TWI482919B - Method of Ball Screw Pre - pressure Detection - Google Patents

Description

滾珠螺桿預壓力偵測的方法

本發明係與偵測滾珠螺桿的預壓力有關，特別是指一種滾珠螺桿預壓力偵測的方法。

隨著工具機產業的發展，對於工具機的定位精度的要求也越來越高，其中，滾珠螺桿是其中一種可用來達成高精度定位的一種關鍵性零組件。一般而言，滾珠螺桿在出廠前，製造商會依據客戶需求而對該滾珠螺桿施以一預壓力，來消除滾珠螺桿的軸向背隙，如此，該滾珠螺桿的定位精度及剛性皆可被提升。然而，當該滾珠螺桿被使用一段時間後，該滾珠螺桿的軸向背隙隨之產生，表示，預壓力逐漸減少，使得該滾珠螺桿的定位精度降低。因此，傳統以經驗判斷滾珠螺桿的壽命的方式，通常在滾珠螺桿被使用一段時間後，就直接更換一組新的滾珠螺桿，如此可能會把還可用的滾珠螺桿汰換掉，而造成浪費。

再者，由於預壓力係存在滾珠螺桿的內部，而無法直接量測目前的預壓力，所以，傳統上會使用扭力計、拉力計、加速規或位移計來量測滾珠螺桿的預壓力。但在實務中，扭力計的價格昂貴。拉力計則不能提供線上檢測。利用加速規或位移計量測滾珠螺桿時，往往會在滾珠螺桿轉速的差異中，產生不穩定的振動或聲音訊號，使預壓量測產生結果一致性不高，再者，機台本身的振動也會被傳遞 至滾珠螺桿而產生過多的雜訊，使得偵測滾珠螺桿的預壓力的準確度受到懷疑。

此外，台灣公開第201135209號申請案係揭露一種傳動元件之檢測裝置，利用該檢測裝置檢測滾珠螺桿的球通頻率以判斷該滾珠螺桿是否異常，僅判斷球通頻率是否為週期性變化，且藉比較週期性變化的球通頻率值與預設的球通頻率值之差異來判斷滾珠螺桿之狀態。該申請案主要為提出一種嶄新之傳動監測元件，而本案主要為提出一檢測方法，並使用已現存之振動或聲音感測器進行球通頻率之偵測與分析，故台灣公開第201135209號申請案與本案所提方法與使用之技術皆不相同。

本發明所提供之一種滾珠螺桿預壓力偵測的方法，藉由一偵測裝置、一信號擷取裝置及一電腦來追蹤一滾珠螺桿的預壓力。該偵測裝置係連接該滾珠螺桿，且用以偵測該滾珠螺桿的一運轉狀態。該運轉狀態包括該滾珠螺桿的轉速、及該滾珠螺桿的振動或聲音。該信號擷取裝置係連接該偵測裝置及該電腦，且用以接收該運轉狀態，並轉換成一運轉信號。該電腦係儲存一預壓力判斷程式。當該滾珠螺桿被運作時，該電腦運作該預壓力判斷程式以執行該滾珠螺桿預壓力偵測的方法，該方法包括：接收該運轉信號；處理該運轉信號；執行一階次追蹤分析程序，用以統計及分析該運轉信號，來追蹤該滾珠螺桿的一實際球通頻率階次；提供一理論球通頻率階次，係該滾珠螺桿無預壓 力的狀態；及執行一判斷預壓力程序，包括一階次比較程序及一球通頻率階次之邊頻量化程序。該階次比較程序係比較該實際球通頻率階次與該理論球通頻率階次。該量化邊頻程序係判斷該實際球通頻率階次是否出現邊頻。其中，若該階次比較程序判定該實際球通頻率階次遠離該理論球通頻率階次，該判斷預壓力程序判定該滾珠螺桿具有預壓力。若該階次比較程序判定該實際球通頻率階次接近理論球通頻率階次，且該量化邊頻程序判定該實際球通頻率階次沒有出現邊頻時，該判斷預壓力程序判定該滾珠螺桿具有預壓力。若該階次比較程序判定該實際球通頻率階次接近該理論球通頻率階次，且量化邊頻程序判定該實際球通頻率階次出現邊頻時，該判斷預壓力程序判定該滾珠螺桿沒有預壓力。

如此，本發明可藉由上述的判斷方法來有效地偵測及判斷該滾珠螺桿的預壓力狀態，並透過觀察該預壓力的狀態來達到標準化觀察該滾珠螺桿預壓力的目的，及有效地獲得更換該滾珠螺桿的時機。

特別地，該階次追蹤程序包括利用一結構方程式及一資料方程式來處理該運轉信號，並分離出該運轉信號的雜訊，接著，透過一數學最佳化計算方法將該雜訊濾除，來獲得該實際球通頻率階次。如此，本發明之滾珠螺桿預壓力偵測的方法就可針對要追蹤的該實際球通頻率階次進行較高解析度的觀察，並可避免被雜訊干擾。

為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下之一 較佳實施例並配合圖式說明如后，其中：

如第一圖所示，第一圖係繪示滾珠螺桿預壓力偵測系統的方塊圖。滾珠螺桿預壓力偵測系統包括一滾珠螺桿10、一偵測裝置20、一信號擷取裝置30及一電腦40。

該滾珠螺桿10包括一螺桿11、一螺帽12、多個滾珠13及一迴流管14。該螺桿11具有環繞的一槽道111。該螺帽12係滑套在該螺桿11上，且可沿該螺桿11移動。該些滾珠13係設置於該螺桿11及該螺帽12之間，且位在該螺桿11的槽道111內。該迴流管14係設於該螺帽12上，且具有與該螺桿11的溝槽111相通的一迴流通道141，以供該些滾珠13通過。如此，該些滾珠13就可沿著該螺桿11的槽道111及該迴流管14的迴流通道141內持續地循環通過。

該偵測裝置20連接該滾珠螺桿10，且用以偵測該滾珠螺桿10的一運轉狀態，該運轉狀態係包括該滾珠螺桿10的轉速、及該滾珠螺桿的振動或聲音，於此實施例中，該偵測裝置20除了係偵測滾珠螺桿10的轉速外，還偵側滾珠螺桿10的振動，所以，該偵測裝置20較佳係選用振動感測器及螺桿轉速量測器，實際上，該偵測裝置20也可以被嵌入該滾珠螺桿10的螺帽12中，因此，不以第一圖所繪為限。

該信號擷取裝置30係連接該偵測裝置20，且轉換該偵測裝置20所偵測到該滾珠螺桿10的運轉狀態，來產生運轉信號。該電腦40係連接該信號擷取裝置30，並接收 該運轉信號。該電腦40儲存有一預壓力判斷程式，當該電腦40執行該預壓力判斷程式，該電腦40就可藉由接收該運轉信號來執行滾珠螺桿預壓力偵測的方法，以判斷該滾珠螺桿10的預壓力是否出現異常，而需更換。

請參照第二圖，第二圖係繪示本發明的一較佳實施例的滾珠螺桿預壓力偵測的方法的流程圖。滾珠螺桿預壓力偵測的方法包括：S51：接收該運轉信號；S52：處理該運轉信號；S53：執行一階次追蹤程序，用以統計及分析該運轉信號，來追蹤該滾珠螺桿的一實際球通頻率階次；S54：提供一理論球通頻率階次，該理論球通頻率階次係該滾珠螺桿無預壓力的狀態；及S55：執行一判斷預壓力程序，包括一階次比較程序(S56)及一量化邊頻程序(S57)。該階次比較程序係S56：比較該實際球通頻率階次與該理論球通頻率階次。該量化邊頻程序係S57：判斷該實際球通頻率階次是否出現邊頻。

若該實際球通頻率階次遠離該理論球通頻率階次，S58：判定該滾珠螺桿具有預壓力；若該實際球通頻率階次接近該理論球通頻率階次，且該實際球通頻率階次沒有出現邊頻時，則S58：判定該滾珠螺桿具有預壓力；若該實際球通頻率階次接近該理論球通頻率階次，且該實際球通頻率階次出現邊頻時，則S59：判定該滾珠螺桿無預壓力。

其中，球通頻率係滾珠螺桿的滾珠通過迴流管時撞擊 到迴流管的次數。當滾珠螺桿的預壓力存在時，滾珠螺桿的螺帽係對該些滾珠施以正向力，使得該些滾珠經過迴流管時會因為正向力被釋放而撞擊迴流管的入口處，入口處也被稱為唇部(Lip)。理論球通頻率階次則是指螺桿軌道內每兩相鄰的滾珠沒有相互抵靠，也就是滾珠沒有受到正向力影響的狀態，此時，滾珠螺桿的預壓力是不存在。

第三圖係顯示滾珠螺桿無預壓力存在的量測分析結果圖，第四圖係顯示滾珠螺桿有預壓力存在的量測分析結果圖。如第三圖所示，該理論球通頻率階次約在9.1，即9~9.2之間，表示，當該滾珠螺桿沒有預壓力或預壓力減少到一定程度時，該理論球通頻率階次會落在9.1附近。如第四圖所示，在該滾珠螺桿具有預壓力時，該實際球通頻率階次位在8.93附近，表示，滾珠受到螺帽給予的預壓力，使得摩擦力增加，而球通頻率階次會較該理論球通頻率階次低，再者，此時滾珠撞擊迴流管的頻率是穩定的，所以球通頻率階次通常是單一且集中。請一併參照第三及四圖，當在預壓力消失到某個程度的情況下，滾珠撞擊迴流管的頻率是不穩定的，所以，球通頻率階次會分散，而在階次8.98附近產生異常階次，這些階次就被稱為邊頻。

雖然，在該階次比較程序中，就已經可以初步判斷該滾珠螺桿的預壓力狀態，但若僅以該階次比較程序來判斷，可能會出現誤判，所以，在該理論球通頻率階次與該實際球通頻率階次出現差異時，再以該量化邊頻程序作進一步判斷，如此，可精準地判斷出該滾珠螺桿的預壓力是 否還足夠，而有效地繼續正常使用該滾珠螺桿。

需要注意的是，雖然上述實施例係以偵側滾珠螺桿的轉速及振動狀態來分析，但實務中，也可以將滾珠螺桿運轉時的聲音一併納入觀察，這樣，將可再提高判斷預壓力的準確性。或者，採用偵測滾珠螺桿的轉速及聲音，也可以達到上述觀察滾珠螺桿的預壓力的目的，滾珠螺桿的聲音可選用麥克風來進行偵測，因此，不以偵測滾珠螺桿的轉速及振動為限。

其中，步驟S52，處理該運轉信號包括依據該滾珠螺桿的去程及回程分別區分該振動或聲音信號及該轉速信號。如此，可藉由去程及回程來分別判斷該滾珠螺桿的預壓力狀態。

如第五圖所示，第五圖係繪示第一圖中步驟S53的細步流程圖。步驟S53：該階次追蹤程序包括：S531：提供一結構方程式(structure equation)，處理該運轉信號，用以建立一欲追蹤階次訊號；S532：提供一資料方程式(data equation)，處理該運轉信號，用以分離出一頻率雜訊；及S533：藉由一數學最佳化計算方法過濾該頻率雜訊來獲得該欲追蹤階次訊號的該實際球通頻率階次。

實務中，由步驟S531~S533組成的追蹤程序也被稱為Vold-Kalman Filter(VKF)階次追蹤法。如此，透過步驟S531~S533就可有效地追蹤及觀察該滾珠螺桿運行的實際球通頻率，而濾除被觀察的該實際球通頻率階次以外的雜 訊。此外，於此實施例中，該數學最佳化計算方法係最小平方法，但實際上，也可以運用其他的數學計算模型來濾除雜訊。

需注意的是，各式滾珠螺桿的預壓力可能有所不同，所以，被觀察的階次範圍也會有差異，因此，本發明的階次追蹤程序係可依據不同的滾珠螺桿選定適合的階次範圍來作小範圍細部追蹤，以精確觀察滾珠螺桿的預壓力變化。再者，也可藉改變該數學最佳化計算方法之計算參數來提高階次追蹤的解析度，針對被觀察的階次提高階次解析度，來進行更高解析度的觀察。

10‧‧‧滾珠螺桿

11‧‧‧螺桿

111‧‧‧槽道

12‧‧‧螺帽

13‧‧‧滾珠

14‧‧‧迴流管

141‧‧‧迴流通道

20‧‧‧偵測裝置

30‧‧‧信號擷取裝置

40‧‧‧電腦

S51~S59、S531~S533‧‧‧步驟

第一圖係繪示滾珠螺桿預壓力偵測系統的方塊圖。

第二圖係繪示本發明的一較佳實施例的滾珠螺桿預壓力偵測的方法的流程圖。

第三圖係顯示滾珠螺桿無預壓力存在的量測分析結果圖。

第四圖係顯示滾珠螺桿有預壓力存在的量測分析結果圖。

第五圖係繪示第一圖中步驟S53的細部流程圖。

S51~S59‧‧‧步驟

Claims (3)

1. 一種滾珠螺桿預壓力偵測的方法，藉由一偵測裝置、一信號擷取裝置及一電腦來追蹤一滾珠螺桿的預壓力，該偵測裝置係連接該滾珠螺桿或與之接近，用以偵測該滾珠螺桿的一運轉狀態，該運轉狀態包括該滾珠螺桿的轉速、及該滾珠螺桿的振動或聲音，該信號擷取裝置係連接該偵測裝置及該電腦，且用以接收該運轉狀態，並轉換成一運轉信號，該電腦係儲存一預壓力判斷程式；當該滾珠螺桿運作時，該電腦運作預壓力判斷程式以執行該滾珠螺桿預壓力偵測的方法，該方法包括：接收該運轉信號；處理該運轉信號；執行一階次追蹤分析程序，用以統計及分析該運轉信號，來追蹤該滾珠螺桿的一實際球通頻率階次；提供一理論球通頻率階次，該理論球通頻率階次係該滾珠螺桿無預壓力的狀態；及執行一判斷預壓力程序，包括一階次比較程序及一量化邊頻程序，該階次比較程序係比較該實際球通頻率階次與該理論球通頻率階次之差異；該量化邊頻程序係判斷該實際球通頻率階次出現邊頻之比例；若該階次比較程序判定該實際球通頻率階次遠離該理論球通頻率階次，該判斷預壓力程序判定該滾珠螺桿尚具有預壓力存在；若該階次比較程序判定該實際球通頻率階次接近該理論球通頻率階次，且該量化邊頻程序判定該實際球通頻率階次但沒有出 現邊頻時，該判斷預壓力程序判定該滾珠螺桿具有預壓力；若該階次比較程序判定該實際球通頻率階次接近該理論球通頻率階次，且該量化邊頻程序判定該實際球通頻率階次出現一定之邊頻時，該判斷預壓力程序判定該滾珠螺桿沒有預壓力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之滾珠螺桿預壓力偵測的方法，其中，處理該運轉信號包括：依據該滾珠螺桿的去程及回程分別區分該振動信號及該轉速信號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之滾珠螺桿預壓力偵測的方法，其中，該階次追蹤程序包括：提供一結構方程式，處理該運轉信號，用以建立一欲追蹤階次訊號；提供一資料方程式，處理該運轉信號，用以分離出一頻率雜訊；藉由一數學最佳化計算方法過濾該頻率雜訊來獲得該欲追蹤階次訊號的該實際球通頻率階次。