TWI627426B - 馬達及減速裝置之損壞偵測系統及損壞偵測方法 - Google Patents

Abstract

一種馬達及減速裝置之損壞偵測系統，包括第一偵測模組、第二偵測模組以及運算模組。第一偵測模組包括第一伴隨轉動元件及第一感測元件，第一伴隨轉動元件設置於馬達轉動軸，在第一伴隨轉動元件轉動過程中以第一感測元件感測並產生第一偵測訊號。第二偵測模組包括第二伴隨轉動元件及第二感測元件，第二伴隨轉動元件設置於減速裝置轉動軸之表面，在第二伴隨轉動元件轉動過程中以第二感測元件感測並產生第二偵測訊號。運算模組根據第一偵測訊號及第二偵測訊號產生偵測轉速比，當偵測轉速比與預設轉速比不相等時，運算模組發送損壞通知訊號。

Description

馬達及減速裝置之損壞偵測系統及損壞偵測方法

本發明係關於一種用於馬達及減速裝置的損壞偵測系統及損壞偵測方法。

機器人的應用相當廣泛，舉凡工業生產、醫療手術、環境探測等不同領域皆可透過機器人的協助以提高產能或效率。機器人的機械手臂可模仿人類手臂功能並完成各種作業，其中最不可或缺的致動元件係馬達和對應的減速裝置。馬達提供機械手臂動力來源，減速裝置則係因應不同的應用場景將高轉速馬達的動力來源轉換為精細的三軸方向移動，而馬達驅動減速裝置內的齒輪組後更能夠增大扭矩，讓機械手臂產生極大的力量。

以機器人常用的直流馬達而言，直流馬達驅動減速裝置的齒輪組，齒輪組中具有各種大小的齒輪去傳動，然後透過減速裝置的轉動軸將動力輸出到外面的結構，例如手臂關節、手指關節或脖子轉軸等。然而，當機器人的這些可動部位發生異常時，目前卻沒有一個可以快速且準確判斷損壞部位是馬達或是減速裝置的機制，只能透過現場工程師將損壞部位的機械逐一拆解後分別測試，徒增不必要的損壞排除時間。而若是實際現場生產線的機械手臂發生損壞，額外的檢測工作將造成產能嚴重損失。

有鑒於此，本發明提出一個馬達及減速裝置的損壞偵測系統及其方法，透過分別安裝於馬達和減速裝置上的兩個檢測模組測得兩個轉速，求得其轉速比值後與減速裝置預期的轉速比值互相比對，藉此在馬達或減速裝置其中任一者損壞時即時反饋。進一步地，根據馬達在供應指定電壓時預期的正常轉速與檢測轉速比對，以確認損壞部位是馬達或是減速裝置。

依據本發明之一實施例所敘述的一種馬達及減速裝置之損壞偵測系統，適用於透過傳動軸連接的馬達及減速裝置，其中馬達具有第一轉動軸，減速裝置具有第二轉動軸，所述的馬達及減速裝置之損壞偵測裝置包括：第一偵測模組、第二偵測模組以及運算模組。第一偵測模組包括第一伴隨轉動元件及第一感測元件，第一伴隨轉動元件設置於第一轉動軸，第一感測元件感測在第一伴隨轉動元件轉動過程中所產生的物理變化量並據以產生第一偵測訊號。第二偵測模組包括第二伴隨轉動元件及第二感測元件，第二伴隨轉動元件設置於第二轉動軸之表面，第二感測元件感測在第二伴隨轉動元件轉動過程所產生的物理變化量並據以產生第二偵測訊號。運算模組電性連接至第一偵測模組及第二偵測模組，運算模組接收第一偵測訊號及第二偵測訊號並據以產生偵測轉速比例數值，運算模組更包括一預設轉速比例數值，當預設轉速比例數值及偵測轉速比例數值兩者不相等時，運算模組發送損壞通知訊號。

依據本發明之一實施例所敘述的一種馬達及減速裝置之損壞偵測系統，其中第一伴隨轉動元件係磁性轉盤，第一感測元件係霍爾效應感測器，第一偵測訊號係電壓變化量。第二伴隨轉動元件係反光貼紙，第二感測元件係光電感測器。依據本發明之一實施例所敘述的一種馬達及減速裝置之損壞偵測系統，其中運算模組更包括根據第一偵測訊號產生一第一偵測轉速及，預設轉速比例數值中更包括一第一預設轉速，當預設轉速比例數值及偵測轉速比例數值兩者不相等且當第一預設轉速及第一偵測轉速不相等時，運算模組發送一損壞通知訊號，並指示為馬達損壞；當預設轉速比例數值及偵測轉速比例數值兩者不相等且當第一預設轉速及第一偵測轉速相等時，運算模組發送一損壞通知訊號，並指示為減速裝置損壞。

依據本發明之一實施例所敘述的一種馬達其減速裝置之損壞偵測方法，適用於前述的損壞偵測系統，所述的損壞偵測方法包括：運算模組接收預設轉速比例數值；第一偵測模組感測第一轉動軸轉動過程中產生的物理變化量並據以產生第一偵測訊號；第二偵測模組感測第二轉動軸轉動過程中產生的物理變化量並據以產生第二偵測訊號；運算模組接收第一偵測訊號及第二偵測訊號並據以產生偵測轉速比例數值；以及當預設轉速比例數值及偵測轉速比例數值兩者不相等時，運算模組發送損壞通知訊號。

藉由上述架構，本發明所揭露的馬達及減速裝置的損壞偵測系統及其方法，藉由兩個檢測模組分別檢測馬達及減速裝置的不同轉速，並且將偵測數值與預設轉速進行交叉比對。因而具有快速判斷損壞並進一步確認損壞部位的效果。

以上關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1A。本發明所揭露的馬達及減速裝置損壞偵測系統1係應用於馬達10與減速裝置30上，其中馬達透過傳動軸20帶動減速裝置30轉動。馬達10具有第一轉動軸12，減速裝置30具有第二轉動軸32。在本發明一實施例中，所揭露的損壞偵測系統1包括：第一偵測模組50、第二偵測模組60以及運算模組70。

第一轉動軸12與傳動軸20為馬達10所驅動，具有相同的第一轉速。在下文述及的實施例中，所指的馬達10係直流馬達，然而本發明所揭露的損壞偵測系統1亦可應用於未含轉速感測器的交流馬達、脈衝馬達、步進馬達或伺服馬達上。馬達10透過傳動軸20以第一轉速輸入減速裝置30，經過減速裝置30降低轉速後以第二轉速輸出至所欲致動的元件，例如機械手臂的關節。減速裝置30或稱為減速機（Decelerator），於下文述及的實施例中，所指的減速裝置30係齒輪減速機（Gear Reducer），然而本發明所揭露的損壞偵測系統1亦可應用於蝸桿減速機（Worm Wheel Reducer）、擺線針輪減速機（Cycloid Reducer）或諧波齒輪減速機（Harmonic Drive）等其他類型的減速裝置30。綜上所述，本發明所揭露的損壞偵測系統1並不限定馬達10或減速裝置30內部的構造。

第一偵測模組50包括第一伴隨轉動元件52及第一感測元件54。第一伴隨轉動元件52連接於第一轉動軸12，跟隨第一轉動軸12同步轉動。請一併參考圖1A及圖2，在本發明一實施例中，第一伴隨轉動元件52係磁性轉盤，磁性轉盤由多個永久磁鐵組成一圓盤狀結構，其正面如圖2所示。磁性轉盤設置在第一轉動軸12上並被馬達10帶動旋轉，旋轉時將改變磁性轉盤周圍的磁場。第一感測元件54係霍爾效應傳感器（Hall effect sensor），或稱霍爾元件。霍爾元件被設置於接近但不接觸磁性轉盤的位置，如圖1的第一感測元件54的位置所示。當馬達10啟動時，連接於第一轉動軸12的磁性轉盤便隨之轉動，霍爾元件可在每一個永久磁鐵經過時產生一個相應的電壓變化，本發明一實施例中所述的第一偵測訊號係指此電壓變化。另外，必須注意的是，本實施例並不限制磁性轉盤上永久磁鐵的個數，但凡可因為轉動讓霍爾效應傳感器測得磁場變化的磁性轉盤皆可視為本發明所揭露的第一伴隨轉動元件52。

第二偵測模組60包括第二伴隨轉動元件62及第二感測元件64。第二伴隨轉動元件62設置於第二轉動軸32之表面，在第二轉動軸32轉動時作圓周運動。請參考圖1A，在本發明一實施例中，第二伴隨轉動元件62係反光貼紙，黏貼於第二轉動軸32的表面。第二感測元件64係光電感測器，光電感測器包括投光器、受光器及檢測電路。投光器對準目標持續發射光束，光束一般源自半導體光源如發光二極體（LED）。受光器由光電二極體和光學元件如透鏡或光圈組成。檢測電路則可在受光器接收到光線時產生電子訊號。光電感測器被固定於接近但不接觸反光貼紙的位置，如圖1A的第二感測元件64的位置所示。當減速裝置30啟動時，黏貼於第二轉動軸32表面的反光貼紙將以一固定頻率反射投光器投射之光線；換言之，當反光貼紙正好繞行到光電感測器投光/受光範圍時，光電感測器的受光器將接收到反光貼紙反射的光線，然後檢測電路針對此現象產生一個相應的電子訊號，本發明一實施例中所述的第二偵測訊號係指此電子訊號。值得注意的是，在本發明之一實施例中，透過磁盤及霍爾元件偵測馬達10轉速，並透過反光貼紙及光電感測器偵測減速裝置30轉速。然而，實務上亦可根據需求而改為透過磁盤及霍爾元件偵測減速裝置30轉速，並透過反光貼紙及光電感測器偵測馬達10轉速。換言之，本發明並不限制「第一偵測模組50」及「第二偵測模組60」的感應結構。

運算模組70電性連接至第一偵測模組50及第二偵測模組60以接收第一偵測訊號和第二偵測訊號。在本發明一實施例中，運算模組70係微處理器（Microprocessor），裝設於一組裝印刷電路板（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）上，如圖1所示。運算模組70根據單位時間內第一偵測訊號的電壓變化次數可換算出第一轉動軸12的第一偵測轉速。同理，運算模組70根據單位時間內第二偵測訊號的反光感應次數可換算出第二轉動軸32的第二偵測轉速。運算模組70進一步計算第一偵測轉速與第二偵測轉速兩者的比例，得到一偵測轉速比例數值。一般而言，在選定減速裝置30之後，減速裝置30之減速比可從其規格說明書中得知，因此，此減速比即可作為一預設轉速比例數值輸出至運算模組70中作為比對之用。當預設轉速比例數值與偵測轉速比例數值兩者不相等時，運算模組70發送一損壞訊號，即時通知維修人員目前有馬達10或減速裝置30損壞。

另外，在選定馬達10之後，使用者亦可從馬達10的規格說明書中得知在輸入額定電壓（Rated Voltage）時，馬達10的額定負載轉速（Rated Load Speed）。實務上，此額定負載轉速通常以每分鐘轉速（Revolutions Per Minute，RPM）表示。此額定負載轉速可作為第一預設轉速，和減速裝置30減速比等作為預設參數輸入至運算模組70中作為比對之用。當運算模組70比對預設轉速比例數值與偵測轉速比例數值後判斷有損壞狀況發生時，運算模組70進一步比對第一偵測轉速與馬達10的第一預設轉速，若兩者不相等，則可判斷為損壞部位為馬達10；換言之，若第一偵測轉速與第一預設轉速兩者相等，則可判斷損壞部位為減速裝置30。運算模組70進一步發送指示損壞部位的損壞訊號，以便即時通知維修人員針對損壞部位進行後續處理。

請參考圖1B。第一偵測模組50中的第一伴隨轉動元件52除了可裝設於馬達10的第一轉動軸12外，亦可裝設於傳動軸20上。此外，運算模組70所裝設的組裝印刷電路板亦可配合機構設計，而在電路板上增設孔洞，使傳動軸20貫穿而不影響傳動軸20的旋轉。

請參考圖3A，其係繪示本發明所揭露的馬達及減速裝置損壞偵測方法在一實施例中的流程圖。如步驟S31所示，在馬達10及減速裝置30運作前，根據減速裝置30之規格說明書所述之減速比輸入至運算裝置70中作為預設轉速比例數值。在馬達10及減速裝置30轉動過程中，如步驟S32所示，由第一偵測模組50感測馬達10轉動以產生第一感測訊號。同樣地，第二偵測模組60感測減速裝置30轉動以產生第二感測訊號。在兩個感測訊號皆產生之後，如步驟S33及步驟S34所示，運算模組70接收前述兩個感測訊號並分別計算得到第一偵測轉速及第二偵測轉速。得到兩個轉速之後，如步驟S35所示，運算模組70可進一步計算得到偵測轉速比例數值。然後如步驟S36所示，運算模組70比較此偵測轉速比例數值與預設轉速比例數值，若兩者相同，代表目前馬達10及減速裝置30皆正常運作，則回到步驟S32繼續偵測轉速。反之，若預設轉速比例數值不等於偵測轉速比例數值，則代表馬達10或減速裝置30其中至少一者發生損壞，使得偵測轉速比例數值不符預期，因此如步驟S37所示，運算模組70發送損壞通知訊號。

請參考圖3B，其係繪示本發明所揭露的馬達及減速裝置損壞偵測方法在另一實施例中的流程圖。需補充說明的是，在步驟S41中，預先輸入至運算模組70的預設轉速比例數值，更包括將馬達規格說明書中所述之馬達額定負載轉速作為第一預設轉速輸入至運算模組70。步驟S42~步驟S46與前述實施例基本相同。在步驟S46，當確認馬達10或減速裝置30其中至少一者損壞後，為進一步確認損壞裝置為何者，因此如步驟S47所示，運算模組70比較第一偵測轉速與第一預設轉速。若兩者不相等，代表馬達10損壞使得輸出轉速不如預期，因此如步驟S48所示，運算模組70發送指示為馬達10損壞的損壞通知訊號。反過來說，如果第一偵測轉速與第一預設轉速兩者相等，代表馬達10的轉速如預期輸出，損壞部位應為減速裝置30，因此如步驟S49所示，運算模組70發送指示為減速裝置30損壞的損壞通知訊號。

綜合以上所述，本發明所揭露之馬達及減速裝置的損壞偵測系統1及損壞偵測方法，配置第一偵測模組50和第二偵測模組60分別量測馬達10及減速裝置30的轉速，透過運算模組70計算偵測轉速比例數值之後，與減速裝置30的預設轉速比例數值作比對，因而可以即時反應馬達10或減速裝置30的運作狀況；另外更藉由馬達10第一預設轉速和第一偵測轉速的比對，進一步地即時確認損壞部件為何，因此減少了維修過程中額外花費在尋找損壞部件的時間成本與人力成本。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1‧‧‧損壞偵測系統
10‧‧‧馬達
12‧‧‧第一轉動軸
20‧‧‧傳動軸
30‧‧‧減速裝置
32‧‧‧第二轉動軸
50‧‧‧第一偵測模組
52‧‧‧第一伴隨轉動元件
54‧‧‧第一感測元件
60‧‧‧第二偵測模組
62‧‧‧第二伴隨轉動元件
64‧‧‧第二感測元件
70‧‧‧運算模組
S31~S37、S41~S49‧‧‧步驟

圖1A係依據本發明一實施例所繪示的馬達及減速裝置損壞偵測系統功能方塊圖。 圖1B係依據本發明另一實施例所繪示的馬達及減速裝置損壞偵測系統功能方塊圖。 圖2係依據本發明一實施例所繪示的磁性轉盤正面示意圖。 圖3A係依據本發明一實施例所繪示的馬達及減速裝置損壞偵測方法流程圖。 圖3B係依據本發明另一實施例所繪示的馬達及減速裝置損壞偵測方法流程圖。

Claims (6)

1. 一種馬達及減速裝置之損壞偵測系統，適用於透過一傳動軸連接的一馬達及一減速裝置，其中該馬達具有一第一轉動軸，該減速裝置具有一第二轉動軸，所述的馬達及減速裝置之損壞偵測裝置包括：一第一偵測模組，包括一第一伴隨轉動元件及一第一感測元件，該第一伴隨轉動元件設置於該第一轉動軸，該第一感測元件感測在該第一伴隨轉動元件轉動過程中所產生的物理變化量並據以產生一第一偵測訊號；一第二偵測模組，包括一第二伴隨轉動元件及一第二感測元件，該第二伴隨轉動元件設置於該第二轉動軸之表面，該第二感測元件感測在該第二伴隨轉動元件轉動過程所產生的物理變化量並據以產生一第二偵測訊號；以及一運算模組，電性連接至該第一偵測模組及該第二偵測模組，該運算模組接收該第一偵測訊號及該第二偵測訊號並據以產生一偵測轉速比例數值，該運算模組更包括一預設轉速比例數值，當該預設轉速比例數值及該偵測轉速比例數值兩者不相等時，該運算模組發送一損壞通知訊號。
2. 如請求項1所述之損壞偵測系統，其中該第一伴隨轉動元件係磁性轉盤，該第一感測元件係霍爾效應感測器，該第一偵測訊號係電壓變化量。
3. 如請求項1所述之損壞偵測系統，其中該第二伴隨轉動元件係反光貼紙，該第二感測元件係光電感測器。
4. 如請求項1所述之損壞偵測系統，其中該運算模組更包括根據該第一偵測訊號產生一第一偵測轉速，該預設轉速比例數值中更包括一第一預設轉速，當該預設轉速比例數值及該偵測轉速比例數值兩者不相等且當該第一預設轉速及該第一偵測轉速不相等時，該運算模組發送一損壞通知訊號，並指示為馬達損壞；當該預設轉速比例數值及該偵測轉速比例數值兩者不相等且當該第一預設轉速及該第一偵測轉速相等時，該運算模組發送一損壞通知訊號，並指示為減速裝置損壞。
5. 一種馬達及減速裝置之損壞偵測方法，適用於請求項1所述之損壞偵測系統，所述的損壞偵測方法包括：以該運算模組接收該預設轉速比例數值；以該第一偵測模組感測該第一轉動軸轉動過程中產生的物理變化量並據以產生該第一偵測訊號；以該第二偵測模組感測該第二轉動軸轉動過程中產生的物理變化量並據以產生該第二偵測訊號；以運算模組接收該第一偵測訊號及該第二偵測訊號並據以產生該偵測轉速比例數值；以及當該預設轉速比例數值及該偵測轉速比例數值兩者不相等時，以該運算模組發送該損壞通知訊號。
6. 如請求項5所述之馬達及減速裝置之損壞偵測方法，其中更包括：以該運算模組接收該第一預設轉速；以該運算模組接收該第一偵測訊號並據以產生該第一偵測轉速；當該預設轉速比例數值及該偵測轉速比例數值兩者不相等且當該第一預設轉速及該第一偵測轉速不相等時，該運算模組發送該損壞通知訊號，並指示為馬達損壞；以及當該預設轉速比例數值及該偵測轉速比例數值兩者不相等且當該第一預設轉速及該第一偵測轉速相等時，該運算模組發送該損壞通知訊號，並指示為減速裝置損壞。