TWI504478B - Monitoring System of Ball Screw Pre - pressure and Its Monitoring Method - Google Patents

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Description

滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法
本發明係與判斷滾珠螺桿的可使用壽命有關，特別是指一種滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法。
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，滾珠螺桿是常見的傳動元件，其具有高精度、壽命長及高速正逆向的傳動等優點。
通常，滾珠螺桿在出廠前，製造商會依據顧客需求而對滾珠螺桿施壓一預壓力，來消除滾珠螺桿的軸向背隙，並提升滾珠螺桿的定位精度及剛性。
然而，滾珠螺桿在長時間運轉下，螺桿、滾珠及螺帽之間會有磨耗，致使滾珠螺桿的軸向背隙產生，而讓滾珠螺桿的預壓力逐漸減少，表示，滾珠螺桿的定位精度及剛性都會隨之降低。
藉由上述說明可知，滾珠螺桿的預壓力是存在於滾珠螺桿的內部，所以無法藉由儀器直接量測取得預壓力。目前量測預壓力大多利用扭力計、拉力計或位移計來進行。台灣第I400438號專利案係揭露一種傳動元件之檢測裝置，其判斷有無預壓力的方式係利用滾珠在單位時間內通過霍爾IC的頻率(即滾珠的球通頻率)，並透過判讀裝置比較球通頻率與預設之球通頻率值，來判斷滾珠螺桿是否還存在預壓力。
此外，台灣第I407026號專利案是揭露一種滾珠導螺桿預壓力失效診斷方法及裝置，其是利用希爾伯特黃轉換(Hilbert-Huang Transform)產生多尺度熵複雜度模式(Multiscale Entropy Complexity model)來診斷滾珠導螺桿的預壓力。
本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法係藉由偵測滾珠螺桿的滾珠振動或聲音等條件來判斷滾珠螺桿的預壓力是否消失，來提高判斷預壓力是否消失的準確性。
為達成上述目的，本發明係提供一種滾珠螺桿預壓力的監測系統，其包括一滾珠螺桿、一偵測裝置、一擷取裝置及一處理裝置。滾珠螺桿具有一預壓力。偵測裝置係偵測滾珠螺桿的運轉訊號。運轉訊號係包括滾珠螺桿轉速及狀態。狀態係滾珠螺桿運轉產生的振動或聲音。擷取裝置係連接偵測裝置，且接收運轉訊號。處理裝置係連接擷取裝置，且具有一門檻值。處理裝置係將運轉訊號處理成一球通訊號，在球通訊號超過門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力消失。
本發明還提供一種滾珠螺桿預壓力的監測方法，其包括下列步驟：首先，一偵測裝置偵測運轉中的一滾珠螺桿的一運轉訊號。運轉訊號包括滾珠螺桿的轉速及狀態。狀態係滾珠螺桿運轉產生的振動或聲音。滾珠螺桿包括多個滾珠及至少一迴流管，該些滾珠係通過迴流管；接著，一擷取裝置接收運轉訊號；隨後，一處理裝置接收運轉訊號，且有一門檻值；跟著，處理裝置執行一階次追蹤程序，係分析運轉訊號，以追蹤一球通頻率階次。球通頻率階次係與滾珠螺桿的滾珠公轉速度有關。然後，處理裝置執行一球通分析程序，依據球通頻率階次找出對應的一球通訊號；最後，處理裝置在球通訊號超過門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力消失，及在處理裝置在球通訊號未超過門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力未消失。
如此，本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法係可較先前技術所述的技術更為準確判斷滾珠螺桿的預壓力。
有關本發明所提供之滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法的組成、運作方式及特點，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。
10‧‧‧監測系統
11‧‧‧滾珠螺桿
12‧‧‧偵測裝置
13‧‧‧擷取裝置
14‧‧‧處理裝置
S20-S28、S241-S243‧‧‧步驟
第1圖是本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統的方塊圖。
第2圖是本發明的滾珠螺桿預壓力的監測方法的步驟流程圖。
第3圖是利用第1及2圖中的監測系統及監測方法而獲得的監測結果圖。
第4圖是第2圖中階次追蹤程序的詳細流程圖。
以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法的組成、量測結果及達成功效來作說明。然各圖式中滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法的組成及量測結果僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。
如第1圖所示，本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統10包括一滾珠螺桿11、一偵測裝置12、一擷取裝置13及一處理裝置14。其中，滾珠螺桿11已廣泛被應用，其結構、運作及運轉也是本領域具有通常知識者熟知的部分，但滾珠螺桿11無論是外循環式、內循環式或端蓋循環式滾珠螺桿都具有一螺桿、一螺帽、多個滾珠及至少一迴流管。當滾珠螺桿11在運行時，該些滾珠係分別會在螺桿與螺帽之間移動並通過迴流管，然這些也都是習知技術，故於此不對其結構多作敘述。
偵測裝置12係偵測滾珠螺桿11的一運轉訊號。運轉訊號係包括滾珠螺桿11的轉速及狀態，狀態係滾珠螺桿11運轉產生的振動或聲音。
擷取裝置13係連接偵測裝置12，且接收運轉訊號。
處理裝置14係連接擷取裝置13，且具有一門檻值，並將運轉訊號處理成一球通訊號，在球通訊號超過門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力消失。
以上，說明本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統10的組成及每一裝置的功能，且監測系統10可以有效地監測滾珠螺桿11的預壓力。隨後，詳細說明本發明的滾珠螺桿預壓力的監測方法。
如第2圖所示，本發明的滾珠螺桿預壓力的監測方法包 括下列步驟：步驟S20，偵測裝置偵測運轉中的滾珠螺桿的運轉訊號；步驟S21，擷取裝置接收運轉訊號；步驟S22，處理裝置接收運轉訊號；步驟S23，處理裝置執行一階次追蹤程序，係分析運轉訊號，以追蹤一球通頻率階次，球通頻率階次係與滾珠螺桿的滾珠公轉速度有關；步驟S24，處理裝置執行一球通分析程序，係依據球通頻率階次找出對應的一球通訊號；步驟S25，處理裝置係提供門檻值；步驟S26，處理裝置依門檻值判斷滾珠螺桿的預壓力是否消失；步驟S27，在球通訊號超過門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力消失；步驟S28，在球通訊號未超過門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力未消失。
如此，本發明的監測方法係可以在滾珠螺桿運轉的過程中，直接藉由偵測裝置來偵測運轉訊號，且擷取裝置也可以在接收到運轉訊號後傳送至處理裝置，以讓處理裝置作處理、分析及判斷(即步驟S22-S28)。
滾珠螺桿在運轉一段時間或者一段距離的過程中，偵測裝置係持續地運作步驟S20，相同地擷取裝置也持續運作步驟S21，處理裝置也持續運作步驟S22-S28，所以，藉由本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法係可得到第3圖的結果，圖中橫軸表是滾珠螺桿的運行里程，單位是公里(Km)，縱軸表示滾珠螺桿的振動量。從圖中可發現滾珠螺桿在運行超過630公里後球通振動量開始快速增加，這就表示滾珠螺桿的螺桿、滾珠及螺帽之間的磨耗，致使滾珠螺桿產生軸向背隙，導致滾珠螺桿的預壓力有明顯下降，但未達滾珠螺桿不敷使用的程度，因為球通訊號還沒超過門檻值(如圖中虛線)，於此實施例中， 門檻值的設定是0.1m/s2 ，但實際上，門檻值的設定係依據滾珠螺桿的不同而有差異，因此，門檻值的設定係不以0.1m/s2 為限。
但隨著滾珠螺桿繼續運行超過680公里後，球通訊號已超過門檻值，也就表示，處理裝置會判斷滾珠螺桿的預壓力已經消失。雖然滾珠螺桿被判斷預壓力已消失，但並不表示滾珠螺桿的預壓力已經完全沒有，而是說滾珠螺桿本身的殘存預壓力已使其不敷使用，而應進行汰換。
如第4圖所示，階次追蹤程序(步驟S23)還包括下列步驟：處理裝置係建立一追蹤階次(步驟S231)，及過濾追蹤階次的一雜訊(步驟S232)，以獲得球通頻率階次(步驟S233)。追蹤階次係在處理裝置內建立一結構方程式及一資料方程式，而過濾雜訊則利用結構方程式及資料方程式來分離出追蹤階次的雜訊。最後，處理裝置內還建立一數學最佳化方法(例如最小平方法)，其功用係將雜訊濾除，而使球通訊號更接近滾珠螺桿本身的振動或聲音，也就是說，處理裝置係可藉由訊號處理濾除滾珠振動或聲音以外的雜訊，來提高監控預壓力的準確性。
藉由前述說明已知，球通頻率階次係與滾珠公轉速度有關，球通訊號則是與滾珠發生撞擊產生的振動或聲音有關，而雜訊是指非滾珠螺桿的滾珠本身產生的振動或聲音，也就是說，球通訊號係與滾珠有關，雜訊則是滾珠以外的元件(例如螺桿及螺帽等)產生的振動或聲音。
特別地，雖然在前述的較佳實施例中，運轉訊號係考量滾珠螺桿的轉速及實際運轉狀態(即振動，但實際上，運轉訊號也可以將滾珠螺桿運轉中產生的聲音納入觀察，如此，將可提高滾珠螺桿預壓力判斷的準確性。
綜合上述，本發明的滾珠螺桿預壓力的監測系統及其監測方法相較於先前技術中的方式，排除其他振動或聲音源產生的干擾，透過直接觀察運轉中的滾珠螺桿的實際滾珠球通振動或聲音情 況，可作出較準確的預壓力判斷。
最後，再次強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。
S20-S28‧‧‧步驟

Claims (4)

  1. 一種滾珠螺桿預壓力的監測系統，包括：一滾珠螺桿，具有一預壓力，該滾珠螺桿包括多個滾珠及至少一迴流管，該些滾珠係通過該迴流管；一偵測裝置，係偵測滾珠螺桿的一運轉訊號，該運轉訊號係包括該滾珠螺桿的轉速及狀態，該狀態係該滾珠螺桿運轉產生的振動或聲音；一擷取裝置，係連接該偵測裝置，且接收該運轉訊號；及一處理裝置，係連接該擷取裝置，且具有一門檻值，並將該運轉訊號處理成一球通訊號，在該球通訊號超過該門檻值時判斷該滾珠螺桿的預壓力消失，該處理裝置係分析該運轉訊號，以追蹤一球通頻率階次，並依據該球通頻率階次找出對應的該球通訊號來與該門檻值比較，該球通頻率階次係與該滾珠螺桿的滾珠公轉速度有關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的滾珠螺桿預壓力的監測系統，其中，該處理裝置建立一追蹤階次，及過濾該追蹤階次的一雜訊以獲得該球通頻率階次，該雜訊是指非該滾珠螺桿的滾珠本身產生的振動或聲音。
  3. 一種滾珠螺桿預壓力的監測方法，包括：一偵測裝置偵測運轉中的一滾珠螺桿的一運轉訊號，該運轉訊號包括該滾珠螺桿的轉速及狀態，該狀態係該滾珠螺桿運轉產生的振動或聲音，該滾珠螺桿包括多個滾珠及至少一迴流管，該些滾珠係通過該迴流管；一擷取裝置接收該運轉訊號；一處理裝置接收該運轉訊號，且有一門檻值；該處理裝置執行一階次追蹤程序，係分析該運轉訊號，以追蹤一球通頻率階次，該球通頻率階次係與該滾珠螺桿的滾珠公轉速度有關；該處理裝置執行一球通分析程序，係依據該球通頻率階次找出對應的一球通訊號；及該處理裝置在該球通訊號超過該門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力消失，及該處理裝置在該球通訊號未超過該門檻值時判斷滾珠螺桿的預壓力未消失。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的滾珠螺桿預壓力的監測方法，其中，該處理裝置執行該球通分析程序還包括建立一追蹤階次，及過濾該追蹤階次的一雜訊，以獲得該球通頻率階次，該雜訊是指非滾珠螺桿的滾珠本身產生的振動或聲音。
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