TWI453557B - Tooling machine intelligent adaptive load cutting control method and system - Google Patents

Description

工具機智能化適應性定負載切削控制方法與系統

本發明係一種工具機智能化適應性定負載切削控制系統，尤指一種整合切削學習、適應性定負載切削控制與刀具監控三種功能，可適應不同切削加工條件的智能化適應性定負載的工具機切削控制系統。

現有工具機的製造廠商於設計新型工具機時，皆以提升工具機的加工效率作為目標，因此高效率與高品質是工具機未來發展的方向，現有高階工具機經整合自動量測、自動調整與自動紀錄三種功能，使其具有高效率、高精度與良好的刀具壽命管理，但是高階工具機內建前述功能需搭配昂貴的訊號解析與運算設備，造成機台製造成本大幅增加，即使具有高加工效率與高品質，但是有價格高昂而不易普及的問題。

而目前欲提昇一般工具機之機台的加工效率，除了加大機台各軸向的馬達功率以加快其移動速度，或修改伺服馬達的加/減速時間常數之外，並無其他方法可大幅縮短工具機的加工時間以提升其效率，而前述方法不僅會增加機台的製造成本，同時會因各軸向的傳動元件快速移動而衍生其他問題，如螺桿因快速移動產生熱量而伸長、變形而容易磨損，大幅增加機台後續的維修成本。

如前揭所述，現有高階工具機具有高效率與高品質，但是價格高昂而不易普及，而一般的工具機為加快軸向移動速度而需加大馬達功率或是修改馬達的加/減速時間常數，易使傳動元件產生變形磨損，增加工具機維修成本的問題，因此本發明主要目的在提供一工具機智能化適應性定負載切削控制方法與系統，透過工具機的控制器整合計算並產生切削加工時的最佳切削控制參數，結合定負載切削控制與刀具監控，由控制器對應負載值控制其切削加工速度，可達到高效率、高品質減少故障，且可降低工具機的製作與維修成本。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述工具機智能化適應性定負載切削控制方法是由一控制器執行以下步驟：取得工具機機台的最佳切削控制參數，最佳切削控制參數包含有一切削定負載值，該切削定負載值與機台之一主軸負載值整合運算，以最適當切削條件加工，避免主軸負載值大於切削定負載值；判斷機台的主軸負載值是否大於切削定負載值，若是則降低進給轉速，降低進給轉速後仍超過主軸負載值則停止切削，若主軸負載值小於切削定負載值，則以一最大切削進給速度切削加工；判斷主軸負載值是否大於機台之一最大負載值，若是則表示主軸刀具老化或破損，即停止加工。

為達成前述目的採取的主要技術手段係提供一工具機 智能化適應性定負載切削控制系統，包含有一控制器及一資料庫，其中控制器是與資料庫連結並內建有：一切削學習模組，其取得工具機之一主軸切削的負載值並儲存於資料庫中，切削學習模組經由分析與運算得到主軸的多數個最佳切削控制參數，該等最佳切削控制參數包含有一切削定負載值、一最大切削進給速度、一最小切削進給速度、一每次增加進給速度、一每次減少進給速度與最大負載值；一適應性定負載切削控制模組，其量測機台的主軸負載值，該適應性定負載切削控制模組對該等切削控制參數與主軸負載值整合運算，於最大/最小切削進給速度範圍內調整進給速度，以避免主軸負載值大於切削定負載值；一刀具監控模組，其記錄並比較主軸負載值是否大於一最大負載值，以作為判斷刀具是否老化之依據，若主軸負載值大於最大負載值，表示刀具老化則停止加工；其中，該切削定負載值代表切削學習模組記錄之主軸負載值，該最大切削進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工的最大切削速度，該最小切削進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工的最小切削速度，該每次最大負載值為主軸夾設之一刀具可承受的最大負載值，該每次增加進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工於單位時間內每次增加的速度，該每次減少進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工於單位時間每次內減少的速度。

利用前述元件組成的工具機智能化適應性定負載切削控制系統，該切削學習模組記錄工具機之主軸切削時負載 值的變化並存入資料庫中，切削學習模組分析與運算得到符合機台主軸切削時所需的最佳切削控制參數，如切削定負載值、最大切削進給速度、最小切削進給速度、每次增加進給速度、每次減少進給速度與最大負載值，使控制器可以最適當之切削條件進行加工而可提昇工具機的加工效率；該適應性定負載切削控制模組依切削學習模組所得之各最佳切削控制參數，將主軸負載值與切削定負載值進行運算且調整切削進給速度，若主軸負載值大於切削定負載值時，且機台切削速度大於最小切削進給速度進行加工，則依每次減少進給速度減少至最小切削進給速度以保護刀具，當以最小切削進給速度持續進行切削加工時，則啟動刀具監控模組進行刀具狀況監測；若主軸負載值小於切削定負載值且機台切削速度小於最大切削進給速度，則依每次增加進給速度逐次增加切削進給速度，提昇機台加工效率，同時以最大切削進給速度為上限，以確保符合刀具切削條件；該刀具監控模組判斷主軸負載值大於最大負載值，立即主動停止機台運轉以保護工件完整性與延長機台壽命，亦能提醒立即更換刀具以便於重新啟動機台繼續進行加工，可有效提昇機台使用效率，確保工件的加工品質避免浪費。

由上述可知，本發明之控制器不需如現有高階工具機需於其控制器上額外安裝硬體裝置，而能夠有效降低製造成本，由切削學習模組取得機台之最佳切削控制參數，並載入適應性定負載切削控制模組運算，可適應機台的不同切削加工條件且以最適當之切削條件進行加工，可提昇加 工效率、避免人為操作錯誤造成機台故障且可降低維修成本並提高機台使用效率。

關於本發明的一較佳實施例，請參閱圖1所示，係於一工具機的控制器10內包含有一切削學習模組20、一適應性定負載切削控制模組30以及一刀具監控模組40，其中，該控制器10進一步設有一資料庫50。

請配合參閱圖2所示，由控制器10依序執行切削學習模組20、適應性定負載切削控制模組30以及刀具監控模組40的工作流程，使控制器10可以最適當之切削條件進行切削加工而有效提昇工具機的加工效率。

該切削學習模組20用以取得工具機之主軸切削的負載值並儲存於資料庫50中，切削學習模組20經由分析與運算得到主軸的多數個最佳切削控制參數21，請配合參閱圖3所示，係為切削學習模組20的操作畫面，其中該等最佳切削控制參數21包含有一切削定負載值211、一最大切削進給速度212、一最小切削進給速度213、一每次增加進給速度214、一每次減少進給速度215與一最大負載值216，其中，該切削定負載值211代表切削學習模組20記錄之主軸負載值，該最大切削進給速度212代表工具機之適應性定負載切削加工的最大切削速度，該最小切削進給速度213代表工具機之適應性定負載切削加工的最小切削速度，該每次增加進給速度214代表工具機之適應性定負載切削加工於單位時間內每次增加的速度，該每次減少 進給速度215代表工具機之適應性定負載切削加工於單位時間內每次減少的速度，該最大負載值216為主軸夾設之一刀具可承受的最大負載值；於本實施例中，該切削學習模組20可由一圖形化介面顯示主軸之負載值的曲線與前述之最大負載值216的界限。

該適應性定負載切削控制模組30用以量測機台之主軸於加工時的負載值，切削學習模組20之該等最佳切削控制參數21與主軸的負載值由適應性定負載切削控制模組30整合運算，於最大/最小切削進給速度212、213的範圍內調整進給速度，以避免主軸負載值大於設定之切削定負載值211，而使刀具或主軸故障。

該刀具監控模組40係記錄並比較主軸負載值是否大於最大負載值216，若主軸負載值大於最大負載值216表示刀具老化或故障，立即停止主軸加工。

請參閱圖4所示，切削學習模組20係記錄主軸切削時之負載值大小變化並存入資料庫50中(101)，切削學習模組20分析與運算得到符合機台主軸切削時所需的各個最佳切削控制參數21(102)，如前述之切削定負載值211、最大切削進給速度212、最小切削進給速度213、每次增加進給速度214、每次減少進給速度215與最大負載值216，並可輔以增加控制器10之一加工程式號碼與一刀具號碼(103)進行加工程序比對以降低人為操作錯誤，並可透過一人機操作介面22令使用者可進行手動調整各最佳切削控制參數21(104)，使機台以最適當之切削條件進行加工，該適應性定負載切削控制模組30依切削學 習模組20所得之該等最佳切削控制參數21，於機台進行切削加工時將主軸負載值與切削定負載值211進行運算且調整切削進給速度(105)，當主軸負載值大於切削定負載值211時，若機台之切削速度大於最小切削進給速度213(106)，則依設定之每次減少進給速度215逐次減少切削速度以保護刀具(107)，當機台之切削速度是以最小切削進給速度213持續進行切削時，刀具監控模組40會監測刀具的使用狀態，若主軸負載值小於切削定負載值211且機台之切削速度小於最大切削進給速度212(108)，則依設定之每次增加進給速度214逐次增加切削速度(109)，可提昇機台加工效率，且以最大切削進給速度212為切削速度的上限值(110)，以確保符合刀具之切削條件，該刀具監控模組40判斷主軸負載值大於最大負載值216時(111)，會主動停止機台運轉以保護工件完整性與延長機台壽命(112)，亦能提醒立即更換刀具以便於重新啟動機台繼續進行加工，切削學習模組20維持經運算後的進給速度切削(113)並將主軸負載值與切削進給速度紀錄於資料庫50中(114)，經由持續取得與記錄主軸加工狀態，可有效提昇機台的使用效率，確保加工品質避免浪費。

由上述可知，本發明不需如現有高階工具機需於控制器上額外安裝硬體裝置，而能夠有效降低製造成本，由切削學習模組20取得相關負載值而可得到最佳切削控制參數21，並由適應性定負載切削控制模組30進行運算，以最適當之切削條件進行加工而可提昇加工效率，且降低維修成 本並提高機台使用效率。

10‧‧‧控制器

20‧‧‧切削學習模組

21‧‧‧最佳切削控制參數

211‧‧‧削定負載值

212‧‧‧最大切削進給速度

213‧‧‧最小切削進給速度

214‧‧‧每次增加進給速度

215‧‧‧每次減少進給速度

216‧‧‧最大負載值

22‧‧‧人機操作介面

30‧‧‧適應性定負載切削控制模組

40‧‧‧刀具監控模組

50‧‧‧資料庫

圖1：係本發明一較佳實施例的系統方塊圖。

圖2：係本發明一較佳實施例的流程方塊圖。

圖3：係本發明一較佳實施例之切削學習模組的使用示意圖。

圖4：係本發明一較佳實施例的流程圖。

10‧‧‧控制器

20‧‧‧切削學習模組

30‧‧‧適應性定負載切削控制模組

40‧‧‧刀具監控模組

50‧‧‧資料庫

Claims (8)

1. 一種工具機智能化適應性定負載切削控制方法，是由一控制器執行以下步驟：取得工具機機台的最佳切削控制參數，最佳切削控制參數包含有一切削定負載值，該切削定負載值與機台之一主軸負載值整合運算，以最適當切削條件加工，避免主軸負載值大於切削定負載值；判斷機台的主軸負載值是否大於切削定負載值，若是則降低進給轉速，降低進給轉速後仍超過主軸負載值則停止切削，若主軸負載值小於切削定負載值，則以一最大切削進給速度切削加工；判斷主軸負載值是否大於機台之一最大負載值，若是則表示主軸刀具老化或破損，即停止加工。
2. 如請求項1所述的工具機智能化適應性定負載切削控制方法，該最佳切削控制參數包含有一最大切削進給速度與一最小切削進給速度，該最大切削進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工的最大切削速度，該最小切削進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工的最小切削速度。
3. 如請求項1或2所述的工具機智能化適應性定負載切削控制方法，該最佳切削控制參數包含有一每次增加進給速度與一每次減少進給速度，該每次增加進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工於單位時間內每次增加的速度，該每次減少進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工於單位時間內每次減少的速度。
4. 一種工具機智能化適應性定負載切削控制系統，包含有一控制器及一資料庫，其中該控制器是與資料庫連結並內建有：一切削學習模組，其取得工具機之一主軸切削的負載值並儲存於資料庫中，切削學習模組經由分析與運算得到主軸的多數個最佳切削控制參數，該等最佳切削控制參數包含有一切削定負載值、一最大切削進給速度、一最小切削進給速度與一最大負載值；一適應性定負載切削控制模組，其量測機台的主軸負載值，該適應性定負載切削控制模組對該等切削控制參數與主軸負載值整合運算，於最大/最小切削進給速度範圍內調整進給速度，以避免主軸負載值大於切削定負載值；一刀具監控模組，其記錄並比較主軸負載值是否大於一最大負載值，以作為判斷刀具是否老化之依據，若主軸負載值大於最大負載值，表示刀具老化則停止加工；其中，該切削定負載值代表切削學習模組記錄之主軸負載值，該最大切削進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工的最大切削速度，該最小切削進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工的最小切削速度，該最大負載值為主軸夾設之一刀具可承受的最大負載值。
5. 如請求項4所述之工具機智能化適應性定負載切削控制系統，該切削學習模組的最佳切削控制參數進一步包含有一每次增加進給速度與一每次減少進給速度，該每次增加進給速度代表工具機之適應性定負載切削加工於單位時間內每次增加的速度，該每次減少進給速度代表工具機 之適應性定負載切削加工於單位時間內每次減少的速度。
6. 如請求項4或5所述之工具機智能化適應性定負載切削控制系統，該切削學習模組的最佳切削控制參數進一步包含有一加工程式號碼與一刀具號碼
7. 如請求項4或5所述之工具機智能化適應性定負載切削控制系統，該切削學習模組的最佳切削控制參數是由一人機操作介面進行手動調整。
8. 如請求項6所述之工具機智能化適應性定負載切削控制系統，該切削學習模組的最佳切削控制參數是由一人機操作介面進行手動調整。