TWI609737B - 偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法 - Google Patents

Description

偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法

本發明是有關於一種偵測線性滑軌預壓值變化的方法，特別是指一種偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法。

工具機的線性滑軌在出廠時即對應有一預壓值，一般來說，線性滑軌的預壓值會隨著線性滑軌的使用損耗而漸漸變小；而當預壓值下降到不符使用需求時，則需汰換線性滑軌。

目前來說，若要量測線性滑軌的預壓值，需先將線性滑軌從工具機上拆卸下來，再利用量測工具測得預壓值的大小；因此，若要藉由實際量測線性滑軌的預壓值來觀察其變化，需一再地在工具機上裝卸線性滑軌，相當地不便與耗時。

因此，本發明之目的，即在提供一種不需從工具機上拆卸線性滑軌即可實施的偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法。

於是，本發明偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法由多個振動感測器及一計算模組實施。該工具機包含至少一線性滑軌及一設置於該至少一線性滑軌上的工作載台，該等振動感測器設置於該工作載台。該偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法包含一步驟(a)、一步驟(b)、一步驟(c)、一步驟(d)，及一步驟(e)。

該步驟(a)是每一振動感測器在一第一時點感測該工作載台的振動而產生一對應該第一時點的第一振動信號。

該步驟(b)是該計算模組根據至少一相關於該工作載台的理論模態振型與該等第一振動信號計算出至少一相關於該工作載台的第一自然頻率。

該步驟(c)是每一振動感測器在一第二時點感測該工作載台的振動而產生一對應該第二時點的第二振動信號。

該步驟(d)是該計算模組根據該至少一理論模態振型與該等第二振動信號計算出至少一相關於該工作載台的第二自然頻率。

該步驟(e)是該計算模組根據該至少一第一自然頻率與該至少一第二自然頻率判斷該至少一線性滑軌的預壓值變化。

本發明之功效在於：不需從工具機上拆卸線性滑軌即可有效地偵測出線性滑軌的預壓值的變化。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法由多個振動感測器1及一電連接該等振動感測器1的計算模組(圖未示)實施。

該工具機2為一習知的工具機，並包含一馬達21與一進給單元22。該進給單元22包括一連接該馬達21的螺桿221、多個樞接該螺桿221的軸承222、二線性滑軌223，及一設置於該等線性滑軌223上的工作載台224，且該二線性滑軌223均具有相同的一初始預壓值。

該等振動感測器1設置於該工作載台224，並用於感測該工作載台224的振動；在此以三個振動感測器來說明，但並不限於此，振動感測器的個數只要是複數即可。該計算模組包含一具有一般計算功能的電腦。

參閱圖2，以下詳述本發明偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法的一實施方式。

首先，在步驟31，該馬達21在一第一時點激振(excite)該進給單元22而使該工作載台224振動；每一振動感測器1感測該工作載台224的振動而產生一對應該第一時點的第一振動信號。雖然在此是利用該工具機2本身所具有的該馬達21來激振該進給單元22，但可不限於此；在另一實施方式中，也可利用一外部的激振器(vibration exciter)來激振該進給單元22而使該工作載台224振動。

接著，在步驟32，該計算模組利用一現有的操作模態分析法(operational modal analysis, OMA)根據該等第一振動信號計算出相關於該工作載台224的多個自然頻率(natural frequency)與多個分別對應該等自然頻率的操作模態振型(operational mode shape)。該操作模態分析法為本發明所屬技術領域的具有通常知識者所熟悉，然而，為了便於說明本發明的技術內容，以下簡述之。

令該等振動感測器1所感測到的該等第一振動信號所分別對應的頻域信號為

、

，及

，其中 k表示頻率。接著，根據該等頻域信號產生對應該工作載台224的多個位移傳遞率

、

、

(displacement transmissibility)，其中

，

，

，且函數 G為功率頻譜密度函數(power spectrum density function)。接著，對於每一頻率 k，針對矩陣

進行奇異值分解(singular value decomposition)，即

，其中奇異值矩陣

，且

。

對於每一頻率 k，均可計算出一對應的奇異值

，而所有

的倒數，也就是所有的

，所形成的曲線中的每一峰值所對應的頻率即為一自然頻率，而該自然頻率所對應的操作模態振型也就是該自然頻率對應的奇異值在奇異值分解過程中所對應的特徵向量(eigenvector)。例如，參閱圖3，其中的頻率

、頻率

，及頻率

均為自然頻率；而

、

、

所分別對應的特徵向量也就是頻率

、頻率

，及頻率

所分別對應的操作模態振型。

接著，在步驟33，該計算模組根據預先藉由習知的有限元素法(finite element method, FEM)分析出來的最符合該工作載台224的振動方式的一理論模態振型，與每一操作模態振型的相似程度從該等自然頻率中選出一第一自然頻率，其中係選出與該理論模態振型有最大相似程度的操作模態振型所對應的自然頻率做為該第一自然頻率。

在此是利用現有的模態確認指標(modal assurance criterion, MAC)來計算該理論模態振型與該操作模態振型之間的相似程度。模態向量

與模態向量

的模態確認指標值的計算方式為

，其中模態確認指標值愈高代表

與

的正交性愈低，相似程度也就愈高。若向量

表示該理論模態振型，向量

,

,…,

表示步驟32所計算出的該等操作模態振型，則在此是計算 {

}，並以具有最大MAC值的操作模態振型所對應的自然頻率為該所選出的第一自然頻率。

接著，在步驟34，該馬達21在一晚於第一時點的第二時點激振該進給單元22而使該工作載台224振動；每一振動感測器1在該第二時點感測該工作載台224的振動而產生一對應該第二時點的第二振動信號。

接著，在步驟35，類似於針對該等第一振動信號的處理，該計算模組利用該操作模態分析法根據該等第二振動信號計算出相關於該工作載台224的多個自然頻率與多個分別對應該等自然頻率的操作模態振型。

接著，在步驟36，該計算模組根據步驟33所述的該理論模態振型，與步驟35所述的每一操作模態振型的相似程度從該等自然頻率中選出一第二自然頻率，其中係選出與該理論模態振型有最大相似程度的操作模態振型所對應的自然頻率做為該第二自然頻率。在此也是利用該模態確認指標來計算該理論模態振型與該操作模態振型之間的相似程度。

接著，在步驟37，該計算模組根據該第一自然頻率與該第二自然頻率判斷該等線性滑軌223的預壓值變化。當該第二自然頻率小於該第一自然頻率時，該計算模組判定該等線性滑軌223的預壓值變小，且判定該等線性滑軌223的預壓值的下降比率為由該第一自然頻率下降至該第二自然頻率的下降比率。

由上述可知，若該第一時點為該等線性滑軌223在裝設至該工具機2後開始運作的時點，且該第二時點為該等線性滑軌223運作一段時間後的時點，則該等線性滑軌223在該第一時點對應的預壓值為該等線性滑軌223在出廠時即具有的該初始預壓值，藉由上述自然頻率的變化估計出該等線性滑軌223的預壓值的下降比率後，能在不將該等線性滑軌223從該工具機2上拆卸下來的情況下，進一步根據該初始預壓值與該下降比率估計出該等線性滑軌223在該第二時點的預壓值。

雖然上述實施方式僅利用到單一個理論模態振型，但可不限於此。在另一實施方式中，可預先利用該有限元素法分析出多個相關於該工作載台224的理論模態振型，然後計算根據該等第一振動信號所分析出的每一操作模態振型與每一理論模態振型的模態確認指標值，並選出具有最大模態確認指標值的操作模態振型所對應的自然頻率做為該第一自然頻率；並計算根據該等第二振動信號所分析出的每一操作模態振型與每一理論模態振型的模態確認指標值，且選出具有最大模態確認指標值的操作模態振型所對應的自然頻率做為該第二自然頻率。

也就是說，若向量

,

,…,

表示該等理論模態振型，向量

,

,…,

表示根據該等第一振動信號所分析出的該等操作模態振型，則計算 {

}，並以具有最大MAC值的操作模態振型所對應的自然頻率做為該第一自然頻率；而求取該第二自然頻率的方式類似前述求取該第一自然頻率的方式，故不再贅述。

在另一實施方式中，也可利用根據有限元素法所分析出來的多個相關於該工作載台224的理論模態振型與根據該等第一振動信號所計算出來的多個操作模態振型來獲得對應該第一時點的多個第一自然頻率；並利用該等理論模態振型與根據該等第二振動信號所計算出來的多個操作模態振型來獲得對應該第二時點的多個第二自然頻率；然後，根據該等第一自然頻率與該等第二自然頻率來預測該等線性滑軌223的預壓值的下降比率。

舉例來說，可從根據該等第一振動信號所計算出的該等操作模態振型中選出分別具有最大模態確認指標值與次大模態確認指標值的兩個操作模態振型，並以該兩個操作模態振型所對應的自然頻率做為兩個第一自然頻率，在此以向量

與

分別表示該兩個第一自然頻率所對應的操作模態振型，其中

對應的自然頻率小於

對應的自然頻率。

類似地，令向量

與

分別表示根據該等第二振動信號所獲得的兩個第二自然頻率所對應的操作模態振型，其中

對應的自然頻率小於

對應的自然頻率。然後，將[

,

,

,

] ^T 輸入一預先訓練好的預測模型，例如類神經網路或線性迴歸模型，來預測該等線性滑軌223的預壓值的下降比率。

綜上所述，本發明偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法，根據至少一理論模態振型與該等第一振動信號分析出對應該第一時點的相關於該工作載台的至少一第一自然頻率；並根據該至少一理論模態振型與該等第二振動信號分析出對應該第二時點的相關於該工作載台的至少一第二自然頻率，且根據該至少一第一自然頻率與該至少一第二自然頻率來估計/預測該等線性滑軌的預壓值的下降比率，能在不將該等線性滑軌從該工具機拆卸下來的情況下，判斷出該等線性滑軌的預壓值變化，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1‧‧‧振動感測器

2‧‧‧工具機

21‧‧‧馬達

22‧‧‧進給單元

221‧‧‧螺桿

222‧‧‧軸承

223‧‧‧線性滑軌

224‧‧‧工作載台

31~37‧‧‧步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一俯視示意圖，說明一工具機與將多個振動感測器設置於該工具機的一工作載台的態樣； 圖2是一流程圖，說明本發明偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法的一實施方式；及 圖3是一示意圖，說明利用奇異值

的倒數的曲線求取相關於該工作載台的自然頻率。

31~37‧‧‧步驟

Claims (5)

1. 一種偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法，由多個振動感測器及一計算模組實施，該工具機包含至少一線性滑軌及一設置於該至少一線性滑軌上的工作載台，該等振動感測器設置於該工作載台，該偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法包含以下步驟：(a)每一振動感測器在一第一時點感測該工作載台的振動而產生一對應該第一時點的第一振動信號；(b)該計算模組根據至少一相關於該工作載台的理論模態振型與該等第一振動信號計算出一相關於該工作載台的第一自然頻率；(c)每一振動感測器在一第二時點感測該工作載台的振動而產生一對應該第二時點的第二振動信號；(d)該計算模組根據該至少一理論模態振型與該等第二振動信號計算出一相關於該工作載台的第二自然頻率；及(e)該計算模組根據該第一自然頻率與該第二自然頻率判斷該至少一線性滑軌的預壓值變化，其中當該第二自然頻率小於該第一自然頻率時，該計算模組判定該至少一線性滑軌的預壓值變小。
2. 如請求項1所述的偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法，其中在該步驟(b)，該計算模組利用一操作模態分析 法根據該等第一振動信號計算出相關於該工作載台的多個自然頻率與多個分別對應該等自然頻率的操作模態振型，並根據每一操作模態振型與每一理論模態振型的相似程度從該等自然頻率中選出該第一自然頻率，且在該步驟(d)，該計算模組利用該操作模態分析法根據該等第二振動信號計算出相關於該工作載台的多個自然頻率與多個分別對應該等自然頻率的操作模態振型，並根據每一操作模態振型與每一理論模態振型的相似程度從該等自然頻率中選出該第二自然頻率。
3. 如請求項2所述的偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法，其中在該步驟(b)，該第一自然頻率所對應的操作模態振型所對應的相似程度為該等相似程度中的一最大者，且在該步驟(d)，該第二自然頻率所對應的操作模態振型所對應的相似程度為該等相似程度中的一最大者。
4. 如請求項3所述的偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法，其中在該步驟(b)與該步驟(d)，該操作模態振型與該理論模態振型的相似程度對應該操作模態振型與該理論模態振型的一模態確認指標值。
5. 如請求項1所述的偵測工具機的線性滑軌預壓值變化的方法，其中在該步驟(e)，該至少一線性滑軌的預壓值的下降比率為由該第一自然頻率下降至該第二自然頻率的下降比率。