TW201821768A - 旋轉感測裝置及旋轉感測方法 - Google Patents

旋轉感測裝置及旋轉感測方法 Download PDF

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Abstract

一種旋轉感測裝置，包括一座體、一旋轉件、至少一磁性件組、至少一磁感測元件組及一處理單元。磁性件組配置於旋轉件上且包括一軸向磁性件及一徑向磁性件。磁感測元件組配置於座體上且包括一軸向磁感測元件及一徑向磁感測元件。當旋轉件相對於座體轉動時，軸向磁感測元件及徑向感測元件分別感測相關於軸向磁性件的磁變化量及相關於徑向磁性件的磁變化量而產生一感測訊號。處理單元適於依據感測訊號獲得旋轉件的轉速、負荷量及偏擺量。此外，一種旋轉感測方法亦被提及。

Description

旋轉感測裝置及旋轉感測方法
本發明是有關於一種感測裝置及感測方法，且特別是有關於一種旋轉感測裝置及旋轉感測方法。
隨著自動控制技術的進步，自動化工具機已成為市場主流。一般來說，自動化工具機配置有不同種類、數量的感測元件，用以感測其組件的作動狀態。以自動化工具機的旋轉工作台等旋轉組件而言，需分別利用不同種類的感測元件來感測其轉速、偏擺及負載。舉例來說，可利用旋轉編碼器及紅外線轉速計來感測旋轉組件的轉速，可利用壓力感測器來感測旋轉組件的負載，且可利用渦電流感測器來感測旋轉組件的偏擺。
然而，此種配置方式需將所述多種不同的感測器整合成單一感測模組，其配置成本過高且佔據過多的配置空間。此外，若其中一種感測器損壞失效，則感測模組須進行更換或維修才能使其正常作業，亦即，過多種類的感測器導致其可靠度下降。再者，所述多種感測器所構成的感測模組多為嵌入式的配置方式，故需將旋轉組件拆解後才能進行所述更換或維修，大幅增加了人力成本及維修時間。
本發明提供一種旋轉感測裝置及旋轉感測方法，具有良好的感測能力，可節省旋轉感測裝置的配置成本及維修成本，可節省旋轉感測裝置的配置空間，且可提升旋轉感測裝置的可靠度。
本發明的旋轉感測裝置包括一座體、一旋轉件、至少一磁性件組、至少一磁感測元件組及一處理單元。旋轉件可轉動地連接於座體。磁性件組配置於旋轉件上且包括一軸向磁性件及一徑向磁性件。磁感測元件組配置於座體上且包括一軸向磁感測元件及一徑向磁感測元件。當旋轉件相對於座體轉動時，軸向磁感測元件及徑向感測元件分別感測相關於軸向磁性件的磁變化量及相關於徑向磁性件的磁變化量而產生一感測訊號。處理單元耦接磁感測元件組，且適於依據感測訊號獲得旋轉件的轉速、負荷量及偏擺量。
本發明的旋轉感測方法包括以下步驟。建立一訊號-負荷量關係資訊及一訊號-偏擺量關係資訊。驅動一旋轉件相對於一座體轉動，其中至少一磁性件組配置於旋轉件上且包括一軸向磁性件及一徑向磁性件，至少一磁感測元件組配置於座體上且包括一軸向磁感測元件及一徑向磁感測元件。藉由軸向磁感測元件及徑向感測元件分別感測相關於軸向磁性件的磁變化量及相關於徑向磁性件的磁變化量而產生一感測訊號。藉由一處理單元依據感測訊號獲得旋轉件的轉速，藉由處理單元依據訊號-負荷量關係資訊及感測訊號獲得旋轉件的負荷量，並藉由處理單元依據訊號-偏擺量關係資訊及感測訊號獲得旋轉件的偏擺量。
基於上述，本發明的旋轉感測裝置藉由磁性件組及磁感測元件組的搭配來同時感測旋轉件的轉速、負荷量及偏擺量，而非如同習知技術般利用多種不同的感測器來分別感測物件的轉速、負荷量及偏擺量，據以節省旋轉感測裝置的配置成本。此外，在磁性件組及磁感測元件組的數量皆為多個的情況下，若其中一個磁感測元件損壞失效，則仍可藉由其他磁感測元件進行感測，而不需馬上對旋轉感測裝置進行維修或更換，從而節省其維修成本及可靠度。另外，由於本發明的旋轉感測裝置非如習知技術般配置多種不同感測器，故可節省配置空間。再者，磁性件組包含了軸向磁性件及徑向磁性件，且磁感測元件組相應地包含了軸向磁感測元件及徑向磁感測元件，使得旋轉感測裝置能夠同時感測旋轉件沿軸向的位移及旋轉件沿徑向的位移，以準確地獲得旋轉件的負荷量及偏擺量，使旋轉感測裝置具有良好的感測能力。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是本發明一實施例的旋轉感測裝置的俯視圖。圖2是圖1的旋轉感測裝置沿I-I線的剖面圖。請參考圖1及圖2，本實施例的旋轉感測裝置100包括一座體110、一旋轉件120、多個磁性件組130(圖1繪示為三十六個)、多個磁感測元件組140(圖1繪示為六個)及一處理單元150。旋轉件120沿軸線A可轉動地連接於座體110，這些磁性件組130配置於旋轉件120上，這些磁感測元件組140配置於座體110上。
圖3繪示圖2的旋轉感測裝置裝設於待測設備的旋轉組件。如圖3所示，可將座體110及旋轉件120分別連接於待測裝置的旋轉組件50(例如為工具機的轉軸組件)的固定端52及待測裝置50的旋轉組件的轉軸54。當旋轉件120隨著轉軸54轉動時，座體110上的這些磁感測元件組140用以感測這些磁性件組130的磁變化，以獲得旋轉件120及轉軸54的轉速、負荷量及偏擺量。這些磁感測元件組140及這些磁性件組130的具體配置與作用方式詳述如下。
如圖2及圖3所示，各磁性件組130包括一軸向磁性件132及一徑向磁性件134，各磁感測元件組140包括一軸向磁感測元件142及一徑向磁感測元件144，軸向磁性件132對位於軸向磁感測元件142，徑向磁性件134對位於徑向磁感測元件144。在本實施例中，軸向磁性件132及徑向磁性件134例如為磁鐵，軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144例如為霍爾感測器、磁阻感測器或其他適當種類的磁感測器，本發明不對此加以限制。
當旋轉件120沿軸線A相對於座體110轉動時，軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144分別感測相關於軸向磁性件132的磁變化量，及相關於徑向磁性件134的磁變化量而產生感測訊號。處理單元150耦接這些磁感測元件組140，且適於依據所述感測訊號獲得旋轉件120及轉軸54的轉速、負荷量及偏擺量。所述負荷量例如是指旋轉件120沿所述軸向(即軸線A的延伸方向)的負荷量，且所述偏擺量例如是指因轉軸54的實際轉動軸線未完全重合於軸線A而在所述軸向及所述徑向產生的偏擺量。在本實施例中，處理單元150例如是微控制單元(Micro Control Unit，MCU)，然本發明不以此為限。
在上述配置方式之下，旋轉感測裝置100藉由磁性件組130及磁感測元件組140的單一搭配，來同時感測旋轉件120的轉速、負荷量及偏擺量，而非如同習知技術般利用多種不同的感測器來分別感測物件的轉速、負荷量及偏擺量，據以節省旋轉感測裝置100的配置成本。此外，在磁性件組130及磁感測元件組140的數量皆為多個的情況下，例如若其中一個軸向磁感測元件142或其中一個徑向磁感測元件144損壞失效，則仍可藉由其他軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144進行感測，而不需馬上對旋轉感測裝置100進行維修或更換，從而節省其維修成本及可靠度。若軸向磁性件132或徑向磁性件134損壞時亦同。
另外，由於旋轉感測裝置100非如習知技術般配置多種不同感測器，故可節省配置空間。再者，磁性件組130包含了軸向磁性件132及徑向磁性件134，且磁感測元件組140相應地包含了軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144，使得旋轉感測裝置100能夠同時感測旋轉件120沿軸向的位移，及旋轉件120沿徑向的位移，以準確地獲得旋轉件120的負荷量及偏擺量，使旋轉感測裝置100具有良好的感測能力。另一方面，由於旋轉感測裝置100並非以嵌入的方式配置於待測設備的旋轉組件50，而是以外接的方式分別將座體110及旋轉件120連接於旋轉組件50的固定端52及旋轉組件50的轉軸54，故僅需將旋轉感測裝置100從旋轉組件50卸下即可對旋轉感測裝置100進行更換或維修，而不需對旋轉組件50進行拆解，故可節省人力成本及維修時間。
以下藉由圖式說明藉由本實施例的旋轉感測裝置所進行的旋轉感測方法。圖4是本發明一實施例的旋轉感測方法的流程圖。請參考圖1至圖4，首先，建立一訊號-負荷量關係資訊及一訊號-偏擺量關係資訊(步驟S602)。接著，驅動一旋轉件120相對於一座體110轉動，其中至少一磁性件組130配置於旋轉件120上，且包括一軸向磁性件132及一徑向磁性件134，至少一磁感測元件組140配置於座體110上，且包括一軸向磁感測元件142及一徑向磁感測元件144(步驟S604)。藉由軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144分別感測相關於軸向磁性件132的磁變化量，及相關於徑向磁性件134的磁變化量，而產生一感測訊號(步驟S606)。藉由一處理單元150依據感測訊號獲得旋轉件120的轉速，藉由處理單元150依據訊號-負荷量關係資訊及感測訊號獲得旋轉件120的負荷量，並藉由處理單元150依據訊號-偏擺量關係資訊及感測訊號獲得旋轉件120的偏擺量(步驟S608)。在步驟S608中所獲得的轉速、負荷量及偏擺量可藉由一顯示介面來顯示，以供使用者觀看，本發明不對所述顯示介面的形式加以限制。此外，可將步驟S608中所獲得的轉速、負荷量及偏擺量加以儲存，以作為待測設備之旋轉組件50後續調校或變更設計之依據。
以下具體說明上述步驟S602中建立訊號-負荷量關係資訊及建立訊號-偏擺量關係資訊的方式。首先，對旋轉件120施加一測試負載，此測試負載會使旋轉件120產生負荷量及偏擺量。接著，驅動旋轉件120相對於座體110轉動，並藉由軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144分別感測相關於軸向磁性件132的磁變化量，及相關於徑向磁性件134的磁變化量而產生感測訊號。所述測試負載所產生的負荷量及偏擺量可藉由其他適當之量測裝置量測而得，從而可藉由感測訊號及旋轉件120的所述負荷量及所述偏擺量而獲得訊號-負荷量關係資訊及訊號-偏擺量關係資訊。
圖5繪示對應於圖1的旋轉感測裝置的訊號-負荷量關係資訊及訊號-偏擺量關係資訊。更具體而言，可重複上述施加測試負載的步驟，亦即，藉由多種不同大小的測試負載，多次驅動旋轉件120相對於座體110轉動而獲得相對應的多個感測訊號、多個負荷量及多個偏擺量，從而可建立這些感測訊號與這些負荷量的關係曲線(圖5所示的關係曲線C1，即訊號-負荷量關係資訊)，以及這些感測訊號與這些偏擺量的關係曲線(圖5所示的關係曲線C2，即訊號-偏擺量關係資訊)。據此，在步驟S608中得以利用圖5的關係曲線C1及關係曲線C2配合磁感測元件組140所產生的感測訊號來推知旋轉件120的負荷量及偏擺量。
以下具體說明上述步驟S608中獲得旋轉件120的轉速的方式。圖6繪示圖4的感測訊號。為使圖式較為清楚，圖6僅繪示出所述感測訊號中對應於兩個磁感測元件組140的脈波。在本實施例中，這些磁性件組130的其中之一可選用較強磁力之磁鐵，使其磁力大於其他磁性件組130的磁力，從而可如圖6所示產生對應於所述強力磁鐵的脈波P1、P2，以便於使用者於圖6中識別。承上，可藉由處理單元150(繪示於圖1至圖3)依據所述感測訊號的兩脈波P1、P2之間的時間長度t而獲得旋轉件120的轉速。舉例來說，若圖6所示之兩脈波P1、P2所對應的兩磁感測元件組140具有60度的相位差，則時間長度t即為旋轉件120旋轉六分之一圈所需時間，從而可推知旋轉件120的轉速。此外，可藉由處理單元150依據所述兩磁感測元件組140產生的感測訊號的先後順序而判斷旋轉件120的轉動方向。舉例來說，如圖6所示脈波P1先於脈波P2例如代表旋轉件120順時針轉動，而脈波P2先於脈波P1則代表旋轉件120逆時針轉動。
以下具體說明本實施例的旋轉測試裝置100詳細結構配置方式。請參考圖2，本實施例的座體110具有相互垂直的一第一表面110a及一第二表面110b，旋轉件120具有相互垂直的一第三表面120a及一第四表面120b，且第一表面110a及第二表面110b分別對位於第三表面120a及第四表面120b。承上，軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144分別配置於第一表面110a及第二表面110b，且軸向磁性件132及徑向磁性件134分別配置於第三表面120a及第四表面120b，以使軸向磁感測元件142及徑向磁感測元件144分別對位於軸向磁性件132及徑向磁性件134。在本實施例中，第一表面110a及第三表面120a垂直於旋轉件120的軸向(即軸線A的延伸方向)，第二表面110b及第四表面120b垂直於旋轉件120的徑向。
如圖2所示，本實施例的這些磁性件組130均佈於旋轉件120的周緣，座體110具有一環狀內壁110c，環狀內壁110c環繞旋轉件120，這些磁感測元件組140均佈於環狀內壁110c而對位於磁性件組130。此外，本實施例的旋轉件120具有一軸孔120c，且適於藉由軸孔120a而連接圖3所示的轉軸54。另一方面，本實施例的座體110可藉由鎖附或其他適當方式而固定於固定端52，本發明不對此加以限制。
綜上所述，本發明的旋轉感測裝置藉由磁性件組及磁感測元件組的單一搭配來同時感測旋轉件的轉速、負荷量及偏擺量，而非如同習知技術般利用多種不同類別的感測器來分別感測物件的轉速、負荷量及偏擺量，據以節省旋轉感測裝置的配置成本。此外，在磁性件組及磁感測元件組的數量皆為多個的情況下，若其中一個磁感測元件或磁性件損壞失效，則仍可藉由其他磁感測元件或磁性件進行感測，而不需馬上對旋轉感測裝置進行維修或更換，從而節省其維修成本及可靠度。另外，由於本發明的旋轉感測裝置非如習知技術般配置多種不同感測器，故可節省配置空間。再者，磁性件組包含了軸向磁性件及徑向磁性件，且磁感測元件組相應地包含了軸向磁感測元件及徑向磁感測元件，使得旋轉感測裝置能夠同時感測旋轉件沿軸向的位移及旋轉件沿徑向的位移，以準確地獲得旋轉件的負荷量及偏擺量，使旋轉感測裝置具有良好的感測能力。另一方面，由於旋轉感測裝置並非以嵌入的方式配置於待測設備的旋轉組件，而是以外接的方式分別將座體及旋轉件連接於旋轉組件的固定端及旋轉組件的轉軸，故僅需將旋轉感測裝置從旋轉組件卸下即可對旋轉感測裝置進行更換或維修，而不需對旋轉組件進行拆解，故可節省人力成本及維修時間。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50‧‧‧旋轉組件
52‧‧‧固定端
54‧‧‧轉軸
100‧‧‧旋轉感測裝置
110‧‧‧座體
110a‧‧‧第一表面
110b‧‧‧第二表面
110c‧‧‧環狀內壁
120‧‧‧旋轉件
120a‧‧‧第三表面
120b‧‧‧第四表面
120c‧‧‧軸孔
130‧‧‧磁性件組
132‧‧‧軸向磁性件
134‧‧‧徑向磁性件
140‧‧‧磁感測元件組
142‧‧‧軸向磁感測元件
144‧‧‧徑向磁感測元件
150‧‧‧處理單元
A‧‧‧軸線
C1、C2‧‧‧關係曲線
P1、P2‧‧‧脈波
t‧‧‧時間長度
圖1是本發明一實施例的旋轉感測裝置的俯視圖。 圖2是圖1的旋轉感測裝置沿I-I線的剖面圖。 圖3繪示圖2的旋轉感測裝置裝設於待測設備的旋轉組件。 圖4是本發明一實施例的旋轉感測方法的流程圖。 圖5繪示對應於圖1的旋轉感測裝置的訊號-負荷量關係資訊及訊號-偏擺量關係資訊。 圖6繪示圖4的感測訊號。

Claims (20)

  1. 一種旋轉感測裝置，包括： 一座體； 一旋轉件，可轉動地連接於該座體； 至少一磁性件組，配置於該旋轉件上且包括一軸向磁性件及一徑向磁性件； 至少一磁感測元件組，配置於該座體上且包括一軸向磁感測元件及一徑向磁感測元件，其中當該旋轉件相對於該座體轉動時，該軸向磁感測元件及該徑向感測元件分別感測相關於該軸向磁性件的磁變化量，及相關於該徑向磁性件的磁變化量而產生一感測訊號；以及 一處理單元，耦接該磁感測元件組，且適於依據該感測訊號獲得該旋轉件的轉速、負荷量及偏擺量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該處理單元適於依據該感測訊號的兩脈波之間的時間長度而獲得該旋轉件的轉速。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該至少一磁性件組及該至少一磁感測元件組的數量皆為多個，該處理單元適於依據兩該磁感測元件組產生的兩該感測訊號的先後順序而判斷該旋轉件的轉動方向。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該處理單元適於依據一訊號-負荷量關係資訊，而由該感測訊號獲得該旋轉件的負荷量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該處理單元適於依據一訊號-偏擺量關係資訊，而由該感測訊號獲得該旋轉件的偏擺量。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該座體具有相互垂直的一第一表面及一第二表面，該旋轉件具有相互垂直的一第三表面及一第四表面，該第一表面及該第二表面分別對位於該第三表面及該第四表面，該軸向磁感測元件及該徑向磁感測元件分別配置於該第一表面及該第二表面，該軸向磁性件及該徑向磁性件分別配置於該第三表面及該第四表面。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的旋轉感測裝置，其中該第一表面及該第三表面垂直於該旋轉件的軸向，該第二表面及該第四表面垂直於該旋轉件的徑向。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該旋轉件具有一軸孔，且適於藉由該軸孔而連接一轉軸。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該至少一磁性件組的數量為多個，該些磁性件組平均分佈於該旋轉件的周緣。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該至少一磁感測元件組的數量為多個，該座體具有一環狀內壁，該環狀內壁環繞該旋轉件，該些磁感測元件組平均分佈於該環狀內壁。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該至少一磁性件組的數量為多個，該些磁性件組的其中之一的磁力大於其他該些磁性件組的磁力。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該軸向磁感測元件及該徑向磁感測元件為霍爾感測器。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉感測裝置，其中該軸向磁感測元件及該徑向磁感測元件為磁阻感測器。
  14. 一種旋轉感測方法，包括： 建立一訊號-負荷量關係資訊及一訊號-偏擺量關係資訊； 驅動一旋轉件相對於一座體轉動，其中至少一磁性件組配置於該旋轉件上且包括一軸向磁性件及一徑向磁性件，至少一磁感測元件組配置於該座體上且包括一軸向磁感測元件及一徑向磁感測元件； 藉由該軸向磁感測元件及該徑向感測元件分別感測相關於該軸向磁性件的磁變化量，及相關於該徑向磁性件的磁變化量而產生一感測訊號；以及 藉由一處理單元依據該感測訊號獲得該旋轉件的轉速，藉由該處理單元依據該訊號-負荷量關係資訊及該感測訊號獲得該旋轉件的負荷量，並藉由該處理單元依據該訊號-偏擺量關係資訊及該感測訊號獲得該旋轉件的偏擺量。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的旋轉感測方法，其中獲得該旋轉件的轉速的步驟包括： 藉由該處理單元依據該感測訊號的兩脈波之間的時間長度而獲得該旋轉件的轉速。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的旋轉感測方法，其中該至少一磁性件組及該至少一磁感測元件組的數量皆為多個，該方法包括： 藉由該處理單元依據兩該磁感測元件組產生的兩該感測訊號的先後順序而判斷該旋轉件的轉動方向。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的旋轉感測方法，其中建立該訊號-負荷量關係資訊的步驟包括： 驅動該旋轉件相對於該座體轉動； 藉由該軸向磁感測元件及該徑向感測元件分別感測相關於該軸向磁性件的磁變化量及相關於該徑向磁性件的磁變化量而產生該感測訊號； 量測該旋轉件的負荷量；以及 藉由該感測訊號及該旋轉件的負荷量獲得該訊號-負荷量關係資訊。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的旋轉感測方法，其中建立該訊號-負荷量關係資訊的步驟包括： 多次驅動該旋轉件相對於該座體轉動而獲得相對應的多個該感測訊號及多個該負荷量；以及 建立該些感測訊號及該些負荷量的一關係曲線，其中該關係曲線為該訊號-負荷量關係資訊。
  19. 如申請專利範圍第14項所述的旋轉感測方法，其中建立該訊號-偏擺量關係資訊的步驟包括： 驅動該旋轉件相對於該座體轉動； 藉由該軸向磁感測元件及該徑向磁感測元件分別感測相關於該軸向磁性件的磁變化量及相關於該徑向磁性件的磁變化量而產生該感測訊號； 量測該旋轉件的偏擺量；以及 藉由該感測訊號及該旋轉件的偏擺量獲得該訊號-偏擺量關係資訊。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的旋轉感測方法，其中建立該訊號-偏擺量關係資訊的步驟包括： 多次驅動該旋轉件相對於該座體轉動而獲得相對應的多個該感測訊號及多個該偏擺量；以及 建立該些感測訊號及該些偏擺量的一關係曲線，其中該關係曲線為該訊號-偏擺量關係資訊。
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