TW201816383A

TW201816383A - 非接觸式動剛度量測系統與方法

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Publication number: TW201816383A
Application number: TW105135179A
Authority: TW
Inventors: 戴仲裕; 蓋震宇; 彭達仁; 陳逸軒
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-01
Also published as: TWI628433B; CN108007657A; US20180120262A1

Abstract

一種非接觸式動剛度量測系統，具有基座、測試棒、激振模組、力感測器、都卜勒測速儀與控制模組。力感測器連接激振模組與基座。激振模組位於測試棒與力感測器之間。控制模組電性連接力感測器與都卜勒測速儀。測試棒用以可拆卸地設置於待測主軸的夾持座中。激振模組用以提供電磁力到測試棒。力感測器用以量測激振模組的作用力。都卜勒測速儀用以提供第一雷射與第二雷射。都卜勒測速儀根據反射之雷射以量測振動響應。控制模組用以依據作用力與振動響應計算出待測主軸的等效主軸剛性值。

Description

非接觸式動剛度量測系統與方法

本發明係關於一種動剛度量測系統與方法，特別是一種針對工具機主軸或轉軸的非接觸式動剛度量測系統與方法。

工具機係提供動力使工件與刀具進行相對運動，切削工件多餘之金屬以生產精密之零件。一般來說，工具機係藉由主軸帶動所夾持的刀具旋轉以提供切削力，因此工具機的架構必須有足夠的剛性，才能使刀具切削工件時提供穩定的切削力，以達到預期的精確度。

目前，常見的剛性測試方法大多是在主軸靜止的情況下對主軸進行量測。但是，靜止狀態與旋轉狀態的主軸動態特性並不相同，轉動中的主軸無法適用一般靜態敲擊測試進行動態特性量測，無法預測轉動的主軸特性。主軸常見的損壞因素多來自於軸承變異，但軸承剛性卻隨著轉速改變而呈現非線性變化且難以直接量測，容易造成維修誤判。

本發明在於提供一種非接觸式動剛度量測系統與方法，以在主軸旋轉的情況下，以非接觸式的方式量測得主軸的動剛度。

本發明揭露了一種非接觸式動剛度量測系統，適用於待測主軸，所述的動剛度量測系統具有基座、測試棒、激振模組、力感測器、都卜勒測速儀與控制模組。力感測器連接激振模組與基座。激振模組位於測試棒與力感測器之間。控制模組電性連接力感測器與都卜勒測速儀。激振模組用以提供電磁力到測試棒。測試棒具有感磁特性，並用以可拆卸地設置於待測主軸的夾持座中。力感測器用以量測激振模組的作用力。都卜勒測速儀用以提供第一雷射與第二雷射，都卜勒測速儀並依據第一雷射與第二雷射的反射以產生振動響應。控制模組用以依據作用力與振動響應取得待測主軸的等效主軸剛性值。

本發明揭露了一種非接觸式動剛度量測方法，步驟是先令待測主軸轉動，測試棒係隨待測主軸而轉動。以激振模組提供電磁力到轉動中的測試棒，並以力感測器感測激振模組的作用力。以都卜勒測速儀提供第一雷射至轉動中的測試棒的第一位置，並以都卜勒測速儀提供第二雷射至轉動中的測試棒的第二位置。依據被測試棒反射的第一雷射與被測試棒反射的第二雷射，以都卜勒測速儀產生第一位置與第二位置的振動響應。依據作用力與振動響應取得待測主軸的等效主軸剛性值。

綜合以上所述，本發明提供了一種非接觸式動剛度量測系統與方法，藉由電磁鐵激振轉動中的測試棒並對電磁鐵量測作用力，並藉由都卜勒測速儀測量測試棒的振動響應，依據作用力與振動響應計算出主軸的剛性值。過程中，激振測試棒與量測振動響應都為非接觸式的，且適用於量測受主軸帶動而轉動的測試棒。藉此，動剛度量測系統與方法得以在非接觸的情況下量測得轉動中的主軸動剛度。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1A，圖1A係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。如圖1A所示，非接觸式動剛度量測系統10具有基座101、測試棒103、激振模組105、力感測器109、都卜勒測速儀107與控制模組（未繪示）。力感測器109連接激振模組105與基座101。激振模組105位於測試棒103與力感測器109之間。控制模組電性連接力感測器109與都卜勒測速儀107。測試棒103用以可拆卸地設置於待測主軸20的夾持座201中。其中，待測主軸20例如為工具機的主軸或其他轉軸，夾持座201於實務上例如用以夾持刀具之刀把。藉由控制待測主軸20之轉動，而得以所提供之切削力切削工件。待測主軸20例如具有心軸與至少一軸承等相關組件，在此並不限制待測主軸20的形式。控制模組例如可為電腦、控制器或者是其他具有運算功能的電路。

當測試棒103設置於夾持座201中時，激振模組105用以產生並提供間歇性的電磁力FM給測試棒103。由於測試棒103的材質為感磁性材質，具有感磁特性。當激振模組105提供電磁力FM給測試棒103時，轉動之測試棒103依據電磁力FM的方向與大小而產生振動，從而帶動待測主軸20振動。在一實施例中，激振模組105具有單一個激振單元，並藉由此單一個激振單元提供所述的電磁力FM。在另一實施例中，激振模組105具有多個激振單元，並藉由多個激振單元分別提供不同方向的子電磁力。子電磁力的向量總和則為前述的電磁力。在一實施例中，電磁力FM的方向及大小係隨著時間而改變。激振模組105例如為電磁鐵。相關細節請見後續詳述。

力感測器109用以量測激振模組105的作用力FA。如前述，力感測器109係連接於激振模組105，因此當激振模組105提供電磁力FM給測試棒103時，激振模組105同時受到電磁力FM的反作用力。在一實施例中，力感測器109即量測得所述的反作用力以供後續分析。請參照圖1B，圖1B係為本發明另一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。非接觸式動剛度量測系統30的元件相對布局係相仿於圖1A中所示的動剛度量測系統，相關細節不再贅述。而在圖1B所述的實施例中，非接觸式動剛度量測系統30具有多個力感測器309以感應所述的作用力FA。在圖1A所示的實施例中，力感測器109可以被安排與電磁力FM共線或不共線，在圖1B所示的實施例中，各力感測器309可以被安排於與電磁力FM共平面或不共平面的位置。力感測器309的位置的安排方式係關聯於後續分析運算，相關細節則係為所屬技術領域具有通常知識者可依實際所需自由安排，在此並不贅述。

請再繼續參照圖1A，舉例二具都卜勒測速儀107分別用以提供第一雷射L1至測試棒103的第一位置P1，及提供第二雷射L2至測試棒103的第二位置P2。第一雷射L1平行於第二雷射L2，因此第一位置P1相異於第二位置P2，但在此並不限制第一位置P1與第二位置P2的距離。第一雷射L1與第二雷射L2係分別被測試棒103反射。都卜勒測速儀107依據被測試棒103反射的第一雷射L1與被測試棒103反射的第二雷射L2，產生第一位置P1與第二位置P2的振動響應。在一實施例中，振動響應例如為第一位置P1與第二位置P2相對於軸心AX的位移，或者是在一段時間中量測多個所述的位移而形成連續訊號，再由連續訊號所產生頻率響應以做為振動響應。

控制模組用以依據力感測器109量測得的作用力FA與都卜勒測速儀107所量測得的振動響應，判斷出待測主軸20於轉動時的等效主軸剛性值。相關細節請容後再述。

在一實施例中，測試棒103具有軸心AX，測試棒103的軸心AX的延伸方向異於電磁力FM的方向、第一雷射L1的傳輸方向與第二雷射L2的傳輸方向。且軸心AX、第一雷射L1、第二雷射L2、電磁力FM與作用力FA位於同一平面。以圖1所示的實施例來說，軸心AX係沿y軸方向延伸，第一雷射L1與第二雷射L2係沿x軸方向傳輸。電磁力FM與作用力FA的方向則平行於x軸方向。也就是說，第一雷射L1的傳輸方向、第二雷射L2的傳輸方向、電磁力FM的方向與作用力FA的方向彼此平行。在一實施例中，電磁力FM係作用於第一位置P1與第二位置P2的中點，但並不以此為限。

而在圖1A與圖1B所示的實施例中，軸心AX定義出第一側S1與第二側S2。舉例力感測器109、309位於第二側S2，而第一雷射L1的來源與第二雷射L2的來源則同位於相對之第一側S1，第一雷射L1的發射方向與第二雷射L2的發射方向相同。

請參照圖2A，圖2A係為本發明更一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。在圖2A所示的實施例中，軸心AX定義出第一側S1與第二側S2，第一雷射L1的來源、第二雷射S2的來源與力感測器409均同位於第二側S2。第一雷射L1的發射方向與第二雷射L2的發射方向相同。所屬技術領域具有通常知識者應可理解第一雷射L1的來源、第二雷射S2的來源與力感測器409也是可以同位於第一側S1。

請參照圖2B，圖2B係為本發明再一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。在圖2B所示的實施例中，軸心AX定義出第一側S1與第二側S2。力感測器509位於第二側S2。第一雷射L1的來源位於第一側S1，第二雷射L2的來源位於第二側S2。第一雷射L1的發射方向與第二雷射L2的發射方向相反。所屬技術領域具有通常知識者應可理解第一雷射L1的來源也可位於第二側S2，而此時第二雷射L2的來源則位於第一側S1。

圖3A係為本發明又一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。在圖3A所示的實施例中，動剛度量測系統60的激振模組605具有第一激振單元6051與第二激振單元6052。第一激振單元6051位於第一側S1。第二激振單元6052位於第二側S2。第一激振單元6051用以提供第一電磁力FM1給測試棒603，第二激振單元6052用以提供第二電磁力FM2給測試棒603。在此實施例中，在同一時刻，第一電磁力FM1的方向相同於第二電磁力FM2的方向，第一電磁力FM1與第二電磁力FM2的和為電磁力FM。在此實施例中，非接觸式動剛度量測系統60具有力感測器6091與力感測器6092。力感測器6091連接於第一激振單元6051。力感測器6092連接於第二激振單元6052。力感測器6091與力感測器6092分別用以感測出第一激振單元6051的作用力FA1，與第二激振單元6052的作用力FA2。如前述地，作用力FA1為第一電磁力FM1的反作用力，作用力FA2為第二電磁力FM2的反作用力。控制模組依據作用力FA1與FA2以判斷出電磁力FM的大小並進行後續的分析。

請一併參照圖3B，圖3B係為本發明又更一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。圖3B中所示的非接觸式動剛度量測系統70的元件布局係相仿於圖3A中所示的非接觸式動剛度量測系統60的元件布局，不同的是，非接觸式動剛度量測系統70的激振模組70僅具有一有效之第一激振單元7051。在此實施例中，第一激振單元7051所施予的第一電磁力FM1的大小與第二激振單元7052所施予的第二電磁力FM2的大小係被調校至相同。換句話說，只需要量測得作用力FA1的大小即可推得作用力FA的大小，並得以進行後續分析。

請接著參照圖4A、圖4B與圖4C以說明非接觸式動剛度量測系統於一實施例中的具體結構，圖4A係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的立體示意圖，圖4B係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的側視示意圖。在圖4A與圖4B所示的實施例中，各元件的相對關係大致上如圖1A所示。其中，基座801更具有底座8015、支撐彈片8011a、8011b、支撐架8013與抵靠單元8017。支撐彈片8011a、8011b設置於底座8015上，支撐架8013則設置於支撐彈片8011a、8011b上。在此實施例中，支撐彈片8011a、8011b上分別具有開口（未標示），支撐架8013係分別經由開口而卡扣於支撐彈片8011a、8011b上。抵靠單元8017設置於底座8015上。

相對於基座801以外的其他元件而言，支撐架8013係用以裝設激振模組805，抵靠單元8017連接於力感測器809且抵靠單元8017用於支撐力感測器809。在此實施例中，激振模組805具有第一激振單元8051與第二激振單元8052，且第一激振單元8051為第一電磁鐵，第二激振單元8052為第二電磁鐵。後續說明將以第一電磁鐵8051與第二電磁鐵8052稱之。

請一併參照圖4C與圖4D以說明激振模組805的實施態樣，圖4C係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的第一電磁鐵與第二電磁鐵的結構示意圖，圖4D係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的第一電磁鐵與第二電磁鐵的另一結構示意圖。為避免圖式混亂，在圖4C中不再繪示出測試棒803。第一電磁鐵8051包含鐵芯ICR1與線圈CL1。第二電磁鐵8052包含鐵芯ICR2與線圈CL2。線圈CL1纏繞於鐵芯ICR1。線圈CL2纏繞於鐵芯ICR2。第一電磁鐵8051具有第一端e1與第二端e2，第一端e1與第二端e2分別指向測試棒803。第二電磁鐵8052具有第三端e3與第四端e4。第三端e3與第四端e4分別指向測試棒803。第一端e1、第二端e2、第三端e3與第四端e4並不接觸測試棒803。如圖4D所示，第一端e1的延伸方向重合於第四端e4的延伸方向，第二端e2的延伸方向重合於第三端e3的延伸方向。在此實施例中，舉例第一端e1的延伸方向與第二端e2的延伸方向所形成的夾角θ1為90度，第三端e3的延伸方向與第四端e4的延伸方向所形成的夾角θ2為90度。另一方面，在此實施例中，夾角θ1係相等於夾角θ2，但並不以此為限。

在上述的激振模組805的結構之下，第一電磁鐵8051經由第一端e1提供分量F21，且第一電磁鐵8051經由第二端e2提供分量F22。分量F21與分量F22的和即為前述的第一電磁力FM1。相仿地，第二電磁鐵8052經由第三端e3提供分量F11，且第二電磁鐵8052經由第四端e4提供分量F12。分量F11與分量F12的和即為前述的第二電磁力FM2。而在另一實施例中，線圈CL1與線圈CL2係具有預設匝數與預設密度，以使第一電磁力FM1與第二電磁力FM2的大小相同。此外，在一實施例中，第一電磁鐵8051上的電流相位與第二電磁鐵8052上的電流相位係被控制成相差90度，而使得第一電磁力FM1與第二電磁力FM2的方向相同。在此實施例中，電磁力FM的方向係平行於x軸的方向。

請接著參照圖4E，圖4E係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的第一電磁鐵的鐵芯的立體示意圖。如圖4E所示，第二電磁鐵8052的鐵芯ICR2具有多個導磁子層，在圖4E中係標示出導磁子層CM11~CM14以作說明。導磁子層CM11~CM14以一堆疊方向堆疊。導磁子層CM11~CM14例如為矽鋼片，但不以此為限。在此實施例中，堆疊方向係平行於y軸方向，而第二電磁鐵8052的磁性方向係位於xz平面上，也就是說，堆疊方向異於第二電磁鐵8052的磁性方向。藉此層疊結構，使得第二電磁鐵8052所產生的磁場均勻，或者說使得第二電磁鐵8052所產生的磁力線均勻，且可增加單位面積之磁力線。第一電磁鐵8051的鐵芯ICR1具有與第二電磁鐵8052的鐵芯ICR2相同的結構，於此不再贅述。

請再參照圖1A以說明取得作用力FA與第一位置P1與第二位置P2的振動響應的後續分析。以圖1A所示的實施例來說，非接觸式動剛度量測系統10係如前述地取得作用力FA的量測結果，與第一位置P1與第二位置P2的振動響應。非接觸式動剛度量測系統10更依據作用力FA的量測結果與第一位置P1與第二位置P2的振動響應再取得頻率響應。請參照圖5，圖5係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統取得的頻率響應示意圖。圖5的橫軸係為頻率的對數（logarithm），單位為赫茲（Hertz, Hz）。圖5的縱軸係為頻率響應大小的對數（logarithm），單位為位移/力(mm/N)。在圖5中，頻率響應可依據頻率大小定義出第一頻段B1，且依據曲線線型定義出第二頻段B2與第三頻段B3。在一實施例中，第二頻段B2為曲線線型由低頻到高頻的第一個峰值。第三頻段B3為曲線線型由低頻到高頻的第二個峰值。峰值的定義係為所屬技術領域具有通常知識者依實際所需所能自由定義，在此並不加以限制。

第一頻段B1可被視為相對低頻的低頻頻段，且第一頻段B1中的頻率響應的線型近似為一直線。所述直線的斜率的倒數即為待測主軸20的等效心軸剛性值。而第二頻段B2的一第一峰值的倒數係對應於待測主軸20前軸承的前軸承等效剛性值，第三頻段B3的一第二峰值的倒數係對應於待測主軸20後軸承的後軸承等效剛性值。換句話說，動剛度量測系統10係依據第一頻段B1的等效直線的斜率取得待測主軸20的等效心軸剛性值。依據第二頻段B2的一第一峰值所對應的等效剛性值與頻率取得前軸承等效剛性值，更依據第三頻段B3的一第二峰值所對應的等效剛性值與頻率取得後軸承等效剛性值。而非接觸式動剛度量測系統10更依據前軸承等效剛性值、後軸承等效剛性值與等效心軸剛性值取得主軸的等效剛性值。

換句話說，在令待測主軸20以不同轉速轉動的情況下，進行上述的步驟取得不同轉速下的作用力FA與振動響應，即可令非接觸式動剛度量測系統10取得不同的頻率響應函數。而依據頻率響應函數於不同頻段之前軸承等效剛性值、後軸承等效剛性值與等效心軸剛性值，即可令動剛度量測系統10取得不同轉速下的主軸等效剛性值。在圖5所示的實施例中，係以每分鐘6000轉（RPM）的情況下所取得的頻率響應函數作說明。

請參照圖6，圖6係為本發明一實施例中主軸受力的示意圖。在圖6中係繪示有待測主軸20及測試棒103所形成的等效軸線L，以及等效軸線L的受力示意。其中，等效軸線L上更標示有第一位置P1、第二位置P2、第三位置P3與第四位置P4。其中，第一位置P1與第二位置P2如前述地對應於第一雷射L1與第二雷射L2，而第三位置P3係對應於待測主軸20的前軸承的位置，第四位置P4則對應於待測主軸20的後軸承的位置。藉由等效軸線L的靜力平衡，控制模組可以取得前軸承等效剛性值與後軸承等效剛性值。在靜力平衡的情況下，第三位置P3與第四位置P4相當於分別受到虛擬彈簧SP1、SP2提供的作用力，而與前述的電磁力FM達到平衡。其中，虛擬彈簧SP1、SP2的彈性係數則分別相當於前軸承與後軸承的等效剛性值。等效軸線L的靜力平衡可由此式：表達之，其中x₁ 係前軸承變位，x₂ 係後軸承變位，k_b1 係前軸承等效剛性，k_b2 係後軸承等效剛性，F為電磁激振力或為SP1與SP2提供的作用力。

請參照圖7，圖7係為本發明一實施例中主軸模型的示意圖。依據前軸承等效剛性值、後軸承等效剛性值與待測主軸20的心軸CR的相關參數(心軸幾何形狀參數、材料參數)與前軸承位置及後軸承位置，控制模組得以建立等效主軸模型。控制模組更可經由等效主軸模型計算待測主軸20的自然頻率與模態振型。更具體地來說，控制模組可以建立系統動態方程式如：。其中，為質量矩陣，為等效剛性矩陣，各矩陣中的元素係為所屬技術領域具有通常知識者可自由定義，在此並不加以限制。系統動態方程式的特徵向量與曲線方程之積即為模態振型，其中曲線方程{S_i }來自於有限元素法的各種樑理論，在此並不限制樑理論的選擇。

此外，控制模組更依據所計算之第一模態自然頻率值、第二模態自然頻率值與所量測之自然頻率值進行誤差比對。控制模組並依據誤差比對調整等效軸承剛性值，直到誤差方程式達到平衡。所述的誤差方程式例如為：。其中，與係為權重陣列，其每一元素係為一權重值，在此並不限制權重陣列的內容。ε_z 係誤差值，該誤差值可為系統動態方程式中的任一參數誤差，包含系統質量、系統剛性、軸承剛性等。ΔΘ_i 係補償值，該補償值對應誤差值，誤差值若為系統剛性，補償值就是系統剛性。特徵值即為待測主軸20的自然頻率。當誤差方程式達到最小值時，此時的等效軸承剛性即為正確之等效軸承剛性，並得以用來重建等效主軸模型。

請參照圖8，圖8說明本發明一實施例中非接觸式主軸等效剛性值相對於不同轉速的示意圖。圖8的橫軸為轉速，單位為rpm。圖8的縱軸為經過調整後的剛性值，單位為N/m。如前述地，藉由令待測主軸20以不同的轉速轉動，並對應地執行上述的量測步驟，即可量測出待測主軸20在不同轉速下的動剛度。其中，由圖8可以看出，圖8所對應的實驗中，待測主軸20在轉速為500rpm左右時會具有相對較小的剛性值，因此，若將待測主軸20操作在轉速為500rpm左右可能會造成加工誤差而應避免。

請參照圖9A與圖9B，圖9A係為本發明一實施例中在一固定轉速下的兩種模態振型，圖9B係為本發明一實施例中在一固定轉速下的另外兩種模態振型。圖9A與圖9B顯示出了待測主軸20在轉速為3000rpm時的多種模態振型，在圖9A與圖9B中係分別標示為模態振型MODE1~MODE4。更詳細地來說，模態振型MODE1~MODE4分別對應於第一模態自然頻率值到第四模態自然頻率值，第一模態自然頻率值至第四模態自然頻率值的相對大小趨勢係為遞增。亦即，第一模態自然頻率值是第一模態自然頻率值到第四模態自然頻率值中最小的自然頻率值，第四模態自然頻率值為第一模態自然頻率值到第四模態自然頻率值中最大的自然頻率值。且其中，模態振型MODE1~MODE4更標示有對應於第三位置P3與第四位置P4的部分，也就是模態振型MODE1~MODE4對應於前軸承與後軸承的部分。

沿續以上說明，本發明提供了一種非接觸式動剛度量測方法，所述的非接觸式動剛度量測方法適用於上述各實施例所提及之非接觸式動剛度量測系統。請參照圖10，圖10係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測方法的步驟流程圖。在所述的非接觸式動剛度量測方法中，於步驟S101中，令待測主軸以一轉速轉動，測試棒係隨待測主軸而繞其軸心轉動，該轉速將逐次改變以計算其剛性值。在步驟S103中，以激振模組提供電磁力給轉動中的測試棒，並以力感測器感測激振模組的作用力的大小。在步驟S105中，以都卜勒測速儀提供第一雷射至轉動中的測試棒的第一位置，並以都卜勒測速儀提供第二雷射至轉動中的測試棒的第二位置。在步驟S107中，依據被測試棒反射的第一雷射與被測試棒反射的第二雷射，以都卜勒測速儀產生第一位置與第二位置的振動響應。並在步驟S109中，依據作用力與振動響應計算出待測主軸的等效主軸剛性值。

綜合以上所述，本發明提供了一種非接觸式動剛度量測系統與方法，藉由電磁鐵激振轉動中的測試棒並對電磁鐵量測其作用力，藉由都卜勒測速儀測量測試棒的振動響應，依據作用力與振動響應判斷出等效主軸剛性值。過程中，激振測試棒與量測振動響應都為非接觸式的，且適用於量測受主軸所帶動而轉動的測試棒。藉此，動剛度量測系統與方法得以在非接觸的情況下量測得轉動中的主軸的動剛度。另一方面，在辨識剛性的過程中，本發明所提供的非接觸式動剛度量測系統與方法更可以得到關聯於軸承的等效剛性值，依據等效剛性值與主軸的其他參數，本發明所提供的非接觸式動剛度量測系統與方法更可建立等效主軸模型，以供使用者調校工具機的操作參數，例如轉速或進給率等，或者令製造商得以據以安排加工條件，非常具有實用性。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10、30~80‧‧‧非接觸式動剛度量測系統

101、301~801‧‧‧基座

103、303~803‧‧‧測試棒

105、305~805‧‧‧激振模組

107、307~807‧‧‧都卜勒測速儀

109、309~809‧‧‧力感測器

8011a、8011b‧‧‧支撐彈片

8013‧‧‧支撐架

8015‧‧‧底座

8017‧‧‧抵靠單元

805‧‧‧激振模組

8051、8052‧‧‧第一激振單元(第一電磁鐵)、第二激振單元(第二電磁鐵)

20‧‧‧待測主軸

201‧‧‧夾持座

AX‧‧‧軸心

B1~B3‧‧‧頻段

CL1、CL2‧‧‧線圈

CM11~CM14‧‧‧導磁子層

CR‧‧‧心軸

e1、e2、e3、e4‧‧‧端

F11、F12、F21、F22‧‧‧分量

FA‧‧‧作用力

FM、FM1、FM2‧‧‧電磁力

ICR1、ICR2‧‧‧鐵芯

L1、L2‧‧‧雷射

P1~P4‧‧‧位置

S1‧‧‧第一側

L‧‧‧等效軸線

S2‧‧‧第二側

SP1、SP2‧‧‧虛擬彈簧

θ1、θ2‧‧‧夾角

圖1A係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。圖1B係為本發明另一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。圖2A係為本發明更一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。圖2B係為本發明再一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。圖3A係為本發明又一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。圖3B係為本發明又更一實施例中非接觸式動剛度量測系統的各元件相對位置示意圖。圖4A係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的立體示意圖。圖4B係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的側視示意圖。圖4C係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的第一電磁鐵與第二電磁鐵的結構示意圖。圖4D係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的第一電磁鐵與第二電磁鐵的另一結構示意圖。圖4E係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統的第一電磁鐵的鐵芯的立體示意圖。圖5係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測系統取得的頻率響應示意圖。圖6係為本發明一實施例中主軸受力的示意圖。圖7係為本發明一實施例中主軸模型的示意圖。圖8係為本發明一實施例中非接觸式主軸等效剛性值相對於不同轉速的示意圖。圖9A係為本發明一實施例中在一固定轉速下的兩種模態振型。圖9B係為本發明一實施例中在一固定轉速下的另外兩種模態振型。圖10係為本發明一實施例中非接觸式動剛度量測方法的步驟流程圖。

Claims

一種非接觸式動剛度量測系統，適用於一待測主軸，包括：一基座；一測試棒，具有感磁特性，用以可拆卸地設置於該待測主軸的一夾持座中；至少一激振模組，用以提供一電磁力；至少一力感測器，連接該激振模組並裝設於該基座，該力感測器用以量測該激振模組的一作用力；至少一都卜勒測速儀，該都卜勒測速儀用以提供一第一雷射與一第二雷射，該都卜勒測速儀並依據該第一雷射的反射與該第二雷射的反射，產生一振動響應；以及一控制模組，電性連接於該力感測器與該都卜勒測速儀，依據該作用力與該振動響應以取得該待測主軸的一等效主軸剛性值。
如第1項所述之非接觸式動剛度量測系統，其中該第一雷射的傳輸方向與該第二雷射的傳輸方向是相互平行。
如第1項所述之非接觸式動剛度量測系統，其中該激振模組是設置於該測試棒與該力感測器之間。
如第1項所述之非接觸式動剛度量測系統，其中該都卜勒測速儀是設置於該測試棒與該激振模組之間。
如第1項所述之非接觸式動剛度量測系統，其中該測試棒是設置於該都卜勒測速儀與該激振模組之間。
如第1項所述之非接觸式動剛度量測系統，其中該激振模組具有一第一激振單元與一第二激振單元，該第一激振單元為一第一電磁鐵，該第二激振單元為一第二電磁鐵。
如第6項所述之非接觸式動剛度量測系統，其中該第一電磁鐵與該第二電磁鐵各別包括：一鐵芯，具有多個導磁子層，該些導磁子層以一堆疊方向堆疊；以及一線圈，纏繞於該鐵芯。
一種非接觸式動剛度量測方法，適用於第1項所述之非接觸式動剛度量測系統，該方法包括：令該待測主軸轉動，該測試棒隨該待測主軸而轉動；以該激振模組提供該電磁力到轉動中的該測試棒，並以該力感測器感測該激振模組的該作用力；以該都卜勒測速儀提供該第一雷射與該第二雷射至轉動中的該測試棒；依據被該測試棒反射的該第一雷射與被該測試棒反射的該第二雷射，以該都卜勒測速儀產生該振動響應；以及依據該作用力與該振動響應取得該待測主軸的該等效主軸剛性值。
如第8項所述之非接觸式動剛度量測方法，其中於依據該作用力與該振動響應取得該待測主軸的該等效主軸剛性值的步驟中，更包括：依據該作用力與該振動響應取得一頻率響應函數；依據該頻率響應函數的低頻頻段取得該待測主軸的一等效心軸剛性值；依據該頻率響應函數的高頻頻段取得該待測主軸的一等效軸承剛性值；以及依據該等效心軸剛性值與該等效軸承剛性值取得該等效主軸剛性值。
如第9項所述之非接觸式動剛度量測方法，其中該等效心軸剛性值是該低頻頻段的斜率的倒數，該等效軸承剛性值是該高頻頻段的峰值的倒數。