TW201339848A - 自我診斷健康狀態的傳動系統 - Google Patents

Abstract

一種自我診斷健康狀態的傳動系統，包括一參考資料庫、一傳動模組、一感測模組及一信號處理模組。該參考資料庫儲存有一標準運轉資料。該傳動模組係根據該運轉條件運轉。該感測模組用以感測該傳動模組的運轉狀態，並產生多筆運轉信號。該信號處理模組用以執行一診斷程序，該診斷程序包括：接收該些運轉信號；將該些運轉信號處理成一運轉頻譜；接收該標準運轉資料；將該運轉頻譜劃分成多個頻段；計算每一頻段內的能量；及判斷該傳動模組為正常或異常狀態。

Description

自我診斷健康狀態的傳動系統

本發明係與傳動系統有關，特別是指一種自我診斷健康狀態的傳動系統。

精密機械設備或儀器中經常以至少一滾珠螺桿來控制一工作載台的移動，然而，該滾珠螺桿在運作時，往往在安裝初期或長期運轉後，該滾珠螺桿的運轉狀態可能會出現各式異常。其中，美國第7394395及6167634號專利係提供能用以監控螺桿健康狀態的系統。

又，美國第7680565號專利係揭露一種利用一螺桿在運轉時，所產生的信號，經信號處理產生一第一紀錄與一第二紀錄後，比較該第一、二紀錄的差異，來判斷該螺桿是否正常，然而，若該螺桿在運作初期就已經出現異常，而該專利案所揭露的第一紀錄仍會記錄該狀態，且將該狀態視為正常，如此，將會影響到後續監視作業。

本發明之主要目的在於提供一種自我診斷健康狀態的傳動系統，其可藉由內建的標準運轉資料，來達到診斷該傳動系統之目的，且能改善先前技術中初期就出現的異常無法被檢測出來之風險。

本發明之次一目的在於提供一種自我診斷健康狀態的傳動系統，其可藉由將頻譜分段分析，來達到有效判斷該傳動系統的異常的產生處。

緣是，為了達成前述目的，依據本發明所提供之一種自我診斷健康狀態的傳動系統，包括一參考資料庫、一傳動模組、一感測模組及一信號處理模組。該參考資料庫儲存有一標準運轉資料，該標準運轉資料具有一運轉條件、一標準頻譜、一上界標準頻譜及一下界標準頻譜。該傳動模組係根據該運轉條件運轉。該感測模組用以感測該傳動模組根據該運轉條件運轉的運轉狀態，並依照該運轉狀態產生多筆運轉信號。該信號處理模組係連接該感測模組及該參考資料庫，且用以執行一診斷程序，該診斷程序包括：接收該些運轉信號；將該些運轉信號處理成一運轉頻譜；接收該參考資料庫內的該標準運轉資料的該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜；將該運轉頻譜、該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜共同劃分成多個頻段；計算每一頻段內，該標準頻譜與該上、下界標準頻譜相減後分別產生的一上界標準能量及一下界標準能量，及該標準頻譜與該運轉頻譜相減後產生的一參考能量；及判斷該傳動模組的狀態，在每一共同頻段內該參考能量位在該上、下兩界標準能量的範圍內時，判定該傳動模組為正常狀態，在至少共同一頻段內該參考能量超出該上、下兩界標準能量範圍時，判定該傳動模組為異常狀態。

為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下之一較佳實施例並配合圖式說明如后，其中：如第一及二圖所示，第一圖係繪示本發明之一較佳實施例之自我診斷健康狀態的傳動系統的系統方塊圖，第二圖係繪示第一圖中一信號處理模組14執行該診斷程序的流程圖。該自我診斷健康狀態的傳動系統10包括一參考資料庫11、一傳動模組12、一感測模組13及一信號處理模組14。

該參考資料庫11儲存有一標準運轉資料，該標準運轉資料具有一運轉條件、一標準頻譜、一上界標準頻譜及一下界標準頻譜。

該傳動模組12係根據一運轉條件運轉。

該感測模組13用以感測該傳動模組12根據該運轉條件運轉的運轉狀態，並依照該運轉狀態產生多筆運轉信號。

該信號處理模組14連接該感測模組13及該參考資料庫11，且用以執行一診斷程序，如第二圖所示，該診斷程序包括：接收該些運轉信號S20；將該些運轉信號處理成一運轉頻譜S21；接收該參考資料庫11內的該標準運轉資料的該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜S22；將該運轉頻譜、該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜共同劃分成多個頻段S23；計算每一頻段內，該標準頻譜分別與該上、下界標準頻譜產生的一上界標準能量及一下界標準能量，及該標準頻譜與該運轉頻譜產生的一參考能量S24；及判斷該傳動模組12的狀態是否出現異常S25；在每一共同頻段內該參考能量位在該上、下兩界標準能量的範圍內時，判定該傳動模組12為正常狀態S26；在至少共同一頻段內該參考能量超出該上、下兩界標準能量範圍時，判定該傳動模組12為異常狀態S27。

於此實施例中，該傳動模組12具有一滾珠螺桿121，該滾珠螺桿121係能根據運轉條件運轉。該運轉條件可以是轉速或時間等，以轉速為例，該運轉條件可以設定成2000、3000、5000或10000rpm等轉速模式，當轉速條件設定成3000rpm時，表示該滾珠螺桿121以每分鐘3000轉的速度在運作。

該感測模組13具有多個感測器131及連接該些感測器131的一多通道記錄器132，如第三圖所示。該些感測器131係用以感測該滾珠螺桿121的運轉信號，由於，該滾珠螺桿121在運轉時，會因為摩擦、碰撞、共振或馬達激磁等因素發出聲音，因此，該些感測器131就能接收到上述的各種聲音。該些感測器131可以是麥克風或加速規等能感測到信號的元件。該多通道記錄器132係用以紀錄該些運轉信號，並傳送該些運轉信號至該信號處理模組14，如此，該些感測器131感測到的聲音信號就能先紀錄於該多通道記錄器132內，隨後再傳至該信號處理模組14，以供該信號處理模組14進行運算。

該信號處理模組14接收到上述的該些運轉信號，並將該些運轉信號(如第四圖所示)透過傅立葉轉換(Fourier Transform)，以使該些運轉信號從時域轉換成頻域的運轉頻譜(如第五圖所示)。實際上，也可以透過拉氏、小波或其他轉換方式進行運算，在使用拉氏轉換時，該運轉信號(時域信號)會被轉換成複頻域(S-domain)的場域，以供後續統計運算。如此，本發明的時域信號運算可以透過多種轉換方式進行運算成頻域信號，不以傅立葉轉換為限。

該信號處理模組14接收儲存於該參考資料庫11內的該標準運轉資料的標準頻譜SF、上界標準頻譜UF及下界標準頻譜DF(如第六圖所示)。隨後，該信號處理模組14將該運轉頻譜、該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜共同分成多個頻段，並計算每一頻段內對應的參考能量、上界標準能量及下界標準能量。最後，判斷每一頻段內該傳動模組12的狀態是否正常，在每一頻段內該參考能量位在該上、下兩界標準能量的範圍內時，判定該傳動模組為正常狀態，表示該傳動模組12維持在正常情況下運作。其中，將該些頻譜分成多個頻段的目的與用途，容隨後於第八圖中說明。

如第七圖所示，第七圖係繪示第五及六圖的頻譜統計圖。於此實施例中，在低頻段時，無論音質佳或音質差所統計出來的值均落在該上界標準能量及下界標準能量的區間內，所以，判斷該螺桿為正常狀態；在高頻段時，音質佳的統計值仍維持在該上界標準能量及下界標準能量的區間內，但音質差統計值已明顯高於該上界標準能量，表示，在高頻段時，音質差的螺桿已經出現異常，如此，就能判定該傳動模組為異常狀態。然而，若低頻段內的參考能量超出範圍，也會判定該傳動模組12為異常。

如第八圖所示，該自我診斷健康狀態的傳動系統會根據上述的運算判斷該異常狀態是由某個頻段產生，因此，若已知在特定頻段會出現特定的異常時，可將每一頻段對應建立一狀態信號，例如，上述的摩擦、碰撞、共振或馬達激磁等異常，並在該異常狀態出現時，該信號處理模組14輸出對應該頻段的該狀態信號，如此，就能直接依照該狀態信號的提醒進行維修或保養。

其中，該自我診斷健康狀態的傳動系統還包括一顯示螢幕(圖中未示)，該顯示螢幕係連接該信號處理模組14，用以接收該狀態信號，並依據該狀態信號顯示該傳動模組12目前的狀態。實際上，也可以選用揚聲器、燈光模組或其他能提醒的裝置，來達到上述提顯該信號狀態的方法。

如第九圖所示，該信號處理模組14在執行將第二圖中程序S21(該些運轉信號處理成該運轉頻譜)包括下列程序；提供一權重函數S210；將該些運轉信號轉換成一頻域函數S211；及將該頻域函數乘以該權重函數來獲得該運轉頻譜S212。

該權重函數通常用於凸顯各個頻段內頻譜能量的大小，如第十圖所示，在低頻段(例如20~1K赫茲的區間)及高頻段(尤其10K~20K赫茲的區間)時，頻譜能量較高，但在乘上該權重函數後，如第十一圖所示，可明顯看出在上述的兩個頻段內的能量明顯降低，以方便後續辨別該些能量大小。

於此實施例中，該信號處理模組14將麥克風紀錄到的該些聲音信號(即運轉信號)先轉換成該頻域函數，再將該頻域函數乘上該權重函數以獲得該運轉頻譜。但實際上，也可以直接在時域時就將該些聲音信號乘上時域的權重函數，之後再轉換成頻域的該頻譜信號，因此，該權重函數的運算時間點的依信號場域作選擇。其中，如第十二圖所示，該加權函數係A加權函數(A-weighting function)，A加權函數係模擬人耳在不同頻率區間內對聲音的感受程度。該信號處理模組14透過分段頻譜的能量運算來進行分析，以提供檢驗該傳動模組12的最近狀態。此外，本實施例係以乘上聲音目的的權重函數(即A加權函數)，但實際上，基於聲音目的的函數還可考量B加權函數、C加權函數、頭部頻率轉移函數(Head-related Transfer Function,HRTF)或其他類型的權重函數。此外，若有其他目的(例如振動或不同頻段區間對頻譜能量的看重差異)，也可以對應該目的乘以特定的權重函數。

此外，該參考資料庫11也可以儲存有多筆標準運轉資料，每一筆標準運轉資料也對應一種運轉條件，如此，在該傳動模組12根據其中一運轉條件運轉時，該信號處理模組14就能根據該運轉條件取得對應的標準運轉資料，來進行後續的運算與判斷。

如第十三及十四圖所示，該自我診斷健康狀態的傳動系統更包括連接該信號處理模組14的一標準資料庫15。該信號處理模組14用以執行一建立標準程序，該建立標準程序包括：提供另一運轉條件S31；接收該感測模組所感測到該傳動模組在該另一運轉條件下運轉所產生的多筆標準信號S32；將該些標準信號處理成另一標準頻譜S33；提供一誤差容許比率S34；計算該另一標準頻譜及該誤差容許比率，以獲得該另一上界標準頻譜及該另一下界標準頻譜S35；及將該另一運轉條件、該另一標準頻譜、該另一上界標準頻譜及該另一下界標準頻譜建立成另一標準運轉資料，並儲存於該標準資料庫中S36。

該傳動模組12在該另一運轉條件下進行運轉，會持續產生該些標準信號，該信號處理模組14接收到該些標準信號後，會將該些標準信號藉由傅立葉轉換成另一運轉頻譜，接著，運算該另一運轉頻譜及該誤差容許比率，以獲得另一上、下界標準頻譜，並將該另一運轉條件、該另一標準頻譜、該另一上界標準頻譜及該另一下界標準頻譜建立成另一標準運轉資料，並儲存於該標準資料庫15中。如此，該傳動模組12的運轉情況都會被轉換成頻譜信號並儲存在該標準資料庫15中。

該信號處理模組14能將該標準資料庫15的該另一標準運轉資料傳送並儲存至該參考資料庫11中，這樣就能重複更新該參考資料庫11中的標準運轉資料。其中，該資料傳送的方式，可以選用有線或無線方式傳輸。此外，該自我診斷健康狀態的傳動系統不一定需要建立該標準資料庫15，若該自我診斷健康狀態的傳動系統只需執行該診斷程序時，則無立該標準資料庫15，只有在該參考資料庫11所儲存的該些標準運轉資料需要更新或建立時，才要建立該標準資料庫15。因此，該標準資料庫15可以根據建立目的選擇性的安裝。

本發明之自我診斷健康狀態的傳動系統係以滾珠螺桿為例進行說明，但實際上，也可以應用於診斷轉軸、軸承、CNC工具機、射出機及車床等機械設備或元件。

10．．．自我診斷健康狀態的傳動系統

11．．．參考資料庫

12．．．傳動模組

121．．．滾珠螺桿

13．．．感測模組

131．．．感測器

132．．．多通道記錄器

14．．．信號處理模組

15．．．標準資料庫

SF．．．標準頻譜

UF．．．上界標準頻譜

DF．．．下界標準頻譜

S20~S27、S210~S212、S31~S36．．．程序

第一圖係繪示本發明之一較佳實施例之自我診斷健康狀態的傳動系統的方塊圖。

第二圖係繪示第一圖中該信號處理模組執行一診斷程序的流程圖。

第三圖係繪示第一圖中該感測模組的方塊圖。

第四圖係繪示運轉信號的時域信號圖。

第五圖係繪示將該第四圖的時域信號轉成頻域信號的信號圖。

第六圖係繪示該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜的信號圖。

第七圖係繪示第五及六圖的頻譜統計圖。

第八圖係繪示特定頻段的異常狀態的參考圖。

第九圖係繪示第二圖中程序S21的詳細流程圖。

第十及十一圖係繪示頻域信號是否增加一權重函數的信號示意圖。

第十二圖係繪示A權重函數的特性曲線圖。

第十三圖係繪示本發明之該較佳實施例之自我診斷健康狀態的傳動系統的另一方塊圖。

第十四圖係繪示第十三圖中該信號處理模組執行一建立標準程序的流程圖。

10．．．自我診斷健康狀態的傳動系統

11．．．參考資料庫

12．．．傳動模組

121．．．滾珠螺桿

13．．．感測模組

14．．．信號處理模組

Claims (6)

1. 一種自我診斷健康狀態的傳動系統，包括：一參考資料庫，儲存有一標準運轉資料，該標準運轉資料具有一運轉條件、一標準頻譜、一上界標準頻譜及一下界標準頻譜；一傳動模組，根據該運轉條件運轉；一感測模組，用以感測該傳動模組根據該運轉條件運轉的運轉狀態，並依照該運轉狀態產生多筆運轉信號；及一信號處理模組，連接該感測模組及該參考資料庫，且用以執行一診斷程序，該診斷程序包括：接收該些運轉信號；將該些運轉信號處理成一運轉頻譜；接收該參考資料庫內的該標準運轉資料的該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜；將該運轉頻譜、該標準頻譜、該上界標準頻譜及該下界標準頻譜共同劃分成多個頻段；計算每一頻段內，該標準頻譜分別與該上、下界標準頻譜相減後產生的一上界標準能量及一下界標準能量，及該標準頻譜與該運轉頻譜相減後產生的一參考能量；及判斷該傳動模組的狀態，在每一頻段內該參考能量位在該上、下兩界標準能量的範圍內時，判定該傳動模組為正常狀態，在至少共同一頻段內該參考能量超出該上、下兩界標準能量範圍時，判定該傳動模組為異常狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自我診斷健康狀態的傳動系統，其中每一頻段係對應一狀態信號，在出現該異常狀態時，該信號處理模組輸出對應該頻段的該狀態信號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自我診斷健康狀態的傳動系統，更包括一標準資料庫，連接該信號處理模組，其中，該信號處理模組用以執行一建立標準程序，該建立標準程序包括：提供另一運轉條件；接收該感測模組所感測到該傳動模組在該另一運轉條件下運轉所產生的多筆標準信號；將該些標準信號處理成另一標準頻譜；提供一誤差容許比率；計算該另一標準頻譜及該誤差容許比率，以獲得該另一上界標準頻譜及該另一下界標準頻譜；及將該另一運轉條件、該另一標準頻譜、該另一上界標準頻譜及該另一下界標準頻譜建立成另一標準運轉資料，並儲存於該標準資料庫中。
4. 如申請專利範圍第3項所述之自我診斷健康狀態的傳動系統，其中，該信號處理模組能將該標準資料庫的該另一標準運轉資料傳送並儲存至該參考資料庫中。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自我診斷健康狀態的傳動系統，其中，該信號處理模組在執行將該些運轉信號處理成該運轉頻譜係包括下列程序；提供一權重函數；將該些運轉信號轉換成一頻域函數；及將該頻域函數乘以該權重函數來獲得該運轉頻譜。
6. 如申請專利範圍第1項所述之自我診斷健康狀態的傳動系統，其中，該傳動模組具有一滾珠螺桿，該感測模組具有多個感測器及連接該些感測器的一多通道記錄器，該些感測器係用以感測該滾珠螺桿的聲音信號，該多通道記錄器係用以紀錄該些聲音信號，並傳送至該信號處理模組。