TWI806998B - 導引器、感測器組件及方法 - Google Patents

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Abstract

根據本發明，設有特別是用於導引器的感測器組件，其具有感測器及評價裝置。該評價裝置基於該感測器所偵測到的振盪信號來測定該導引組件的運動輪廓，其中使用該運動輪廓的一部分來進行疲勞探測。作為替代或額外方案，該感測器所偵測到的振盪信號被濾波或數位濾波，並且基於濾波後或數位濾波後的信號來測定該導引組件的運動輪廓。

Description

導引器、感測器組件及方法
本發明係有關於一種如請求項1之前言所述的導引器，特別是線性導引器或旋轉導引器。本發明亦有關於一種用於導引器的感測器組件以及一種採用導引器的方法。
如先前技術所揭露的那樣，用感測器來監測線性導引器的疲勞，如材料疲勞。例如在DE 11 2005 002 077 T5中，透過振盪感測器來對線性滾動軸承進行監測。在DE 10 2015 201 121 A1中，透過拾取結構聲振盪來監測具有至少一排滾動體的線性運動裝置。
有鑒於此，本發明之目的在於提供一種導引器，其在裝置技術方面易於受到可靠監測。本發明之另一目的在於提供一種感測器組件，其用來例如以在裝置技術方面的簡單方式對導引器進行可靠監測。本發明之另一目的在於提供一種採用導引器的方法，其用來以簡單方式對導引器進行可靠監測。
在導引器方面，本發明用以達成上述目的之解決方案為請求項1之特徵；在感測器組件方面，本發明用以達成上述目的之解決方案為請求項14之特徵；而在方法方面，本發明用以達成上述目的之解決方案為請求項15之特徵。
本發明之有利改良方案參閱附屬項。
根據本發明，設有導引器或線性導引器或旋轉導引器，其中該導引器具有導引構件及導引組件。該導引組件在該導引構件上受到導引並可相對其進行運動。該導引構件例如為導軌或導引螺桿。該導引組件例如可為滾珠螺紋螺帽或導引滑座。有利地，在該導引組件上設有用於偵測振盪信號或振盪的感測器。此外有利地，在該導引組件上設有用於評價該感測器所偵測到的振盪信號或該感測器所測定的資料的評價裝置。有利地，特別是可由該評價裝置基於該感測器所偵測到的振盪信號來測定該導引組件的運動輪廓。此外有利地，運動輪廓的一部分的振盪信號可用來進行疲勞探測及/或潤滑狀態探測及/或安裝品質探測，此舉有利於節約在疲勞探測時的計算能力，因為並非對整個運動輪廓進行評價。作為替代或額外方案，特別是可由該評價裝置對該感測器所偵測到的振盪信號進行數位濾波。如此便能基於數位濾波後的信號來測定導引組件的運動輪廓，從而同樣有利於節約計算能力。
因此，透過本發明之導引器能夠以相對較低的計算複雜度來實施疲勞探測。由於計算複雜度有所降低，評價裝置所需能量亦有所減少。如此一來，評價裝置例如可設計得更小，或以設計得較小及/或提供相對較少能量的能量源來供能。從而降低導引器在裝置技術方面的複雜度。採用該感測器例如可探測導引器及/或導引組件的磨損，並基於資料分析(例如實施針對性預維護)而以較小計算複雜度進行，從而以簡單方式減少意外停機。本發明之疲勞探測非常有利地應用於該導引器或該導引組件，因為例如與徑向軸承相比，在該導引器或該導引組件上進行疲勞探測的預測精度及預測可靠性複雜得多，因而降低計算複雜度非常有利。例如在將該導引器應用於機床的情況下，振盪信號可能基於多個因素，例如基於組件的安裝、工作參數(如進給)、轉速、作用力、加速度、負荷、顆粒及老化現象。因而在本發明之導引器上，由於計算複雜度 較低，毋需透過外部方式，如透過網際網路或雲端來執行算術運算，而是可獨立地以在裝置技術方面的較低複雜度而由導引組件上的評價裝置來執行。基於此種簡化技術方案且評價裝置所需能量較少，該評價裝置較佳亦可應用於較小空間需求，此點對該導引器而言非常有利，因為其通常提供相對較小的可取用空間。
在本發明的另一技術方案中，特別是可由該評價裝置來測定該振盪信號的頻帶或該運動輪廓的一部分之振盪信號的頻帶。在此情況下，可由該評價裝置將該頻帶用於進行疲勞探測。如此，在實施疲勞探測時，毋需使用振盪信號的整個頻譜，而是僅使用一個頻帶，從而節約計算能力。有利地，根據導引組件的速度來測定該頻帶。如此便能根據所算出之速度來估算進行疲勞探測所需的頻帶及/或自資料庫獲取該頻帶，並且透過濾波來濾除非必需的頻帶。實施濾波後，毋需對整個頻譜進行計算。與算出之速度建立關聯後，便能以簡單方式計算進行疲勞探測所需的頻帶。在此情況下，僅需在該頻帶中實施信號分析或疲勞探測。於是，將持續大幅降低評價裝置的資料量以及因此所需的計算複雜度。透過測得之頻帶，便能將快速的變化(所謂諧波)濾出，從而在信號分析或疲勞探測中選擇性地對出現在連續疲勞中的較慢的連續變化進行探測。如此便毋需計算振盪信號之頻譜中之離散模式中的理論上非所欲頻率，其將因導引器上的大量因素而給疲勞探測造成不充分結果。
在本發明的另一技術方案中，如此地實施數位濾波，使得該導引組件的至少一部分運動輪廓或所有運動輪廓可被測定及/或可被區別於彼此。如前所述，較佳是可僅針對運動輪廓的一部分實施疲勞探測或狀態探測。較佳是透過低通濾波器來實施數位濾波。此方案之優點在於在低頻中識別加速度輪廓，因為在此情況下對運動輪廓的部分進行較安全探測及/或界定是可行的。所濾出的高頻適用於後續的疲勞探測或者可在後續的疲勞探測中列入考慮。換言 之，透過數位濾波能偵測運動的不同輪廓。藉由低通濾波器可自原始信號或動盪信號提取出不同的運動輪廓並加以探測。作為透過低通濾波器進行數位濾波的替代或額外方案，亦可透過離散小波變換(DTW)進行數位濾波。在此情況下，例如可在不同頻帶中並行地施行運動輪廓或加速度輪廓的不同部分的偵測。
較佳地，可透過該評價裝置來測定該導引組件之以下運動輪廓中的一或多個：該導引組件停機的停機輪廓；該導引組件自停機狀態進入運動狀態的啟動輪廓；提高該導引組件的速度的加速度輪廓；該導引組件以恆定速度運動的恆定速度輪廓；將該導引組件煞車直至停機的煞車輪廓。如前所述，測定不同運動輪廓之優點在於，能夠僅在某個特定或多個特定運動輪廓中實施疲勞識別或疲勞探測。舉例而言，為防止非所欲加速度因素而在恆定速度輪廓中實施疲勞探測。根據另一有利方案，變化工作參數的疲勞探測與及環境干擾是獨立的，此等工作參數例如為進給速度，其變化會大幅改變出現的振盪並持續地偏移固定的探測閾值。如此基於啟動輪廓及/或加速度輪廓中的振盪信號來有利地計算導引組件在隨後之恆定速度輪廓中所達到的速度是可行的。特別是例如可透過加速度曲線下方的範圍來測定加速度的強度及持續時間。通過測定速度，便能有利地將疲勞探測過程中所測定的特徵順利地進行標註為或對於進行正規化。如此便能防止導引組件的不同速度所造成有的變化振盪降低疲勞探測的預測精度及錯誤預測。
如所述，該評價裝置較佳地是可在恆定速度之運動輪廓中實施疲勞探測。
此外如前述，進一步有利者地是由該評價裝置測定導引組件之速度並在疲勞探測中列入考慮。較佳地是基於或藉由振盪信號來測定速度。進一步較佳地是在啟動輪廓及/或加速度輪廓中測定速度。
在本發明的另一技術方案中，該振盪信號或加速度感測器的原始 信號可在時域中測量。較佳地是在20kHz以下的頻率範圍內，特別是在1kHz以下的頻率範圍內透過感測器實施測量。可基於預設事件來啟動透過感測器實施的測量，故該感測器有利地以節能方式並非始終處於工作狀態。該感測器測量亦可在至少某個特定條件之後結束，例如在某個時段之後及/或某次測量之後。例如可透過在振盪信號中之斜率邊緣來引發或觸發該感測器測量。該感測器可透過規定針對開始及/或結束的可配置加速度閾值，以偵測出導引組件之運動的開始及/或結束。若加速度超過規定的加速度閾值，則可開始感測器測量，及/或若加速度降至預設加速度閾值或另一預設加速度閾值以下，則可結束該測量。作為替代或額外方案，可設想到透過計數器及/或時間函數來設定測量週期。例如，可在特定時間上實施測量。作為替代或額外方案，可透過在外部或以外部控制的方式、例如透過系統控制或經由電氣信號的閘道、來引發或觸發感測器測量。
在一種較佳實施方式中，基於離散驅動模式來計算速度，例如用於對時間信號中或上述運動輪廓中所計算出的速度進行額外認證。但此舉是計算密集式，因為如此預期在頻譜中而非時間信號中進行。作為替代或額外方案，亦可例如透過驅動馬達的控制、特別是透過觸發信號、來提供速度。但此舉在應用感測系統時產生額外費用，因為必須在硬體方面實施控制指令。
在本發明的另一技術方案中，較佳地是可由該評價裝置額外測定一或多個修正因數，以便在疲勞探測過程中清除干擾，如鄰近集合的頻率模式。該等修正因數例如特別是在運動輪廓內部可基於環境條件，如溫度及/或背景振盪及/或背景雜訊。
為將溫度列入考慮，較佳特別是在導引組件上額外地設有溫度感測器。該溫度感測器可與該評價裝置連接。為探測背景雜訊，較佳地是可簡單地設有麥克風，其特別是構建為特別是導引組件上的微電機械系統(MEMS)。 該麥克分較佳地是與該評價裝置連接。為探測背景振盪，在運動輪廓結束之後，即例如在導引組件停止時或在運動輪廓以外，該感測器較佳地是可至少暫時地進一步偵測振盪信號。換言之，可以某方式探測背景振盪，使得感測器系統具有大致上持續驅動到結束的測量持續時間。因此，可在每個測量週期中偵測和集成在探測導引組件之停止期間的背景振盪。換言之，可由評價裝置透過感測器來測定在導引組件之停機輪廓期間的背景振盪。
在本發明的另一技術方案中，該評價裝置可在該測定之頻帶及/或該振盪信號及/或該運動輪廓的一部分的振盪信號中測定一或多個特徵。藉由該等特徵便能有利地實施疲勞探測或損傷探測。該一個或多個特徵較佳地是選自以下特徵：平均值；平均絕對偏差(MAB)；均方根((RMS))。特別是均方根具有較小計算成本。不過其他特徵亦具相對較小的計算成本。
在本發明的一種較佳技術方案中，可由該評價裝置在涉及該等特徵的一部分時或某相應特徵時將多個測量列入考慮。該特徵或者該相應之特徵亦可透過該等測量而求平均值。額外地將一或多個特徵求平均可有利地減輕自發干擾效應。就具有N個測量或樣本的感測器信號X而言，可透過以下方式來計算該等特徵：X f =X＊h
X abs =|X f |
Figure 108110314-A0202-12-0006-1
Figure 108110314-A0202-12-0006-2
Figure 108110314-A0202-12-0006-3
Xf為濾波後的信號，h為濾波器的轉移函數，Xabs為Xf的絕對值，
Figure 108110314-A0202-12-0006-14
為平均值，Xrms為均方根，且Xmad為MAD(平均絕對偏差)值或測量值。
在本發明的另一技術方案中，可設想到透過該評價裝置將經測定或計算出之特徵或以經測定或計算出的速度進行之經測定或計算出之特徵、特別是恆定速度輪廓中的速度、而被正規化。如此便能對不同速度對於該等特徵或該疲勞探測的影響有利地加以補償。作為額外或替代方案，可設想到透過該評價裝置，該測定之特徵或該測定之多個特徵藉由一或多個算出之修正因數而被修正。作為修正因數，例如可對背景振盪引起的瞬變進行補償。
該測定之特徵或該測定之多個特徵較佳地是可被儲存於記憶體上，特別是在該導引組件或微控制器或評價裝置中。如此便能簡單地將所儲存之特徵與新測定之特徵進行比較，以便實施疲勞探測。
較佳地，在涉及多個測定之不同類型的特徵時，可由該評價裝置將其組合在一起，以便有利地降低計算成本。較佳地，為將該等特徵組合在一起而構建多變或多維分佈，特別是平均值向量或共變異數矩陣。涉及多個測定之不同類型的特徵時，該評價裝置可對其或其一部分進行並行分析及/或透過線性組合對其進行分析。換言之，該分析可並行地在個別維度或特徵中進行或透過線性特徵組合而進行。就特徵組合而言，可使用以下公式：F=a1F1+a2F2+...+amFm
ai可為相應特徵Fi的加權因數，其中在此情況下，可將F作為用於進行分析或疲勞探測的特徵。換言之，在涉及每一特徵組合時，其可分別分配有一加權因數。例如將該等特徵簡單相加。
在本發明的另一技術方案中，可由該評價裝置將特別是當前測定之特徵或特別是當前測定之多個特徵與相對應儲存之特徵進行比較。如此，評價裝置便能推斷出特徵變化並作出結論。舉例而言，該評價裝置可在該等特徵比較中將該等特徵的減小及/或增大及/或不發生變化之間區別開來。換言之，可持續地計算出該等特徵或該等經組合特徵的特徵值相對於先前特徵或先前經組 合特徵的斜率。如此，例如可設想到儲存經組合特徵以作為多個特徵或單一特徵的替代或額外方案。
若待檢查之該等特徵或該等經組合特徵的變化或斜率小於或等於0，則該評價裝置可從中推斷出不存在疲勞。如此，該導引器可處於起動階段或穩定階段中。若斜率被減小，則可推斷出導引器離開起動階段。若斜率小於0，例如滾動體及/或導軌可經實施為起動。頻譜中的能量可減少且振盪可減輕。起動階段之後是穩定階段。基於起動階段之啟動點的能量水平可實施組裝檢查。緊密安裝之系統與正確安裝之系統明顯存在偏差。如此，該評價裝置便能基於該等特徵或該等經組合特徵在使用導引組件之啟動時間點上的大小，透過與基準值進行比較來發現該導引器是否正確安裝。
在本發明的另一技術方案中，該評價裝置可在該一個或多個特徵或該等經組合特徵低於上限及/或高於下限及/或位於兩個極限之間的情況下，推斷出該一個或多個特徵或該等經組合特徵不發生變化。換言之，在斜率特別是約為0時，推斷出該導引器處於穩定階段中。在此情況下，例如在偵測到的振盪信號中幾乎不存在變化。穩定階段通常佔據系統之大部分壽命。在該穩定階段內，可例如透過穩定階段之特別是具有3σ的控制圖來將所有新特徵持續地納入極限形成的計算並持續更新該等特徵。換言之，在一個或多個特徵或經組合特徵不發生變化的情況下，該評價裝置較佳地是可在該極限或該等極限的計算過程中將該一個或多個特徵列入考慮。因而可對該等極限或該極限進行適應性調整。換言之，該評價裝置可檢驗該一個或多個特徵是否低於或高於某一極限或上限，及/或該一個或多個特徵是否低於或高於某一極限或下限，及/或該一個或多個特徵是否位於兩個極限之間。在此情況下，該一個或多個特徵可被評價裝置應用於計算該極限或該等極限，故該極限或該等極限可被適應性調整。
在本發明的另一技術方案中，該評價裝置可在該一個或多個特徵 高於該極限或該等極限的情況下，推斷出該一個或多個特徵或該等經組合特徵的增大。因此，若針對一系列多個測量而言、特別是對於速度被正規化的多個特徵的斜率連續地大於0，則可能存在疲勞。如此，該評價裝置便能在該一個或多個特徵或該等經組合特徵增大時實施一或多個離群值測試。透過離群值測試便能發現干擾(如特徵的瞬變短時升高)並將其濾出。
在本發明的另一技術方案中，該評價裝置可在該一個或多個特徵或該等經組合特徵增大時輸出不同的警告。例如在超過該一個或多個特徵或該等經組合特徵的上限時，特別是可輸出第一警告或警告級別1。如此便能用警告級別1來指示脫離穩定階段之計算出極限(大於5σ)。作為另一警告，若該一個或多個特徵或該等經組合特徵的值超過該導引組件之起動階段中或該導引組件開始記錄時的相對應特徵或相對應多個特徵的最大值，則可輸出特別是第二警告或警告級別2。換言之，可在超過起動階段之啟動點的能量水平時觸發警告級別2。若例如因感測器被改裝而不存在起動階段，則可直接輸出警告級別2而非警告級別1。在本發明的另一技術方案中，在滿足選自以下前提條件的一或多個前提條件的情況下，可由該評價裝置輸出警報或特別是第三警告或警告級別3：在警告級別2後達到預設循環數，其中循環數可以是導引組件之循環數目或評價裝置之測量循環數目；達到特別是該導引組件之估算剩餘壽命；一或多個特徵超過某一統計極限(n×σ)；達到針對該一個或多個特徵或該等特徵的一部分的絕對極限或可配置極限或閾值。
在本發明的另一技術方案中，較佳地是可由該評價裝置測定該導引組件的路徑。換言之，該評價裝置可局部分辨地實施評價。如此便能特別是測量整個路徑並局部分辨地實施評價，以便在疲勞探測過程中不只對活動導引組件亦對導引構件進行監測。透過此方式，例如便能局部分辨地探測導引構件的損傷並進行分派。若導引組件有受損，則如此通常引起增大特徵，從而如此 經常發生在整個驅動或整個路徑範圍。若導引構件有受損，則測定之特徵在驅動或路徑範圍內部具有位置相關的斜率。在有受損的驅動馬達或例如在有受損的螺桿軸承中，該等特徵顯示在導引組件朝驅動馬達的運動且接近上持續增大。
作為替代或額外方案，可設想到在特別是定義之基準行進期間實施該疲勞探測。於是，速度或線性速度及頻率範圍係已知。此時，在背景信號存在一些干擾源。此外，該等特徵受到波動影響較小，且毋需對於速度進行正規化。
較佳地，在該導引組件上設有能量產生單元，其用於為該導引組件的一部分電子組件或所有電子組件供能。該能量產生單元有例地經設計而使其在導引構件與導引組件之間發生相對運動時產生能量。由於該評價裝置因算術運算相對簡單而具有較低計算能力及因而具有相對較小能量需求，故其易於獨立地被能量產生單元供能。對於能量產生，例如可採用所謂之“能量採集”。此外亦可設想到設有儲能器，其可特別是透過能量產生單元而充電。作為額外或替代方案，亦可設想到視需要對儲能器加載外部充電。接著，該儲能器可用於對導引組件的部分或所有電子組件進行供能，特別是針對負責疲勞探測的彼等電子組件。
較佳地，該評價單元獨立地對感測器所偵測到的資料進行評價。
簡單就裝置技術方面，該感測器可以例如為加速度感測器或振盪感測器。該感測器較佳地是設計為微電機械系統(MEMS)。較佳地，該感測器測量0至20kHz的頻率範圍內，進一步較佳地是0至3kHz的頻率範圍內，進一步較佳地是0至1kHz的頻率範圍內的振盪信號。該感測器經配置為例如3軸加速度感測器，特別是採用電容式測量原理。亦可設想到設有多個感測器。
較佳地，該評價裝置具有評價軟體。此外，該評價裝置亦可具有處理器及/或被設計為微控制器。該微控制器例如可具有至少一周邊功能。此外， 該評價裝置可具有工作及/或程式記憶體，其可為該微控制器的一部分。該評價裝置亦可被設計為MEMS或與該感測器一起構成MEMS。根據本發明，透過該評價裝置的剩餘載量及/或相對較少的記憶體及/或自主供能及/或無線疲勞探測、特別是基於具有能量採集的一次電池或二次電池、來改善導引器的功能範圍。
在本發明的另一較佳技術方案中，特別是在該導引組件上可設有資料傳輸裝置或通信裝置。上述裝置可為MEMS或微控制器的一部分。可藉由該通信裝置來將該評價裝置及/或該感測器的資料較佳地是無線地傳輸給外部通信裝置。該外部通信裝置可為機器控制器的一部分或提供通向網際網路或雲端的介面。較佳地，透過該通信裝置來較佳地是以最小可行資料量來傳輸評價裝置之結果。例如可僅設有一位元，其中可輸出存在疲勞與否的資訊。換言之，有利地是在該導引組件的每次行進中僅傳輸一些數值或特徵，但特別僅是疲勞探測的結果(疲勞是/否)及/或預期剩餘壽命及/或必要動作。
較佳地，在該導引組件上設有電子設備，其可將類比感測器信號轉換為數位信號。此外，該電子設備亦可提供串列匯流排，如I2C或SPI。
特別是對評價裝置及/或感測器進行獨立供能之優點在於毋需採用電池或可充電電池。僅具供能用電池或可充電電池之系統的能量壽命通常為二至五年。此類系統之缺點在於需要定期更換電池，從而提高成本並造成環境污染。採用多個感測器時，此類系統基本上不可用。而用本發明之系統便能實施獨立疲勞探測，其中各組件毋需加以維護。
在本發明的另一技術方案中，用於進行疲勞探測的組件、特別是感測器、評價裝置、供能裝置等、可被設計為模組。此種模組易於安裝且例如同樣易於改裝。
該導引組件較佳地是螺紋螺帽或滾珠螺紋螺帽。在此情況下，該導引構件可為螺桿或導引螺桿。該滾珠螺紋螺帽上可固定有殼體，該殼體具有 該感測器及/或該評價裝置及/或前述電子組件中的一或多個。沿該導引螺桿視之，該殼體可經軸向佈置在該滾珠螺紋螺帽上。該滾珠螺紋螺帽較佳地是具有凸緣，螺帽本體自該凸緣沿第一軸向延伸，殼體可沿相反方向延伸。較佳地，該殼體沿徑向具有外表面，其較佳地是至少局部地沿圓柱體延伸，其中該圓柱體的縱軸可與導引螺桿的縱軸共軸延伸或與其相距平行距離。該殼體的直徑較佳地是小於或等於該滾珠螺紋螺帽的最大直徑。在本發明的另一技術方案中，該殼體僅局部地環繞該導引螺桿。特定言之，該殼體在該導引螺桿的側部上大體呈U形。該殼體的圓弧段角度例如為最大180°。如此，透過不超過圓弧段角度的方式便能簡單地對殼體進行改裝，以允許殼體能夠在安裝過程中被佈置在導引螺桿上並覆蓋該導引螺桿。該殼體亦可設計為多組件式，在此情況下，該殼體可環繞導引螺桿並因此多組件式設計而易於安裝。舉例而言，該殼體為便於改裝或安裝而透過固定構件與滾珠螺紋螺帽、特別是與滾珠螺紋螺帽的凸緣、加以連接。在該殼體與該滾珠螺紋螺帽之間亦可設有適配器，如此便能靈活地佈置並配置連接點或固定點。
在本發明的一種較佳技術方案中，該導引組件可為導引滑座，該導引構件可為導軌。該導引滑座例如採用滾動體支承。換言之，該導引器可被設計為型軌導引器。在該導引滑座上可設有根據前述態樣中一項或多項所述之殼體。該殼體例如被佈置在該導引滑座之縱向面向側上。進一步較佳地，該殼體不超過該導引滑座之外輪廓的外部尺寸-特別是在橫向於導軌的平面內視之。該殼體例如大體呈U形，從而易於覆蓋該導軌。該殼體亦可被設計為多組件式從而易於改裝。
除上述感測器，亦可設想到設有一或多個其它感測器。例如，設有光學感測系統及/或超音波感測系統來探測油膜厚度及/或潤滑品質及/或潤滑劑渾濁度及/或顆粒。該一個或多個額外感測器的偵測軸較佳地是指向導引構件 之表面的方向，特別是指向導引螺桿或導軌之表面的方向。如前述，作為額外感測系統而設置用於偵測背景雜訊的聲音式感測系統，特別是麥克風。亦可設有溫度感測系統。
根據本發明，設有感測器組件，其具有用於偵測振盪信號的感測器。此外，在該感測器組件上可設有用於評價該感測器所偵測到的振盪信號的評價裝置。如此便能基於該感測器所偵測到的振盪信號，測定該導引組件的運動輪廓，並且可將該運動輪廓的至少一部分之振盪信號用來進行疲勞探測。作為替代或額外方案，該感測器所偵測到的振盪信號被數位濾波並且基於數位濾波後的信號來測定該導引組件的運動輪廓。
該感測器組件可採用前述態樣中的設計。
本發明提出一種採用依據前述態樣中一項或多項所述之導引器或採用依據前述態樣中一項或多項所述之感測器組件的方法，該方法具有以下步驟。
- 基於該感測器所偵測到的振盪信號來測定運動輪廓，其中較佳地是將該運動輪廓的一部分之振盪信號用來進行疲勞探測，- 及/或對該感測器所偵測到的振盪信號進行數位濾波，其中例如基於數位濾波後的振盪信號來測定該導引組件的該運動輪廓或另一運動輪廓，- 及/或測定該感測器所偵測到的振盪信號的頻帶，其中該頻帶由該評價裝置用於進行疲勞探測。
該方法亦可具有前述態樣中的一或多個。
換言之，設有用於線性驅動裝置及線性導引器的疲勞探測感測器，其特別是用於探測該線性導引器的機械疲勞。在此可採用速度相關正規化或特徵修正，其允許在工作期間進行疲勞探測而毋需採用基準路徑。作為替代或額外方案，可設有整合式階段識別，其探測出起動階段、穩定階段及疲勞階 段並將其納入分析。穩定階段的極限可持續地受到匹配及調適或再調整。如此便毋需設置固定的閾值，從而產生適應性疲勞探測。在該疲勞探測過程中，特別是可查明是否存在相關特徵的連續上升及/或是否脫離穩定階段之經計算極限及/或是否超過起動階段之啟動點的能量水平。此外，還可查明某個極限值是否大於n×σ，如脫離穩定階段之極限後的最大循環數及/或估算剩餘壽命及/或特徵，及/或是否達到絕對或可配置閾值。
換言之，本發明可在高度整合在感測器系統中的微控制器上實施完整感測器相關的自適應疲勞探測或信號處理及信號分析。該疲勞探測可提供信號採集及/或測量及/或加速度輪廓識別及/或參數估算及/或濾波及/或特徵計算及/或斜率計算。
換言之，採用該導引器及/或該方法及/或該感測器組件便能例如在線性滾動軸承之工作期間實施評價或疲勞探測，而並非僅在特別測量行程期間。有利地是對該振盪信號進行數位濾波。如此便能自濾波後的信號識別出恆定速度階段，特別是一般穩態工作條件。可主要在此些階段中實施評價。可將來自其它階段的資訊用來對評價進行輔助，例如通過測定來自其它階段的速度。
換言之，該評價裝置可被直接安裝在線性滾動軸承的轉子上。透過本發明之技術方案可實現非常緊密且使用少量供電。可利用線性滾動軸承的運動來為評價裝置供能。將相應的微控制器設計為相對低性能即可。評價方法採用儘可能簡單的設計，以便由微控制器予以實施。但其仍能可靠地識別出受損。毋需在頻率範圍內實施評價。該評價裝置較佳地是單憑其本身所測定之資料。該評價裝置較佳地是不連接較上層控制。較佳地是亦可測定驅動速度。此可透過加速度感測器之信號的積分而測定。加速度感測器所測定之振盪信號可主要取決於驅動速度。
1‧‧‧導引螺桿
2‧‧‧滾珠螺紋螺帽
4；16‧‧‧殼體
6‧‧‧感測器
8‧‧‧評價裝置
10‧‧‧能量產生單元
12‧‧‧導軌
14‧‧‧導引滑座
18‧‧‧端側
20‧‧‧測量
22‧‧‧振盪信號
24，36，38，40，42，44，50，52，54，56，69，70，72，74，76，78，79，80，82‧‧‧區塊
26‧‧‧運動輪廓
28，30，32‧‧‧曲線
34‧‧‧閾值
46‧‧‧左分支
48‧‧‧右分支
58‧‧‧起動階段
60‧‧‧啟動水平
62‧‧‧穩定階段
64，66‧‧‧極限
68‧‧‧疲勞階段
84，86，88，90‧‧‧範圍
下面結合概要圖對本發明之較佳實施例進行詳細說明。其中：圖1a為根據實施例中之導引器的立體圖，圖1b為圖1a中之導引器的側視圖，圖2a為導引器的一部分連同感測器組件的立體圖，圖2b為根據另一實施例中之導引器的立體圖，圖3為根據該等實施例中之導引器之功能說明的流程圖，圖4為根據該等實施例中之導引器之可透過感測器所偵測到的振盪信號，圖5為針對不同速度之導引器的啟動及加速階段的示意圖，圖6為該導引器之疲勞探測的分析結果的示意圖，及圖7為圖6中繪示有警告極限之示意圖。
如圖1a所示，根據實施例中之導引器具有形式為導引螺桿1的導引構件及形式為滾珠螺紋螺帽2的導引組件。在滾珠螺紋螺帽2的凸緣上，在指向軸向的端側上固定有殼體4。該殼體中設有感測器6，其在圖1a中作示意性顯示。該感測器用來偵測導引器的振盪信號。此外還設有形式為微控制器的評價裝置8，其同樣在圖1a中作示意性顯示且與感測器6連接。評價裝置8還與能量產生單元10連接，其中後者亦作示意性顯示。如圖1a及1b所示，殼體4呈盤形且直徑相當於滾珠螺紋螺帽2的直徑。盤形的殼體4環繞導引螺桿1。
如圖2a及2b所示，導引器的另一實施方式配設有形式為導軌12的導引構件及形式為導引滑座14的導引組件。殼體16在此案例中呈U形且特別是具有如圖1a所示感測器、評價裝置及能量產生單元。殼體16可附接在導引滑座14之軸向面向的端側18上。殼體16在此案例中沿徑向並未伸出導引滑座14。由 於殼體16之U形設技，所以有利地是可環繞導軌12。在導軌12具有如圖2a所示輪廓的情況下，殼體16可以此輪廓銜接對應輪廓。
根據圖3a中之流程圖，用第一區塊來表示測量20。在測量過程中，如圖1a所示由感測器6偵測振盪信號。該振盪信號參見圖4且用元件符號22表示。振盪信號22繪示於示意圖中，其中橫座標表示測量數目，縱座標表示振盪信號22的正規化振幅。如圖3所示，在測量22完畢後，在區塊24中基於振盪信號22來測定運動輪廓。為此目的，透過低通濾波器對振盪信號22進行數位濾波，由此在圖4中可看出運動輪廓26。該運動輪廓具有多個部分。如圖4所示，編號(1)表示停機輪廓，編號(2)表示啟動輪廓，編號(3)表示加速度輪廓，編號(4)表示恆定速度的輪廓，編號(5)表示煞車輪廓。實施疲勞探測在於避免非所欲加速影響，特別是在恆定速度下的輪廓，因此透過圖1a所示之評價裝置8來偵測運動輪廓的不同部分是非常有利的。藉由停機輪廓及/或啟動輪廓，在恆定速度的輪廓下測定圖1a及2b中之滾珠螺紋螺帽2及導引滑座14的速度。圖5中詳細示出此點。圖5以恆定速度階段之達到的不同速度來表示該線性運動的啟動及加速階段。橫座標上描述的是時間(以秒為單位)，而縱座標上描述的是振幅。曲線28表示驅動馬達每分鐘50轉時的啟動及加速階段。另一曲線30表示每分鐘300轉時的啟動及加速階段，曲線32表示每分鐘1000轉時的啟動及加速階段。較佳地是以曲線28、30或32之高於閾值34的區段來計算速度。
如圖3所示，區塊24後隨有區塊36，其中測定振盪信號22的頻帶，其中將該頻帶應用於由圖1a所示之評價裝置8進行疲勞探測。基於所計算出之速度來估算頻帶並透過濾波(參見圖3中的區塊38)來清除非必需頻帶。
在圖3中之下一區塊40中，計算在區塊38中工作之頻帶的相關特徵。此等特徵例如可指平均值或MAD或RMS值。區塊40後隨有區塊42，其中將經計算之特徵對於經計算之速度進行正規化，從而對不同速度的影響加以補 償。隨後在區塊44中進行信號分析。為此目的，如前述將測定之特徵組合在一起，並對經組合特徵與先前測定特徵進行比較。若特徵的上升或特徵的增大大於0，則採用圖3中左分支46的方法。若特徵保持不變或減小，則採用圖3中右分支48的方法。在分支48中，在區塊50中檢查圖1至2中之導引器是否處於穩定階段中，即不存在疲勞並起動階段已結束。若不存在穩定階段，則根據圖3之區塊52由評價裝置8識別出起動階段，隨後在區塊54中起始新的測量。該起動階段中，經組合特徵下降。若特徵保持不變，則在區塊50後面是圖3所示區塊56。其中，視需要適應性調整穩定階段的極限並後續用區塊54來起始新的測量。
圖6中示出測定之經組合特徵。橫座標表示測量數目，縱座標表示經組合特徵的正規化值。在起動階段58中可看出，經組合特徵自起動階段的啟動水平60下降。如此後隨穩定階段62，其中經組合特徵在可適應性變化的極限64及66內保持不變或大體保持不變。若經組合特徵上升，則評價裝置8識別出疲勞階段68。亦即，若在圖3所示區塊44中發現經組合特徵之上升，則繼續實施左分支46中的方法。首先在區塊69中確認經組合特徵的上升是否大於5σ，即用統計平均值來確認是否出現上升。若否，則在區塊70中使得離群值計數器減少一個點。隨後在區塊56中重新適應性調整極限64、66，參見圖6。若區塊69中的統計評價的結果是經組合特徵的上升為5σ，則在區塊72中使得離群值計數器增加一個點。隨後在下一區塊74中，確認離群值的數目是否超過特定閾值。若否，則在區塊54中起始新的測量。若是，則在區塊46中測定經組合特徵的正規化值是否大於啟動水平60，參見圖6。若否，則在區塊78中輸出警告級別1。若是，則在區塊79中檢驗是否超過極限值。該極限值例如指估算的剩餘壽命或絕對閾值或本發明說明書中提及的極限值。若超過該極限值，則在區塊80中輸出警報。若未超過該極限值，則在區塊82中輸出警告級別2。如此在圖7中示意性示出。各種警告級別及警報係基於圖6而繪出。若滿足圖3中所闡述的前提條件，則在 範圍84內輸出警報。在範圍86內實施警告級別2，在範圍88內實施警告級別1，在範圍90內不實施警告或警報。
根據本發明，設有特別是用於導引器的感測器組件，其具有感測器及評價裝置。該評價裝置基於該感測器所偵測到的振盪信號來測定該導引組件的運動輪廓，其中使用該運動輪廓的一部分來進行疲勞探測。作為替代或額外方案，該感測器所偵測到的振盪信號被濾波或數位濾波並且基於濾波後或數位濾波後的信號來測定該導引組件的運動輪廓。
12‧‧‧導軌
16‧‧‧殼體

Claims (11)

  1. 一種使用導引器之方法，其具有導引構件(1；12)及透過該導引構件(1；12)受到導引且可運動的導引組件(2；14)，其中在該導引組件(2；14)上設有用於偵測振盪信號(22)的感測器(6)，且其中在該導引組件(2；14)上設有用於評價該感測器(6)所偵測到的該振盪信號(22)的評價裝置(8)，其中該導引組件是導引滑座(14)並且該導引構件是導軌(12)、或者該導引組件是螺紋螺帽(2)並且該導引構件是導引螺桿(1)，其特徵在於，對由該感測器(6)所偵測的該振盪信號(22)進行數位濾波，並且基於進行數位濾波之後的該振盪信號(22)來測定該導引組件(2；14)的運動輪廓(26)，其中透過該評價裝置(8)來測定該導引組件的該運動輪廓(26)之一或多個部分，其中該一或多個部分表示以下中的一或多個：停機輪廓及/或啟動輪廓及/或加速度輪廓及/或恆定速度及/或煞車輪廓，其中該運動輪廓(26)中所測定之一部分被用來進行疲勞探測，其中該評價裝置(8)針對該運動輪廓(26)之一部分的該振盪信號(22)來測定一或多個特徵並且予以儲存在記憶體中，其中該一或多個特徵選自以下特徵：平均值、平均絕對偏差(MAD)、均方根，其中由該評價裝置(8)所測定的該一或多個特徵與儲存在該記憶體中在先前所測定的相對應特徵進行比較，以及其中在該一或多個特徵或其之經組合特徵低於極限(66)或上限(66)及/或高於極限(64)或下限(64)及/或位於兩個極限(64，66)之間的情況下，該評價裝置(8)推斷出該一或多個特徵不發生變化，其中該一或多個特徵應用於計算該兩個極限(64，66)，由此該兩個極限(64，66)經過適應性調整。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該振盪信號(22)的頻帶被測定，其中該頻帶被該評價裝置(8)用於進行該疲勞探測。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中透過低通濾波器及/或透過離散小 波變換進行該數位濾波。
  4. 如請求項1或2所述之方法，其中該評價裝置(8)在該運動輪廓(26)處於該恆定速度中實施該疲勞探測，及/或其中該導引組件(2；14)的速度藉由該振盪信號(22)而測定。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該速度之測定藉由該啟動輪廓及/或藉由該加速度輪廓而測定。
  6. 如請求項1或2所述之方法，其中該評價裝置(8)基於自該振盪信號(22)所測定之頻帶來測定該一或多個特徵。
  7. 如請求項1或2所述之方法，其中該一或多個特徵進一步選自以下特徵由該評價裝置(8)以自該導引組件(2；14)所測定之速度進行正規化後的該一或多個特徵，及/或由該評價裝置(8)在涉及多個不同類型之特徵時所測定的經組合特徵，及/或該評價裝置(8)在該一或多個特徵或該經組合特徵增大時所輸出的警告及/或警報。
  8. 如請求項1或2所述之方法，其中在該導引滑座(14)上固定有殼體(16)，該殼體(16)具有該感測器(6)及/或該評價裝置(8)，其中該殼體(16)被佈置在該導引滑座(14)之縱向面向側上及/或其中該殼體(16)部分包含或全部包含地銜接於該導軌(12)上，或其中在該螺紋螺帽(2)上固定有殼體(4)，該殼體具有該感測器(6)及/或該評價裝置(8)，其中該殼體(4)軸向地被佈置在該螺紋螺帽(2)上及/或其中該殼體(4)部分包含或全部包含地覆蓋該導引螺桿(1)。
  9. 如請求項1或2所述之方法，其中該一或多個特徵或該經組合特徵相對於先前的一或多個特徵或經組合特徵之斜率由該評價裝置(8)進行計算，其中若該一或多個特徵或該經組合特徵的斜率小於或等於0，則該評價裝置(8)從中推斷出不存在疲勞，及/或 其中若該一或多個特徵或該經組合特徵的斜率約為0，則該評價裝置(8)從中推斷出該導引器處於穩定階段中，及/或其中若該一或多個特徵或該經組合特徵的斜率大於0，則該評價裝置(8)從中推斷出該導引器存在疲勞。
  10. 如請求項1或2所述之方法，其中該評價裝置(8)在該一或多個特徵或該經組合特徵的值超過該導引組件(2；14)之起動階段(58)中或該導引組件(2；14)開始記錄時相對應的一或多個特徵的最大值時，輸出警告或警報，及/或其中該評價裝置(8)在滿足選自以下前提條件中的一或多個前提條件下輸出警報或警告：在另一警告之後達到預設循環數；達到估算的剩餘壽命；一或多個特徵超過某一特定統計極限；達到針對該一或多個特徵或該多個特徵的一部分的絕對或可配置極限或閾值。
  11. 如請求項1或2所述之方法，其中由該評價裝置(8)測定該導引組件(2；14)的路徑，並且該評價裝置(8)局部分辨地實施該疲勞探測，以便監測該導引構件(1；12)。
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