TW201437614A - 微機電動態檢測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係一種微機電動態檢測裝置，其包含有一中央處理器、一微機電感測模組、一記憶模組與一無線接收器，微機電動態檢測裝置係裝設於一旋轉軸上，無線接收器接受外部的遙控訊號而令中央處理器控制微機電感測模組進行資料取樣，微機電感測模組係利用微機電技術將加速度規、陀螺儀、溫度感測器整合於同一元件，以分別量測該旋轉軸的軸向振動值、旋轉偏擺值及溫度值，再存入記憶模組中；由於微機電元件體積小、質量輕並易於安裝，透過遙控方式啟動不需額外設置線路，藉此解決現有量測裝置無法同時偵測偏擺位移量與振動量以及電線纏繞的問題。

Description

微機電動態檢測裝置

本發明係一種動態檢測裝置，尤指一種利用微機電元件偵測旋轉物件之振動與偏擺的動態檢測裝置。

現有工具機於切削工件時，若要達到高精度的加工品質，除機台本身的剛性要強，負責夾持工件的旋轉軸亦需維持良好的動平衡，且須避開在機台的共振頻率範圍內進行加工。當旋轉軸進入動態旋轉時，不同的轉速會產生不同的振動頻率，而當旋轉軸產生的振動頻率與機台本身的自然頻率產生共振時，旋轉軸即會產生最大的振動和偏擺，使得機台和主軸的加工品質產生最差的狀況。因此需對旋轉軸進行動態監測，並掌握主軸旋轉時的振動與偏擺狀況，以期達到高精度之加工品質的要求。

而現有旋轉軸的動態監測方式，常見的方式是將一標準圓球棒(Ball Bar)安裝在待測之旋轉軸的一端，該標準圓球棒是一高精度之圓球，故以此標準圓球作為標準比對，該標準圓球棒相對有一量測裝置，該量測裝置包含有兩位移感測器，兩個位移感測器係裝設於機台上並朝向 該標準圓球棒發出雷射光以偵測其與標準圓球棒的距離，當旋轉軸上的標準圓球棒轉動時，兩個位移感測器分別偵測該標準圓球棒因旋轉而造成的距離差異並轉換為偏擺位移量，該量測裝置經運算後可得到標準圓球棒對應之旋轉軸的動態偏擺資料(偏擺線或偏擺量)，但該量測裝置的位移感測器係間接地偵測其與標準圓球棒的距離並轉換為偏擺位移量，無法直接量測該旋轉軸的偏擺位移量，且易受外界影響而產生誤差。又欲取得旋轉軸旋轉時的振動量，需額外設置一振動感測器，才可取得旋轉軸的振動資料。由上述可知，單純利用標準圓球棒與量測裝置進行旋轉軸的動態監測仍有不足之處。

再者若將一具有偏擺位移量與振動量的監測設備直接設在旋轉軸上以進行動態量測，會受限於電路連接以及旋轉時之電線纏繞問題，而無法容易且精確地量測到旋轉軸高速旋轉時的動態狀況，並產生影響該旋轉軸動平衡的問題。

如前揭所述，現有標準圓球棒與量測裝置係間接地偵測旋轉軸的偏擺位移量，易產生誤差且無法同時偵測旋轉軸的振動量，又於旋轉軸上設置有線的偵測裝置進行動態量測，會產生電線纏繞及影響旋轉軸動平衡的問題，因此本發明主要目的在提供一微機電動態檢測裝置，係 利用微機電元件之體積小、質量輕與易安裝的特性，直接將該微機電動態檢測裝置安裝於旋轉軸上，並透過遙控方式啟動該微機電動態檢測裝置，以直接量測旋轉軸之偏擺位移量與振動量，並由儲存模組記錄量測資料，解決現有量測裝置無法直接且同時偵測旋轉軸的偏擺位移量與振動量，以及於旋轉軸上設置有線的偵測裝置所產生之電線纏繞與影響旋轉軸動平衡的問題。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述微機電動態檢測裝置，包含有：一中央處理器，其包含有一邏輯程序，該中央處理器依照邏輯程序送出對應的控制訊號；一微機電感測模組，係與中央處理器電連接，其包含有利用微機電構成的一三軸加速度規、一陀螺儀與一溫度感測器，該三軸加速度規、陀螺儀與溫度感測器係接受中央處理器的控制訊號，分別送出其偵測的一加速度值、一轉速值與一溫度值；一類比/數位訊號轉換器，係與微機電感測模組電連接，其取得微機電感測模組輸出之加速度值、轉速值或溫度值，並分別轉換為對應的數位訊號；一記憶模組，係分別與中央處理器以及類比/數位訊號轉換器電連接，其接受中央處理器的控制訊號並分別儲存加速度值、轉速值與溫度值的數位訊號； 一資料傳輸模組，係與記憶模組電連接，其輸出記憶模組儲存之加速度值、轉速值與溫度值的數位訊號；以及一無線接收器，係與中央處理器電連接，其接受一外部遙控訊號並送出一啟動訊號至中央處理器，以令中央處理器的啟動其邏輯程序。

利用前述元件所組成之微機電動態檢測裝置係裝設於一旋轉軸上，該旋轉軸轉動後由無線接收器接受外部遙控訊號而令中央處理器啟動其內建之邏輯程序以控制微機電感測模組進行資料取樣，主要係由微機電感測模組中之三軸加速度規、陀螺儀或溫度感測器分別量測該旋轉軸的軸向振動值、旋轉偏擺值或溫度值，再由類比/數位訊號轉換器將該等取樣資料的數值轉換為數位訊號後存入記憶模組中，資料取樣完畢後由無線接收器接受外部遙控訊號令中央處理器停止邏輯程序，該旋轉軸停止轉動後，由外部的一讀取裝置透過資料傳輸模組取得記憶模組中的數位訊號；由於微機電感測模組是一微機電元件，其體積小、質量輕並易於安裝，透過遙控方式啟動並取樣資料而不需額外設置線路，藉此解決現有量測裝置無法直接且同時偵測旋轉軸的偏擺位移量與振動量，以及於旋轉軸上設置有線的偵測裝置所產生之電線纏繞與影響旋轉軸動平衡的問題。

10‧‧‧微機電動態檢測裝置

11‧‧‧中央處理器

12‧‧‧微機電感測模組

121‧‧‧三軸加速度規

122‧‧‧陀螺儀

123‧‧‧溫度感測器

13‧‧‧類比/數位訊號轉換器

14‧‧‧記憶模組

15‧‧‧資料傳輸模組

16‧‧‧無線接收器

17‧‧‧電池模組

20‧‧‧旋轉軸

圖1是本發明較佳實施例的電路方塊圖。

圖2是本發明較佳實施例的使用示意圖。

圖3是本發明較佳實施例的流程圖。

圖4A是本發明較佳實施例之600rpm的輸出電壓波形圖。

圖4B是本發明較佳實施例之300rpm的輸出電壓波形圖。

圖5A是圖4A的局部放大圖。

圖5B是圖4B的局部放大圖。

關於本發明的第一較佳實施例，請參閱圖1、2所示，本發明之微機電動態檢測裝置10包含有一中央處理器11、一微機電感測模組12、一類比/數位訊號轉換器13、一記憶模組14、一資料傳輸模組15、一無線接收器16與一電池模組17，該中央處理器11分別與微機電感測模組12、記憶模組14以及無線接收器16電連接，該類比/數位訊號轉換器13分別與微機電感測模組12以及記憶模組14電連接，該記憶模組14係與資料傳輸模組15電連接，該電池模組17係與中央處理器11、微機電感測模組12以及無線接收器16電連接；又該微機電動態檢測裝置10係裝設於一旋轉軸20上，以量測該旋轉軸20之X、Y與Z軸之三軸的軸向振動值、旋轉偏擺值與溫度值的取樣資料。前述各元件的進一步構造與功能，謹進一步詳述如 下：該無線接收器16係接受一外部裝置(圖中未示)的遙控訊號，以送出一啟動訊號至中央處理器11；於本較加實施例中，該無線接收器16係一紅外線接收器，該外部裝置係一紅外線遙控器，該紅外線遙控器與紅外線接收器具有相同的通訊協定。

該中央處理器11包含有一邏輯程序，該中央處理器11依照邏輯程序送出對應的控制訊號，以分別控制微機電感測模組12與記憶模組14。

該微機電感測模組12係採用微機電技術構成，其包含有一三軸加速度規121、一陀螺儀122與一溫度感測器123，該三軸加速度規121、陀螺儀122與溫度感測器123係接受中央處理器11的控制訊號，分別送出其偵測的一加速度值、一轉速值與一溫度值。

該類比/數位訊號轉換器13係取得微機電感測模組12輸出類比形式之加速度值、轉速值或溫度值，並經類比/數位轉換為對應的數位訊號。

該記憶模組14係接受中央處理器11的控制訊號並分別儲存經類比/數位訊號轉換器13轉換後之加速度值、轉速值與溫度值的數位訊號。

該資料傳輸模組15係用以輸出記憶模組14儲存之加速度值、轉速值與溫度值的數位訊號。

請配合參閱圖3所示，該微機電動態檢測裝置10係裝設於旋轉軸20上(101)，該旋轉軸20轉動並達到待測轉速時(102)，由無線接收器16接受外部紅外線感測器的遙控訊號而令中央處理器11啟動其內建之邏輯程序以開啟其量測與記錄功能(103)，中央處理器11依邏輯程序控制微機電感測模組12進行資料取樣(104)，該微機電感測模組12中之三軸加速度規121、陀螺儀122或溫度感測器123分別量測該旋轉軸20的軸向振動值、旋轉偏擺值或溫度值(105)，再由類比/數位訊號轉換器13將該等類比取樣訊號轉換為數位訊號(106)，並將該等數位訊號存入記憶模組14中(107)，若記憶模組14的容量不足時，則覆蓋之前的資料(108)，資料取樣完畢後由無線接收器16接受外部的遙控訊號，以令中央處理器11停止邏輯程序，該旋轉軸20停止轉動後，由外部一讀取裝置(圖中未示)透過資料傳輸模組15取得記憶模組14中的數位訊號(109)。

如先前技術所述，當工具機的切削加工要達到高精度的品質時，除機台本身的剛性要強，而且必須避免在機台的共振頻率進行加工。因此當工具機的旋轉軸20進入動態旋轉時，旋轉軸20在不同的轉速會產生不同的振動頻率，而旋轉軸20產生的振動頻率與機台本身的自然頻率產生共振時，旋轉軸20即會產生最大的振動和偏擺的效果，使得機台和主軸的加工表現達到最差的狀況。

請參閱圖4A、4B所示，圖4A為旋轉軸20於轉速600rpm時，該微機電感測模組12的輸出電壓波形，圖4B為旋轉軸20於轉速300rpm時，該微機電感測模組12的輸出電壓波形；其測試步驟分別為停止、正向旋轉(CW)加速、加速至設定轉速(圖4A為600rpm、圖4B為300rpm)、減速、停止、反向旋轉(CCW)加速、加速至設定轉速(圖4A為600rpm、圖4B為300rpm)、減速、停止，由圖4A與4B可知，該微機電感測模組12可對應不同轉速及旋轉方向產生電壓變化訊號。

請參閱圖5A、5B所示，係為圖4A與圖4B中之2.6秒至3.6秒的局部放大圖，其顯示少許的鋸齒訊號，且圖5A的頻率為圖5B的兩倍。

由於本發明利用微機電技術將三軸加速度規121、陀螺儀122與溫度感測器123整合為一微機電感測模組20，該微機電元件體積小、質量輕並易於安裝，因此能應用於工具機中之立式或臥式的旋轉軸20上，並就旋轉軸20上不同的工件或旋轉物進行量測，如圖2所示，該微機電動態檢測裝置10係分別夾設、鎖固或黏合在旋轉軸20的軸向與徑向位置。當旋轉軸20旋轉時，會同時產生振動和偏擺的現象，利用三軸加速度規121擷取旋轉軸20的X軸、Y軸與Z軸之三個方向的振動值，並由陀螺儀122的量測轉向的特性，除了可以用來做為轉速偵測 ，改變其設置方向亦能確認偏擺量的大小，溫度感測器123則是針對旋轉軸20的溫度變化，除了偵測旋轉軸20旋轉時的溫升變化，也可對三軸加速度規121及陀螺儀122受溫度影響的訊號誤差進行補償。

以下列舉四種應用方式說明，第一種應用方式是找出工具機之機台本身的共振頻率，該微機電動態檢測裝置10係固定於一主軸刀具的夾頭，設定工具機的主軸轉速由靜止開始旋轉至極速，利用外部的紅外線遙控器發射訊號至紅外線接收器後，中央處理器11即啟動邏輯程序，由微機電感測器模組12之三軸加速度規121取得加速度值(加速度的特性即是量測振動值)，經類比/數位訊號轉換器13轉換後儲存於記憶模組14；另陀螺儀122所測得的轉速值也透過類比/數位訊號轉換器13轉換並儲存於記憶模組14中；透過解析不同轉速值下的振動值大小，可判斷出機台在不同轉速下的振動，以找出機台的共振頻率。

第二種應用方式是找出不同轉速下的溫升曲線，機台欲得到穩定的加工品質需維持正常的工作溫度，通常會先開機讓主軸運轉一段時間，當主軸溫升到達工作溫度後再進行加工作業，以避開冷機到加工溫度過程中，主軸溫度變化所造成的伸長量變化誤差，但會產生耗時且耗電的問題；因此利用微機電感測模組12內之溫度感測器 123取得主軸溫升參數，即主軸在不同轉速之下，其溫度達到固定前的線性曲線，而可得到主軸調整到達工作溫度的最佳時間以及提供該工具機之控制器的溫度補正數據。

第三種應用方式是預加工時的加工條件確認，針對精密的零件加工前，需評估該零件的材質、加工的刀具、機台的轉速、切削進給的速度和加工的路徑等因素，當模擬完畢後，就會進行空切削的運轉測試，將微機電動態檢測裝置10固定在刀具夾頭上即可收集振動值的大小，由於不同刀具會設定不同的轉速和進給速度，所以每個路徑的振動值大小也不同，透過改變轉速和進給速度的設定，可發現機台在試運轉之加工過程中的最小振動條件，以得到最佳的加工條件。

第四種應用方式是量測旋轉偏擺反復運動的誤差，在自動化生產線中，經常需要使用凸輪將旋轉運動轉變為往復運動，由於零件加工精度、幾何誤差和組裝誤差上的問題，造成旋轉與往復運動的累積誤差，因此將微機電動態檢測裝置10安裝在凸輪的凸輪面上，透過陀螺儀122偵測該凸輪之旋轉角速度的大小，而易於取得該凸輪之旋轉與往復運動的累積誤差。

如前揭所述，由於本發明將三軸加速度規121、陀螺儀122與溫度感測器123整合為一微機電感測模組12，利用微機電元件體積小、質量輕並易於安裝的特性， 配合遙控方式啟動並取樣資料而不需額外設置線路，藉此解決現有量測裝置無法直接且同時偵測旋轉軸的偏擺位移量與振動量，以及於旋轉軸上設置有線的偵測裝置所產生之電線纏繞與影響旋轉軸動平衡的問題。

11‧‧‧中央處理器

12‧‧‧微機電感測模組

121‧‧‧三軸加速度規

122‧‧‧陀螺儀

123‧‧‧溫度感測器

13‧‧‧類比/數位訊號轉換器

14‧‧‧記憶模組

15‧‧‧資料傳輸模組

16‧‧‧無線接收器

17‧‧‧電池模組

Claims (5)

1. 一種微機電動態檢測裝置，包含有：一中央處理器，其包含有一邏輯程序，該中央處理器依照邏輯程序送出對應的控制訊號；一微機電感測模組，係與中央處理器電連接，其包含有採用微機電構成的一三軸加速度規、一陀螺儀與一溫度感測器，該三軸加速度規、陀螺儀與溫度感測器係接受中央處理器的控制訊號，分別送出其偵測的一加速度值、一轉速值與一溫度值；一類比/數位訊號轉換器，係與微機電感測模組電連接，其取得微機電感測模組輸出之加速度值、轉速值或溫度值，並分別轉換為對應的數位訊號；一記憶模組，係分別與中央處理器以及類比/數位訊號轉換器電連接，其接受中央處理器的控制訊號並分別儲存加速度值、轉速值與溫度值的數位訊號；一資料傳輸模組，係與記憶模組電連接，其輸出記憶模組儲存之加速度值、轉速值與溫度值的數位訊號；以及一無線接收器，係與中央處理器電連接，其接受一外部遙控訊號並送出一啟動訊號至中央處理器，以令中央處理器的啟動其邏輯程序。
2. 如請求項1所述之微機電動態檢測裝置，該無線接收器係一紅外線接收器。
3. 如請求項1或2所述之微機電動態檢測裝置，該微機電動態檢測裝置係裝設於一工具機的主軸，其溫度感測器係取得一主軸溫升參數，以提供主軸之工作溫度的最佳 時間及溫度補正數據。
4. 如請求項1或2所述之微機電動態檢測裝置，該微機電動態檢測裝置係裝設於一凸輪的凸輪面，該凸輪並與旋轉軸連接，其陀螺儀偵測旋轉軸之旋轉角速度，以取得凸輪之旋轉與往復運動的累積誤差。
5. 如請求項1或2所述之微機電動態檢測裝置，該微機電動態檢測裝置係結合於一旋轉軸的軸向或徑向，該三軸加速度規擷取該旋轉軸之X軸、Y軸與Z軸三個方向的振動值。