TWI400591B - 具有線上振動偵測調控之工具機 - Google Patents

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Description

具有線上振動偵測調控之工具機
本發明是有關於一種線上振動偵測調控技術，尤其是指一種根據振動感測訊號藉由工具機之主軸轉速手調電訊介面以及進給速度手調電訊介面以控制工具機進給與轉速之一種具有線上振動偵測調控之工具機。
在工具機加工過程中振動的發生，一直是業者最大的困擾，產生振動的原因很多，例如切削條件的不適當、刀具動平衡不佳、工件表面切削產生的顫振、工件肉厚的變化、共振現象的發生等等，諸如此類的原因，都會造成加工過程中振動現象的產生，而這些振動將造成工件表面加工精度不佳、刀具磨損加遽，甚至機台主軸精度的喪失等等。因此，如何在加工過程中，自動地避免振動現象的產生，又不影響加工效率， 而在習用技術中，例如美國專利US.Pat.No.5,187,669則教導一種藉由加速度規量測加工過程中之振動狀態，並控制回路中的增益值，以達到抑制振動的技術。此外，請參閱圖一所示，該圖係為習用之工具機架構示意圖。在習用技術中，工具機1具有一電腦數值控制單元10以及分別與該數值控制單元10相耦接之一進給模組11、一轉軸模組12、一主軸轉速手調電訊介面13以及一進給速度手調電訊介面14。該數值控制單元10接收數值碼15， 產生命令用以控制該轉軸模組12以及該進給模組11。該轉軸模組12包括有一主軸120以及變頻器121；該進給模組11則包括有X軸向馬達110、Y軸向馬達111、Z軸向馬達112以及對應之馬達驅動器113、114與115，其係與該數值控制單元10相耦接。其中，該X軸向馬達110與Y軸向馬達111為控制工具機承載工件的承載台進行二維線性位移運動的動力，而Z軸向馬達112則為驅動轉軸模組進行Z方向移動的驅動元件。一般而言，數值控制單元10所接收的數值碼15中多包含有加工所需之參數，其係包含加工件的材質、承載模組的移動路徑以及轉軸模組中主軸的轉速等。然而在加工的過程中，隨著加工環境或者是工具機本身機件的狀態的變化，會產生振動。這樣的振動對於加工件的加工品質與精度產生了很大的影響，由於這些振動因素，很難被預期，因此難以藉由數值碼的調整來進行控制。
有鑑於此，在圖一所示之工具機1中，對應主軸轉速手調電訊介面13以及進給速度手調電訊介面14上會分別耦接有進給比例調整鈕17以及轉速比例控制調整鈕16，以作為操作者現場即時操作調整的依據。雖然有手動調整控制的機制，然而操作者在調控時，多憑著自己本身的經驗，因此隨著操作者的不同，調整控制上也會有很大的差異。所以，如何建立一個可以外接而不用改變系統本身架構，並且可以藉由感測而自動產生不會隨著操作者的不同而有不同調整效果的控制機制，以有效防止加工中振動現象的產生是一個重要的課題。
本發明提供一種具有線上振動偵測調控之工具機，其係在工具機的適當位置裝設振動感測器，以感測加工過程中的各種振動現象，並將所產生的振動訊號送到振動訊號處理器上，加以分析計算，如果振動訊號超過設定的額定值，將以線性比例法則，送出控制訊號經由工具機上既有之主軸轉速手調電訊介面(spindle override)及進給速度手調電訊介面(federate override)，分別調整視狀況自動調整主軸轉速及工件的進給速度，以有效的防止加工中振動現象的發生。
本發明提供一種具有線上振動偵測調控之工具機，其係可大幅降低切削過程中，各種振動的現象，確保加工品質、加工效率及刀具壽命，並且可適用於傳統的類比伺服控制器，及現代之數位伺服控制器。由於本發明之控制方式不切入工具機中所本身控制回路中的增益值，而是利用外接的模組來進行訊號控制，藉由既有的主軸轉速手調電訊介面(spindle override)及進給速度手調電訊介面(federate override)來將控制訊號送給工具機的電腦數值控制(computer numerical control,CNC)單元，由於不需要改造工具機內部的結構或系統設計，只需外接一模組來控制，因此不會造成系統的不穩定。
在一實施例中，本發明提供一種具有線上振動偵測調控之工具機，其係包括有：一工具機本體，其係具有一電腦數值控制單元以及分別與該數值控制單元相耦接之一承 載模組、一轉軸模組、一進給模組、一主軸轉速手調電訊介面以及一進給速度手調電訊介面；至少一振動感測器，.其係設置於該工具機本體上以偵測關於該工具機本體之振動狀態以產生對應之至少一振動感測訊號；以及一振動訊號處理器，其係分別與該至少一振動感測器、該主軸轉速手調電訊介面以及該進給速度手調電訊介面電訊連接，該振動訊號處理器係接收該至少一振動感測訊號以及關於該工具機本體於加工時所輸出之一負載訊號，並進行運算處理以產生一轉速調控訊號給該主軸轉速手調電訊介面以及一進給調控訊號給該進給速度手調電訊介面。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得 審查委員可a以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：請參閱圖二所示，該圖係為本發明之線上振動偵測調控模組實施例方塊示意圖。該線上振動偵測調控模組，其係適用於具有一主軸轉速手調電訊介面(spindle override)以及一進給速度手調電訊介面(feedrate override)之一工具機上。要說明的是，該主軸轉速手調電訊介面(Spindle override)以及該進給速度手調電訊介面上會分別耦接有主軸轉速手調旋鈕以及進給速度手調旋鈕。所謂主軸轉速手調旋鈕以及進給速度手調旋鈕是要讓使用者可以隨時根據工具機加工時的狀態而利用旋鈕調整 的方式來調控進給速度以及主軸轉速。一般而言，旋鈕的調整是按照CNC數值碼的設定內容，而以比例的方式增加或減少。
例如：根據CNC數值碼的設定主軸轉速以及進給速度分別為A與B，此時，操作者如果發現因為加工所產生的振動或者是外部環境所產生的振動已經對於加工產生了影響，使用者可以藉由主軸轉速手調旋鈕以及進給速度手調旋鈕來降低主軸轉速以及進給速度，例如降低50%，則藉由旋鈕轉至特定位置則可以讓主軸轉速以及進給速度分別為0.5A與0.5B。反之，亦可以藉由主軸轉速手調旋鈕以及進給速度手調旋鈕來增加主軸轉速以及進給速度。要說明的是，主軸轉速手調旋鈕以及進給速度手調旋鈕在旋轉的過程中，會藉由主軸轉速手調電訊介面以及進給速度手調電訊介面將訊號傳至給電腦數值控制(CNC)單元，再藉由電腦數值控制單元產生控制訊號控制工具機的主軸以及各軸向的驅動馬達。
在圖二中，該線上偵測調控模組2包括有至少一振動感測器20以及一振動訊號處理器21。該至少一振動感測器20，其係可以感測受測物體的振動狀態以產生對應之至少一振動感測訊號。在本實施例中，該振動感測器20係可以為微機電感測器(mems sensor)或者是加速度感測器(例如：石英材質之加速度計)，但不以此為限。該振動訊號處理器21，其係接收該至少一振動感測訊號以及關於一工具機加工時所輸出之負載訊號，該振動訊號處理器21對該至少一振動感測訊號以及該負載訊號進行運算處理以產生一 轉速調控訊號213以及一進給調控訊號214。該負載訊號係可以藉由偵測該工具機之主軸於加工過程中的負載而得，至於偵測之方式係可以利用偵測與主軸相耦接之變頻器所輸出之訊號或者是偵測連接主軸的刀具所受力之訊號來作為該負載訊號。
在本實施例中，該振動訊號處理器21包括有一訊號接收介面210、一微控制器211以及一輸出介面212。該訊號接收介面210，其係與該至少一振動感測器20相耦接，以接收該至少一振動感測訊號。該訊號接收介面20更可以接收關於工具機主軸之負載訊號。該微控制器211，其係與該訊號接收介面210電訊連接，該微控制器211根據該至少一振動感測訊號所對應之振動狀態以及該負載訊號進行判斷，以產生該轉速調控訊號213以及該進給調控訊號214。在本實施例中，該微控制器211係可以為單晶片微處理器，但不以此為限，只要具有運算處理能力的處理器皆可。
該輸出介面212，其係與該微控制器211相耦接，以輸出該轉速調控訊號213以及該進給調控訊號214。本實施例中，該輸出介面212係可為固態電子繼電器。此外，為了可以隨時更改在該微控制器211內所儲存的程式與判斷邏輯以及相關參數(例如：加工材質、溫度、材質與對應之振動狀況下所需的轉速與進給速率等)，該振動訊號處理器21更具有一邏輯與參數接收介面215，其係提供與一外部電腦216電訊連接，該外部電腦216係藉由該程式接收介面改變該微控制器211內之參數或判斷邏輯程式。該邏 輯與參數接收介面215係可以為RS-232介面或者是其他可以進行資訊傳輸的介面。該外部電腦216係可以為桌上型電腦或者是筆記型電腦。
請參閱圖三以及圖四所示，其中圖三係為本發明之具有線上振動偵測調控之工具機立體示意圖；圖四係為本發明之線上振動偵測調控之工具機方塊示意圖。在本實施例中，該工具機3包括有一工具機本體30以及一線上偵測調控模組2。該工具機本體30，其係具有一電腦數值控制單元31以及分別與該數值控制單元31相耦接之一承載模組32、一轉軸模組33、一進給模組34、一主軸轉速手調電訊介面35以及一進給速度手調電訊介面36。該電腦數值控制單元31係可以為發那科(FANUC)、西門子或者是整合運動控制與輸出/輸入(EPCIO)控制模組等，但不以此為限制。
該承載模組32其係包括有一承載台320以及一工件挾持單元321。該承載台320係與該進給模組34相耦接，以接收該進行模組34之驅動產生二維(X與Y方向)的線性位移運動。該工件挾持單元321，其係設置於該承載台320上，以提供挾持一工件。該進給模組34，其係主要是由導軌與馬達所構成，其係屬於習用之技術，圖三與圖四僅以示意圖表示。本實施例中，該進給模組34可提供三維線性位移運動，其係包括有X軸向馬達340、Y軸向馬達341、Z軸向馬達342以及對應之馬達驅動器343、344與345，其係與該數值控制單元31相耦接。在本實施例中，該X軸向馬達340與Y軸向馬達341係與該承載台320相耦接，而Z軸向馬達342則與該轉軸模組33相耦接以控制轉軸模 組33進行Z軸方向的一維線性運動。在另一實施例中，該進給模組34也可以只與該承載台320相耦接以提供該承載台320進行三維線性運動。
該轉軸模組33，其係具有主軸330以及變頻器331，該主軸330係與該變頻器331相耦接，該變頻器331則與該電腦數值控制單元31以及該振動訊號處理器21相耦接。該變頻器一方面接收電腦數值控制單元31所傳輸之控制訊號，另一方面則傳輸一負載訊號給該振動訊號處理器21。此外，該主軸轉速手調電訊介面35以及進給速度手調電訊介面36則分別與電腦數值控制單元31相耦接，該主軸轉速手調電訊介面35以及進給速度手調電訊介面36在分別耦接有轉速比例調整鈕37以及進給比例調整鈕38。該轉速比例調整鈕37以及進給比例調整鈕38可以藉由旋轉調整而改變主軸轉速以及進給速度之比例，亦即如果由旋轉調整該轉速比例調整鈕37或進給比例調整鈕38時，則電腦數值控制單元31會根據旋轉量按照比例改變(增加或減少)數值碼(NC code)的原始設定主軸轉速或進給速度。
該線上偵測調控模組2包括有至少一振動感測器20以及一振動訊號處理器21。該振動感測器20之結構與該振動訊號處理器21之結構係如圖二所示，在此不做贅述。該至少一振動感測器20(圖示為複數個)，其係設置於該工具機本體30上以偵測關於該工具機本體30之振動狀態以產生對應之至少一振動感測訊號。一般而言，該振動感測器20係可以設置於工具機本體30上之承載模組32、旋轉模 組33上以感測加工時工具機3的振動狀態。例如：在承載模組32中，振動感測器20係可以設置於承載台320或者是工件挾持單元321上；在該轉動模組33中，振動感測器20則可以設置於主軸330上。要說明的是，振動感測器20的設置位置係根據需要而定，並不以本發明之實施例為限制。
該振動訊號處理器21，其係分別與該至少一振動感測器20、該主軸轉速手調電訊介面35以及該進給速度手調電訊介面36電訊連接，該振動訊號處理器21接收該至少一振動感測訊號以及關於該工具機加工時所輸出之一負載訊號，以進行運算處理以產生一轉速調控訊號給該主軸轉速手調電訊介面35以及一進給調控訊號給該進給速度手調電訊介面36。本實施例中，該負載訊號係為由該轉軸模組之變頻器所輸出，但不以此為限，例如：亦可以偵測主軸上刀具所受之力，並以受力所對應的感測訊號作為該負載訊號。
請參閱圖二與圖四所示，該振動訊號處理器中的訊號接收介面210與該至少一振動感測器20以及該變頻器331相耦接，該輸出介面212則與主軸轉速手調電訊介面35以及該進給速度手調電訊介面36電訊連接。振動感測器20的振動訊號送到振動訊號處理器21上，並配合轉軸模組33之變頻器所輸出之關於主軸330所受之負載的負載訊號，加以計算分析，如果振動、負載訊號超過設定的額定值，將以適當之控制法則，例如：線性比例法則，送出對應之轉速調控訊號與進給調控訊號經由主軸轉速手調電訊 介面35及進給速度手調電訊介面36送給電腦數值控制單元31。該電腦數值控制單元31再根據接收之訊號，而改變送到轉軸模組33之主軸的轉速命令及進給模組34中之馬達的轉速命令，分別自動調整主軸轉速及工件的進給速度，以有效的防止加工中振動現象的發生。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
1‧‧‧工具機
10‧‧‧電腦數值控制單元
11‧‧‧進給模組
110‧‧‧X軸向馬達
111‧‧‧Y軸向馬達
112‧‧‧Z軸向馬達
113、114、115‧‧‧馬達驅動器
12‧‧‧轉軸模組
120‧‧‧主軸
121‧‧‧變頻器
13‧‧‧主軸轉速手調電訊介面
14‧‧‧進給速度手調電訊介面
15‧‧‧數值碼
16、17‧‧‧調整鈕
2‧‧‧線上偵測調控模組
20‧‧‧振動感測器
21‧‧‧振動訊號處理器
210‧‧‧訊號接收介面
211‧‧‧微控制器
212‧‧‧輸出介面
213‧‧‧轉速調控訊號
214‧‧‧進給調控訊號
215‧‧‧邏輯與參數接收介面
216‧‧‧外部電腦
3‧‧‧工具機
30‧‧‧工具機本體
31‧‧‧電腦數值控制單元
32‧‧‧承載模組
320‧‧‧承載台
321‧‧‧工件挾持單元
33‧‧‧轉軸模組
330‧‧‧主軸
331‧‧‧變頻器
34‧‧‧進給模組
340‧‧‧X軸向馬達
341‧‧‧Y軸向馬達
342‧‧‧Z軸向馬達
343、344、345‧‧‧馬達驅動器
35‧‧‧主軸轉速手調電訊介面
36‧‧‧進給速度手調電訊介面
37‧‧‧轉速比例調整鈕
38‧‧‧進給比例調整鈕
圖一係為習用之工具機架構示意圖。
圖二係為本發明之線上振動偵測調控模組實施例方塊示意圖。
圖三係為本發明之具有線上振動偵測調控之工具機立體示意圖。
圖四係為本發明之線上振動偵測調控之工具機方塊示意圖。
2‧‧‧線上偵測調控模組
20‧‧‧振動感測器
21‧‧‧振動訊號處理器
210‧‧‧訊號接收介面
211‧‧‧微控制器
212‧‧‧輸出介面
213‧‧‧轉速調控訊號
214‧‧‧進給調控訊號
215‧‧‧邏輯與參數接收介面
216‧‧‧外部電腦

Claims (8)

  1. 一種具有線上振動偵測調控之工具機，其係包括有：一工具機本體，其係具有一電腦數值控制單元以及分別與該電腦數值控制單元相耦接之一承載模組、一轉軸模組、一進給模組、一主軸轉速手調電訊介面以及一進給速度手調電訊介面，該承載模組係與該進給模組相耦接，該轉軸模組具有一主軸，該轉軸模組係用以輸出該主軸所受之負載之一負載訊號，該給進模組係用以控制該承載模組線性移動，該給進模組具有至少一馬達，該電腦數值控制單元係用以產生一控制該主軸的轉速命令以及一控制該至少一馬達的轉速命令；至少一振動感測器，其係設置於該工具機本體上以偵測關於該工具機本體之振動狀態以產生對應之至少一振動感測訊號；以及一振動訊號處理器，其係分別與該轉軸模組、該至少一振動感測器、該主軸轉速手調電訊介面以及該進給速度手調電訊介面電訊連接，該振動訊號處理器係接收該至少一振動感測訊號以及該負載訊號，並進行運算處理以產生一轉速調控訊號給該主軸轉速手調電訊介面以及一進給調控訊號給該進給速度手調電訊介面，該主軸轉速手調電訊介面及該進給速度手調電訊介面將該轉速調控訊號及該進給調控訊號送給該電腦數值控制單元，由該電腦數值控制單元根據接收之訊號，改變該控制該主軸的轉 速命令以及該控制該至少一馬達的轉速命令。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有線上振動偵測調控之工具機，其中該至少一振動感測器係為微機電感測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有線上振動偵測調控之工具機，其中該至少一振動感測器係為加速度感測器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具有線上振動偵測調控之工具機，其中該至少一振動感測器係設置於該轉軸模組上以感測該主軸的振動狀態。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具有線上振動偵測調控之工具機，其中該承載模組包括有：一承載台，其係與該進給模組相耦接；以及一工件挾持單元，其係設置於該承載台上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具有線上振動偵測調控之工具機，其中至少一振動感測器係設置於該承載台上或該工件挾持單元上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具有線上振動偵測調控之工具機，其中該振動訊號處理器更包括有：一訊號接收介面，其係與該至少一振動感測器以及轉軸模組相耦接，以接收該至少一振動感測訊號與該負載訊號；一微控制器，其係與該訊號接收介面電訊連接，該微控制器根據該至少一振動感測訊號所對應之振動狀態以及該負載訊號進行判斷，以產生該轉速調控訊號以及該進給調控訊號；以及 一輸出介面，其係分別與該主軸轉速手調電訊介面以及該進給速度手調電訊介面相耦接，以將該轉速調控訊號以及該進給調控訊號傳給該主軸轉速手調電訊介面以及該進給速度手調電訊介面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具有線上振動偵測調控之工具機，其中該振動訊號處理器，更包括有一邏輯與參數接收介面，其係提供與一外部電腦電訊連接，該外部電腦係藉由該邏輯與參數接收介面改變該微控制器內之參數。
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