TW201600222A - 預壓力殘存率之偵測方法 - Google Patents

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Abstract

一種預壓力殘存率之偵測方法，包含有下列步驟：a.在可相對移動之二元件其中之一安裝一溫度感測器；b.使該二元件相對移動，同時記錄該溫度感測器所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一初始溫升曲線；c.使該二元件相對移動，同時記錄該溫度感測器所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一偵測溫升曲線；d.比較該初始溫升曲線與該偵測溫升曲線之差異，進而得到該二元件在該步驟c進行時相對於該步驟b進行時的預壓力殘存率；該偵測方法可在受測物運轉時偵測其所受預壓力之殘存率，且成本低、使用壽命長、反應速度快、偵測結果較為準確。

Description

預壓力殘存率之偵測方法
本發明係與預壓力偵測方法有關，特別是關於一種預壓力殘存率之偵測方法。
習知許多進給或傳動裝置，例如滾珠螺桿裝置、線性滑軌裝置、齒輪機構等等，其中二相對移動的元件之間會在製造或組裝的過程中被施予預壓力，以消除背隙並提高結構剛性，進而達到高速及高定位精度之性能。
以滾珠螺桿裝置為例，其螺桿與螺帽之間會放置較大尺寸之滾珠，藉以產生具前述效果之預壓力。然而，在運轉過程中，滾珠會與螺桿及螺帽相互磨耗，使得預壓力逐漸減小，導致定位精度逐漸降低進而產生失步(lost motion)之問題。因此，若未能在預壓力失效前即時更換滾珠，將使機台產生不良之運作精度。但若採用定期更換滾珠之方式以避免預壓力失效，則容易更換掉尚未過度磨耗之滾珠，造成成本上的浪費。因此，較佳的解決方式係對預壓力進行偵測，以於預壓力降低至預定之殘存量時進行補正。
傳統量測滾珠螺桿裝置之預壓力的方法，係以拉力計勾住螺帽而進行量測，再將拉力計測得之彈簧力換算為滾珠螺桿裝置之預壓力，但此量測方法進行時需將機台停機，而無法進行線上量測，且需代入相關之物理參數(例如彈性係數)以進行換算，如此會有參數不準確及換算過程產生的誤差。習知另一種預壓力量測方法，係使用扭力計量測滾珠螺桿之扭力變化，並將量測到的扭力等效為螺桿之預壓力，但扭力計價格昂貴且因易磨耗而使用壽命短。習知又一種預壓力量測方法，係利用加速規或位移計量測滾珠螺桿之振動情況以估測預壓力，但此方法容易受到其他振動源造成之雜訊干擾，因此無法準確預估預壓力。
有鑑於上述缺失，本發明之主要目的在於提供一種預壓力殘存率之偵測方法，係用以在受測物運轉時偵測其所受預壓力之殘存率，且該偵測方法成本低、使用壽命長、反應速度快、偵測結果較為準確。
為達成上述目的，本發明所提供之預壓力殘存率之偵測方法包含有下列步驟：a.在可相對移動之二元件其中之一安裝一溫度感測器；b.使該二元件相對移動，同時記錄該溫度感測器所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一初始溫升曲線；c.使該二元件相對移動，同時記錄該溫度感測器所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一偵測溫升曲線；以及d.比較該初始溫升曲線與該偵測溫升曲線之差異，進而得到該二元件在該步驟c進行時相對於該步驟b進行時的預壓力殘存率。
舉例而言，該二元件可分別為一滾珠螺桿裝置之一螺桿及一螺帽，該步驟a及該步驟b可於該滾珠螺桿裝置出廠前進行，該步驟c及該步驟d可於該滾珠螺桿裝置開始使用後進行。當該滾珠螺桿裝置之預壓力減少時，滾珠與螺桿及螺帽之間的摩擦力及其所產生的熱能也會隨之減少，因此，將螺桿或螺帽在運轉時的溫升曲線與其出廠前的溫升曲線進行比較，即可偵測出預壓力殘存率。
藉此，本發明可在受測物(亦即該二元件)運轉時偵測其所受預壓力之殘存率，而且，由於溫度感測器價格低且無磨耗問題，因此本發明之偵測方法成本低且使用壽命長，溫度感測器更有反應速度快之優點，此外，該偵測方法不需藉由複雜的分析過程，也不需將物理參數代入公式以計算出結果，因此本發明之偵測方法有較佳之強健性(robustness)、偵測結果較為準確。
有關本發明所提供之預壓力殘存率之偵測方法的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。
10‧‧‧元件(螺桿)
20‧‧‧元件(螺帽)
22‧‧‧安裝孔
24‧‧‧外周面
26‧‧‧端面
30‧‧‧溫度感測器
40‧‧‧滾珠螺桿裝置
50‧‧‧滾珠
60‧‧‧初始溫升曲線
62‧‧‧線性區段
70‧‧‧偵測溫升曲線
72‧‧‧線性區段
第1圖為本發明一較佳實施例所提供之預壓力殘存率之偵測方法的步驟圖；第2圖為一應用該預壓力殘存率之偵測方法的滾珠螺桿裝置之剖視示意圖；第3圖係類同於第2圖，惟該預壓力殘存率之偵測方法中的一溫度感測器在第2圖及第3圖係設於不同位置；以及第4圖為一溫度對時間的曲線圖，係顯示該預壓力殘存率之偵測方法中的一初始升溫曲線及一偵測升溫曲線。
申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。
請參閱各圖式，本發明一較佳實施例所提供之預壓力殘存率之偵測方法包含有下列步驟：
a.在可相對移動之二元件10、20其中之一安裝一溫度感測器30。
本實施例係以一滾珠螺桿裝置40為例，藉以說明本發明所提供的預壓力殘存率之偵測方法，該二元件10、20在本實施例中分別為該滾珠螺桿裝置40之一螺桿及一螺帽。該溫度感測器30可為一熱電耦(thermal couple)或其他可感測溫度之感測器，係用以偵測該螺桿10或該螺帽20因與設於其之間的多數滾珠50摩擦生熱而產生的溫度變化。
在本實施例中，該溫度感測器30設於該螺帽20，但亦可設於該螺桿10。為了偵測到明顯的溫度變化，並降低外界空氣對偵測結果的影響，該螺帽20可設有一安裝孔22，以供該溫度感測器30設於該安裝孔22內，例如，該安裝孔22可自該螺帽20之一外周面24朝該螺桿10之方向凹陷(如第2圖所示)，或者，該安裝孔22可自該螺帽20之一端面26鄰近該螺桿10之處凹陷；藉此，該溫度感測器30能非常靠近該螺桿10及 該等滾珠50，以感測到明顯的溫度變化。
b.使該二元件10、20相對移動，同時記錄該溫度感測器30所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一初始溫升曲線60。
該滾珠螺桿裝置40運作時，各該滾珠50摩擦該螺桿10及該螺帽20而使其溫度逐漸升高，此摩擦生熱現象所造成該螺桿10及該螺帽20溫度之上升可由下列之方程式表示： c．△T．m=F．△S
其中，c為該螺桿10或該螺帽20之比熱，m為其質量，F為該螺桿10或該螺帽20與滾珠50之間的摩擦力，△S為該螺帽20在該螺桿10之螺紋斜面上的等效位移量，△T為該螺桿10或該螺帽20之溫度上升量。該螺桿10或該螺帽20係受到一垂直其軸向之預壓力Fp作用而產生前述之摩擦力F，因此該摩擦力F可由下列之方程式表示：F=Fp．sin ρ．μ
其中，ρ為該螺桿10之導程角，Fp．sin ρ係由預壓力Fp分解出之朝向螺紋斜面的正向力，μ為摩擦係數。該螺帽20沿著該螺桿10直線移動之位移量△Saxial與△S之關係可由下列之方程式表示：△Saxial=△S．sin ρ
將上列三方程式對時間微分一次，可推導出預壓力Fp與溫升速率△T/△t之關係如下：△T/△t=(μ/mc)．(△Saxial/△t)．Fp
意即，當該螺帽20沿著該螺桿10直線移動之速度(△Saxial/△t)固定時，預壓力Fp係與溫升速率△T/△t成正比。在此步驟b進行的過程中，預壓力Fp可視為定值，則溫升速率△T/△t亦為定值，如第4圖所示，在該滾珠螺桿裝置40剛開始運轉時(大約在0至50秒之間)，該初始溫升曲線60具有一近似於直線的線性區段62，此時該螺桿10及該螺帽20之溫升速率△T/△t為定值，亦即該線性區段62之斜率。在該滾珠螺桿裝置40運轉一段時間後，由於摩擦產生的熱能與空氣之間的對流增加，因此該初始溫升曲線60轉變為非線性，最後呈現溫度穩定狀態。
c.使該二元件10、20相對移動，同時記錄該溫度感測器30所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一偵測溫升曲線70。
前述之步驟a及步驟b可在該滾珠螺桿裝置40出廠前進行，而此步驟c及後續之步驟d可在該滾珠螺桿裝置40開始使用後進行，以測得該螺桿10或該螺帽20在其本身以及該等滾珠50可能已有相當程度之磨耗的情況下的溫升曲線70以及預壓力殘存率。如第4圖所示，該偵測溫升曲線70在該滾珠螺桿裝置40剛開始運轉時亦具有一近似於直線的線性區段72，此時該螺桿10及該螺帽20之溫升速率△T/△t為定值，亦即該線性區段72之斜率。
d.比較該初始溫升曲線60與該偵測溫升曲線70之差異，進而得到該二元件10、20在該步驟c進行時相對於該步驟b進行時的預壓力殘存率。
當該滾珠螺桿裝置40之預壓力Fp減少時，該螺桿10或該螺帽20與滾珠50之間的摩擦力F及其所產生的熱能也會隨之減少，溫升速率△T/△t也會隨之降低。由前述之方程式可得知，溫升速率△T/△t係正比於(△Saxial/△t)．Fp，因此，藉由該螺帽20沿著該螺桿10直線移動之速度(△Saxial/△t)以及溫升曲線60、70，可估測出該滾珠螺桿裝置40在使用後殘存之預壓力與出廠時之預壓力的比值，亦即前述之預壓力殘存率。
本發明所提供之預壓力殘存率之偵測方法中，更可將該二元件10、20相對移動的速度在該步驟c及該步驟b中設定為相同的速度，亦即，在本實施例中，使該螺帽20沿著該螺桿10直線移動的速度(△Saxial/△t)在該步驟c及該步驟b中為相等之速度，如此一來，該滾珠螺桿裝置40之預壓力Fp係正比於溫升速率△T/△t。前述之步驟b中可利用該初始溫升曲線60取得一初始溫升率，亦即該初始溫升曲線60的線性區段62之斜率，前述之步驟c中亦可利用該偵測溫升曲線70取得一偵測溫升率，亦即該偵測溫升曲線70的線性區段72之斜率，此步驟d中的預壓力殘存率即為該偵測溫升率與該初始溫升率的比值。
換言之，只要測得該初始溫升曲線60及該偵測溫升曲線70，即可由其線性區段62、72之斜率計算出該滾珠螺桿裝置40之預壓力殘存率，不需再將其他相關之物理參數代入公式計算，因此本發明之偵測方法有較佳之強健性(robustness)、偵測結果較為準確。而且，本發明可在受測物(亦即該二元件10、20)運轉時進行偵測。此外，本發明係利用溫度 感測器30進行偵測，更有成本低、使用壽命長，以及反應速度快之優點。
最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (10)

  1. 一種預壓力殘存率之偵測方法，包含有下列步驟：a.在可相對移動之二元件其中之一安裝一溫度感測器；b.使該二元件相對移動，同時記錄該溫度感測器所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一初始溫升曲線；c.使該二元件相對移動，同時記錄該溫度感測器所感測到的溫度隨時間之變化，進而得到一偵測溫升曲線；以及d.比較該初始溫升曲線與該偵測溫升曲線之差異，進而得到該二元件在該步驟c進行時相對於該步驟b進行時的預壓力殘存率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該二元件在該步驟c中相對移動的速度與該二元件在該步驟b中相對移動的速度相等。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該二元件分別為一滾珠螺桿裝置之一螺桿及一螺帽，該步驟a及該步驟b係於該滾珠螺桿裝置出廠前進行，該步驟c及該步驟d係於該滾珠螺桿裝置開始使用後進行。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該螺帽在該步驟c中沿著該螺桿直線移動的速度與該螺帽在該步驟b中沿著該螺桿直線移動的速度相等。
  5. 如申請專利範圍第2或4項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該步驟b中更利用該初始溫升曲線取得一初始溫升率，該步驟c中更利用該偵測溫升曲線取得一偵測溫升率，該步驟d中的預壓力殘存率為該偵測溫升率與該初始溫 升率的比值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該初始溫升曲線及該偵測溫升曲線分別具有一近似於直線的線性區段，該初始溫升率及該偵測溫升率分別為該初始溫升曲線及該偵測溫升曲線的線性區段之斜率。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該螺帽具有一外周面，以及一自該外周面朝該螺桿之方向凹陷的安裝孔，該溫度感測器係設於該安裝孔內。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該螺帽具有一端面，以及一自該端面鄰近該螺桿之處凹陷的安裝孔，該溫度感測器係設於該安裝孔內。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中設有該溫度感測器之該元件具有一安裝孔，該溫度感測器係設於該安裝孔內。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之預壓力殘存率之偵測方法，其中該溫度感測器為一熱電耦。
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