TWI716139B

TWI716139B - 多波段加速規

Info

Publication number: TWI716139B
Application number: TW108136179A
Authority: TW
Inventors: 蔡明祺; 陳國聲; 蔡瑞敏
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2019-10-05
Filing date: 2019-10-05
Publication date: 2021-01-11
Also published as: TW202114810A

Abstract

一種多波段加速規，包含：一載體，以及設置於該載體上的一電源供應端、一高頻加速規晶片、一中頻加速規晶片、一低頻加速規晶片及一訊號輸出端，該訊號輸出端訊號連接該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片及該低頻加速規晶片；該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片及該低頻加速規晶片相互正交設置。藉由正交的設置，使三種不同頻寬的微機電加速規形成高頻寬、高靈敏度且可以三軸量測的該多波段加速規，同時減小體積、降低成本，該多波段加速規更可以放入一工具機主軸內，監控該工具機的運作狀態，有效延長該工具機的壽命並提升工廠的產能。

Description

多波段加速規

本發明係關於一種加速規，特別係指整合不同偵測頻率之加速規的一種多波段加速規。

使用工具機時，在機台內部的零件損壞、機台的剛性下降等機台失效的情況下，機台的振動訊號通常具有大頻譜範圍，為了有效檢測機台失效情況並加以排除，需要藉由振動感測器監控機台的振動訊號變化，但除了頻率小於300Hz的轉速頻率，舉例來說，還可能有頻率小於5000Hz的顫震、小於3000Hz的軸承損壞，單一加速規難以有效量測機台的振動訊號。

Alaa Abdulhady Jaber及Robert Bicker等人2016年在International Journal of Electrical and Computer Engineering(IJECE)上的Design of a Wireless Sensor Node for Vibration Monitoring of Industrial Machinery一文中，提出了將三個型號皆為ADXL001的加速規，以相互正交的方式結合在專門設計的方形鋁製適配器上，藉以測量X、Y及Z三軸。

在前述論文中，ADXL001型號量測頻寬雖然較寬，可作為高頻加速規使用，但對中頻及低頻的靈敏度較低，使用相同的三個高頻加速規，將犧牲中低頻的靈敏度，且整體體積過大(約180*90*50mm³)。

爰此，本發明人提出一種多波段加速規，包含：一載體；一電源供應端，設置於該載體上；一高頻加速規晶片，設置於該載體上，訊號連接該電源供應端；一中頻加速規晶片，設置於該載體上，訊號連接該電源供應端；一低頻加速規晶片，設置於該載體上，訊號連接該電源供應端；以及一訊號輸出端，設置於該載體上，該訊號輸出端訊號連接該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片及該低頻加速規晶片；該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片及該低頻加速規晶片相互正交設置。

進一步，有一高通濾波器，設置於該載體上，該高通濾波器訊號連接該高頻加速規晶片。

進一步，有一正向放大器，設置於該載體上，該正向放大器訊號連接該高頻加速規晶片。

進一步，有一電壓隨耦器，設置於該載體上，該電壓隨耦器訊號連接該中頻加速規晶片。

進一步，有一電壓隨耦器，設置於該載體上，該電壓隨耦器訊號連接該低頻加速規晶片。

進一步，有一穩壓器，設置於該載體上，該穩壓器訊號連接該電源供應端及該低頻加速規晶片。

進一步，有一焊錫，設置於該載體上，該焊錫訊號連接該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片及該低頻加速規晶片。

其中，該載體包含一方形支撐塊及設置在該方形支撐塊表面之一印刷電路板，該電源供應端、該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片、該低頻加速規晶片及該訊號輸出端訊號連接該印刷電路板。

其中，該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片及該低頻加速規晶片係為微機電加速規。

該高頻加速規晶片、該中頻加速規晶片及該低頻加速規晶片皆量測三軸向。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.藉由高頻加速規晶片、中頻加速規晶片及低頻加速規晶片的搭配組合，形成高頻寬、高靈敏度且可以三軸量測的多波段加速規，可以即時監控及診斷工具機的運作狀態，有效延長工具機的壽命並提升工廠的產能。

2.高頻加速規晶片、中頻加速規晶片及低頻加速規晶片相互正交設置，確保訊號的量測結果有相同的坐標軸，無須額外轉換。

3.高通濾波器將直流偏壓濾除，避免訊號的準位偏移，超出量測範圍，也避免不必要的低頻雜訊被正向放大器放大。

4.正向放大器將訊號放大，提升多波段加速規的靈敏度，同時允許三片高頻加速規晶片共用，節省空間。

5.使用兩片TSV524運算放大器，除了可以接為正向放大器使用，也可以同時接為電壓隨耦器使用，讓所有加速規晶片共用，減少所需元件。

6.第一電壓隨耦器及第二電壓隨耦器藉由極大的輸入阻抗，穩定輸出訊號，避免電路失真。

7.穩壓器將電源供應端輸入的5V電壓轉成低頻加速規晶片可使用的3V，電源供應端仍可直接供給5V給高頻加速規晶片及中頻加速規晶片，無須增加電源供應端的數量，節省空間。

8.使用焊錫作為導通訊號的媒介，減少訊號在傳輸過程中受到雜訊的干擾，更縮小多波段加速規的整體體積，焊錫也可以輔助將印刷電路板固定。

9.方形支撐塊維持印刷電路板之高頻加速規晶片、中頻加速規晶片及低頻加速規晶片彼此的正交關係，避免多波段加速規移動後使印刷電路板偏移。

10.使用多個微機電加速規結合為多波段加速規，減小體積，也降低成本。

10:載體

101:方形支撐塊

102:印刷電路板

20:電源供應端

30:高頻加速規晶片

40:中頻加速規晶片

50:低頻加速規晶片

60:訊號輸出端

70:穩壓器

80:高通濾波器

90:正向放大器

100:運算放大器

110:第一電壓隨耦器

120:第二電壓隨耦器

130:焊錫

A:工具機

[第一圖]係本發明之印刷電路板之平面展開圖。

[第二圖]係本發明之載體之立體分解圖。

[第三圖]係本發明之載體之立體組合圖。

[第四圖]係本發明之載體另一方向之立體組合圖。

[第五圖]係本發明之高頻加速規晶片部分之電路圖。

[第六圖]係本發明之中頻加速規晶片部分之電路圖。

[第七圖]係本發明之低頻加速規晶片部分之電路圖。

[第八圖]係本發明之實施示意圖。

綜合上述技術特徵，本發明多波段加速規的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

請參閱第一圖及第二圖，本發明係一種多波段加速規，主要包含：一載體(10)、一電源供應端(20)、一高頻加速規晶片(30)、一中頻加速規晶片(40)、一低頻加速規晶片(50)以及一訊號輸出端(60)。該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)及該低頻加速規晶片(50)相互正交設置，且皆量測三軸向，在本發明之實施方式中，該三軸向分別定為正X軸、正Y軸及正Z軸[該三軸向之示意請見第三圖]。

要先說明的是，在本發明之實施方式中，該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)及該低頻加速規晶片(50)皆係為微機電加速規，該高頻加速規晶片(30)使用的型號為ADXL001、數量為三，該中頻加速規晶片(40)使用的型號為ADXL203、數量為一，該低頻加速規晶片(50)使用的型號為ADXL327、數量為一，惟實際實施時，使用的型號與數量皆不限於此，可以依據實際需求改變型號或增減數量。

該載體(10)包含一方形支撐塊(101)，以及設置在該方形支撐塊(101)表面之一印刷電路板(102)，該電源供應端(20)、該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)、該低頻加速規晶片(50)及該訊號輸出端(60)皆訊號連接該印刷電路板(102)，惟該印刷電路板(102)上之詳細印刷電路未於圖式中繪出。該方形支撐塊(101)維持該印刷電路板(102)上之該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)及該低頻加速規晶片(50)彼此的正交關係，避免該多波段加速規移動後使該印刷電路板(102)偏移，進而確保訊號的量測結果維持相同座標軸，即該三軸向[該三軸向之示意請見第三圖]，無須另外進行座標軸的轉換。該方形支撐塊(101)的形狀不限制於正立方體，可以是長方體或不規則形，只要可以維持該印刷電路板(102)上之該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)及該低頻加速規晶片(50)彼此的正交關係即可。該印刷電路板(102)可以藉由彎折、多塊拼接等方式配合該方形支撐塊(101)的形狀，並使用螺絲、膠類等方式結合於該方形支撐塊(101)的表面，在本發明之實施方式中，主要係以螺絲將該印刷電路板(102)鎖固於該方形支撐塊(101)的表面上。

該電源供應端(20)設置於該載體(10)上，輸入5V電壓。另有一穩壓器(70)，設置於該載體(10)上，該穩壓器(70)訊號連接該電源供應端(20)及該低頻加速規晶片(50)，該穩壓器(70)將該電源供應端(20)輸入的5V電壓轉成該低頻加速規晶片(50)可使用的3V，同時該電源供應端(20)仍可直接供給5V給該高頻加速規晶片(30)及該中頻加速規晶片(40)，無須增加該電源供應端(20)的數量，節省空間。在實際實施時，可以接上放大器，將輸入的5V分壓成2.5V，提供該高頻加速規晶片(30)及該中頻加速規晶片(40)的準位偏移。

請參閱第三圖及第五圖，該高頻加速規晶片(30)設置於該載體(10)上，訊號連接該電源供應端(20)。另有一高通濾波器(80)及一正向放大器(90)，皆設置於該載體(10)上，該高通濾波器(80)之一端訊號連接該高頻加速規晶片(30)，該高通濾波器(80)之另一端訊號連接該正向放大器(90)，該正向放大器(90)訊號連接該訊號輸出端(60)。該高通濾波器(80)將該高頻加速規晶片(30)之輸出訊號中的直流偏壓濾除，避免放大後訊號的準位偏移、超出量測範圍，也避免不必要的低頻雜訊接著被該正向放大器(90)放大。要特別補充的是，雖然該高通濾波器(80)會濾除截止頻率以下的訊號，但藉由該多波段加速規，這些訊號仍然可以被該中頻加速規晶片(40)或該低頻加速規晶片(50)量測到[請參閱第四圖]，無須擔心無法量測到特定低頻訊號。由於該高頻加速規晶片(30)雖然擁有較大的頻寬(約22kHz)，但靈敏度較低(約25mV/g)，因此使用該正向放大器(90)將訊號放大，以提升該多波段加速規在高頻段的靈敏度。在本發明之實施方式中，該正向放大器(90)使用型號為TSV524的一運算放大器(100)，藉由該的運算放大器(100)四個通道，允許三片該高頻加速規晶片(30)同時共用，節省空間，並可以將該高頻加速規晶片(30)再連接去耦電容，以穩固訊號、避免突波。由於該高頻加速規晶片(30)使用的型號為ADXL001，單片該高頻加速規晶片(30)僅能測量單軸，因此本發明之實施方式將三片該高頻加速規晶片(30)轉動不同方向或結合於該方形支撐塊(101)不同表面之該印刷電路板(102)上[該方形支撐塊(101)請搭配第二圖]，使三片該高頻加速規晶片(30)可以分別量測該三軸向。

請參閱第四圖及第六圖，該中頻加速規晶片(40)設置於該載體(10)上，訊號連接該電源供應端(20)。另有一第一電壓隨耦器(110)，設置於該載體(10)上，該第一電壓隨耦器(110)通過該高通濾波器(80)訊號連接該中頻加速規晶片(40)。先由該高通濾波器(80)濾除直流訊號，再由該第一電壓隨耦器(110)藉由極大的輸入阻抗，穩定該中頻加速規晶片(40)的輸出訊號，避免電路失真。該中頻加速規晶片(40)的頻寬(約2.5kHz)雖然低於該高頻加速規晶片(30)[該高頻加速規晶片(30)請參閱第三圖]，但靈敏度較高(約1V/g)，不用另外接放大器。由於該中頻加速規晶片(40)使用的型號為ADXL203，單片該中頻加速規晶片(40)僅能測量雙軸，於實際實施時可以將二片該中頻加速規晶片(40)轉動方向或結合於該方形支撐塊(101)不同表面之該印刷電路板(102)上[該方形支撐塊(101)請參閱第二圖]，使二片該中頻加速規晶片(40)可以量測該三軸向，於圖式中僅以單片該中頻加速規晶片(40)示意量測該三軸向中的正x軸及正z軸。在本發明之實施方式中，該第一電壓隨耦器(110)與該正向放大器(90)相同[該正向放大器(90)請參閱第五圖]，都是使用型號為TSV524的該運算放大器(100)，可以減少所需元件，節省空間。

請參閱第四圖及第七圖，該低頻加速規晶片(50)設置於該載體(10)上，通過該穩壓器(70)訊號連接該電源供應端(20)。另有一第二電壓隨耦器(120)，設置於該載體(10)上，該第二電壓隨耦器(120)通過該高通濾波器(80)訊號連接該低頻加速規晶片(50)。與該第一電壓隨耦器(110)相似[該第一電壓隨耦器(110)請參閱第六圖]，先由該高通濾波器(80)濾除直流訊號，再由該第二電壓隨耦器(120)穩定該低頻加速規晶片(50)的輸出訊號，避免電路失真。該低頻加速規晶片(50)的頻寬(約1.6kHz)雖然低於該高頻加速規晶片(30)[該高頻加速規晶片(30)請參閱第三圖]，但靈敏度較高(約0.42V/g)，跟該中頻加速規晶片(40)一樣[該中頻加速規晶片(40)請參閱第六圖]，不用另外接放大器。由於該低頻加速規晶片(50)使用的型號為ADXL327，單片該低頻加速規晶片(50)即可量測該三軸向。在本發明之實施方式中，該第二電壓隨耦器(120)與該正向放大器(90)相同[該正向放大器(90)請參閱第五圖]，都是使用型號為TSV524的該運算放大器(100)，可以減少所需元件，節省空間。

請參閱第四圖至第七圖，該訊號輸出端(60)設置於該載體(10)上，該訊號輸出端(60)通過該高通濾波器(80)及該正向放大器(90)訊號連接該高頻加速規晶片(30)、通過該第一電壓隨耦器(110)訊號連接該中頻加速規晶片(40)、以及通過該第二電壓隨耦器(120)訊號連接該低頻加速規晶片(50)。更明確的說，該訊號輸出端(60)與該電源供應端(20)係設置於同一公接頭(型號： molex 5041861800)上，並結合於同一母接頭(型號：molex 5041871870)上，由於該公接頭有18個傳輸通道，其中2個傳輸通道即為該電源供應端(20)，其中8個傳輸通道則為該訊號輸出端(60)，為了簡化圖式以方便說明，因而將該電源供應端(20)及該訊號輸出端(60)標示於該母接頭上，且未於圖式中繪出該公接頭。

該載體(10)上有一焊錫(130)，該焊錫(130)訊號連接該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)及該低頻加速規晶片(50)。使用該焊錫(130)作為導通訊號的媒介，可以減少訊號在傳輸過程中受到雜訊的干擾，更縮小該多波段加速規的整體體積，該焊錫(130)也可以輔助將該印刷電路板(102)與該方形支撐塊(101)固定。

請參閱第八圖，該多波段加速規可以設置於一工具機(A)上，該工具機(A)是指任何以動力驅動並且可以加工材料的機台，例如車床、銑床、鑽床、五軸加工機、智慧主軸、機械手臂等等，可以將該多波段加速規結合於該工具機(A)的表面，或放入該工具機(A)的主軸中，感測該工具機(A)的訊號。在本發明的實施方式中，係直接將該載體(10)黏合於該工具機(A)的表面上，於實際實施時，也可以將該載體(10)外部罩上金屬外殼，由屏蔽效應防止訊號受干擾。其中，為了將該多波段加速規放入該工具機(A)的主軸中，以Spintrue的內藏式主軸C430C為例，且此款主軸搭配型號為7020的軸承，若要放入主軸中，該載體(10)必須小於24*24*24mm³，實際製作後，該載體(10)的大小可小至13*22*22mm³。

當該訊號輸出端(60)將訊號輸出後，可以先使用資料擷取器擷取訊號至電腦，再搭配LabVIEW等程式以及巴特沃斯濾波器(Butterworth Filter)等濾波器進行後期的訊號處理、訊號顯示及訊號儲存，例如將該低頻加速規晶片(50)的輸出訊號使用低通濾波器處理，將該中頻加速規晶片(40)及該高頻加速規晶片(30)的輸出訊號使用帶通濾波器處理，以確保該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)及該低頻加速規晶片(50)可以分別專注在各自適當的頻域進行分析。惟此情景未於圖式中繪出，僅以文字簡單敘述。

測試該多波段加速規的頻寬與靈敏度時，係由一頻譜分析儀給予一激振器輸入訊號，配合一功率放大器給予激振，並由一電源供應器供應電源給該多波段加速規，最後由一頻譜分析儀擷取訊號至電腦分析。測試後得到：在頻寬方面，該高頻加速規晶片(30)為5609Hz，該中頻加速規晶片(40)為3259Hz，該低頻加速規晶片(50)為1538Hz；在靈敏度方面，該高頻加速規晶片(30)為271mV/g，該中頻加速規晶片(40)為998mV/g，該低頻加速規晶片(50)為439mV/g。由於該高頻加速規晶片(30)可量測該三軸向，相當於該三軸向上，該多波段加速規的頻寬皆高達5609Hz。

請參閱第一圖及第八圖，將該高頻加速規晶片(30)、該中頻加速規晶片(40)及該低頻加速規晶片(50)相互正交設置，使三種不同頻寬的微機電加速規形成高頻寬(>5kHz)、高靈敏度(>100mV/g)且可以三軸量測的該多波段加速規，同時減小體積(13*22*22mm³)、降低成本，該多波段加速規可以放入該工具機(A)主軸內，即時監控及診斷該工具機(A)的運作狀態，有效延長該工具機(A)的壽命並提升工廠的產能。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。