中，则将驱动部进行特定运动的过程中所产生的实验资料进行储存，并计算出当前的螺帽以及螺杆的摩擦力。

接着，在步骤S440中，判断螺帽以及螺杆是否需要更新，当判断结果为是时，执行步骤S450，以将计算分部算出来的分析结果，储存于记忆分部中。若步骤S440中的判断结果为否，则执行步骤S460，以于分析分部中取出第一次运算的螺杆与螺帽间的摩擦力(于步骤S430计算得知)，并与此次的螺杆与螺帽间的摩擦力进行比对。在步骤S470中，判断第一次运算的螺杆与螺帽间的摩擦力，与此次的螺杆与螺帽间的摩擦力间的变化是否过大，若是则执行步骤S480；若否则重回步骤S430。

在步骤S480中，显示螺杆与螺帽需要更换的提示，并在步骤S490以结束螺杆与螺帽诊断功能。

以下请参照图5，图5绘示本发明一实施例的传动装置的控制方法的流程图。其中，在步骤S510中，在驱动部中提供马达，使马达驱动第一元件以在轴向上进行转动。其中的第一元件例如是螺杆。在步骤S520中，则使第二元件根据第一元件的转动以在轴向上移动，其中的第二元件例如是螺帽。在步骤S530中，接收马达的多个物理量信号，根据物理量信号计算出反应驱动部的整体摩擦力的第一摩擦信息，根据第一摩擦信息计算出第二摩擦信息，其中第二摩擦信息包含第一元件与第二元件间的摩擦力。并且，在步骤S540中，则计算第二摩擦信息与基准摩擦信息两者之间的差量信息，并在差量信息超过容许范围时，发出警示讯号。

关于上述步骤的实施细节，在前述的实施例已有详细的说明，在此不多赘述。

综上所述，本发明的传动装置可以透过检测马达的多个物理量信号，来求得传动装置的整体摩擦力，进而计算出驱动部中元件间的摩擦力。本发明的传动装置在不使用拉力计、不拆装机械元件、及不加装传感器的情况下，得知驱动部中各个元件的工作状态，并透过产生警示讯号，使工程人员可适时的针对传动装置进行调整及维修，维持系统的效能。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (12)

1.一种传动装置，其特征在于，包括：

一驱动部，包括：

一马达；

一第一元件，耦接该马达，用以在一轴向上进行转动；以及

一第二元件，耦接该第一元件，根据该第一元件的转动以在该轴向上移动；以及

一控制部，耦接该马达，用以：

接收该马达的多个物理量信号，根据该些物理量信号计算出反应该驱动部的整体摩擦力的一第一摩擦信息，根据该第一摩擦信息计算出一第二摩擦信息，其中该第二摩擦信息包含该第一元件与该第二元件间的摩擦力；以及

计算该第二摩擦信息与一基准摩擦信息两者之间的一差量信息，并在该差量信息超过一容许范围时，发出一警示讯号。

2.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于，其中该驱动部更包括：

一第三元件，用以设定该第一元件的位置，其中该第二摩擦信息与该第三元件以及该第一元件间的摩擦力相关联。

3.根据权利要求2所述的传动装置，其特征在于，其中该驱动部更包括：

一第四元件，与该第二元件接触，用以导引该第二元件在该轴向上移动，

其中该控制部更根据该第一摩擦信息计算出一第三摩擦信息，该第三摩擦信息包括该第四元件与该第二元件间的摩擦力。

4.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于，其中该些物理量信号包括该马达的电流、扭矩以及扭力的至少其中之一。

5.根据权利要求4所述的传动装置，其特征在于，其中该些物理量信号更包括该马达的位置、速度以及角度的至少其中之一。

6.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于，其中当该第二元件在该轴向上移动时，该控制部用以：

撷取该马达的一位置换向时间点；

根据该第一摩擦信息计算一斜率变化点；

撷取该第一摩擦信息计算的一摩擦力饱和点；

根据该位置换向时间点、该斜率变化点与该摩擦力饱和点以设定一第一时间区间以及一第二时间区间，其中该第一时间区间在该第二时间区间之前；以及

根据该第一时间区间的一第一斜率以及该第二时间区间的一第二斜率分别获得该第二摩擦信息以及该第三摩擦信息。

7.一种传动装置的控制方法，其特征在于，包括：

在一驱动部中提供一马达，使该马达驱动一第一元件以在一轴向上进行转动；

使一第二元件根据该第一元件的转动以在该轴向上移动；

接收该马达的多个物理量信号，根据该些物理量信号计算出反应该驱动部的整体摩擦力的一第一摩擦信息，根据该第一摩擦信息计算出一第二摩擦信息，其中该第二摩擦信息包含该第一元件与该第二元件间的摩擦力；以及

计算该第二摩擦信息与一基准摩擦信息两者之间的一差量信息，并在该差量信息超过一容许范围时，发出一警示讯号。

8.根据权利要求7所述的传动装置的控制方法，其特征在于，更包括：

提供一第三元件以设定该第一元件的位置，其中该第二摩擦信息与该第三元件以及该第一元件间的摩擦力相关联。

9.根据权利要求8所述的传动装置的控制方法，其特征在于，更包括：

提供与该第二元件接触的一第四元件以导引该第二元件在该轴向上移动；以及

根据该第一摩擦信息计算出一第三摩擦信息，该第三摩擦信息包括该第四元件与该第二元件间的摩擦力。

10.根据权利要求7所述的传动装置的控制方法，其特征在于，其中该些物理量信号包括该马达的电流、扭矩以及扭力的至少其中之一。

11.根据权利要求10所述的传动装置的控制方法，其特征在于，其中该些物理量信号更包括该马达的位置、速度以及角度的至少其中之一。

12.根据权利要求7所述的传动装置的控制方法，其特征在于，其中当该第二元件在该轴向上移动时，更包括：

撷取该马达的一位置换向时间点；

根据该第一摩擦信息计算一斜率变化点；

撷取该第一摩擦信息计算的一摩擦力饱和点；

根据该位置换向时间点、该斜率变化点与该摩擦力饱和点以设定一第一时间区间以及一第二时间区间，其中该第一时间区间在该第二时间区间之前；以及

根据该第一时间区间的一第一斜率以及该第二时间区间的一第二斜率分别获得该第二摩擦信息以及该第三摩擦信息。

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