TWI757995B

TWI757995B - 振動力量量測裝置

Info

Publication number: TWI757995B
Application number: TW109142474A
Authority: TW
Inventors: 簡國諭; 林庚達
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-03-11
Also published as: TW202222479A

Abstract

一種振動力量量測裝置，其包含量測平台、抬升裝置、傳感器、振動傳輸件、以及彈性支撐件。量測平台具有承載面以承載待測物。抬升裝置配置以將量測平台抬離抬升裝置之上表面。傳感器配置以感測待測物運轉時所產生之振動量。振動傳輸件具有相對之第一端與第二端。第一端與傳感器接合，第二端配置以接收振動量。彈性支撐件連接量測平台與支撐結構，其中振動傳輸件與彈性支撐件分別位於量測平台之相對二側。

Description

振動力量量測裝置

本揭露是有關於一種力量量測裝置，且特別是有關於一種振動力量量測裝置。

旋轉機械廣泛應用在各領域的機電系統中。為了解決旋轉機械在運轉時所產生的不平衡振動問題，產業的習知技術中多採動平衡校正機來量測不平衡質量與存在位置，採減法或加法補正質量的方式來解決轉子不平衡振動問題。

動平衡校正機在原理上可分為軟式動平衡機與硬式動平衡機。由於軟式動平衡機操作繁雜，因此於市場中相對少見。而硬式平衡機是採用壓電式力感測器，直接對振動的力量作訊號處理。對於雙面及單面動平衡的處理上，相較於軟式平衡機之複雜的平面分離法運算，硬式平衡機能提供較快速的平衡處理方法。

平衡機主要是透過轉子旋轉時所產生之離心力來測量轉子的不平衡量。硬支撐(hard bearing)平衡機可直接測量離心力，再利用離心力計算出轉子的不平衡量。而軟支撐(soft bearing)平衡機則是測量轉子旋轉時的振動量，因此須加試重才能轉換成轉子的不平衡量。

硬支撐平衡機較適用於大質量且不平衡量初始量大的轉子。而軟支撐平衡機則較適用於較輕的轉子以及工作轉速非常高的轉子。由於較輕的轉子和轉速高的轉子廣泛應用在各類小家電中，因此在市場上的需求量比較大。

而針對應用在電子、汽車、醫療、家電等領域的各種小型散熱風扇，硬支撐平衡機對於微量振動力量的精準度誤差過大，對於高轉速轉子易有固有頻率過近或低於的狀態，而無法量測。針對風扇所開發之軟支撐平衡機係採加速規來量測振動量，無法對應產線直觀需檢測離心力量的需求，同時檢測的振動量轉換為離心力亦存在誤差。此外，現有軟支撐平衡機規格對於微量振動力量的量測靈敏度與解析度不佳，無法精準直接呈現產線需要的小型風扇振動力量數據，因而無法進一步應用在產品分級上。

現有風扇振動量測系統對於廠商產線上的品管，最大問題為架設安裝與量測時間過長，單位時間檢測量無法超越人工。

因此，本揭露之一目的就是在提供一種振動力量量測裝置，其於待測物之相對二側分別設置傳感器與振動傳輸件、以及彈性支撐件，藉此可即時感測待測物運轉時之振動力量，並可將振動力量數據予以量化分級，而具備快速全檢能力，可解決商業化轉子振動檢測系統於風扇等具高速轉動元件之產品產線中無法全檢的問題。

本揭露之另一目的就是在提供一種振動力量量測裝置，其裝置的架設安裝容易，因此可解決商業化轉子振動檢測系統於風扇等具高速轉動元件之產品產線中量測時間過長的問題。

本揭露之又一目的就是在提供一種振動力量量測裝置，其可採用荷重元(load cell)感測器作為振動量的傳感器，因此可直接量測到待測物運轉時之力量變化數據，且具低成本、易取得、與規格完整的優勢，尤其是針對10N以下的微量振動力量測範圍。

本揭露之再一目的就是在提供一種振動力量量測裝置，其量測平台可由無摩擦力或低摩擦力的抬升裝置支撐，因此可阻絕摩擦力干擾，進而可有效提升待測物之振動力量量測的靈敏度。

根據本揭露之上述目的，提出一種振動力量量測裝置，適用於量測具有高速轉動元件之待測物。此振動力量量測裝置包含量測平台、抬升裝置、傳感器、振動傳輸件、以及彈性支撐件。量測平台具有承載面以承載待測物。抬升裝置配置以將量測平台抬離抬升裝置之上表面。傳感器配置以感測待測物運轉時所產生之振動量。振動傳輸件具有相對之第一端與第二端，其中第一端與傳感器接合，第二端配置以接收振動量。彈性支撐件連接量測平台與支撐結構，其中振動傳輸件與彈性支撐件分別位於量測平台之相對二側。

依據本揭露之一實施例，上述之量測平台包含夾治具，此夾治具配置以將待測物固定在量測平台上，夾治具包含彼此相對之第一夾持部與第二夾持部。

依據本揭露之一實施例，上述之抬升裝置為氣浮軸承，氣浮軸承可利用氣體將量測平台予以浮離。

依據本揭露之一實施例，上述之抬升裝置包含至少三滾珠凸設於抬升裝置之上表面，這些滾珠配置以將量測平台抬離抬升裝置之上表面。

依據本揭露之一實施例，上述之抬升裝置更包含至少一磁吸元件，磁吸元件配置以對量測平台施加磁吸力。

依據本揭露之一實施例，上述之振動傳輸件之第二端更配置以抵住待測物或量測平台。

依據本揭露之一實施例，上述之傳感器接合於支撐結構，支撐結構、傳感器、與彈性支撐件所組成之系統之自然頻率低於待測物之轉動頻率。

依據本揭露之一實施例，上述之彈性支撐件之自然頻率小於待測物之轉動頻率的一半。

依據本揭露之一實施例，上述之振動傳輸件包含頂針。

依據本揭露之一實施例，上述之彈性支撐件包含彈簧。

100a:振動力量量測裝置

100b:振動力量量測裝置

110:量測平台

112:承載面

114:夾治具

114a:第一夾持部

114b:第二夾持部

116:第一側

118:第二側

120:抬升裝置

122:上表面

124:基座

126:氣浮部

130:傳感器

140:振動傳輸件

142:第一端

144:第二端

150:彈性支撐件

152:第一端

154:第二端

160:待測物

170:支撐結構

180:抬升裝置

182:基座

184:滾珠

186:磁吸元件

188:上表面

X:座標軸

Y:座標軸

Z:座標軸

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：〔圖1〕係繪示依照本揭露之一實施方式的一種振動力量量測裝置的側視示意圖；以及〔圖2〕係繪示依照本揭露之另一實施方式的一種振動力量量測裝置的側視示意圖。

硬支撐動平衡技術適合測量振動小於其系統之自然頻率的轉子，因此較適用於較大的轉子工件，直接量測離心力。軟支撐動平衡技術則適合測量振動大於其系統之自然頻率的轉子，因此較適用於微小及高速的轉子工件，量測振動位移量。本揭露在此提出一種振動力量量測裝置，其適用待測物之振動頻率高於量測裝置之支撐系統的自然頻率。

請參照圖1，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種振動力量量測裝置的側視示意圖。振動力量量測裝置100a可用以量測具高速轉動元件之待測物160運轉時所產生的力量，例如振動力量。在一些例子中，待測物160可為可為馬達或風扇，例如薄型散熱風扇或薄型馬達。待測物160之旋轉半徑可例如大於待測物160之軸向厚度的3倍以上。一般而言，薄型風扇的離心力較非薄型風扇的離心力大。因此，薄型風扇運轉時之晃動力量主要為風扇質心的偏移量在轉動時產生的徑向離心力。振動力量量測裝置100a主要可包含量測平台110、抬升裝置120、傳感器130、振動傳輸件140、以及彈性支撐件150。

量測平台110具有承載面112。待測物160可設於承載面112之上，而為量測平台110所承載。承載面112可例如水平延伸。在一些示範例子中，水平面係由座標軸X與座標軸Y所定義出之XY平面，且進行量測時承載面112則大致上和XY平面平行。座標軸Z垂直XY平面，且座標軸X、座標軸Y、與座標軸Z互相垂直。量測平台110可選用輕質的板材，以降低對待測物160運轉時所產生之振動訊號的影響。

在一些例子中，量測平台110可包含夾治具114。夾治具114可凸設於量測平台110的承載面112之上。夾治具114可將待測物160夾持固定在量測平台110之承載面112之上。量測平台110可具有彼此相對之第一側116與第二側118。在一些示範例子中，夾治具114包含第一夾持部114a與第二夾持部114b。第一夾持部114a與第二夾持部114b分別設於量側平台110之第一側116與第二側118，且第一夾持部114a與第二夾持部114b彼此相對。第一夾持部114a與第二夾持部114b均可例如為類L字型結構，以承托與夾持待測物160。夾治具114不限於上述例子，而可根據待測物160外型與量測需求調整夾治具114的架構。量測平台110亦可利用其他固定元件，例如卡固件、鎖固件、磁吸件、或真空吸附件等，來將待測待測物160夾持固定在量測平台110之承載面112之上。

量測平台110設於抬升裝置120之上表面122的上方。抬升裝置120可將量測平台110抬離抬升裝置120的上表面122，藉以大幅減少量測平台110與抬升裝置120之間的摩擦力。由於抬升裝置120之上表面122為XY平面，因此藉由減少量測平台110與抬升裝置120之間的摩擦力，可避免摩擦力對於待測物160在XY平面振動力量訊號的干擾。

在此實施方式中，抬升裝置120為氣浮軸承。在一些例子中，抬升裝置120可包含基座124與至少一個氣浮部126，例如二個氣浮部126，如圖1所示。氣浮部126可凸設於基座124上。舉例而言，氣浮部126可嵌設於基座124中，且氣浮部126之頂面高於基座124之頂面。在另一些例子中，氣浮部126之頂面可與基座124之頂面齊平、或者可低於基座124之頂面。抬升裝置120之氣浮部126可利用氣體浮起量測平台110，以使量測平台110與抬升裝置120之上表面122分離。

傳感器130主要可用以感測待測物160運轉時所產生之振動量。如圖1所示，傳感器130可與量測平台110間接接合。舉例而言，傳感器130可固定接合於支撐結構170上。此支撐結構170可為一外部結構，或者可為抬升裝置120之基座124或基座124的延伸結構。傳感器130 可例如為荷重元感測器、壓電式力傳感器、或電容式力傳感器。傳感器130亦可為位移傳感器、加速度傳感器等，例如線性差動變壓器(LVDT)、電容式位移器、光學尺、磁性尺、與加速規。只要能量測到振動所產生之力量、位移、或加速度等物理量之傳感器，均為本揭露之傳感器的實施範圍。在一些示範例子中，傳感器130可採荷重元感測器。荷重元感測器可直接量測到力量變化數據，尤其是針對10N以下的微量振動力量測範圍，且具有低成本、易取得、與規格完整的優點。

振動傳輸件140具有彼此相對之第一端142與第二端144。在一些例子中，振動傳輸件140可為桿狀結構。舉例而言，振動傳輸件140可包含頂針。振動傳輸件140之第一端142與傳感器130接合。振動傳輸件140之第二端144配置以接收待測物160運轉時所產生的振動量。舉例而言，振動傳輸件140之第二端144可抵靠在待測物160之一側、或量測平台110之第一側116。在一些示範例子中，振動傳輸件140之第二端144抵靠在位於量測平台110之第一側116的第一夾持部144。藉此，待測物160運轉時所造成之量測平台110的振動量變化可經由振動傳輸件140而傳遞至傳感器130。舉例而言，振動傳輸件140可將待測物160在量測平台110上運轉時所產生之振動量傳遞給傳感器130。

彈性支撐件150與振動傳輸件140分別位於量測平台110之相對二側。彈性支撐件150可直接連接待測物 160與支撐結構170，亦可連接量測平台110之一側與支撐結構170。在一些示範例子中，如圖1所示，彈性支撐件150可具有彼此相對之第一端152與第二端154。彈性支撐件150之第一端152與夾治具114之第二夾持部114b接合，第二端154則與支撐結構170接合。彈性支撐件150可例如包含彈簧。對彈性支撐件150施加的壓縮力與伸張力可分別使得彈性支撐件150在量測平台110之第二側118與支撐結構170之間進行壓縮與拉伸的彈性運動。

在一些例子中，由於傳感器130與彈性支撐件150均與支撐結構170接合，因此支撐結構170、傳感器130、與彈性支撐件150所組成之系統的自然頻率要設計成低於待測物160的轉動頻率。彈性支撐件150可依量測之待測物160的轉動頻率，而採用不同自然頻率的彈性元件。在一些示範例子中，彈性支撐件150之自然頻率小於待測物160之轉動頻率的一半。

由於多數散熱的待測物160的轉子型態為旋轉直徑大於軸向尺寸的3倍~10倍，待測物160之轉子在運轉時的不平衡量可視為單平面振動，主要部分為徑向振動。因此，本實施方式簡化為只量測待測物160在XY平面上的徑向振動力量。

由於振動傳輸件140與彈性支撐件150分別位於待測物160之相對二側，例如分別接合在量測平台110之第一側116與第二側，且彈性支撐件150可在量測平台 110之第二側118與支撐結構170之間壓縮與伸張。因此，待測物160運轉時所產生之徑向振動可使得量測平台110在振動傳輸件140與彈性支撐件150之間往復移動，而使得第一夾持部114a間斷地撞擊振動傳輸件140。振動傳輸件140可將這些撞擊量傳遞至傳感器130，藉此傳感器130可感測到待測物160運轉所產生之振動力量。

在示範例子中，振動力量量測裝置100a採用荷重元感測器作為傳感器130。由於荷重元感測器可直接量測到待測物160運轉時之力量變化數據，因此振動力量量測裝置100a具備即時力量感測、數據量化分級、與快速全檢能力。舉例而言，可設定待測物160之振動力量的上下邊界值，藉此可根據量測數據快速檢測出待測物160的品質。此外，可將振動感測力量分級，藉此可根據量測數據對待測物160之產品品質快速分級。

此外，荷重元感測器價格低，可降低振動力量量測裝置100a的設備成本。而且，由於量測平台110由無摩擦力的氣浮式抬升裝置110所支撐，因此振動力量量測裝置100a可精準且靈敏的量測到待測物160的真實振動力量。振動力量量測裝置100a特別適用於振動力量量級為0.001N~0.1N等級之電子、車用、醫療用等小型精密散熱風扇之振動力量的量測。

在應用上，可進一步透過頻域、時域、或模型來對振動力量量測裝置100a所量測得之數據進行特性鑑別分析，以利後續的智慧化管理。

本揭露之抬升裝置不限於上述之氣浮式元件，亦可採用低摩擦力元件來作為抬升裝置。請參照圖2，其係繪示依照本揭露之另一實施方式的一種振動力量量測裝置的側視示意圖。此實施方式之振動力量量測裝置100b之元件與架構大致上與振動力量量測裝置100a相同，二者之間的差異在於，振動力量量測裝置100b之抬升裝置180為包含多個滾珠184的低摩擦力元件。

在一些例子中，抬升裝置180主要可包含基座182與多個滾珠184。這些滾珠184可滾動地設於基座182中，且滾珠184凸出抬升裝置180之上表面188。量測平台110放置在抬升裝置180之上表面188之上，而為滾珠184所承托。這些滾珠184可抬升量測平台110，使量測平台110與抬升裝置180之上表面188分離。滾珠184的數量可例如等於或大於三個，以利平穩支撐量測平台110。

在本實施方式中，利用滾珠184來抬升量測平台110，可減少量測平台110與抬升裝置180之間的接觸面積，進而可大幅降低量測平台110與抬升裝置180之間的摩擦力。藉此，可避免量測平台110與抬升裝置180之間的摩擦力對於待測物160在XY平面振動力量訊號的干擾。

在一些示範例子中，如圖2所示，抬升裝置180更選擇性地包含一或多個磁吸元件186。此外，量測平台110可包含鐵磁性材料。磁吸元件186可對量測平台110 施加磁力，藉此可對量測平台110施加朝向抬升裝置180之上表面188的預壓力。此預壓力的施加可避免待測物160運轉時所產生之過大晃動力而造成量測平台110的跳離，因此抬升裝置180可在量測過程中穩定承托量測平台110。

由上述之實施方式可知，本揭露之一優點就是因為本揭露之振動力量量測裝置於待測物之相對二側分別設置傳感器與振動傳輸件、以及彈性支撐件，藉此可即時感測待測物運轉時之振動力量，並可將振動力量數據予以量化分級。因此，振動力量量測裝置具備快速全檢能力，可解決商業化轉子振動檢測系統於風扇等具高速轉動元件之產品產線中無法全檢的問題。

由上述之實施方式可知，本揭露之另一優點就是因為本揭露之振動力量量測裝置的架設安裝容易，因此可解決商業化轉子振動檢測系統於風扇等具高速轉動元件之產品產線中量測時間過長的問題。

由上述之實施方式可知，本揭露之又一優點就是因為本揭露之振動力量量測裝置之量測平台可採用荷重元感測器作為振動量的傳感器，因此可直接量測到待測物運轉時之力量變化數據，且具低成本、易取得、與規格完整的優勢。

由上述之實施方式可知，本揭露之再一優點就是因為本揭露之振動力量量測裝置之量測平台可由無摩擦力或低摩擦力的抬升裝置支撐，因此可阻絕摩擦力干擾，進而可有效提升待測物之振動力量量測的靈敏度。

雖然本揭露已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。