TW201827964A - 模態偵測系統 - Google Patents

Abstract

一種模態偵測系統，包含一個工具機、一個偵測單元，及一個處理單元。該工具機包括一個機台、相對該機台沿一個隨機路徑移動的一個工作台，及設置在該機台且在該工作台位移時產生自體振動的一個主軸裝置。該平作台沿同一方向的最大位移量不大於100mm。該偵測單元包括散佈在該主軸裝置的數個偵測器，每一個偵測器量測該主軸裝置產生自體振動時的振幅及振動頻率，而輸出一個感測信號。該處理單元與該等偵測器相互通訊，且接收該等感測信號後，根據前述振幅及頻率，獲得數個模態參數。藉此，利用該工作台往不同方向作小量而快速的來回運動，使該主軸裝置能夠模擬真實加工狀態產生自動振動，而能夠提升模態分析結果的準確度，且設備成本低。

Description

模態偵測系統

本發明是有關於一種偵測系統，特別是指一種用於取得模態參數的模態偵測系統。

一般工具機在加工過程中，會因為振動頻率接近結構的自然頻率，發生共振效應，使工具機的響應增大而不穩定，並影響加工精度。因此，藉由模態分析(Operation Modal Analysis,OMA)，了解結構件的模態頻率、模態振型、模態阻尼比等，將有助於改善工具機的加工效能。

傳統上，要對工具機進行模態分析(Operation Modal Analysis,OMA)，須要提供一個已知且準確大小的力。目前的主要做法是使用衝擊鎚敲擊工具機的結構件，或以激振器激振工具機的結構件。

惟，使用衝擊鎚敲擊的方式，只能在停機的狀態下進行，模態分析結果會因為與實際加工方式有落差，而產生誤差。使用激振器的方式，會因為頻率周期固定，無法得到隨機激振，模態分析結果同樣會產生誤差，且用於工具機的激振器須配合使用輸出功率較大的放大器，進而提高量測成本。

因此，本發明的目的，即在提供一種能夠提升模態分析結果的準確度，且設備成本低的模態偵測系統。

於是，本發明模態偵測系統，用於取得數個模態參數，以進行操作模態分析，該模態偵測系統包含：一個工具機、一個偵測單元，及一個處理單元。

該工具機包括一個機台、相對該機台沿一個隨機路徑移動的一個工作台，及設置在該機台且在該工作台位移時產生自體振動的一個主軸裝置，該工作台沿同一方向的最大位移量不大於100mm。

該偵測單元包括散佈在該主軸裝置的數個偵測器，每一個偵測器量測該主軸裝置產生自體振動時的振幅及振動頻率，而輸出一個感測信號。

該處理單元與該等偵測器相互通訊，且接收該等感測信號後，根據前述振幅及頻率，獲得模態參數。

本發明的功效在於：利用該工作台往不同方向作小量而快速的來回運動，使該主軸裝置能夠模擬真實加工狀態產生自動振動，而能夠提升模態分析結果的準確度，且設備成本低。

參閱圖1、圖2與圖3，本發明模態偵測系統的一個實施例，包含一個工具機1、一個偵測單元2，及一個處理單元3。

該工具機1包括一個機台11、相對該機台11沿一個隨機路徑S移動的一個工作台12、設置在該機台11的一個主軸裝置13，及驅動該工作台12位移的一個馬達單元14。在本實施例中，該工作台12能夠沿一條X軸方向、一條Y軸方向位移，使該隨機路徑S局限在二維空間內，在位移過程中，該工作台12沿同一方向的最大位移量不大於100mm，且移動速率≧0.6m/s。該主軸裝置13具有沿一條Z軸方向設置在該機台11的一個立柱131，及依循該立柱131沿該Z軸方向相對該工作台12位移的一個主軸頭132。

該偵測單元2包括數個偵測器21。在本實施例中，該等偵測器21共有24個，且給予編號1~編號24，分別散佈在該主軸裝置13的立柱131與主軸頭132上，且分別鄰近該立柱131的數個邊緣與該主軸頭132的數個邊緣。每一個偵測器21量測該立柱131或該主軸頭132產生自體振動時的振幅及振動頻率，而輸出一個感測信號M。且每一個偵測器21可以是壓電式加速度計、或三軸加速度計，取樣頻率為4 Hz~1kHz，可量測的頻寬為0 至500Hz。

該處理單元3與該等偵測器21相互通訊，且接收該等感測信號M後，根據前述振幅及頻率，獲得模態頻率、模態振型、模態阻尼比等模態參數。

值得說明的是，在本實施例中，該隨機路徑S是先由該處理單元3隨機產生亂數，再以路徑指令 (NC) 方式輸入該工具機1。另外，該處理單元3可以內建在遠端的電腦，或內建在該工具機1。

進行模態分析時，該工具機1會驅動該工作台12根據該隨機路徑S的軌跡沿該X軸方向、或該Y軸方向，以最大位移量不大於100mm，且移動速率≧0.6m/s的速度，快速的往、返位移與停頓，使該立柱131、該主軸132產生自體振動，而前述自體振動的激振力來源主要來自於該馬達單元14所產生的振動，及該工作台12位移速度改變、或停頓瞬間、或方向改變時的慣性力。

藉此，在該工作台12位移的過程中，每一個偵測器21會量測各別位置的振幅及振動頻率，而輸出一種接近白噪音(White Noise)的該感測信號M。

而該處理單元3接收該等感測信號M後，會獲得各別位置之X軸方向-Y軸方向的響應分佈情形，以編號2、6、12之偵測器21的量測結果，及圖4X方向之響應訊號的時域圖，與圖5相對前述X方向之響應訊號的相關函數圖為例，並以表1的數據資料說明如下：

其中，μ是平均值，為標準差，表示數據資料的離散程度，其定義為：在一組資料數據中，各個變異數與平均值的分散程度。因此，較大的標準差代表大部分的資料數據與平均值之間的差異性較大；反之，較小的標準差代表大部分的資料數據與平均值的差異性較小，表示大部分的資料數據較接近於平均值。

而偏態系數(Cofficient of Skewness)用於描述數據資料組偏離平均值的程度，峰態系數(Cofficient of Kurtosis)用於描述分佈狀態的高峰程度。當偏態系數=0，表示分佈狀態為對稱分佈，當偏態系數＞0，表示分佈狀態為右偏或正偏分佈，當偏態系數＜0，表示分佈狀態為左偏或負偏分佈，當峰度係數=3，表示分佈狀態之峰度為常態峰，當峰度係數＞3，表示分佈狀態之峰度為高狹峰，當峰度係數＜3，表示分佈狀態之峰度為低闊峰。

由表1的量測結果顯示，本發明的分佈狀態分佈大致與常態分佈曲線吻合，但其峰態係數並非完全等同於常態分佈，且分佈呈現高闊峰或低闊峰。但整體而言分佈仍具一定的隨機性，進而推測該工作台2移動時施予該工具機2整體之激振力為隨機激振，確實能夠猜得更接近白噪音的感測信號M，進而以能夠利用隨機子空間識別法(Stochastic Subspace Identification, SSI)識別出該工具機1的獲得模態頻率、模態振型、模態阻尼比等模態參數。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：

本發明利用該工作台12往不同方向作小量而快速的來回運動，使該主軸裝置13能夠模擬真實加工狀態產生自動振動，而能夠提升模態分析結果的準確度，且設備成本低。

本發明更可量測該工具機1在不同工作點下的模態頻率與模態振型，且前述量測數據可以傳送給遠端，使遠端的工具機廠得知世界各地產品的狀況，從而縮短維修時間 (down-time)。

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

1‧‧‧工具機
11‧‧‧機台
12‧‧‧工作台
13‧‧‧主軸裝置
131‧‧‧立柱
132‧‧‧主軸頭
14‧‧‧馬達單元
2‧‧‧偵測單元
21‧‧‧偵測器
X‧‧‧X軸方向
Y‧‧‧Y軸方向
Z‧‧‧Z軸方向
S‧‧‧隨機路徑
M‧‧‧感測信號

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一張立體圖，說明本發明模態偵測系統的一個實施例； 圖2是該實施例的一張方塊圖； 圖3是一張軌跡圖，說明該實施例中的一個工作台沿一個隨機路徑位移； 圖4是一張X方向之響應訊號的時域圖；及 圖5是一張相對前述X方向之響應訊號的相關函數圖。

Claims (9)

1. 一種模態偵測系統，用於取得數個模態參數，以進行操作模態分析，該模態偵測系統包含： 一個工具機，包括一個機台、相對該機台沿一個隨機路徑移動的一個工作台，及設置在該機台且在該工作台位移時產生自體振動的一個主軸裝置，該工作台沿同一方向的最大位移量不大於100mm； 一個偵測單元，包括散佈在該主軸裝置的數個偵測器，每一個偵測器量測該主軸裝置產生自體振動時的振幅及振動頻率，而輸出一個感測信號；及 一個處理單元，與該等偵測器相互通訊，且接收該等感測信號後，根據前述振幅及頻率，獲得模態參數。
2. 如請求項1所述的模態偵測系統，其中，該工作台能夠沿一條X軸方向、一條Y軸方向位移，使該隨機路徑局限在二維空間內。
3. 如請求項2所述的模態偵測系統，其中，該主軸裝置具有沿一條Z軸方向設置在該機台的一個立柱，及依循該立柱沿該Z軸方向相對該工作台位移的一個主軸頭，該等偵測器散佈在該立柱與該主軸頭上。
4. 如請求項3所述的模態偵測系統，其中，該等偵測器鄰近該立柱的至少一個邊緣與該主軸頭的至少一個邊緣。
5. 如請求項3所述的模態偵測系統，其中，散佈在該立柱的偵測器有12個。
6. 如請求項3所述的模態偵測系統，其中，散佈在該主軸頭的偵測器有12個。
7. 如請求項1所述的模態偵測系統，其中，該等偵測器分別可以是壓電式加速度計、三軸加速度計其中一種。
8. 如請求項1所述的模態偵測系統，其中，該工作台的移動速率≧0.6m/s。
9. 如請求項1所述的模態偵測系統，其中，每一個偵測器的取樣頻率為4 Hz~1kHz，可量測的頻寬為0 至500Hz。