TWI747689B

TWI747689B - 智慧型振動/溫度感應裝置

Info

Publication number: TWI747689B
Application number: TW109146321A
Authority: TW
Inventors: 葉書麟
Original assignee: 康信創意科技有限公司
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-11-21
Also published as: TW202229828A

Abstract

本發明提供一種智慧型振動/溫度感應裝置，尤指利用邊緣運算而產生多種精確特徵值，據以作為偵測旋轉或移動機械之振動故障預診分析兼具温度感應之裝置，其原理係將內含振動感應元件及温度感應元件之振動/溫度感應器固定在待測物上並與同步信號計速器及電腦主機聯結，經由每次起點為基準並測出其旋轉一周之振動頻譜，再由同步信號計速器之時域取樣分析程式、角度取樣分析程式及頻域分析程式，將旋轉一周Ｎ筆取樣數據或移動行程之振動頻譜所產生之多種精確特徵值疊加，復由附加於中央處理器內之數位信號處理器及支援向量機之運算，據以預診出可能產生故障之元件及其角度點，提供使用者預先精確預知振動機器主軸、齒輪或螺桿可能產生的問題，進而及早排除或更替組件。

Description

智慧型振動/溫度感應裝置

本發明有關一種智慧型振動/溫度感應裝置，尤指專供物聯網及人工智慧分析使用之振動故障預診裝置，除了温度感應外，其特徵係運用邊緣運算產生多種精確特徵值，據以偵測並顯示旋轉或移動機械之故障分析值。

如所知，許多工具機(CNC)、傳動機構、工廠產線馬達及風力發電機軸承等機械設備，其工作組件在工作一段時間後，於刀具磨損、軸承、齒輪或螺桿損壞時，會產生不同程度的振動或撞擊，其對機械本身之維護或加工品之品質具有直接重要影響，甚至對周邊操作人員亦會造成安全危害，故適時有效地監測機械設備之關鍵組件所產生的振幅、頻率或撞擊狀態，實為有效降低維修成本、提昇加工品良率及增進工作安全的有效方法。

上述機械設備產生振動的來源大部份係源自轉動主軸、更換刀具、齒輪或螺桿等的磨損，因此針對主軸或相關組件的振動偵測具有特別意義，傳統針對機械設備工作組件之振動或齒輪箱油液温度監測，係利用其內設有振動偵測元件之接觸式振動感應器，以及使用其內設有温度感應元件之温度感應器，並將該振動感應器及温度感應器固定在振動源或温度監測組件上，經由接觸接收被偵測物之振波及溫度，並將資料傳輸給電腦主機之中央處理器進行邏輯運算相關蒐集參數，進行而獲得該振動變化及温度之分析資訊，據以提供維修、振動或高温排除之舉措參考。

再者，上述振動與温度偵測感應器係為分別設置，且其偵測點幾乎相同情況下，其分開設置的方式，勢必徒增成本及感應器連接線之複雜度，對使者而言將造成使用上的不便。

除了温度之監控外，傳統運用在機械或設備上之振動監測感應器，係將可吸收振波或振幅之偵測元件貼附或固定在振動源上，並將其接收到之振動類比或數位訊號傳送給電腦主機，再由電腦內之執行軟體與中央處理器經雜訊篩除及訊號彙整後，再輸出至各種顯示器，因此其無法即時顯示該被測物之重要變動訊息。

鑑於傳統振動及温度感應器不適應物聯網及人工智慧運用的缺失，萌發創作者研發相關技術思維，經潛心開發研究終於完成本發明「智慧型振動/溫度感應裝置」，據以明顯有效克服傳統振動/温度感應監測器存在的問題。

本發明智慧型振動/溫度感應裝置，其結構體部份主要包含一振動/温度感應器(Vibration/Temperature Sensor)及一同步信號計速器(Tachometer, 簡稱Tacho)。

其中振動/温度感應器，其包含一殼體及一固定於該殼體內並以還氧樹脂密封之主控制電路板，該主控制電路板經由一連接線及延伸線連接至電腦主機(或筆記型電腦)及上述同步信號計速器。

本發明智慧型振動/溫度感應裝置，其振動/温度感應器之主控制電路板上設有一振動感應元件(Vibration Sensor)、一温度感應元件(Temperature Sensor)及一中央處理器(CPU)，該中央處理器內附加有多項邊緣運算(Edge Computing)執行程式，其包括特徵值(Features) 程式、頻譜分析(FFT) 程式、原始資料(Raw Data)程式、轉換運算(Transformation Computing)程式、串列通訊介面(Serial Communications Interface)、數位信號處理器(Digital Signal Processing, DSP)、時域取樣分析程式(Time Domain Sampling Analysis)、角度取樣分析程式(Angle Sampling Analysis)、頻域分析程式(Frequency Domain Analysis)及支援向量機(Support Vector Machine, SVM)。

其中同步信號計速器，係包含一利用雷射、類比或編碼原理之光學發射/接收器及一貼附於馬達旋轉主軸、旋轉齒輪或移動滑軌之反光片，該同步信號計速器經由連接線與上述振動/温度感應器連結。

其將內含振動感應元件之振動/温度感應器固定於待測物主體上，而將反光片附貼在待測物主軸、齒輪或滑軌之一擇點上，經由同步信號計速器之光學發射/接收器發射並接收光束作為標注每次之啟始點，並於兩啟始點間所蒐集該待測物之振波資料。

復將上述蒐集之振波資料，經數位信號處理器及數個運算分析程式將轉軸每圈N筆單位訊號疊加，而可達到消除雜訊並凸顯精確之機械特徵信號及機械故障產生之高峰波的功能，並由固定的定時取樣頻率換算成固定角度取樣，因此可由高峰波檢視出問題點，據以提供使用者預先精確預知振動機器可能產生的問題或故障點，進而採取排除或更替相關組件。

本裝置溫度感應器偵測馬達溫度、風力發電機齒輪箱油溫，其精確度可達 0.1 度C，遠超過一般市售大約0.5度C，大大提高人工智慧用於旋轉機械故障偵測精確度，且利用該振動/温度感應器之温度感應元件測得之温度數據，經由邊緣運算(Edge Computing)執行程式運算後，將待測物之温度變化及温昇資料即時顯示。

參圖1所示，本發明智慧型振動及溫度感應裝置，其結構體主要包含一振動/温度感應器(1)及一同步信號計速器(2)。

其中振動/温度感應器(1)，其包含一殼體(11)及一固定於該殼體內之主控制電路板(12)，該主控制電路板(12)經由一連接線(13)並經一延伸線(14)之一主支線(141)連接至電腦主機及一副支線(142)連接至上述同步信號計速器(2)。

本發明智慧型振動/溫度感應裝置，其振動/温度感應器(1)之主控制電路板(12)上設有一振動感應元件(121)、一温度感應元件(122)及一中央處理器(123)，該中央處理器(123)內附加有多項邊緣運算(Edge Computing)執行程式，其包括特徵值(Features)程式、頻譜分析(FFT)程式、原始資料(Raw Data)程式、邊緣運算(Edge Computing)程式、串列通訊介面(Serial Communications Interface)、數位信號處理器(Digital Signal Processing, DSP)、階次追蹤法分析程式(Order Tracking)、函式庫程式(CMSIS-DSP)、時域取樣分析程式(Time Domain Sampling Analysis)、角度取樣分析程式(Angle Sampling Analysis)、頻域分析程式(Frequency Domain Analysis)及支援向量機(Support Vector Machine, SVM)。

參圖2所示，其中同步信號計速器(2)，係包含一光學發射/接收器(21)及一貼附於馬達旋轉主軸、旋轉齒輪或移動滑軌之反光片(22)，該同步信號計速器(2)經由上述延伸線(14)之一副支線(142)連接至振動/温度感應器(1)之主控制電路板(12)。

參圖1所示，其同步信號計速應用原理，係將內含振動感應元件(121)之振動/温度感應器(1)固定於如馬達、齒輪箱等待測物主體(3)上，而將反光片(22)附貼在如主軸、齒輪或滑軌等待測物(31)之一擇點上，利用該反光片之擇點作為每次之啟始點，即同步信號計速器(2)之光學發射/接收器(21)之發射器發出光束並投向附貼有反光片之待測物(31)之主軸、齒輪或滑軌上。

承上，當其待測物(31)旋轉或移動至該點時或反光片時，即反射該光束，而由同步信號計速器(2)之光學發射/接收器之接收器產生脈衝波訊號，並標示待測物(31)一圈或一行程的開始，其以該時點為起始點並將該點起由振動/温度感應器(1)之振動感應元件(121)開始接收振動波，直至下次反射光再出現，而此期間所接收蒐集之振波資料，即代表特測物(31)主軸、齒輪旋轉一周或滑軌移動一行程之振動情況。

本發明應用在監測旋轉軸之待測物(31)時，其每軸特徵值有：一. 平均值(Mean) 計算公式如下:

二. 標準差(Standard Deviation,簡稱 std) 計算公式如下:

三. 均方根值 (Root Mean Square, 簡稱 RMS) 計算公式如下:

四. 偏度 (Skewness) 計算公式如下:

五. 峰度 (Kurtosis) 計算公式如下:

六. 峰值 (Peak) 計算公式如下:

七. 波峰因素 (Crest Factor) 計算公式如下:

八. 峰對峰值 (Peak to Peak) 計算公式如下: Peak2Peak=Max(x(t))-Min(x(t))九. 型態因子(Form Factor) 計算公式如下:

十. 最小值 (Minimum) Min=Min(X(t))

當一旋轉物體轉動時，振動感應器(121)會接收產生某一特定振幅信號，而當轉速變化其產生之信號亦隨之變化，傳統演算法無法準確告知故障所在，本發明智慧型振動/溫度感應裝置，其設計使用階次追蹤法(Order Tracking)便是要追蹤轉速(RPM)和頻率的關係，藉由階次追蹤法分析程式之執行演算，據以找出故障元件如轉軸、齒輪、培靈、幫浦、、、等的位置；例如一風散有 6 葉片，則其轉速頻率是轉軸的6倍(6階)，又如一齒輪，如有30：1齒輪比，則其轉速頻率是轉軸的30倍(30 階)。

如有一旋轉軸，轉速600RPM，除以60得到10Hz，又如轉速變到3300RPM，則頻率變為55Hz，又如轉速調到6000RPM則頻率變為 100Hz，劃一3D圖5 & 6所示：如果穩定的自600RPM增大到6000RPM則3D如圖6所示：而轉換成轉速-頻率振幅，如圖7 & 8如所示。

又如原轉軸經3：1齒輪帶動另一轉軸，則轉速增為3倍，可畫出 3 ^rd階頻率轉速圖如圖8之3 ^rd趨線圖所示，如連續改變轉速可產生轉速頻率瀑布圖如圖9所示，由中可看出轉速越高頻譜越向右傾。

本發明同步信號計速器(2)，其可計算每次轉動時間，則在固定轉速情況下可產生下列特殊轉動信號：一. 時間同步平均信號(Time Synchronous Averaging, TSA)公式如下:

N: 代表N 筆資料；Θ代表某一固定角度取樣，如一圈360度，每度取一筆資料，一圈就有360筆資料，使用此每圈信號疊加，藉此隨機雜訊已消除，用於計算求出前述之三軸30種特徵值，更能精準預診被監測旋轉機器之振動故障、故障點及其故障程度(Severity)，其如圖10所示。二. 本發明智慧型振動/溫度感應裝置之振動/溫度感應裝置的振動感應器經由連接線接受計速器輸入之信號，訂為一圈的起始點角度。三. 殘餘信號(Residual Signal, RES)：將旋轉取樣所得信號減去前述之TSA信號即為殘餘信號 (Residual Signal, RES)； X _res，這信號已是去掉許多齒輪的固定信號如(Gear Mesh) ，由此信號可求得許多齒輪磨損相關之特徵值。四. 本感應器產生齒輪相關之特徵值有: NA4,NA4*

N是在一圈的取樣點數，

是殘餘信號的平均值，M是用M圈時的資料，A4是統計的4階，用於偵測齒輪漸進的損壞，值越大表示齒輪磨損越嚴重； NA4*是NA4的進階版，主要差異在分母用一健康的情況下，求得的殘餘信號(Residual Signal, RES)的變異數值(Variance)，值越大表示齒輪磨損越嚴重；其公式如下:

是一健康的齒輪的殘餘信號 (Residual Signal, RES) 的變異數值 (Variance)。

頻譜分析(Frequency Spectrum Analysis)，在傳動系統常見的元件有培靈及齒輪一旦這類元件故障，會產生圖11所示之頻率。

培靈故障方程式，如圖12 & 13所示。

齒輪頻譜分佈如圖14 & 15範例所示，其中，齒輪接合(mesh) 頻率計算公式: GMF=N*F ，也會有兩邊旁波頻譜如圖14 & 15所示顯示，例如40齒的齒輪裝置在轉速3600RPM，GMF頻率為 40*3600/60=2400Hz。

為針對上述之頻譜分析，本發明裝置使用ARM微處理器之數位信號處理單元(Digital Signal Processor, DSP)執行快速頻率轉換(Fast Fourier Transform)可輸出震動頻譜100組最強能量的頻率及強度，供人工智慧故障診斷之用。

本發明智慧型振動/溫度感應裝置的溫度部份，係將温度感應元件(122)加在振動/温度感應器(1)中，在使用人工智慧判斷故障情況請參考圖16 & 17，圖16沒參考溫度，資料分類的較差，圖17有參考溫度，資料分類的較開，藉由振動/温度感應器(1)附加在固定於如馬達、齒輪箱等待測物主體(3)上，據以測得並顯示測得的温度狀態，且利用該振動/温度感應器(1)之温度感應元件(122)測得之温度數據，經由邊緣運算(Edge Computing)執行程式運算後，將待測物之温度變化及温昇資料即時顯示。

本發明智慧型振動/溫度感應裝置實現支援向量機於震動/溫度感應器(1)中，該支援向量機是一種使用震動特徵值進行機器故障分類(Classifier)診斷的人工智慧機制，將前述感應器產生之多組特徵值送入該支援向量機(Support Vector Machine, SVM)人工智慧故障診斷(Python)程式中加以訓練所得之SVM參數傳送到震動/溫度感應器ARM上面該電路板中，參圖18所示。

其後，再運用如圖19所示之CMSIS-DSP函式庫程式嵌入程式中，即可實現本智慧型振動/溫度感應裝置機器學習功能，如圖19所示。

本發明智慧型振動/溫度感應裝置特徵，係利用同步信號計速器(2)作啟始標記，並以振動感應元件測得之每一周或每一行程之振幅資料，經數位信號處理器將資料數位化並將N筆單位訊號疊加，而可達到消除雜訊並凸顯高峰波的功能，並由固定的定時取樣頻率換算成固定角度取樣，因所有旋轉及移動設備故障都出現在某特定角度或位置，因此可由高峰波檢視出問題點。

承上，經由支援向量機及數個運算分析程式，將疊加資料利用邊緣運算程式進行處理，其處理過之資料透過串列通訊介面選擇特徵值資料、頻譜分析資料或原始資料之一，並輸出至電腦主機由顯示器顯示該選定欲顯示之如上資料，進而產生多種精確特徵值，據以提供使用者預先精確預知振動機器可能產生的問題或故障點，進而採取排除或更替組件。

(1):振動/温度感應器

(11):殼體

(12):主控制電路板

(121):振動感應元件

(122):温度感應元件

(123):中央處理器

(13):連接線

(14):延伸線

(141):主支線

(142):副支線

(2):同步信號計速器

(21):光學發射/接收器

(22):反光片

(3):待測物主體

(31):待測物

圖1為本發明裝置之振動/温度感應器正面及透視圖。

圖2為本發明裝置之同步信號計速器運作示意圖。

圖3為本發明裝置之同步信號計速器與待測物運作示意圖。

圖4本發明裝置之智慧型振動及溫度感應裝置主要運作方塊圖。

圖5本發明裝置轉軸轉速600RPM頻率範例圖示。

圖6本發明裝置轉軸轉速6000RPM頻率變化範例圖示。

圖7本發明裝置轉軸穩定轉速頻率振幅範例圖示。

圖8本發明裝置轉軸穩定轉速頻率振幅另一範例圖示。

圖9本發明裝置轉軸連續改變轉速產生之轉速頻率瀑布圖。

圖10本發明裝置轉軸多筆旋轉資料疊加隨機雜訊消除範例圖示。

圖11傳統傳動系統常見的元件有培靈及齒輪故障頻率範例圖示。

圖12 & 13傳統培靈故障方程式範例圖示。

圖14 & 15傳統齒輪頻譜分佈範例圖示。

圖16本發明裝置感應溫度部份沒參考温度之分佈點範例圖示。

圖17本發明裝置感應溫度部份有參考温度之分佈點範例圖示。

圖18本發明裝置振動感應器產生之多組特徵值送入該支援向量機參數範例圖示。

圖19本發明裝置支援向量機學習功能送出之參數範例圖示。

(1):振動/温度感應器

(21):光學發射/接收器

(22):反光片

(3):待測物主體

(31):待測物

Claims

一種智慧型振動/溫度感應裝置，其結構體主要包含一振動/温度感應器(1)及一同步信號計速器(2)；其中振動/温度感應器(1)，其包含一殼體(11)及一固定於該殼體內之主控制電路板(12)，該主控制電路板(12)經由一連接線(13)並經一延伸線(14)之一主支線(141)連接至電腦主機及一副支線(142)連接至上述同步信號計速器(2)；上述振動/温度感應器(1)，其主控制電路板(12)上設有一振動感應元件(121)、一温度感應元件(122)及一中央處理器(123)，該中央處理器(123)內附加有多項邊緣運算(Edge Computing)執行程式，其包括特徵值(Features)程式、頻譜分析(FFT)程式、原始資料(Raw Data)程式、邊緣運算(Edge Computing)程式、串列通訊介面(Serial Communications Interface)、數位信號處理器(Digital Signal Processing,DSP)、階次追蹤法分析程式(Order Tracking)、函式庫程式(CMSIS-DSP)、時域取樣分析程式(Time Domain Sampling Analysis)、角度取樣分析程式(Angle Sampling Analysis)、頻域分析程式(Frequency Domain Analysis)及支援向量機(Support Vector Machine,SVM)；其中同步信號計速器(2)，係包含一光學發射/接收器(21)及一貼附於馬達旋轉主軸、旋轉齒輪或移動滑軌之反光片(22)，該同步信號計速器(2)經由上述延伸線(14)之一副支線(142)連接至振動/温度感應器(1)之主控制電路板(12)，其同步信號計速應用原理，係將內含振動感應元件(121)之振動/温度感應器(1)固定於如馬達、齒輪箱等待測物主體(3)上，而將反光片(22)附貼在如主軸、齒輪或滑軌等待測物(31)之一擇點上，利用該反光片之擇點作為每次之啟始點，即同步信號計速器(2)之光學發射/接收器(21)之發射器發出光束並投向附貼有反光片之待測物(31)之主軸、齒輪或滑軌上；當其待測物(31)旋轉或移動至該點時或反光片時，即反射該光束，而由同步信號計速器(2)之光學發射/接收器之接收器產生脈衝波訊號，並標示待測物(31)一圈或一行程的開始，其以該時點為起始點並將該點起由振動/温度感應器(1)之振動感應元件(121)開始接收振動波，直至下次反射光再出現，而此期間所接收蒐集之振波資料，即代表特測物(31)主軸、齒輪旋轉一周或滑軌移動一行程之振動情況；本發明應用在監測旋轉軸之待測物(31)時，其可測得每軸特徵值之平均值(Mean)、標準差(Standard Deviation)、均方根值 (Root Mean Square)、偏度(Skewness)、峰度(Kurtosis)、峰值 (Peak)、波峰因素(Crest Factor)、峰對峰值(Peak to Peak)、型態因子(Form Factor)及最小值(Minimum)，因此當一旋轉物體轉動時，振動感應器(121)會接收產生某一特定振幅信號，而當轉速變化其產生之信號亦隨之變化，傳統演算法無法準確告知故障所在；本發明智慧型振動/溫度感應裝置特徵，係利用同步信號計速器(2)作啟始標記，並以振動感應元件測得之每一周或每一行程之振幅資料，經數位信號處理器將資料數位化並將N筆單位訊號疊加，而可達到消除雜訊並凸顯高峰波的功能，並由固定的定時取樣頻率換算成固定角度取樣，因所有旋轉及移動設備故障都出現在某特定角度或位置，因此可由高峰波檢視出問題點；經由支援向量機及數個運算分析程式，將疊加資料利用邊緣運算程式進行處理，其處理過之資料透過串列通訊介面選擇特徵值資料、頻譜分析資料或原始資料之一，並輸出至電腦主機由顯示器顯示該選定欲顯示之資料，進而產生多種精確特徵值，據以提供使用者預先精確預知振動機器可能產生的問題或故障點，進而採取排除或更替組件。
如申請專利範圍請求項1所述智慧型振動/溫度感應裝置，其中主控制電路板(12)上之中央處理器(123)內附加之階次追蹤法分析程式(Order Tracking)，係為了追蹤轉速(RPM)和頻率的關係，藉由該階次追蹤法分析程式之執行演算，據以找出故障元件如轉軸、齒輪、培靈、幫浦的位置。
如申請專利範圍請求項1所述智慧型振動/溫度感應裝置，其中同步信號計速器(2)，其可計算每次轉動時間，則在固定轉速情況下可產生下列特殊轉動信號；時間同步平均信號(Time Synchronous Averaging TSA)，其以一固定角度取樣，一圈360度，每度取一筆資料，一圈就有360筆資料，使用此每圈信號疊加，藉此隨機雜訊已消除，用於計算求出前述之三軸30種特徵值，更能精準預診被監測旋轉機器之振動故障、故障點及其故障程度(Severity)；本發明智慧型振動/溫度感應裝置之振動/溫度感應裝置的振動感應器經由連接線接受計速器輸入之信號，訂為一圈的起始點角度；殘餘信號(Residual Signal,RES)，將旋轉取樣所得信號減去前述之TSA信號即為殘餘信號(Residual Signal,RES)，由此信號可求得許多齒輪磨損相關之特徵值；本感應器產生齒輪相關之特徵值有NA4,NA4*，用於偵測齒輪漸進的損壞，值越大表示齒輪磨損越嚴重，NA4*是NA4的進階版，主要差異在分母用一健康的情況下，求得的殘餘信號(Residual Signal, RES)的變異數值(Variance)，值越大表示齒輪磨損越嚴重。
如申請專利範圍請求項1所述智慧型振動/溫度感應裝置，其中主控制電路板(12)上之中央處理器(123)內附加之頻譜分析(Frequency Spectrum Analysis)，其在傳動系統常見的元件有培靈及齒輪一旦這類元件故障，會產生培靈故障方程式及齒輪頻譜分佈，為針對上述之頻譜分析，本發明裝置使用ARM微處理器之數位信號處理單元(Digital Signal Processor, DSP)執行快速頻率轉換(Fast Fourier Transform)可輸出震動頻譜100組最強能量的頻率及強度，供人工智慧故障診斷之用。
如申請專利範圍請求項1所述智慧型振動/溫度感應裝置，其中主控制電路板(12)上之温度感應元件(122)，藉由振動/温度感應器(1)附加在固定於如馬達、齒輪箱等待測物主體(3)上，據以測得並顯示測得的温度狀態，且利用該振動/温度感應器(1)之温度感應元件(122)測得之温度數據，經由邊緣運算(Edge Computing)執行程式運算後，將待測物之温度變化及温昇資料即時顯示。
如申請專利範圍請求項1所述智慧型振動/溫度感應裝置，其中主控制電路板(12)上之中央處理器(123)內附加之支援向量機，其於震動/溫度感應器(1)中，該支援向量機是一種使用震動特徵值進行機器故障分類(Classifier)診斷的人工智慧機制，將前述感應器產生之多組特徵值送入該支援向量機(Support Vector Machine, SVM)人工智慧故障診斷(Python)程式中加以訓練所得之SVM參數傳送到震動/溫度感應器ARM上面該電路板中。
如申請專利範圍請求項1所述智慧型振動/溫度感應裝置，其中主控制電路板(12)上之中央處理器(123)內附加之CMSIS-DSP函式庫程式，即可實現本智慧型振動/溫度感應裝置機器學習功能。