TW201822949A

TW201822949A - 自適應振動感測方法

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Publication number: TW201822949A
Application number: TW105142708A
Authority: TW
Inventors: 馮倚俊; 吳旻修
Original assignee: 上銀科技股份有限公司
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-07-01
Also published as: TWI615235B

Abstract

一種自適應振動感測方法，由一感測裝置所執行且包含以下步驟：(A)計算一相關於一工具機操作轉速的量測頻率範圍；(B)感測一進給系統靜止時的振動情況，以得到一相關於環境雜訊的平滑化信號，該平滑化信號具有多個雜訊值，且該多個雜訊值分佈於該量測頻率範圍；(C)比對出該平滑化信號的一最小雜訊值所對應的一頻率值作為一量測頻率值；(D)根據該量測頻率值得到一馬達之一建議轉速；及(E)於該馬達根據該建議轉速旋轉時，利用該感測裝置感測該進給系統，以得到一指示該進給系統轉動時的振動情況的動態振動訊號。

Description

自適應振動感測方法

本發明是有關於一種感測方法，特別是指一種用於一工具機的自適應振動感測方法。

近年來，隨著工業與科技的快速發展，工具機之進給系統之相關技術蓬勃發展，因此，如何檢測工具機內的該進給系統是否異常(如，內部機械元件磨損)便為一研發重點。目前習知檢測方法主要是藉由一外部振動感測器來感測該進給系統，以產生一振動訊號給一微處理器，該微處理器再根據該振動訊號判斷該進給系統是否異常。但，因受環境雜訊影響(如，工具機本身振動、外在環境影響，及用以供應電源給該進給系統與該振動感測器的工業用電源存在許多雜訊)，導致該振動感測器所感測到的該振動訊號會受這些因素影響而有誤差，造成該微處理器在判斷該進給系統是否異常時會判斷錯誤。

因此，習知又發展出其他檢測方法：(方法一)藉由一特殊工業用振動感測器(此感測器可避免受雜訊影響)來感測該進給系統，以避免其所產生的振動訊號受上述因素影響而有誤差；及(方法二)使用多個一般振動感測器來感測該進給系統，以產生多個振動訊號，該微處理器再根據該等振動訊號得到一校正信號，並根據該校正信號判斷該進給系統是否異常。然而，方法一所使用的該特殊工業用振動感測器成本較高，而方法二需使用多個一般振動感測器來改善振動訊號會受工具機本身振動、外在環境影響及雜訊干擾等的問題，相對的也需花費較高成本。因此，習知檢測工具機中的該進給系統的方法仍有改進的空間。

因此，本發明之目的，即在提供一種可避免環境雜訊影響而造成感測誤差的自適應振動感測方法。

於是，本發明自適應振動感測方法，由一感測裝置所執行，該感測裝置適用於一工具機，該工具機包括一進給系統及一電連接該進給系統的馬達，該自適應振動感測方法包含以下步驟：

(A)利用該感測裝置計算一相關於該工具機操作轉速的量測頻率範圍，該工具機操作轉速是限制於原廠規格；

(B)利用該感測裝置感測該進給系統靜止時的振動情況，以得到一相關於環境雜訊的平滑化信號，該平滑化信號具有多個雜訊值，且該多個雜訊值分佈於該量測頻率範圍；

(C)利用該感測裝置比對出該平滑化信號的一最小雜訊值所對應的一頻率值作為一量測頻率值；

(D)利用該感測裝置根據該量測頻率值得到該馬達之一建議轉速；及

(E)於該馬達根據一相關於該建議轉速的馬達控制信號來驅動該進給系統以該建議轉速旋轉時，利用該感測裝置感測該進給系統，以得到一指示該進給系統轉動時的振動情況的動態振動訊號。

本發明之功效在於：藉由該感測裝置根據對應該最小雜訊值的該量測頻率值計算出該建議轉速來使該馬達據以驅動該進給系統旋轉後，該感測裝置再感測該進給系統的振動情況，如此，可避免該感測裝置受環境雜訊影響，使得其所感測到的該動態振動訊號較為準確。

參閱圖1，繪示了一感測裝置1及一工具機2，該感測裝置1被用來實施本發明自適應振動感測方法的一實施例。該感測裝置1用於安裝在該工具機2中。該工具機2包括一進給系統21、一馬達22及一控制器23及其它必要元件(圖未示)。該進給系統21包括一進給軸(圖未示)及一套設在該進給軸之一螺桿上的軸承(圖未示)。該馬達22電連接在該進給系統21之該進給軸之該螺桿及該控制器23間，接收來自該控制器23所產生的一相關於一建議轉速的馬達控制信號，並根據該馬達控制信號來驅動該進給軸之該螺桿以該建議轉速旋轉。需說明的是，該螺桿為一滾珠螺桿。

該感測裝置1用於在該進給系統21轉動時，感測該進給系統21中一待測元件(圖未示)的振動情況以判斷該待測元件是否異常(如，待測元件磨損)。在本實施例中，該感測裝置1包含一振動感測器11及一微處理器12。該振動感測器11為一實驗用感測器。

該振動感測器11電連接該進給系統21。該微處理器12電連接在該振動感測器11及該控制器23間。該振動感測器11用來感測該待測元件的振動情況，以產生一動態振動訊號給該微處理器12，該微處理器12再根據該動態振動訊號判斷該進給系統21中該待測元件是否異常。

在本實施例中，為了避免該振動感測器11受環境雜訊影響(如，工具機本身振動、外在環境影響，及用以供應電源給該進給系統與該振動感測器的工業用電源存在許多雜訊)，造成該動態振動訊號有誤差，因此，該感測裝置1在感測該進給系統21是否異常時，會執行本發明該自適應振動感測方法。參閱圖2及圖3，以下舉該振動感測器11感測該進給系統21之該進給軸的該螺桿(即，該待測元件)作為一第一實施例，但不限於此。該振動感測器11電連接該螺桿，該感測裝置1所執行的該自適應振動感測方法包含以下步驟：

步驟31：利用該微處理器12計算一相關於該工具機2操作轉速的量測頻率範圍，該工具機2操作轉速是限制於原廠規格。

詳細來說，在步驟31中，還進一步包含子步驟311、312、313、314之細部流程。

子步驟311：利用該微處理器12根據該馬達22之一預定馬達最高轉速得到該螺桿所對應之一第一邊界頻率。該預定馬達最高轉速是限制於原廠規格。

在本實施例中，該微處理器12根據以下方程式(1)~(3)來估算該第一邊界頻率：方程式(1)，方程式(2)，方程式(3)，其中，f1代表該第一邊界頻率，代表該預定馬達最高轉速(例如，3000rpm)，代表該螺桿內滾珠的一第一公轉速度，代表該進給系統21(見圖1)中一螺帽內相鄰滾珠(圖未示)間的一相位角，代表該螺桿導程角，代表該螺帽內滾珠與該螺帽溝槽之接觸角，代表該螺帽內滾珠與該螺桿溝槽之接觸角，代表滾珠自旋角，代表該螺帽內滾珠的半徑，及代表該螺桿節圓(pitch circle)半徑。、、、、、、等參數可以從該進給軸的規格書中得知。該微處理器12先將方程式(3)及該預定馬達最高轉速帶入方程式(2)來得到該第一公轉速度，接著再將該第一公轉速度帶入方程式(1)即可得到該第一邊界頻率f1。

子步驟312：利用該微處理器12根據該進給系統21之該進給軸的該螺桿之一預定最高容許轉速得到該螺桿所對應之一第二邊界頻率。該預定最高容許轉速是根據原廠該螺桿參數(如，長度)及其支撐設計方式來設定。

在本實施例中，該微處理器12根據以下方程式(4)、(5)來估算該第二邊界頻率：方程式(4)，方程式(5)，其中，、、、、、、的定義與方程式(1)~(3)同，的運算公式與方程式(3)同，f2代表該第二邊界頻率，代表該預定最高容許轉速(例如，4276rpm)，及代表該螺桿內滾珠的一第二公轉速度。該微處理器12先將方程式(3)及該預定最高容許轉速帶入方程式(5)來得到該第二公轉速度，接著再將該第二公轉速度帶入方程式(4)即可得到該第二邊界頻率f2。

子步驟313：利用該微處理器12根據一預定最低轉速得到該螺桿所對應之一第三邊界頻率，該預定最低轉速相關於該進給軸之該螺桿的轉速。該預定最低轉速由使用者根據量測需求及待測元件之原廠規格來設定，不同的待測元件會有不同的預定最低轉速。

在本實施例中，該微處理器12根據以下方程式(6)、(7)來估算該第三邊界頻率：方程式(6)，方程式(7)，其中，、、、、、、的定義與方程式(1)~(3)同，的運算公式與方程式(3)同，f3代表該第三邊界頻率，代表該預定最低轉速(例如，1000rpm)，代表該螺桿內滾珠的一第三公轉速度。該微處理器12先將方程式(3)及該預定最低轉速帶入方程式(7)來得到該第三公轉速度，接著再將該第三公轉速度帶入方程式(6)即可得到該第三邊界頻率f3。

需說明的是，當該預定馬達最高轉速、該預定最高容許轉速及該預定最低轉速的單位為rpm時(即，每分鐘轉速或rev/min)，需先將該預定馬達最高轉速、該預定最高容許轉速及該預定最低轉速各自除以60，轉換成每秒轉速(rev/s)後再帶入各自所對應的方程式(2)、方程式(5)、方程式(7)中。

子步驟314：利用該微處理器12取該等第一至第三邊界頻率f1、f2、f3的一交集區間作為一量測頻率範圍，該量測頻率範圍的一最大值小於該等第一及第二邊界頻率f1、f2，且該量測頻率範圍的一最小值大於該第三邊界頻率f3。舉例來說，在本實施例中，根據上述方程式(1)~(7)可得到該等第一至第三邊界頻率f1、f2、f3分別為580Hz、827Hz、193Hz，因此，該量測頻率範圍為193Hz至580Hz間。

步驟32：利用該感測裝置1感測該進給系統21中該螺桿靜止時的振動情況，以得到一相關於環境雜訊的平滑化信號，該平滑化信號具有多個雜訊值，且該多個雜訊值分佈於該量測頻率範圍。

詳細來說，在步驟32中，還進一步包含子步驟321、322、323、324之細部流程。

子步驟321：利用該振動感測器11感測該進給系統21中該螺桿靜止時的振動情況，以產生一相關於環境雜訊的振動訊號，且該振動訊號具有多個振動值，該多個振動值分佈於一靜態時間範圍。進一步參閱圖4，為該振動訊號之量測圖。

子步驟322：利用該微處理器12將該振動訊號進行傅立葉轉換為一靜態振動訊號，該靜態振動訊號分佈於一靜態頻率範圍，該靜態頻率範圍大於該量測頻率範圍。進一步參閱圖5，為該靜態振動訊號之頻譜圖，由圖5可知該靜態頻率範圍為0Hz至1000Hz間。

子步驟323：利用該微處理器12計算該靜態振動訊號中該靜態頻率範圍與該量測頻率範圍的交集(即，193Hz至580Hz)所對應的部分該靜態振動訊號(進一步參閱圖6)的上包絡線，以得到一包絡線信號。

子步驟324：利用該微處理器12根據一曲線平滑法將該包絡線信號進行平滑化，以得到該平滑化信號(進一步參閱圖7)。該曲線平滑法可為一移動平均法及一由一低通濾波器(圖未示)所執行的低通濾波法二者其中之一。在本實施例中，該曲線平滑法為該移動平均法。藉由將該包絡線信號的頻譜能量依據使用者所設定的一預定區間範圍值(如，±15Hz)進行該移動平均法，以得到該平滑化信號。

步驟33：利用該微處理器12比對出該平滑化信號的一最小雜訊值所對應的一頻率值作為一量測頻率值。

步驟34：利用該微處理器12根據該量測頻率值得到該馬達22之該建議轉速(為最佳轉速)，並將該建議轉速輸出至該控制器23，以致該控制器23根據該建議轉速產生該馬達控制信號並將其輸出至該馬達22，使得該馬達22根據該馬達控制信號來驅動該進給系統21之該進給軸之該螺桿以該建議轉速旋轉。

在本實施例中，該微處理器12根據以下方程式(8)來估算該建議轉速：方程式(8)，其中，、、、、、、的定義與方程式(1)~(3)同，的運算公式與方程式(3)同，f4代表該量測頻率值，代表該馬達之該建議轉速。需說明的是，該建議轉速的單位為每秒轉速(rev/s)。

步驟35：於該馬達22根據該馬達控制信號來驅動該進給系統21之該螺桿以該建議轉速旋轉時，利用該振動感測器11感測該螺桿，以得到該指示該螺桿轉動時的振動情況的動態振動訊號。

參閱圖7，為該平滑化信號之波形圖。此波形圖之縱軸為該螺桿受該工具機2本身振動、外在環境或工業用電源影響(即，環境雜訊)而產生的雜訊大小。由圖7可知，該量測頻率值為270Hz，且該量測頻率值與該預定區間範圍值之和作為一建議量測頻率範圍(即，270-15~270+15=255~285)。該量測頻率值所對應的雜訊最小，而在該建議量測頻率範圍中所對應的雜訊相對其他頻率範圍所對應的雜訊也很小。也就是說，該振動感測器11(見圖1)在該建議量測頻率範圍(最佳為在該量測頻率值)感測該螺桿，可避免該振動感測器11受環境雜訊影響，使得其所感測到的該動態振動訊號較為準確。因而，本實施例該微處理器12根據該量測頻率值計算出該建議轉速來驅動該進給軸旋轉後，該振動感測器11再感測該螺桿，可達到取得較為準確的該動態振動訊號之目的。

需說明的是，藉由調整該預定區間範圍值可改變該建議量測頻率範圍，且亦可根據該建議量測頻率範圍中該量測頻率值以外的其他建議量測頻率來作為該量測頻率值，以得到該馬達之一次佳轉速。雖然該次佳轉速非最佳建議轉速，但該次佳轉速所對應的建議量測頻率相較於該量測頻率範圍中該建議量測頻率範圍以外的其他頻率，具有相對較小的對應雜訊。

此外，在一第二實施例中，該感測裝置1亦可執行該自適應振動感測方法來感測該螺桿上的該軸承(圖未示，即該待測元件)，但不限於此。該第二實施例與該第一實施例的該自適應振動感測方法相同，二者不同之處在於：此實施例該振動感測器11(見圖1)電連接該螺桿之該軸承(圖未示)，且該等第一至第三邊界頻率及該建議轉速的計算方式不同。

在該第二實施例中，該微處理器12(見圖1)根據以下方程式(9)~(12)來分別得到該等第一至第三邊界頻率及該建議轉速：方程式(9) ，方程式(10) ，方程式(11) ，方程式(12) ，其中，f1、f2、f3、f4分別代表該等第一至第三邊界頻率及該量測頻率值，、、、分別代表該預定馬達最高轉速、該預定最高容許轉速、該預定最低轉速及該建議轉速，d代表該軸承內滾珠的直徑，D代表該軸承節徑(即，節圓直徑)，代表該軸承內滾珠與該軸承內環之接觸角，及Z代表該軸承內的滾珠數量。d、D、、Z等參數可以從該進給軸的規格書中得知。

需說明的是，在此實施例中，當該預定馬達最高轉速、該預定最高容許轉速及該預定最低轉速的單位為rpm(每分鐘轉速)時，需先將該預定馬達最高轉速、該預定最高容許轉速及該預定最低轉速各自除以60，轉換成每秒轉速(rev/s)後再帶入各自所對應的方程式(9)、方程式(10)、方程式(11)中。另外，該建議轉速的單位為每秒轉速(rev/s)。

綜上所述，上述本實施例具有以下優點：

1. 根據本發明自適應振動感測方法，可避免該振動感測器11受環境雜訊影響，使得其所感測到的該動態振動訊號較為準確，進而該微處理器12可正確判斷該進給系統中之該待測元件是否異常。

2. 由於本發明自適應振動感測方法即可避免環境雜訊影響該微處理器12判斷的正確性，因此執行本發明自適應振動感測方法的該感測裝置2中的該振動感測器11可為單一個實驗用感測器，不需如習知需使用特殊工業用振動感測器(較實驗用感測器貴3~4倍)或多個一般振動感測器，進而可降低檢測時所需的該感測裝置2的製造成本。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧感測裝置

11‧‧‧振動感測器

12‧‧‧微處理器

2‧‧‧工具機

21‧‧‧進給系統

22‧‧‧馬達

23‧‧‧控制器

31~35‧‧‧步驟

311‧‧‧子步驟

312‧‧‧子步驟

313‧‧‧子步驟

314‧‧‧子步驟

321‧‧‧子步驟

322‧‧‧子步驟

323‧‧‧子步驟

324‧‧‧子步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，繪示一用來實施本發明自適應振動感測方法之一實施例的一感測裝置，該感測裝置與一工具機一起使用；圖2是一流程圖，說明該實施例之該自適應振動感測方法；圖3是一流程圖，說明圖2之步驟32如何得到一平滑化信號；圖4是一量測圖，說明該實施例之一振動訊號之雜訊振幅對時間的變化；圖5是一頻譜圖，說明該實施例之一靜態振動訊號之雜訊振幅對頻率的變化；圖6是一頻譜圖，說明圖5之該靜態振動訊號中一靜態頻率範圍與一量測頻率範圍的交集所對應的部分該靜態振動訊號；及圖7是一波形圖，說明該實施例之一平滑化信號之雜訊振幅對頻率的變化。

Claims

一種自適應振動感測方法，由一感測裝置所執行，該感測裝置適用於一工具機，該工具機包括一進給系統及一電連接該進給系統的馬達，該自適應振動感測方法包含以下步驟： (A)利用該感測裝置計算一相關於該工具機操作轉速的量測頻率範圍，該工具機操作轉速是限制於原廠規格； (B)利用該感測裝置感測該進給系統靜止時的振動情況，以得到一相關於環境雜訊的平滑化信號，該平滑化信號具有多個雜訊值，且該多個雜訊值分佈於該量測頻率範圍； (C)利用該感測裝置比對出該平滑化信號的一最小雜訊值所對應的一頻率值作為一量測頻率值； (D)利用該感測裝置根據該量測頻率值得到該馬達之一建議轉速；及 (E) 於該馬達根據一相關於該建議轉速的馬達控制信號來驅動該進給系統以該建議轉速旋轉時，利用該感測裝置感測該進給系統，以得到一指示該進給系統轉動時的振動情況的動態振動訊號。
如請求項1所述的自適應振動感測方法，其中，步驟(B)包括以下子步驟： (B1)利用該感測裝置感測該進給系統靜止時的振動情況，以產生一相關於環境雜訊的振動訊號，且該振動訊號具有多個振動值，該多個振動值分佈於一靜態時間範圍； (B2)利用該感測裝置將該振動訊號進行傅立葉轉換為一靜態振動訊號，該靜態振動訊號分佈於一靜態頻率範圍，該靜態頻率範圍大於該量測頻率範圍； (B3)利用該感測裝置計算該靜態振動訊號中該靜態頻率範圍與該量測頻率範圍的交集所對應的部分該靜態振動訊號的上包絡線，以得到一包絡線信號；及 (B4)利用該感測裝置根據一曲線平滑法將該包絡線信號進行平滑化，以得到該平滑化信號。
如請求項2所述的自適應振動感測方法，其中，在步驟(B4)中，該曲線平滑法為一移動平均法及一低通濾波法二者其中之一。
如請求項1所述的自適應振動感測方法，其中，步驟(A)包括以下子步驟： (A1)利用該感測裝置根據該馬達之一預定馬達最高轉速得到一第一邊界頻率； (A2)利用該感測裝置根據該進給系統的一進給軸之一預定最高容許轉速得到一第二邊界頻率； (A3)利用該感測裝置根據一預定最低轉速得到一第三邊界頻率，該預定最低轉速相關於該進給軸的轉速；及 (A4)利用該感測裝置根據該等第一至第三邊界頻率得到該量測頻率範圍。
如請求項4所述的自適應振動感測方法，其中，在步驟(A4)中，該感測裝置取該等第一至第三邊界頻率的一交集區間作為該量測頻率範圍，該量測頻率範圍的一最大值小於該等第一及第二邊界頻率，且該量測頻率範圍的一最小值大於該第三邊界頻率。
如請求項4所述的自適應振動感測方法，其中，在步驟(A1)、步驟(A2)及步驟(A3)中，該感測裝置根據以下方程式來得到該等第一至第三邊界頻率：其中，f1、f2、f3分別代表該等第一至第三邊界頻率，、、分別代表該預定馬達最高轉速、該預定最高容許轉速及該預定最低轉速，、、分別代表該進給系統中一螺桿內滾珠的第一、第二、第三公轉速度，代表該進給系統中一螺帽內相鄰滾珠間的一相位角，代表該螺桿導程角，代表該螺帽內滾珠與該螺帽溝槽之接觸角，代表該螺帽內滾珠與該螺桿溝槽之接觸角，代表滾珠自旋角，代表該螺帽內滾珠的半徑，及代表該螺桿節圓半徑。
如請求項6所述的自適應振動感測方法，其中，在步驟(D)中，該感測裝置根據以下方程式來得到該馬達之該建議轉速：，其中， f4代表該量測頻率值，代表該馬達之該建議轉速。
如請求項4所述的自適應振動感測方法，其中，在步驟(A1)、步驟(A2)及步驟(A3)中，該感測裝置根據以下方程式來得到該等第一至第三邊界頻率：，，，其中，f1、f2、f3分別代表該等第一至第三邊界頻率，、、分別代表該預定馬達最高轉速、該預定最高容許轉速及該預定最低轉速，d代表該進給系統中一軸承內滾珠的直徑，D代表該軸承節徑，代表該軸承內滾珠與該軸承內環之接觸角，及Z代表該軸承內的滾珠數量。
如請求項8所述的自適應振動感測方法，其中，在步驟(D)中，該感測裝置根據以下方程式來得到該馬達之該建議轉速：，其中， f4代表該量測頻率值，代表該馬達之該建議轉速。