TW201839370A - 靜壓軸承之智慧感測裝置及智慧感測方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種靜壓軸承之智慧感測裝置，靜壓軸承包含有至少一流體腔室，而感測裝置包含有至少一壓力感測器、至少一流量感測器及一控制單元。壓力感測器用以設於流體腔室內並感測對應流體腔室內的壓力值。流量感測器感測流經靜壓軸承的流量值。而控制單元耦接壓力感測器，控制單元依據壓力值得出靜壓軸承內的一壓力分佈，控制單元並依據壓力分佈得出靜壓軸承的靜態、動態等運作性能。而為了因應工業4.0及智慧機械技術，將靜壓軸承及智慧感測裝置組成液/氣靜壓主軸、旋轉平台、止推及導軌等，即可即時監控並適時修正而不影響正常運作。

Description

靜壓軸承之智慧感測裝置及智慧感測方法

本發明係關於一種靜壓軸承，特別係一種靜壓軸承之智慧感測裝置及智慧感測方法。

靜壓軸承的運作主要係將加壓的氣/液體送入軸承與承載面（例如，主軸、導軌面等）之間以形成氣/油膜，並透過該氣/油膜間隙的改變來抵抗壓力或作用力的變化，使心軸能在摩擦力極小的狀態下運動。而由於靜壓軸承所具備低摩擦阻力、高剛性及高定位精度等優點，使靜壓軸承被廣泛應用於精密工具機中。

另一方面，為了得知工具機的運作性能，工具機通常會裝設切削動力計等感測裝置。然而，在該工具機對物件加工的過程中，由於切削動力計等感測裝置係直接設於該工具機的主軸上，該等感測裝置可能會影響加工作業，故無法同時監控及加正，更無法即時修正主軸等軸承的運動行為。而靜壓軸承可以提供一種智慧感測方式但能使加工作業正常運作係相關領域所欲達成的目標之一。

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種靜壓軸承之智慧感測裝置及智慧感測方法，在不影響裝載該靜壓軸承之設備運作的前提下，能即時監控該靜壓軸承的運作性能。

為達上述目的，本發明提供一種靜壓軸承之智慧感測裝置，該靜壓軸承包含有至少一流體腔室，而該感測裝置包含有至少一壓力感測器及一控制單元。該壓力感測器用以設於該流體腔室內並感測對應流體腔室內的壓力值。而該控制單元耦接該壓力感測器，該控制單元依據該壓力值得出該靜壓軸承內的一壓力分佈，該控制單元並依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的一運作性能。

另一方面，本發明另提供一種智慧感測方法，適用於一靜壓軸承，該靜壓軸承包含有至少一流體腔室，而該感測方法包含有下列步驟。感測該流體腔室內的壓力值。依據該壓力值得出該靜壓軸承內的一壓力分佈。依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的一運作性能。

該感測裝置係位於該流體腔室內而未設於一心軸/導軌面上，該感測裝置不會影響該心軸/導軌面的運作，故可達到即時監控加工/運作情況的功能，從而達成工業4.0所提出智慧感測、分析並自主修正的目標。

請參照第1圖係本發明一第一較佳實施例之智慧感測裝置1的元件方塊圖，該智慧感測裝置1包含有至少一壓力感測器10、至少一流量感測器20、一溫度感測器30及一控制單元40。

該壓力感測器10可以係壓電、電容、電磁、光學等類型而用於感測壓力的感測器。該流量感測器20可以係電磁、渦流、葉輪、壓力、超音波等類型而用於感測流量的感測器。該溫度感測器30可以係熱敏電阻、熱電偶、電阻等類型而用於感測溫度的感測器。該控制單元40可以係微控制器、晶片或其他可程式化之一般用途或特殊用途的控制器等類似元件或上述元件的組合。該控制單元40耦接該壓力感測器10、該流量感測器20及該溫度感測器30，該控制單元40並可進行資料擷取（例如，取得該等感測器10,20,30的感測值（即壓力值、流量值、溫度值）及數據分析（例如，分析該等感測值）。

該智慧感測裝置1係用於感測一靜壓軸承的運作性能，該靜壓軸承可以係利用液靜壓、氣靜壓或其他流體靜壓的主軸、徑向、止推、導軌、旋轉平台、導軌或平面墊等類型的軸承。該壓力感測器10、該流量感測器20、該溫度感測器30的數量及位置端視該靜壓軸承的類型而調整。為了方便說明，下文將以液靜壓的徑向軸承為範例，而其餘類型的靜壓軸承可依此類推。

請參照第2、3圖係本發明一第二較佳實施例之智慧感測裝置1應用於一液靜壓主軸系統50的示意圖。該液靜壓主軸系統50包含有一軸承51具有一內部空間52、四進油孔53徑向且兩兩相對地設於該軸承51並連通該內部空間52與外界（代表該軸承51之外）、四流體腔室55設於該軸承51內壁且其位置對應該四進油孔53、四節流器57設於該四進油孔53並連通該四流體腔室55、以及一心軸59可旋轉地穿設於該軸承51。而該智慧感測裝置1包含有四該壓力感測器10設於該四流體腔室55內及該節流器57出口旁、四該流量感測器20設於該四流體腔室55內及該節流器57出口旁、該溫度感測器30設於該內空間52中、以及該控制單元40設於該軸承51。需說明的是，依據不同設計需求，在其他實施例中，該些進油孔53、該些流體腔室55、該些節流器57的數量、位置及形狀可對應調整。

前述說明是相關於該智慧感測裝置1及該液靜壓主軸系統50的元件設計，以下將搭配第3～5圖進一步說明該智慧感測裝置1的智慧感測方法。

透過一與該四進油孔53連通的供油裝置（圖未示）將加壓的液壓油供應至該四流體腔室55中以形成油膜。請參照第4圖，在步驟 S31中，該四壓力感測器10在該軸承51及該心軸59旋轉運作的過程中即時感測該四流體腔室55內的壓力值，而該控制單元40取得該些壓力值。此時，該控制單元40亦可透過該四流量感測器20感測該四流體腔室55內的流量值。

在步驟S33中，該控制單元40對軸承的類型及該壓力值進行分析，並透過一雷諾方程式得出該軸承51內的一壓力分佈。而該雷諾方程式如下：x定義為該軸承51的周向（如第3圖所示該軸承51圓周，並定義最上方為0∘），z定義為該軸承51的軸向（即該軸承51之軸線方向，並定義該軸承51一端為起始點），係液壓油的密度，係油膜中的壓力值，係液壓油的運動黏度，係油膜厚度，係油膜在該軸承51內壁的x方向上的速度，係油膜在該軸承51內壁相距的x方向上的速度，係油膜在該軸承51內壁的x方向上的法向速度，係油膜在該軸承51內壁相距的x方向上的法向速度。

請參照第5圖係該心軸53與該軸承51軸線的位移量e（如第3圖所示）為零且該心軸53沒有轉速的壓力分佈情況，對應於各該流體腔室55內的壓力值大致相等。

值得注意的是，由該雷諾方程式更可得出諸如小孔節流、毛細管節流、薄膜節流器等的流量方程式，該控制單元40即可依據感測到的流量值及壓力值確定該壓力分佈。需說明的是，該流量值係用於驗證該壓力分佈，然於其他實施例中，若已確認該雷諾方程式的結果正確，則可忽略不設該等流量感測器20。除此之外，由於本實施例僅設置四該壓力感測器10，因此採用該雷諾方程式來估算該壓力分佈，然壓力分佈的計算方法還有很多種，例如可設置更多或更少壓力感測器10來利用一經驗公式、一內插法等相關公式推算該壓力分佈。

在步驟S35中，該控制單元40依據該壓力分佈進行線上擷取（經由網際網路、雲端、伺服器等）並分析相關數據，以得出該液靜壓主軸系統50的一運作性能。該運作性能例如係該軸承51的承載力W，而該控制單元40可對該壓力分佈在對應各軸向的壓力值積分（即計算對應各軸向在該壓力分佈上的面積）即可得出該承載力W。當對應於特定角度區間的承載力W增加時，相對角度區間的承載力W便會減少，該控制單元40即可監測承載力W的變化來判斷該心軸59旋轉的穩定性。此外，該運作性能係可以係液靜壓主軸系統50的剛性，而該控制單元40可計算該液靜壓主軸系統50的運動方程式以得出該位移量，並依據該位移量及該承載力W得出該剛性（即）（主軸頻域特性）。該控制單元40更能依據該承載力W得出軸向承載力（基於軸向上的壓力分佈）及徑向承載力（本實施例即為該承載力W）。除此前述靜態（穩態）特性，該控制單元40亦可進行時域分析而進一步得出該心軸59的運轉軌跡、顫振等動態特性。

假設該液靜壓主軸系統50係應用於一工具機（圖未示），由於該等感測器10,20,30皆未影響該心軸59的運作，故該控制單元40可在該工具機正常運作的情況下即時監控該工具機的運作性能。此外，在該工具機運作的過程中，該控制單元40還可基於該壓力分佈得出該心軸59的徑向、軸向切削力、切削精度。另一方面，若該心軸59一端設有砂輪（圖未示），則該控制單元40可依據切削力即時監控該砂輪不同粗細程度的研磨狀態、磨損程度及研磨扭力，經過訊號分析、雲端資料庫建檔，進而提供研磨參數建議。端視不同工具機的加工類型，該控制單元40可得出不同作用力的特性。

除此之外，若該控制單元40耦接於提供液壓油給該液靜壓主軸系統50的供油裝置並可控制該供油裝置的運作，則該控制單元40即可依據該運作性能（例如，壓力分佈情形、位移量、顫振情況、承載力W等）調整該供油情況（例如，對特定進油孔53的液壓油加壓），以改變該壓力分佈而調整該軸承51的承載力W，從而修正該液靜壓主軸系統50之運作（步驟S37），使該心軸59可穩定旋轉，進而提昇切削品質並抑制顫振。需說明的是，控制該液靜壓主軸系統50之運作的方法還有很多種，例如透過制動裝置調整該心軸59的旋轉速度等。

另一方面，該液靜壓主軸系統50的運作通常會造成該軸承51內溫升，而該控制單元40可透過該溫度感測器30取得該軸承51內的溫度值，該控制單元40即可基於該溫度值調整該液靜壓主軸系統50的運作，以避免溫升影響整體運作。需說明的是，除了前述切削震顫、溫升等修正，其他靜態及動態運動特性對應的運作狀態，皆能依據該液靜壓主軸系統50的規格、元件及設定進行修正。

基於前述發明之精神，該液靜壓主軸系統50可替換成其他靜壓軸承，且原則上該等壓力感測器10置於該靜壓軸承的流體腔室內，才能進一步評估該些流體腔室55內的壓力分佈情形及該靜壓軸承的運作性能甚至是心軸（例如，導軌、旋轉平台等）的動態特性（例如，承載力動態特性等相關性能、精度等）。而針對不同類型的靜壓軸承，應用本發明者須對應調整該雷諾方程式、該流體方程式及其他計算運作性能的方程式以及可供運作修正的設定。藉此，可即時監控各類型的靜壓軸承並給予合適的修正，以維持最佳切削及運轉狀態、延長使用壽命並減少振動或溫升等問題，從而達成工業4.0所提出智慧感測、分析並自主修正的目標。

上述僅為本發明實施例的說明，不可用來限制本發明的專利範圍，舉凡未超脫本發明精神所作的簡易結構潤飾或變化，仍應屬於本發明申請專利範圍涵蓋的範疇。

1‧‧‧智慧感測裝置

10‧‧‧壓力感測器

20‧‧‧流量感測器

30‧‧‧溫度感測器

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧液靜壓主軸系統

51‧‧‧軸承

52‧‧‧內部空間

53‧‧‧進油孔

55‧‧‧流體腔室

57‧‧‧節流器

59‧‧‧心軸

S31～S37‧‧‧步驟

‧‧‧位移量

第1圖係依據本發明第一較佳實施例之智慧感測裝置的元件方塊圖。 第2、3圖係依據本發明第二較佳實施例之智慧感測裝置應用於一液靜壓主軸系統徑向軸承的示意圖。 第4圖係依據本發明第二較佳實施例之智慧感測方法的流程圖。 第5圖係壓力分佈情形的範例。

Claims (10)

1. 一種靜壓軸承之智慧感測裝置，該靜壓軸承包含有至少一流體腔室，而該智慧感測裝置包含有： 至少一壓力感測器，用以設於該流體腔室內並感測對應流體腔室內的壓力值；以及 一控制單元，耦接該壓力感測器，該控制單元依據該壓力值得出該靜壓軸承內的一壓力分佈，該控制單元並依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的一運作性能。
2. 如請求項1所述靜壓軸承之智慧感測裝置，其中該靜壓軸承設有至少一節流器連通該流體腔室，而該壓力感測器設於該節流器出口旁。
3. 如請求項1所述靜壓軸承之智慧感測裝置，更包含有至少一流量感測器耦接該控制單元並設於該流體腔室內，該流量感測器感測該流體腔室內的流量值，而該控制單元依據軸承的類型及該壓力值並透過一雷諾方程式得出該壓力分佈，該控制單元並依據該流量值及該壓力值確定該壓力分佈。
4. 如請求項1所述靜壓軸承之智慧感測裝置，其中該運作性能包含有一承載力、以及一剛性、一軸向承載力及一徑向承載力其中至少一者，而該控制單元依據該壓力分佈得出該承載力，該控制單元並依據該承載力得出該剛性、該軸向承載力或該徑向承載力，進而得出該靜壓軸承的靜態或動態性能。
5. 如請求項1所述靜壓軸承之智慧感測裝置，其中該控制單元更耦接於該靜壓軸承，該控制單元並依據該運作性能控制該靜壓軸承之運作。
6. 一種智慧感測方法，適用於一靜壓軸承，該靜壓軸承包含有至少一流體腔室，而該智慧感測方法包含有： 感測該流體腔室內的壓力值； 依據該壓力值得出該靜壓軸承內的一壓力分佈；以及 依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的一運作性能。
7. 如請求項6所述之智慧感測方法，其中依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的該運作性能的步驟包含有： 依據軸承的類型及該壓力值並透過一雷諾方程式得出該壓力分佈； 感測該流體腔室內的流量值；以及 依據該壓力值得出該靜壓軸承內的該壓力分佈的步驟包含有依據該流量值及該壓力值確定該壓力分佈。
8. 如請求項6所述之智慧感測方法，其中該運作性能包含有一承載力，而依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的該運作性能的步驟包含有： 依據該壓力分佈得出該承載力。
9. 如請求項8所述之智慧感測方法，其中該運作性能包含有一剛性、一軸向承載力及一徑向承載力其中至少一者，而依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的該運作性能的步驟包含有： 依據該承載力得出該剛性、該軸向承載力或該徑向承載力；以及 得出該靜壓軸承的靜態或動態性能。
10. 如請求項6所述之智慧感測方法，其中依據該壓力分佈得出該靜壓軸承的該運作性能之後，更包含有： 依據該運作性能控制該靜壓軸承之運作。