本发明涉及一种感测方法，特别是涉及一种用于一个工具机的自适应振动感测方法。
背景技术：
近年来，随着工业与科技的快速发展，工具机的进给系统的相关技术蓬勃发展，因此，如何检测工具机内的该进给系统是否异常(如，内部机械元件磨损)便为一个研发重点。目前现有检测方法主要是通过一个外部振动感测器来感测该进给系统，以产生一个振动讯号给一个微处理器，该微处理器再根据该振动讯号判断该进给系统是否异常。但，因受环境杂讯影响(如，工具机本身振动、外在环境影响，及用于供应电源给该进给系统与该振动感测器的工业用电源存在许多杂讯)，导致该振动感测器所感测到的该振动讯号会受这些因素影响而有误差，造成该微处理器在判断该进给系统是否异常时会判断错误。
因此，现有又发展出其他检测方法：(方法一)通过一个特殊工业用振动感测器(此感测器可避免受杂讯影响)来感测该进给系统，以避免其所产生的振动讯号受上述因素影响而有误差；及(方法二)使用多个一般振动感测器来感测该进给系统，以产生多个振动讯号，该微处理器再根据所述振动讯号得到一个校正信号，并根据该校正信号判断该进给系统是否异常。然而，方法一所使用的该特殊工业用振动感测器成本较高，而方法二需使用多个一般振动感测器来改善振动讯号会受工具机本身振动、外在环境影响及杂讯干扰等的问题，相对的也需花费较高成本。因此，现有检测工具机中的该进给系统的方法仍有改进的空间。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可避免环境杂讯影响而造成感测误差的自适应振动感测方法。
本发明的自适应振动感测方法，由一个感测装置所执行，该感测装置适用于一个工具机，该工具机包括一个进给系统及一个电连接该进给系统的马达，该自适应振动感测方法包含以下步骤：
(A)利用该感测装置计算一个相关于该工具机操作转速的量测频率范围，该工具机操作转速是限制于原厂规格；
(B)利用该感测装置感测该进给系统静止时的振动情况，以得到一个相关于环境杂讯的平滑化信号，该平滑化信号具有多个杂讯值，且该多个杂讯值分布于该量测频率范围；
(C)利用该感测装置比对出该平滑化信号的一个最小杂讯值所对应的一个频率值作为一个量测频率值；
(D)利用该感测装置根据该量测频率值得到该马达的一个建议转速；及
(E)于该马达根据一个相关于该建议转速的马达控制信号来驱动该进给系统以该建议转速旋转时，利用该感测装置感测该进给系统，以得到一个指示该进给系统转动时的振动情况的动态振动讯号。
本发明的自适应振动感测方法，步骤(B)包括以下子步骤：
(B1)利用该感测装置感测该进给系统静止时的振动情况，以产生一个相关于环境杂讯的振动讯号，且该振动讯号具有多个振动值，该多个振动值分布于一个静态时间范围；
(B2)利用该感测装置将该振动讯号进行傅立叶转换为一个静态振动讯号，该静态振动讯号分布于一个静态频率范围，该静态频率范围大于该量测频率范围；
(B3)利用该感测装置计算该静态振动讯号中该静态频率范围与该量测频率范围的交集所对应的部分该静态振动讯号的上包络线，以得到一个包络线信号；及
(B4)利用该感测装置根据一个曲线平滑法将该包络线信号进行平滑化，以得到该平滑化信号。
本发明的自适应振动感测方法，在步骤(B4)中，该曲线平滑法为一个移动平均法及一个低通滤波法两者的其中一者。
本发明的自适应振动感测方法，步骤(A)包括以下子步骤：
(A1)利用该感测装置根据该马达的一个预定马达最高转速得到一个第一边界频率；
(A2)利用该感测装置根据该进给系统的一个进给轴的一个预定最高容许转速得到一个第二边界频率；
(A3)利用该感测装置根据一个预定最低转速得到一个第三边界频率，该预定最低转速相关于该进给轴的转速；及
(A4)利用该感测装置根据所述第一至第三边界频率得到该量测频率范围。
本发明的自适应振动感测方法，在步骤(A4)中，该感测装置取所述第一至第三边界频率的一个交集区间作为该量测频率范围，该量测频率范围的一个最大值小于所述第一及第二边界频率，且该量测频率范围的一个最小值大于该第三边界频率。
本发明的自适应振动感测方法，在步骤(A1)、步骤(A2)及步骤(A3)中，该感测装置根据以下方程式来得到所述第一至第三边界频率：
f1＝ωm1/ψ,
f2＝ωm2/ψ,
f3＝ωm3/ψ,
f1、f2、f3分别代表所述第一至第三边界频率，ωb1、ωb2、ωb3分别代表该预定马达最高转速、该预定最高容许转速及该预定最低转速，ωm1、ωm2、ωm3分别代表该进给系统中一个螺杆内滚珠的第一、第二、第三公转速度，ψ代表该进给系统中一个螺帽内相邻滚珠间的一个相位角，α代表该螺杆导程角，α0代表该螺帽内滚珠与该螺帽沟槽的接触角，αi代表该螺帽内滚珠与该螺杆沟槽的接触角，β代表滚珠自旋角，rb代表该螺帽内滚珠的半径，及rm代表该螺杆节圆半径。
本发明的自适应振动感测方法，在步骤(D)中，该感测装置根据以下方程式来得到该马达的该建议转速：
f4代表该量测频率值，ωb4代表该马达的该建议转速。
本发明的自适应振动感测方法，在步骤(A1)、步骤(A2)及步骤(A3)中，该感测装置根据以下方程式来得到所述第一至第三边界频率：
f1、f2、f3分别代表所述第一至第三边界频率，ωb1、ωb2、ωb3分别代表该预定马达最高转速、该预定最高容许转速及该预定最低转速，d代表该进给系统中一个轴承内滚珠的直径，D代表该轴承节径，α'代表该轴承内滚珠与该轴承内环的接触角，及Z代表该轴承内的滚珠数量。
本发明的自适应振动感测方法，在步骤(D)中，该感测装置根据以下方程式来得到该马达的该建议转速：
f4代表该量测频率值，ωb4代表该马达的该建议转速。
本发明的有益的效果在于：通过该感测装置根据对应该最小杂讯值的该量测频率值计算出该建议转速来使该马达据以驱动该进给系统旋转后，该感测装置再感测该进给系统的振动情况，如此，可避免该感测装置受环境杂讯影响，使得其所感测到的该动态振动讯号较为准确。
附图说明
图1是一个方块图，绘示一个用来实施本发明自适应振动感测方法的一个实施例的一个感测装置，该感测装置与一个工具机一起使用；
图2是一个流程图，说明该实施例的该自适应振动感测方法；
图3是一个流程图，说明图2的步骤32如何得到一个平滑化信号；
图4是一个量测图，说明该实施例的一个振动讯号的杂讯振幅对时间的变化；
图5是一个频谱图，说明该实施例的一个静态振动讯号的杂讯振幅对频率的变化；
图6是一个频谱图，说明图5的该静态振动讯号中一个静态频率范围与一个量测频率范围的交集所对应的部分该静态振动讯号；及
图7是一个波形图，说明该实施例的一个平滑化信号的杂讯振幅对频率的变化。
具体实施方式
参阅图1，绘示了一个感测装置1及一个工具机2，该感测装置1被用来实施本发明自适应振动感测方法的一个实施例。该感测装置1用于安装在该工具机2中。该工具机2包括一个进给系统21、一个马达22及一个控制器23及其它必要元件(图未示)。该进给系统21包括一个进给轴(图未示)及一个套设在该进给轴的一个螺杆上的轴承(图未示)。该马达22电连接在该进给系统21的该进给轴的该螺杆及该控制器23间，接收来自该控制器23所产生的一个相关于一个建议转速的马达控制信号，并根据该马达控制信号来驱动该进给轴的该螺杆以该建议转速旋转。需说明的是，该螺杆为一个滚珠螺杆。
该感测装置1用于在该进给系统21转动时，感测该进给系统21中一个待测元件(图未示)的振动情况以判断该待测元件是否异常(如，待测元件磨损)。在本实施例中，该感测装置1包含一个振动感测器11及一个微处理器12。该振动感测器11为一个实验用感测器。
该振动感测器11电连接该进给系统21。该微处理器12电连接在该振动感测器11及该控制器23间。该振动感测器11用来感测该待测元件的振动情况，以产生一个动态振动讯号给该微处理器12，该微处理器12再根据该动态振动讯号判断该进给系统21中该待测元件是否异常。
在本实施例中，为了避免该振动感测器11受环境杂讯影响(如，工具机本身振动、外在环境影响，及用于供应电源给该进给系统与该振动感测器的工业用电源存在许多杂讯)，造成该动态振动讯号有误差，因此，该感测装置1在感测该进给系统21是否异常时，会执行本发明该自适应振动感测方法。参阅图2及图3，以下举该振动感测器11感测该进给系统21的该进给轴的该螺杆(即，该待测元件)作为一个第一实施例，但不限于此。该振动感测器11电连接该螺杆，该感测装置1所执行的该自适应振动感测方法包含以下步骤：
步骤31：利用该微处理器12计算一个相关于该工具机2操作转速的量测频率范围，该工具机2操作转速是限制于原厂规格。
详细来说，在步骤31中，还进一步包含子步骤311、312、313、314的细部流程。
子步骤311：利用该微处理器12根据该马达22的一个预定马达最高转速得到该螺杆所对应的一个第一边界频率。该预定马达最高转速是限制于原厂规格。
在本实施例中，该微处理器12根据以下方程式(1)、(2)、(3)来估算该第一边界频率：
f1＝ωm1/ψ 方程式(1)，
f1代表该第一边界频率，ωb1代表该预定马达最高转速(例如，3000rpm)，ωm1代表该螺杆内滚珠的一个第一公转速度，ψ代表该进给系统21(见图1)中一个螺帽内相邻滚珠(图未示)间的一个相位角，α代表该螺杆导程角，α0代表该螺帽内滚珠与该螺帽沟槽的接触角，αi代表该螺帽内滚珠与该螺杆沟槽的接触角，β代表滚珠自旋角，rb代表该螺帽内滚珠的半径，及rm代表该螺杆节圆(pitch circle)半径。ψ、α、α0、αi、β、rb、rm等参数可以从该进给轴的规格书中得知。该微处理器12先将方程式(3)及该预定马达最高转速ωb1带入方程式(2)来得到该第一公转速度ωm1，接着再将该第一公转速度ωm1带入方程式(1)即可得到该第一边界频率f1。
子步骤312：利用该微处理器12根据该进给系统21的该进给轴的该螺杆的一个预定最高容许转速得到该螺杆所对应的一个第二边界频率。该预定最高容许转速是根据原厂该螺杆参数(如，长度)及其支撑设计方式来设定。
在本实施例中，该微处理器12根据以下方程式(4)、(5)来估算该第二边界频率：
f2＝ωm2/ψ 方程式(4)，
ψ、α、α0、αi、β、rb、rm的定义与(1)、(2)、(3)同，rb/rm的运算公式与方程式(3)同，f2代表该第二边界频率，ωb2代表该预定最高容许转速(例如，4276rpm)，及ωm2代表该螺杆内滚珠的一个第二公转速度。该微处理器12先将方程式(3)及该预定最高容许转速ωb2带入方程式(5)来得到该第二公转速度ωm2，接着再将该第二公转速度ωm2带入方程式(4)即可得到该第二边界频率f2。
子步骤313：利用该微处理器12根据一个预定最低转速得到该螺杆所对应的一个第三边界频率，该预定最低转速相关于该进给轴的该螺杆的转速。该预定最低转速由使用者根据量测需求及待测元件的原厂规格来设定，不同的待测元件会有不同的预定最低转速。
在本实施例中，该微处理器12根据以下方程式(6)、(7)来估算该第三边界频率：
f3＝ωm3/ψ 方程式(6)，
ψ、α、α0、αi、β、rb、rm的定义与方程式(1)～(3)同，rb/rm的运算公式与方程式(3)同，f3代表该第三边界频率，ωb3代表该预定最低转速(例如，1000rpm)，ωm3代表该螺杆内滚珠的一个第三公转速度。该微处理器12先将方程式(3)及该预定最低转速ωb3带入方程式(7)来得到该第三公转速度ωm3，接着再将该第三公转速度ωm3带入方程式(6)即可得到该第三边界频率f3。
需说明的是，当该预定马达最高转速ωb1、该预定最高容许转速ωb2及该预定最低转速ωb3的单位为rpm时(即，每分钟转速或rev/min)，需先将该预定马达最高转速ωb1、该预定最高容许转速ωb2及该预定最低转速ωb3各自除以60，转换成每秒转速(rev/s)后再带入各自所对应的方程式(2)、(5)、(7)中。
子步骤314：利用该微处理器12取所述第一至第三边界频率f1、f2、f3的一个交集区间作为一个量测频率范围，该量测频率范围的一个最大值小于所述第一及第二边界频率f1、f2，且该量测频率范围的一个最小值大于该第三边界频率f3。举例来说，在本实施例中，根据上述方程式(1)～(7)可得到所述第一至第三边界频率f1、f2、f3分别为580Hz、827Hz、193Hz，因此，该量测频率范围为193Hz至580Hz间。
步骤32：利用该感测装置1感测该进给系统21中该螺杆静止时的振动情况，以得到一个相关于环境杂讯的平滑化信号，该平滑化信号具有多个杂讯值，且该多个杂讯值分布于该量测频率范围。
详细来说，在步骤32中，还进一步包含子步骤321、322、323、324的细部流程。
子步骤321：利用该振动感测器11感测该进给系统21中该螺杆静止时的振动情况，以产生一个相关于环境杂讯的振动讯号，且该振动讯号具有多个振动值，该多个振动值分布于一个静态时间范围。进一步参阅图4，为该振动讯号的量测图。
子步骤322：利用该微处理器12将该振动讯号进行傅立叶转换为一个静态振动讯号，该静态振动讯号分布于一个静态频率范围，该静态频率范围大于该量测频率范围。进一步参阅图5，为该静态振动讯号的频谱图，由图5可知该静态频率范围为0Hz至1000Hz间。
子步骤323：利用该微处理器12计算该静态振动讯号中该静态频率范围与该量测频率范围的交集(即，193Hz至580Hz)所对应的部分该静态振动讯号(进一步参阅图6)的上包络线，以得到一个包络线信号。
子步骤324：利用该微处理器12根据一个曲线平滑法将该包络线信号进行平滑化，以得到该平滑化信号(进一步参阅图7)。该曲线平滑法可为一个移动平均法及一个由一个低通滤波器(图未示)所执行的低通滤波法两者的其中一者。在本实施例中，该曲线平滑法为该移动平均法。通过将该包络线信号的频谱能量依据使用者所设定的一个预定区间范围值(如，±15Hz)进行该移动平均法，以得到该平滑化信号。
步骤33：利用该微处理器12比对出该平滑化信号的一个最小杂讯值所对应的一个频率值作为一个量测频率值。
步骤34：利用该微处理器12根据该量测频率值得到该马达22的该建议转速(为最佳转速)，并将该建议转速输出至该控制器23，以致该控制器23根据该建议转速产生该马达控制信号并将其输出至该马达22，使得该马达22根据该马达控制信号来驱动该进给系统21的该进给轴的该螺杆以该建议转速旋转。
在本实施例中，该微处理器12根据以下方程式(8)来估算该建议转速：
ψ、α、α0、αi、β、rb、rm的定义与方程式(1)～(3)同，rb/rm的运算公式与方程式(3)同，f4代表该量测频率值，ωb4代表该马达的该建议转速。需说明的是，该建议转速ωb4的单位为每秒转速(rev/s)。
步骤35：于该马达22根据该马达控制信号来驱动该进给系统21的该螺杆以该建议转速旋转时，利用该振动感测器11感测该螺杆，以得到该指示该螺杆转动时的振动情况的动态振动讯号。
参阅图7，为该平滑化信号的波形图。此波形图的纵轴为该螺杆受该工具机2本身振动、外在环境或工业用电源影响(即，环境杂讯)而产生的杂讯大小。由图7可知，该量测频率值为270Hz，且该量测频率值与该预定区间范围值的和作为一个建议量测频率范围(即，270-15～270+15＝255～285)。该量测频率值所对应的杂讯最小，而在该建议量测频率范围中所对应的杂讯相对其他频率范围所对应的杂讯也很小。也就是说，该振动感测器11(见图1)在该建议量测频率范围(最佳为在该量测频率值)感测该螺杆，可避免该振动感测器11受环境杂讯影响，使得其所感测到的该动态振动讯号较为准确。因而，本实施例该微处理器12根据该量测频率值计算出该建议转速来驱动该进给轴旋转后，该振动感测器11再感测该螺杆，可达到取得较为准确的该动态振动讯号的目的。
需说明的是，通过调整该预定区间范围值可改变该建议量测频率范围，且也可根据该建议量测频率范围中该量测频率值以外的其他建议量测频率来作为该量测频率值，以得到该马达的一个次佳转速。虽然该次佳转速非最佳建议转速，但该次佳转速所对应的建议量测频率相较于该量测频率范围中该建议量测频率范围以外的其他频率，具有相对较小的对应杂讯。
此外，在一个第二实施例中，该感测装置1也可执行该自适应振动感测方法来感测该螺杆上的该轴承(图未示，即该待测元件)，但不限于此。该第二实施例与该第一实施例的该自适应振动感测方法相同，两者不同处在于：此实施例该振动感测器11(见图1)电连接该螺杆的该轴承(图未示)，且所述第一至第三边界频率及该建议转速的计算方式不同。
在该第二实施例中，该微处理器12(见图1)根据以下方程式(9)～(12)来分别得到所述第一至第三边界频率及该建议转速：
f1、f2、f3、f4分别代表所述第一至第三边界频率及该量测频率值，ωb1、ωb2、ωb3、ωb4分别代表该预定马达最高转速、该预定最高容许转速、该预定最低转速及该建议转速，d代表该轴承内滚珠的直径，D代表该轴承节径(即，节圆直径)，α'代表该轴承内滚珠与该轴承内环的接触角，及Z代表该轴承内的滚珠数量。d、D、α'、Z等参数可以从该进给轴的规格书中得知。
需说明的是，在此实施例中，当该预定马达最高转速ωb1、该预定最高容许转速ωb2及该预定最低转速ωb3的单位为rpm(每分钟转速)时，需先将该预定马达最高转速ωb1、该预定最高容许转速ωb2及该预定最低转速ωb3各自除以60，转换成每秒转速(rev/s)后再带入各自所对应的方程式(9)、方程式(10)、方程式(11)中。另外，该建议转速ωb4的单位为每秒转速(rev/s)。
综上所述，上述本实施例具有以下优点：
1.根据本发明自适应振动感测方法，可避免该振动感测器11受环境杂讯影响，使得其所感测到的该动态振动讯号较为准确，进而该微处理器12可正确判断该进给系统中的该待测元件是否异常。
2.由于本发明自适应振动感测方法即可避免环境杂讯影响该微处理器12判断的正确性，因此执行本发明自适应振动感测方法的该感测装置1中的该振动感测器11可为单一个实验用感测器，不需如现有需使用特殊工业用振动感测器(较实验用感测器贵3～4倍)或多个一般振动感测器，进而可降低检测时所需的该感测装置1的制造成本。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。