TWM623184U

TWM623184U - 傳動裝置

Info

Publication number: TWM623184U
Application number: TW110208984U
Authority: TW
Inventors: 劉崇慶; 林昱辰; 劉世棠; 張旭沅; 蔡孟勳
Original assignee: 新代科技股份有限公司
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2022-02-11

Abstract

一種傳動裝置被提出。傳動裝置包括驅動部以及控制部。驅動部包括馬達、耦接馬達的螺桿、耦接螺桿的螺帽。螺桿在軸向上進行轉動，螺帽被螺桿驅動且沿著螺桿的軸向移動。控制部接收馬達的多個物理量信號，計算驅動部的整體摩擦力，根據整體摩擦力計算出包含螺桿與螺帽間的摩擦力的摩擦資訊，計算整體摩擦力與摩擦資訊之間的差量資訊，並在差量資訊超過容許範圍時，發出警示訊號。

Description

傳動裝置

本新型創作是有關於一種傳動裝置，且特別是有關於一種進給系統的傳動裝置。

在作為傳動裝置的進給驅動系統(feed drive system)中，滾珠螺桿為一種可將馬達的旋轉運動轉換成一直線運動的元件。

當馬達轉動時，聯軸器(coupling)以及螺桿(ballscrew)均會旋轉，而螺帽(nut)則會沿螺桿軸的延伸方向移動。由於螺帽與平台(table)相連接，因此當螺帽被螺桿帶動時，平台也會隨之移動。由於馬達的轉動到平台的移動，中間透過了許多傳動元件的帶動，只要元件之間相接之處有鬆動，即會產生背隙(backlash)效應，並造成平台定位不準確。

為了改善上述情況，在習知技術中會使螺桿與螺帽之間的滾珠的尺寸增大以減少背隙效應的產生，但同時也增加了滾珠的壓力，並同時增加了滾珠與螺桿以及滾珠與螺帽之間的摩擦力。

為了量測螺桿與螺帽之間的摩擦力，需要將進給系統的螺帽與平台鬆開，以及另外準備拉力計量測，在操作上十分不方便。

本新型創作提供一種進給系統的傳動裝置，可即時偵測元件間的摩擦力。

本新型創作的傳動裝置包括驅動部以及控制部。驅動部包括馬達、第一元件以及第二元件。第一元件耦接馬達，用以在一軸向上進行轉動。第二元件耦接第一元件，根據第一元件的轉動以在軸向上移動。控制部耦接馬達，用以：接收馬達的多個物理量信號，根據物理量信號計算出反應驅動部的整體摩擦力的第一摩擦資訊，根據第一摩擦資訊計算出第二摩擦資訊；以及計算第二摩擦資訊與基準摩擦資訊兩者之間的差量資訊，並在差量資訊超過容許範圍時，發出警示訊號。第二摩擦資訊包含該第一元件與該第二元件間的摩擦力。

基於上述，本新型創作實施例的傳動裝置利用馬達的多個物理量信號來計算出驅動部的整體摩擦力以及各元件間摩擦力。並透過判斷元件間摩擦力與基準摩擦資訊兩者之間的誤差，來決定是否發出警示訊號。本新型創作實施例的傳動裝置可以實現在不使用拉力計、不拆裝機械元件以及不加裝感測器的情況下，得知其中的各元件間摩擦力，提升傳動裝置的工作效能。

100、200:傳動裝置

110、210:驅動部

111、211:馬達

120、220:控制部

121:第一元件

122:第二元件

12N:第N元件

227:分析分部

221:螺桿

228:計算分部

222:螺帽

223:記憶分部

223-1、223-2:軸承

224:線軌

226:聯軸器

310~330、310-1~310-3:波形

A:位置換向時間點

B:摩擦力飽和點

K:斜率變化點

PI1、PI2:物理量信號

S1、S2:斜率

S410~S480:檢測步驟

S510~S540:控制步驟

t1、t2:時間區間

圖1繪示本新型創作一實施例的傳動裝置100的示意圖。

圖2繪示本新型創作另一實施例的傳動裝置200的示意圖。

圖3A繪示本新型創作實施例中，傳動裝置上的馬達的物理量資訊的波形圖。

圖3B則繪示圖3A的局部放大圖。

圖4繪示本新型創作一實施例的傳動裝置的螺桿以及螺帽的預壓力的檢測方法的流程圖。

圖5繪示本新型創作一實施例的傳動裝置的控制方法的流程圖。

請參照圖1，圖1繪示本新型創作一實施例的傳動裝置的示意圖。在圖1中，傳動裝置100包括驅動部110以及控制部120。驅動部110包括馬達111以及第一元件121至第N元件12N，其中，第一元件121至第N元件12N相互耦接。馬達111耦接至第一元件121，並耦接至控制部120。其中，馬達111用以驅動第一元件121，以使第一元件121在一軸向上進行轉動，並使耦接至第一元件121的第二元件122根據第一元件121的轉動以在軸向上移動。

控制部120用以接收馬達111的多個物理量信號PI1、PI2，並根據物理量信號PI1、PI2計算出反應驅動部110的整體摩擦力的第一摩擦資訊，再根據第一摩擦資訊計算出第二摩擦資訊，其中，第二摩擦資訊包含第一元件121與第二元件122間的摩擦力。控制部120更計算第二摩擦資訊與預設的一基準摩擦資訊兩者之間的一差量資訊，並在使差量資訊與一容許範圍進行比較，以在當差量資訊超出上述的容許範圍時，發出一警示訊號。

在此，基準摩擦資訊可以為驅動部110在理想的狀態下，第一元件121與第二元件122間的摩擦資訊。容許範圍則可以由工程人員根據傳動裝置100的工作狀態來進行設定。警示訊號可以為聲音訊號、影像訊號以及震動訊號的其中之一或其中之多個的組合，沒有特定的限制。

在本實施例中，物理量信號PI1包括馬達111的電流、扭矩以及扭力的至少其中之一，物理量信號PI2則包括馬達111的位置、速度以及角度的至少其中之一。值得一提的，馬達111的電流、扭矩以及扭力為可交互算而得的資訊，馬達111的位置、速度以及角度同樣為可交互算而得的資訊。也就是說，控制部120可根據馬達111的電流、扭矩以及扭力的其中之任一，計算出馬達111的電流、扭矩以及扭力的其中之另二。控制部120可根據馬達111的位置、速度以及角度的其中之任一，計算出馬達111的位置、速度以及角度的其中之另二。

請參照圖2，圖2繪示本新型創作另一實施例的傳動裝置的示意圖。在圖2中，傳動裝置200包括驅動部210以及控制部220。驅動部210包括馬達211、螺桿221、螺帽222、軸承223-1、 223-2、線軌224以及聯軸器226。其中，螺桿221、螺帽222、軸承223-1、223-2以及線軌224可分別對應圖1實施例的第一元件121至第N元件12N。在本新型創作實施例中，第一元件可為螺桿221。一般而言，螺帽222與平台(未繪示)連接，因此在本新型創作實施例的描述中，將以螺帽222表示螺帽222與平台，並對應於第二元件。第三元件可為軸承223-1、223-2，用以設定螺桿221(第一元件)的位置。第四元件可為線軌224，與螺帽222(第二元件)接觸，用以導引螺帽222在軸向上移動。

在動作細節上，控制部220可得知馬達211的旋轉角度訊號θ、馬達211的電流訊號i、馬達211的扭矩訊號τ、馬達電流常數常數κ。其中，訊號θ可由馬達211上的編碼器來量測，訊號i可由馬達211的驅動器中獲得，訊號i可以為一數位數值。而訊號i與訊號τ之間，滿足方程式τ=κi。

控制部220可針對訊號θ進行兩次微分獲得馬達211的加速度(為訊號α)。控制部220並使訊號α與已知的轉動慣量J相乘，可得到為慣性扭矩τ_in。在此請注意，如果馬達211為空載的狀態，轉動慣量J等於馬達211的轉動慣量。如果馬達211用以帶動螺桿221、螺帽222、軸承223-1、223-2、線軌224以及聯軸器226，那麼轉動慣量J等於馬達211的轉動慣量以及螺桿221、螺帽222、軸承223-1、223-2、線軌224以及聯軸器226之等效的轉動慣量之和。

當馬達211的運動速度極低時，由於加速度非常小，故可忽略慣性扭矩的作用，即慣性扭矩τ_in為0。控制部220可將馬達211的扭矩(訊號τ)扣除慣性扭矩τ_in後，可求得驅動部210的整體摩擦力的第一摩擦資訊。

關於螺桿221以及螺帽222間的第二摩擦資訊的計算細節，可同步參照圖2、圖3A以及圖3B，其中圖3A繪示本新型創作實施例中，傳動裝置上的馬達的物理量資訊的波形圖，圖3B則繪示圖3A的局部放大圖。在圖3A中，波形310為馬達211的位置與時間的關係波形，其中縱軸的單位為毫米；波形320為驅動部210的摩擦力與時間的關係波形，其中縱軸的單位為牛頓-米；波形330為驅動部210的背隙與時間的關係波形，其中縱軸的單位為毫米。波形310至330的橫軸單位皆為秒。圖3B的波形310-1~330-1則分別為波形310至330在區域Z1的局部放大圖。

當馬達211產生轉動時，馬達211的位置與時間的關係為一弦波。在本新型創作另一實施例中，馬達211的位置與時間的關係為鐘型波或梯型波。在進入區域Z1中的位置換向時間點A，馬達211的位置變化由遞減變更為遞增。在本新型創作另一實施例中，在進入區域Z1中的位置換向時間點A，馬達211的位置變化由遞增變更為遞減。另外，在進入區域Z1後，馬達211的摩擦力瞬間增大。根據波形320-1，在區域Z1中的位置換向時間點A以及斜率變化點K間，摩擦力以第一斜率S1上升。並在斜率變化點K後，摩擦力變更為以第二斜率S2上升，其中第一斜率S1大於第二斜率S2。在摩擦力飽和點B後，摩擦力幾乎皆為保持為一定值。

在本實施例中，控制部220可偵測馬達211的位置換向時間點A，根據第一摩擦資訊來計算出斜率變化點K，並擷取根據第一摩擦資訊計算的摩擦力飽和點B。控制部220並根據位置換向時間點A、斜率變化點K以及摩擦力飽和點B來分別設定第一時間區間以及第二時間區間，再計算出第一時間區間t1中的第一斜率S1以及第二時間區間t2中的第二斜率S2。在本新型創作實施例中，第一時間區間為位置換向時間點A與斜率變化點K兩者的區間，第二時間區間為斜率變化點K與摩擦力飽和點B兩者的區間，其中第一時間區間的發生點在第二時間區間之前。

接著，控制部220可根據第一斜率S1以及第二斜率S2來分別獲得第二摩擦資訊以及第三摩擦資訊。其中，摩擦力在位置換向時間點A以及斜率變化點K間的變化量，主要為軸承223-1、223-2、螺桿221與螺帽222之間的摩擦力變化(第二摩擦資訊)，摩擦力在斜率變化點K以及摩擦力飽和點B間的變化量，主要為螺帽222以及線軌224之間的摩擦力變化(第三摩擦資訊)。

在圖2以及圖3A中，影響造成摩擦力變化的機械元件為馬達211、軸承223-1、223-2、螺桿221與螺帽222之接面以及線軌224的摩擦力。其中，螺桿221與螺帽222之接面的摩擦力，為兩種摩擦力的組成。其中的第一個摩擦力為滾珠225於螺桿221槽中滾動的摩擦力，而此摩擦力正比於預壓力。其中的第二個摩擦力則為線軌224的摩擦力，其由推動螺帽222的方向平行於螺桿221，又由於此力將造成螺帽222與螺桿221間的相對位移，因此此力也會造成背隙的產生。

而在圖3B中的斜率變化點K與摩擦力飽和點B間中，同時影響摩擦力與背隙變化的元件只有線軌224。因此，斜率變化點K至摩擦力飽和點B間之摩擦力變化(第三摩擦資訊)為線軌224所造成。進一步說明，第三摩擦資訊包括線軌224與螺帽222間的摩擦力。而位置換向時間點A與斜率變化點K間的摩擦力，則主要由線軌224以外的元件所造成。其中，位置換向時間點A與斜率變化點K間的摩擦力變化是由馬達111、軸承223-1、223-2、螺桿221與螺帽222之間的摩擦力所組成。一般情況下，馬達111與軸承223-1、223-2間的摩擦力相對於螺桿221與螺帽222之間的摩擦力來的小，因此於位置換向時間點A與斜率變化點K間的摩擦力變化(第二摩擦資訊)，主要來自於螺桿221與螺帽222間的摩擦力，而螺桿221與螺帽222間的摩擦力主要受到其間的預壓力所影響。

如果透過數學方法求得位置換向時間點A與斜率變化點K的摩擦力變化，也就是傳動裝置200換向後驅動部210的整體摩擦力的第一次變化，即可得到螺桿221與螺帽222間的摩擦力。螺桿221與螺帽222間的摩擦力大時，則代表螺桿221與螺帽222之間的預壓力大；而當螺桿221與螺帽222間摩擦力小時，則代表螺桿221與螺帽222之間的預壓力小。

以下請同時參考圖2與圖3B，將詳細說明位置換向時間點A、斜率變化點K與摩擦力飽和點B之定義。控制部220可由馬達211的旋轉角度訊號θ求得換向時間點A，在本新型創作一實施例中，當馬達211的旋轉角度訊號θ由遞增訊號轉變為遞減訊號的時間點，控制部220判斷為位置換向時間點A，代表馬達211的運動開始換向。在位置換向時間點A後，控制部220將第一斜率S1變化為第二斜率S2的時間點判斷為斜率變化點K。在斜率變化點K後，控制部220將第二斜率S2變化為一定值的時間點判斷為摩擦力飽和點B。

請重新參照圖2，在圖2中，控制部220包括分析分部227、計算分部228以及記憶分部223。計算分部228可接收物理量信號PI1、PI2，並針對物理量信號PI1、PI2進行計算，並藉以獲得第一摩擦資訊以及第二摩擦資訊。分析分部227則用以計算第二摩擦資訊與預設的基準摩擦資訊兩者之間的差量資訊，並在使差量資訊與容許範圍進行比較，以在當差量資訊超出上述的容許範圍時，發出警示訊號。記憶分部223可用以儲存基準摩擦資訊與容許範圍。記憶分部223則可以為任意形式的記憶體。

在本實施例中，分析分部227、計算分部228可應用數位電路來建構。

以下請參照圖4，圖4繪示本新型創作一實施例的傳動裝置的螺桿以及螺帽的預壓力的檢測方法的流程圖。在當螺桿以及螺帽剛完成更新後，透過步驟S410進行螺桿以及螺帽的診斷功能。在步驟S420中，傳動裝置使驅動部進行一特定運動。在本新型創作實施例中，驅動部運動形式不限，於運動過程中有換向行為即可。在步驟S430中，則將驅動部進行特定運動的過程中所產生的實驗資料進行儲存，並計算出當前的螺帽以及螺桿的摩擦力。

接著，在步驟S440中，判斷螺帽以及螺桿是否需要更新，當判斷結果為是時，執行步驟S450，以將計算分部算出來的分析結果，儲存於記憶分部中。若步驟S440中的判斷結果為否，則執行步驟S460，以於分析分部中取出第一次運算的螺桿與螺帽間的摩擦力(於步驟S430計算得知)，並與此次的螺桿與螺帽間的摩擦力進行比對。在步驟S470中，判斷第一次運算的螺桿與螺帽間的摩擦力，與此次的螺桿與螺帽間的摩擦力間的變化是否過大，若是則執行步驟S480；若否則重回步驟S430。

在步驟S480中，顯示螺桿與螺帽需要更換的提示，並在步驟S490以結束螺桿與螺帽診斷功能。

以下請參照圖5，圖5繪示本新型創作一實施例的傳動裝置的控制方法的流程圖。其中，在步驟S510中，在驅動部中提供馬達，使馬達驅動第一元件以在軸向上進行轉動。其中的第一元件例如是螺桿。在步驟S520中，則使第二元件根據第一元件的轉動以在軸向上移動，其中的第二元件例如是螺帽。在步驟S530中，接收馬達的多個物理量信號，根據物理量信號計算出反應驅動部的整體摩擦力的第一摩擦資訊，根據第一摩擦資訊計算出第二摩擦資訊，其中第二摩擦資訊包含第一元件與第二元件間的摩擦力。並且，在步驟S540中，則計算第二摩擦資訊與基準摩擦資訊兩者之間的差量資訊，並在差量資訊超過容許範圍時，發出警示訊號。

關於上述步驟的實施細節，在前述的實施例已有詳細的說明，在此不多贅述。

綜上所述，本新型創作的傳動裝置可以透過檢測馬達的多個物理量信號，來求得傳動裝置的整體摩擦力，進而計算出驅動部中元件間的摩擦力。本新型創作的傳動裝置在不使用拉力計、不拆裝機械元件、及不加裝感測器的情況下，得知驅動部中各個元件的工作狀態，並透過產生警示訊號，使工程人員可適時的針對傳動裝置進行調整及維修，維持系統的效能。

100:傳動裝置

110:驅動部

120:控制部

111:馬達

121:第一元件

122:第二元件

12N:第N元件

PI1、PI2:物理量信號

Claims

一種傳動裝置，包括：一驅動部，包括：一馬達；一第一元件，耦接該馬達，用以在一軸向上進行轉動；以及一第二元件，耦接該第一元件，根據該第一元件的轉動以在該軸向上移動；以及一控制部，耦接該馬達，用以：接收該馬達的多個物理量信號，根據該些物理量信號計算出反應該驅動部的整體摩擦力的一第一摩擦資訊，根據該第一摩擦資訊計算出一第二摩擦資訊，其中該第二摩擦資訊包含該第一元件與該第二元件間的摩擦力；以及計算該第二摩擦資訊與一基準摩擦資訊兩者之間的一差量資訊，並在該差量資訊超過一容許範圍時，發出一警示訊號。
如請求項1所述的傳動裝置，其中該驅動部更包括：一第三元件，用以設定該第一元件的位置，其中該第二摩擦資訊與該第三元件以及該第一元件間的摩擦力相關聯。
如請求項2所述的傳動裝置，其中該驅動部更包括：一第四元件，與該第二元件接觸，用以導引該第二元件在該軸向上移動，其中該控制部更根據該第一摩擦資訊計算出一第三摩擦資訊，該第三摩擦資訊包括該第四元件與該第二元件間的摩擦力。
如請求項1所述的傳動裝置，其中該些物理量信號包括該馬達的電流、扭矩以及扭力的至少其中之一。
如請求項4所述的傳動裝置，其中該些物理量信號更包括該馬達的位置、速度以及角度的至少其中之一。
如請求項3所述的傳動裝置，其中當該第二元件在該軸向上移動時，該控制部用以：擷取該馬達的一位置換向時間點；根據該第一摩擦資訊計算一斜率變化點；擷取該第一摩擦資訊計算的一摩擦力飽和點；根據該位置換向時間點、該斜率變化點與該摩擦力飽和點以設定一第一時間區間以及一第二時間區間，其中該第一時間區間在該第二時間區間之前；以及根據該第一時間區間的一第一斜率以及該第二時間區間的一第二斜率分別獲得該第二摩擦資訊以及該第三摩擦資訊。