TWI768573B - 振動力量量測裝置 - Google Patents

Abstract

一種振動力量量測裝置，包含量測平台、抬升裝置、感測器、以及連接件。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。感測器配置以感測待測物運轉時所產生之振動量。連接件連接量測平台與感測器，且配置以將待測物之振動量傳遞給感測器。連接件於不同方向上之剛性不相同。

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，其具備即時力量感測、數據量化分級、與快速全檢能力，且裝置的架設安裝容易，故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待測物產線中量測時間過長與無法全檢的問題。

本揭露之另一目的就是在提供一種振動力量量測裝置，其可採用荷重元(load cell)感測器作為振動量的感測器，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。

本揭露之又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，因此可阻絕外部干擾，有效提升待測物之振動力量量測的靈敏度。

本揭露之再一目的就是在提供一種振動力量量測裝置，其連接件可採撓性絞鍊，而可實現單平面外之干擾源隔離，因此可精準量測待測物之水平振動力量變化。

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、感測器、以及連接件。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。感測器配置以感測待測物運轉時所產生之振動量。連接件連接量測平台與感測器，且配置以將待測物之振動量傳遞給感測器。連接件於不同方向上之剛性不相同。

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。

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，此至少一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，上述之抬升裝置更包含基座，感測器固定於此基座上，抬升裝置、感測器、與連接件所組成之系統之自然頻率高於待測物之轉動頻率。

依據本揭露之一實施例，上述之連接件在與量測平台之承載面平行之平面方向上的剛性，大於垂直於此平面方向上的剛性。

依據本揭露之一實施例，上述之連接件為撓性絞鍊。

依據本揭露之一實施例，上述之連接件包含金屬片。

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低於量測裝置之支撐系統的自然頻率。

請參照圖1至圖3，其係分別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立體示意圖、上視示意圖、與側視示意圖。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在運轉時所產生的振動力量。待測物可為馬達或風扇，例如薄型散熱風扇或薄型馬達。舉例而言，風扇之旋轉半徑大於風扇之軸向厚度的3倍以上。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、感測器130、以及連接件140。

量測平台110具有承載面112，承載面112可將待測物承載於其上。承載面112可例如水平延伸。請同時參照圖2與圖3，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，即座標軸X、座標軸Y、與座標軸Z互相垂直。量測平台110較佳係選擇輕質的板材，藉以降低對待測物振動訊號的影響。

在一些例子中，量測平台110可包含夾治具114。夾治具114可凸出量測平台110的承載面112。藉此，夾治具114可將待測物夾持固定在量測平台110之承載面112之上。在另一些例子中，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，來將待測物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之上方。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。抬升裝置120之上表面122為XY平面。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，如圖3所示，抬升裝置120可包含基座124與一或多個氣浮部126，其中氣浮部126可凸設於基座124上。在一些示範例子中，氣浮部126可嵌設於基座124中，且氣浮部126之頂面可與基座124之頂面齊平或可低於基座124之頂面。抬升裝置120之氣浮部126可利用氣體將量測平台110浮離抬升裝置120之上表面122。

感測器130主要可用以感測待測物運轉時所產生之振動量。在本實施方式中，感測器130與量測平台110間接接合。感測器130可例如固定於抬升裝置120之基座124上，亦可固定在外部的支撐結構上。感測器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。感測器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，均為本揭露之感測器的實施範圍。在一些示範例子中，感測器130可採荷重元感測器，因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。

連接件140連接量測平台110與感測器130。量測平台110上的力量變化由此連接件傳遞至感測器130。亦即，連接件140可將待測物在量測平台110上運轉時所產生之振動量傳遞給感測器130。在本實施方式中，由於感測器130固定於抬升裝置120，因此抬升裝置120、感測器130、與連接件140所組成之系統在設計上，其自然頻率須高於待測物之轉動頻率。

連接件140於不同方向上之剛性不相同，以濾除所需方向以外的力量干擾。在一些例子中，連接件140在與量測平台110之承載面112平行之平面方向上的剛性，大於垂直於此平面方向上的剛性。舉例而言，與量測平台110之承載面112平行之平面方向為XY平面，而連接件140在XY平面上的剛性大於在座標軸Z上的剛性，以濾除XY平面外之振動力量訊號。利用連接件140具有的特異方向剛性，來濾除XY平面以外的力量干擾。在一些例子中，連接件140為撓性絞鍊。在一些示範例子中，連接件140包含金屬片，金屬片水平延伸在X座標軸與Y座標軸定義出之XY平面上，且此金屬片在XY平面上的剛性大於金屬片在座標軸Z上的剛性，以濾除XY平面外之振動力量訊號。連接件可依量測對象物，例如風扇，而採用不同厚度的薄金屬片。舉例而言，針對直徑50mm且轉速為7600rpm的風扇，可採厚度0.1mm的金屬片作為連接件140。

由於多數散熱風扇的轉子型態為旋轉直徑大於軸向尺寸的3倍~10倍，風扇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風扇等具有高速轉動元件之待測物在XY平面上的徑向振動力量。

振動力量量測裝置100a可採用荷重元感測器作為感測器130，而可直接量測到待測物運轉時之力量變化數據，因此具備即時力量感測、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。量測平台110由無摩擦力的氣浮式抬升裝置110所支撐，且撓性連接件140的選用可實現單平面外之干擾源隔離。因此，振動力量量測裝置100a可精準且靈敏的量測到待測物的真實振動力量，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。

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，以應用於後續的智慧化管理。

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4，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150為包含多個滾珠156的低摩擦力元件。

在一些例子中，抬升裝置150主要可包含基座154與多個滾珠156。這些滾珠156可滾動地設於基座154中，且凸出抬升裝置150之上表面152。量測平台110放置在抬升裝置150之上表面152之上。這些滾珠156可承托量測平台110，並將量測平台110抬離抬升裝置150之上表面152。滾珠156的數量等於或大於三個，以利平穩支撐量測平台110。

利用滾珠156來抬升量測平台110，可大幅減少量測平台110與抬升裝置150之間的接觸面積，進而可有效降低量測平台110與抬升裝置150之間的摩擦力。量測平台110與抬升裝置150之間之低摩擦力設計，可避免二者之摩擦力對於待測物在XY平面振動力量訊號的干擾。

請繼續參照圖4，在一些示範例子中，抬升裝置150更選擇性地包含一或多個磁吸元件158。在這樣的例子中，量測平台110可包含鐵磁性材料。磁吸元件158可對量測平台施加磁力，以對量測平台110施加朝向抬升裝置150之上表面152的預壓力。藉此預壓力，可避免待測物運轉時所產生之過大晃動力而造成量測平台110跳離，因此抬升裝置150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具備即時力量感測、數據量化分級、與快速全檢能力，且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有高速轉動元件之待測物產線中量測時間過長與無法全檢的問題。

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可採用荷重元感測器作為振動量的感測器，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由無摩擦力或低摩擦力的抬升裝置支撐，因此可阻絕外部干擾，有效提升待測物之振動力量量測的靈敏度。

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連接件可採撓性絞鍊，而可實現單平面外之干擾源隔離，因此可精準量測待測物之水平振動力量變化。

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。

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 120:抬升裝置 122:上表面 124:基座 126:氣浮部 130:感測器 140:連接件 150:抬升裝置 152:上表面 154:基座 156:滾珠 158:磁吸元件 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立體示意圖； ［圖2］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上視示意圖； ［圖3］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4］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。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100a:振動力量量測裝置 110:量測平台 112:承載面 114:夾治具 120:抬升裝置 122:上表面 124:基座 126:氣浮部 130:感測器 140:連接件 X:座標軸 Z:座標軸

Claims (9)

1. 一種振動力量量測裝置，適用於量測具有高速轉動元件之一待測物，包含： 一量測平台，具有一承載面以承載該待測物； 一抬升裝置，配置以將該量測平台抬離該抬升裝置之一上表面； 一感測器，配置以感測該待測物運轉時所產生之一振動量；以及 一連接件，連接該量測平台與該感測器，且配置以將該待測物之該振動量傳遞給該感測器，該連接件於不同方向上之剛性不相同。
2. 如請求項1所述之振動力量量測裝置，其中該量測平台包含一夾治具，該夾治具配置以將該待測物固定在該量測平台上。
3. 如請求項1所述之振動力量量測裝置，其中該抬升裝置為一氣浮軸承，該氣浮軸承可利用氣體將該量測平台予以浮離。
4. 如請求項1所述之振動力量量測裝置，其中該抬升裝置包含至少三滾珠凸設於該抬升裝置之該上表面，該些滾珠配置以將該量測平台抬離該抬升裝置之該上表面。
5. 如請求項4所述之振動力量量測裝置，其中該抬升裝置更包含至少一磁吸元件，該至少一磁吸元件配置以對該量測平台施加一磁吸力。
6. 如請求項1所述之振動力量量測裝置，其中該抬升裝置更包含一基座，該感測器固定於該基座上，該抬升裝置、該感測器、與該連接件所組成之一系統之一自然頻率高於該待測物之一轉動頻率。
7. 如請求項1所述之振動力量量測裝置，其中該連接件在與該量測平台之該承載面平行之一平面方向上的剛性，大於垂直於該平面方向上的剛性。
8. 如請求項7所述之振動力量量測裝置，其中該連接件為一撓性絞鍊。
9. 如請求項7所述之振動力量量測裝置，其中該連接件包含一金屬片。

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