TWI583936B - 精密型機械的檢測方法 - Google Patents

Description

精密型機械的檢測方法

本發明係關於一種精密型機械的檢測方法，特別是關於一種利用聲紋變化來檢測精密型機械是否異常的方法。

機械加工是藉由元件與元件間相互作用形成，元件相互作用時會互相接觸並產生磨耗、破損、斷裂等情形，此時加工過程出現瑕疵導致加工品無法被使用，若無及時發現會浪費大量加工原料，使製造成本增加，故研發出能及時偵測，甚至是預測的感應元件是非常重要的。

現行機械檢測方法，一般是由人工定期檢查、保養來達成加工品質控制，又或利用電流、相位判斷馬達的使用狀況。然而，這種偵測方式僅適用於負載極大的機具，對於負載變化量極小的精密產業的已不適用。機械運轉和機械震動兩者具有相互關係，以此為基礎，各界開始發展針對震動訊號的偵測技術，希望藉此減少製造業的損失。

震動與聲音乃一體兩面，於是有研究利用工業麥克風做聲音蒐集，試圖找出機具故障時發出的訊號，如利用工業麥克風量測滾珠螺的運作情形或以工業麥克風量測傳統沖壓機。近代更發展出AE(Acoustic Emission Sensor)針對聲波做震動分析，其原理和工業麥克風雷同，以壓電 材料代替動圈做震動感測，亦有利用AE分析軸承震動。然而，無論是工業麥克風或AE皆為獨立元件，容易受周邊環境條件的影響，因此在不同收聲環境的收聲情形變化極大，因此於精密加工時，由於異常加工的訊號強度極低，非常容易被背景雜訊蓋過，幾乎無法及時偵測出損壞。

另有研究提出利用加速規量測力、震動的變化，但加速規的主要工作原理乃量測加速度變化量，其具有取樣頻率不夠快，無法捕捉高速加工時機具所有震動狀況的缺點，且加速規於單一時域下僅能接收單頻訊號，數據類型過於單一且不穩定，僅量測得到強度較大的基頻，然而在精密加工中，馬達的訊號往往遠強於實際加工時機械所產生的訊號，故整體訊號易受馬達、軸承等震幅較大的元件影響，缺乏整體性。此外，加速規的整體頻率範圍皆在4kHz以下，對高頻敏感度極低，能獲取的資料量也大大不足。且若系統之失效導致所發出之聲音變化，而非力變化，利用加速度規將無法有效對該訊號進行量測。

文獻中也有提出利用震動儀做量測，但震動儀無法對1kHz以上的高頻訊號進行量測，且僅能測得基本頻率訊號，對精密加工機械的狀態而言，所獲得的資訊過少。

故，有必要提供一種精密型機械的檢測方法，以解決習用技術中所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種精密型機械的檢測方法，其利用微型麥克風直接與該精密型機械組裝在一起，可監測該精密型機械運作的震動訊號，然後將震動訊號轉成聲紋圖譜，結合該精密型機械運行 時的操作點進行判讀，可連續監測該精密型機械運作是否正常。由於微型麥克風的感應靈敏度較高，且組裝於該精密型機械本體，故可以降低環境干擾，並提高偵測靈敏度，此外，微型麥克風的偵測範圍無方向性的限制，可接收來自各方向的震動訊號或聲音，達成全域檢測的目的，對於精密加工機械的狀態檢測十分有效。

為達上述之目的，本發明的一實施例提供一種精密型機械的檢測方法，其包含步驟：提供一精密型機械，該精密型機械具有一操作週期，該操作週期包含至少一個操作點；組裝一微型麥克風與該精密型機械；使用該微型麥克風感測該操作週期的一震動訊號；將該震動訊號轉換成一聲紋圖譜；以及判斷該聲紋圖譜中該操作點對應的一特徵聲紋訊號峰，以該特徵聲紋訊號峰作為該精密型機械的一正常聲紋數據；其中當該聲紋圖譜包含該正常聲紋數據以外的異常聲紋訊號，或該特徵聲紋訊號峰消失，則該精密型機械被判斷為一異常狀況。

在本發明的一實施例中，該震動訊號是使用一個該微型麥克風以進行單一訊號量測。

在本發明的一實施例中，該震動訊號是使用複數個該微型麥克風以進行差分量測。

在本發明的一實施例中，該精密型機械是一沖壓機，該操作點是選自開始進行閉模、沖擊或開模之至少一時間點。

在本發明的一實施例中，該精密型機械是一風扇，該操作點是選自切換成不同轉速之至少一時間點。

在本發明的一實施例中，該精密型機械是一真空馬達，該 操作點是選自切換成運轉或關閉之至少一時間點。

在本發明的一實施例中，該微型麥克風與該精密型機械為緊配結合。

在本發明的一實施例中，該微型麥克風是緊配固定於該精密型機械之一表面上。

在本發明的一實施例中，該微型麥克風是緊配鑲埋於該精密型機械的內部。

A‧‧‧閉模訊號

B‧‧‧開模訊號

C‧‧‧沖頭敲擊訊號

D‧‧‧衝擊靶材訊號

E‧‧‧靶材斷裂訊號

F‧‧‧靶材異常拉料訊號

第1圖：本發明一實施例之風扇啟動後的聲波變化。

第2圖：本發明一實施例之風扇啟動後的聲紋圖。

第3圖：本發明一實施例之真空馬達正常運轉的頻譜圖。

第4圖：本發明一實施例之真空馬達運作中以手指輕敲的頻譜圖。

第5圖：本發明一實施例之沖壓機進行無靶材空沖的聲紋圖。

第6圖：本發明一實施例之沖壓機沖壓正常板材的聲紋圖。

第7圖：本發明一實施例之沖壓機沖壓過厚板材的聲紋圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。此外，本發明所提到的單數 形式“一”、“一個”和“所述”包括複數引用，除非上下文另有明確規定。數值範圍(如10%~11%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的B)，則皆指其下限值可能為0(即0%≦B≦0.2%)。上述用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

本發明一實施例提供一種精密型機械的檢測方法，其主要包含步驟：(S1)提供一精密型機械，該精密型機械具有一操作週期，該操作週期包含至少一個操作點；(S2)組裝一微型麥克風與該精密型機械；(S3)使用該微型麥克風感測該操作週期的一震動訊號；(S4)將該震動訊號轉換成一聲紋圖譜；以及(S5)判斷該聲紋圖譜中該操作點對應的一特徵聲紋訊號峰，以該特徵聲紋訊號峰作為該精密型機械的一正常聲紋數據。

本發明一實施例之精密型機械的檢測方法首先是：(S1)提供一精密型機械，該精密型機械具有一操作週期，該操作週期包含至少一個操作點。在本步驟中，該精密型機械可以是任何能產生震動的精密加工機械，可例如是沖壓機、風扇或真空馬達，然不限於此。本發明之操作點指的是該精密型機械之一操作週期中的至少一種循環動作之一開始或切換時間點。例如，當該精密型機械是一沖壓機，該操作點可以是選自開始進行閉模、沖擊及/或開模之至少一時間點。當該精密型機械是一風扇，該操作點可以是選自切換成不同轉速之至少一時間點，例如切換成高、中、低速之時間點等，然不限於此，也可以是切換成特定數值轉速之時間點，例如300轉/分鐘或500轉/分鐘等。當該精密型機械是一真空馬達，該操作點可以是選自切換成運轉及/或關閉之至少一時間點。本文中的「精密型」指 的是加工時能做到的細膩程度而非關於自身尺寸，例如金屬中心發展的薄型電磁鋼片無油沖壓機，其主要是針對厚度小於0.35mm的薄型電磁鋼片進行加工。

本發明一實施例之精密型機械的檢測方法接著是：(S2)組裝一微型麥克風與該精密型機械。在本步驟中，該微型麥克風可以是緊密固定於該精密型機械之一表面上，也可以是鑲埋於該精密型機械的內部，主要是將該微型麥克風整合於該精密型機械的本體，以降低周圍環境所產生的干擾影響。此外，將該微型麥克風與該精密型機械組裝在一起形成一個整合結構，可增加對於該精密型機械震動的感受度。該微型麥克風為圓柱形的電容式麥克風，其直徑約6mm、高約2.5mm。在本發明之一實施例中，可採用多顆不同型號的微型麥克風。

本發明一實施例之精密型機械的檢測方法接著是：(S3)使用該微型麥克風感測該操作週期的一震動訊號。在本步驟中，除了該震動訊號之外，也可以收集該操作週期的聲波訊號。如第1圖所示，當該風扇啟動後，其強度轉換時，也可能產生聲波的變化，其中I區是在低速的聲波，II區是中速的聲波，而III區顯示的是高速的聲波。在一實施例中，該震動訊號是使用一顆該微型麥克風以進行單一訊號量測；或者，也可以使用複數個該微型麥克風以進行差分量測。

本發明一實施例之精密型機械的檢測方法接著是：(S4)將該震動訊號轉換成一聲紋圖譜。該聲紋圖譜可如第2圖所示，其顯示一風扇從低至高速運轉的聲紋圖。當該風扇啟動後且進行強度轉換時，可以發現分別有I、II、III區的對應訊號，因此其各區交界處足以顯示其切換特徵。

該聲紋圖譜也可以是一頻譜圖，如第3及4圖所示，其係一真空馬達的頻譜圖。在第3圖中，該真空馬達是正常啟動後運作的頻譜圖，當運作中以手指輕敲該真空馬達，可以獲得第4圖所示的頻譜圖，其高頻部分的強度明顯提高，顯示頻譜圖的變化也可以做為判斷機制之一。

本發明一實施例之精密型機械的檢測方法接著是：(S5)判斷該聲紋圖譜中該操作點對應的一特徵聲紋訊號峰，以該特徵聲紋訊號峰作為該精密型機械的一正常聲紋數據。在本步驟中，當該聲紋圖譜包含該正常聲紋數據以外的異常聲紋訊號，或該特徵聲紋訊號峰消失，則該精密型機械可能發生異常，故可判斷為一異常狀況。

為使本發明之精密型機械的檢測方法更明確，下文另以沖壓機的檢測及判斷異常的方法進行說明。

首先，將微型麥克風拴緊並固定至沖壓機底座，同時開始進行沖壓，其操作點主要包含開模、閉模及沖壓。該沖壓機的震動訊號可藉由微型麥克風傳至錄音介面後，再轉換為數位訊號，並存置電腦做訊號分析，而後利用市售軟體Cool Edit Pro做初步聲紋觀察，並利用Matlab截去特定頻段訊號做FFT(快速傅立葉轉換)及強度積分。

然後，使該沖壓機進行空衝，以捕捉無靶材的條件下該沖壓機的沖壓情形，可獲得如第5圖所示之聲紋圖。在第5圖中，可發現對應各個操作點的閉模訊號A、開模訊號B及沖頭敲擊訊號C，訊號頻率多集中於低頻部分。

接著進行沖壓板材，例如鋼片、鐵片、鋁片或其他合金板材等，可獲得正常沖壓的狀況。如第6圖所示，依舊可捕捉到上述開模訊 號B及閉模訊號A的情形，而沖壓部分變為兩個特徵訊號，判斷為衝擊靶材訊號D及靶材斷裂訊號E，即是作為該沖壓機的一正常聲紋數據。其中應注意的是，衝擊靶材訊號D及靶材斷裂的訊號E，兩個訊號之間僅相隔0.01秒，可顯示偵測靈敏度極高，反應非常快速、精準。

接著，將靶材厚度提高但不超過沖頭負荷，此條件將使沖壓過程發生拉料，可用來做為異常狀況與上述正常沖壓板材對照。如第7圖所示，除了上述正常運作下開模訊號B、閉模訊號A及沖壓訊號(衝擊靶材訊號D及靶材斷裂訊號E)外，多出了靶材異常拉料訊號F，顯示本發明利用微型麥克風確實可及時偵測到精密型機械的異常狀況，可提醒使用者適時做出適當處理措施。

相較於習知技術，本發明所提供之精密型機械的檢測方法，利用微型麥克風於時域能進行全頻接收，也就是在同一時間能多頻接收，大幅提高資料完整度，故可於時域展開所有頻譜，當該精密型機械有任何異常狀況時，頻譜會顯示出訊號，可應用於所有會產生震動之精密型機械設備，透過機械本體所產生的震動訊號進行狀態監測，可立即檢測其異常工作情形，並可發現機具初期損壞徵兆，可提早停機檢修，更換損壞部件，具有預防機械嚴重損壞而造成損失之功效。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種精密型機械的檢測方法，其包含下列步驟：提供一精密型機械，該精密型機械具有一操作週期，該操作週期包含至少一個操作點；組裝至少一微型麥克風與該精密型機械；使用該微型麥克風感測該操作週期的一震動訊號；將該震動訊號轉換成一聲紋圖譜；以及判斷該聲紋圖譜中該操作點對應的一特徵聲紋訊號峰，以該特徵聲紋訊號峰作為該精密型機械的一正常聲紋數據；其中當該聲紋圖譜包含該正常聲紋數據以外的異常聲紋訊號，或該特徵聲紋訊號峰消失，則該精密型機械被判斷為一異常狀況。
2. 如申請專利範圍第1項所述之精密型機械的檢測方法，其中該震動訊號是使用一組該微型麥克風以進行單一訊號量測。
3. 如申請專利範圍第1項所述之精密型機械的檢測方法，其中該震動訊號是使用複數個微型麥克風以進行差分量測。
4. 如申請專利範圍第1項所述之精密型機械的檢測方法，其中該精密型機械是一沖壓機，該操作點是選自開始進行閉模、沖擊或開模之至少一時間點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之精密型機械的檢測方法，其中該精密型機械是一風扇，該操作點是選自切換成不同轉速 之至少一時間點。
6. 如申請專利範圍第1項所述之精密型機械的檢測方法，其中該精密型機械是一真空馬達，該操作點是選自切換成運轉或關閉之至少一時間點。
7. 如申請專利範圍第1項所述之精密型機械的檢測方法，其中該微型麥克風與該精密機械為緊配結合。
8. 如申請專利範圍第7項所述之精密型機械的檢測方法，其中該微型麥克風是緊配固定於該精密型機械之一表面上。
9. 如申請專利範圍第7項所述之精密型機械的檢測方法，其中該微型麥克風是緊配鑲埋於該精密型機械的內部。