TWI454868B - 目標導向數值控制自動調校系統與方法 - Google Patents

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Description

目標導向數值控制自動調校系統與方法
本揭露係關於一種應用於工具機之調校系統與方法，尤其是關於一種目標導向數值控制自動調校系統與方法。
一直以來，工具機在加工領域扮演著重要的角色，隨著技術的演進，新型工具機更是強調高轉速、高進給率及高精度的加工，而為了達到高轉速及高精度的加工性能要求，控制技術的提升是其中不可或缺的一環。
對於新型的多軸工具機之循跡運動而言，由於各軸負載不同造成伺服控制之不匹配，進而導致追蹤誤差與輪廓誤差增加，因此需要對工具機進行調校以發揮工具機機構特性的最大效能。
傳統之控制參數的調整多是以試誤法(Try and error)進行，然試誤法不但耗費時間與成本，且缺乏一套符合直覺且有系統準則之方法，需要處理人員具有自動控制、伺服原理及機械原理等專長，並經過長時間的經驗累積，方能得到理想成果。此外，大多數之參數調整均被限制於專用伺服驅動器中，致使工具機之加工精度與控制性能無法有效提升。
因此，如何提供一種調校系統，使其能夠以使用者所希望達成之精度等目標進行自動參數調校，從而避免傳統調整參數需要經驗豐富之技師的要求，並將該系統與上位 之數位控制器結合，以突破專用伺服驅動器之限制，遂成為目前本領域技術人員亟待解決的課題。
本揭露係提供一種目標導向數值控制自動調校系統，係與工具機之數值控制器結合，以自動調校該工具機，包括：目標導向輸入模組，係用以接收自外部輸入之目標期望值；加工測試路徑選擇模組，係用以接收自外部輸入之加工路徑；以及自動調機方程式模組，係具有預先設定方程式係數的控制方程式，該自動調機方程式模組自該目標導向輸入模組及該加工測試路徑選擇模組分別接收該目標期望值及該加工路徑，以使該控制方程式依據該目標期望值及該加工路徑計算適當之控制參數，並將該控制參數傳送至該數值控制器以控制該工具機作動。
本揭露復提供一種應用上述之目標導向數值控制自動調校系統的自動調校方法，包括：(1)由外部分別輸入目標期望值至該目標導向輸入模組及輸入加工路徑至該加工測試路徑選擇模組；(2)該自動調機方程式模組自該目標導向輸入模組及該加工測試路徑選擇模組分別接收該目標期望值及該加工路徑，以使預先設定方程式係數之控制方程式依據該目標期望值及該加工路徑計算適當之控制參數，再將該控制參數傳送至該數值控制器以控制該工具機作動；以及(3)比對該工具機作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異是否滿足該期望目標值及該加工路徑，若是，則完成該工具機之自動調校，若否，則回 到步驟(2)重新計算控制參數以使該作動後之實際結果與該模擬作動之結果的差異最小化，及重複步驟(3)。
相較於習知技術，本揭露之目標導向數值控制自動調校系統能令使用者以更符合直覺之加工精度或允許之誤差範圍等目標期望值作為輸入，再透過預先建立之控制方程式進行自動調機，此外，能透過數位控制器對工具機進行調校，不受專用伺服驅動器之限制，進而使工具機達到高速高精之加工表現。
以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，本領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
第1A圖係為本揭露之目標導向數值控制自動調校系統之一實施例的示意圖。如圖所示，本揭露之目標導向數值控制自動調校系統1係與工具機13之數值控制器14結合，以自動調校該工具機13，主要包括目標導向輸入模組10、加工測試路徑選擇模組11以及自動調機方程式模組12。
該目標導向輸入模組10係用以接收自外部(如使用者)輸入之目標期望值。於一實施態樣中，該目標期望值係為加工精度及允許之誤差範圍。
該加工測試路徑選擇模組11係用以接收自外部(如使用者)輸入之加工路徑。於習知技術中，用於調校之加工路 徑係為固定路徑，僅為直線插補(G01)與順時針圓弧插補(G02)所組合成之固定方形輪廓(如第1B圖所示)，而本揭露中之加工測試路徑選擇模組11能提供使用者利用直線插補(G01)、順時針圓弧插補(G02)及逆時針圓弧插補(G03)之組合，得到由直線、轉角、圓弧或其組合而組成之任意加工路徑(如第1C圖所示)，以使調校結果更符合所欲加工之物件的輪廓。
該自動調機方程式模組12係具有預先設定方程式係數的控制方程式，該自動調機方程式模組12自該目標導向輸入模組10及該加工測試路徑選擇模組11分別接收該目標期望值及該加工路徑，以使該控制方程式依據該目標期望值及該加工路徑計算適當之控制參數，並將該控制參數傳送至該數值控制器14以控制該工具機13作動。
於一實施態樣中，本揭露之目標導向數值控制自動調校系統1，復包括觀察操作調整模組15，係用以比對該工具機13作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異，作為調整該控制參數的依據，並透過目標導向輸入模組10調整該目標期望值、或透過加工測試路徑選擇模組11調整加工路徑以產生更新之控制參數，以控制該工具機13依據該更新之控制參數作動。其中，該作動後之實際結果可為工具機13藉由例如編碼器、光學尺或格柵編碼器等量測設備，量測工具機13進行空機測試或實機測試時之加工路徑的位置，該模擬作動之結果可為依據該控制參數所模擬計算之工具機13之加工路徑的理論位置。於一 實施態樣中，工具機13作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異，係指實際誤差精度，其關係為工具機13進行空機測試或實機測試時之加工路徑的位置扣除依據該控制參數所模擬計算之工具機13之加工路徑的理論位置。於另一實施態樣中，本揭露之目標導向數值控制自動調校系統1復包括調校模式選擇模組16及參數資料調變模組17，其中，該調校模式選擇模組16係用以將目標導向數值控制自動調校系統1設定為自動調校模式、半自動調校模式或手動調校模式，而該參數資料調變模組17係用以於自動調校模式下產生更新之控制參數，於半自動調校模式下由多組方程式係數中選擇其中一組，以產生更新之控制參數，或於該手動調校模式下輸入手動控制參數，並輸出至該自動調機方程式模組12以控制該工具機13依據該更新之控制參數或該手動控制參數作動。
上述之多組方程式係數係分別對應於不同之加工精度高低及加工時間長短，例如將具有最高加工精度但加工時間最長之方程式係數設為E1，以及將具有最低加工精度但加工時間最短之方程式係數設為E10。
第2A圖係為應用本揭露之目標導向數值控制自動調校系統之一實施例的自動調校方法的流程圖。如圖所示，本揭露之自動調校方法包括下列步驟S31至S33。
於步驟S31中，由外部分別輸入目標期望值至該目標導向輸入模組10及輸入加工路徑至該加工測試路徑選擇模組11，於一實施態樣中，該目標期望值係為加工精度及 允許之誤差範圍。
於步驟S32中，該自動調機方程式模組12自該目標導向輸入模組10及該加工測試路徑選擇模組11分別接收該目標期望值及該加工路徑，以使預先設定方程式係數之控制方程式依據該目標期望值及該加工路徑計算適當之控制參數，再將該控制參數傳送至該數值控制器14以控制該工具機13作動。
於步驟S33中，比對該工具機13作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異是否滿足該期望目標值及該加工路徑，若是，則完成該工具機13之自動調校，若否，則回到步驟S32重新計算控制參數以使該作動後之實際結果與該模擬作動之結果的差異最小化及重複步驟S33。
於本實施例中，該控制方程式可表示為下式(1)：
其中，Err代表該工具機13作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異所造成之誤差，C n 代表方程式係數，F n 代表控制參數，其中，在進行自動調校之前，該方程式係數C n 係依據例如田口法之實驗方法輸入多組實驗控制參數F n ，並取得該工具機13作動後之實際結果與利用該實驗控制參數模擬作動之結果的差異，據以反向求解該控制方程式以取得符合該工具機13之機構特性的方程式係數。
於一實施態樣中，如第2B圖所示，本揭露之自動調 校方法復包括步驟S34：若超過預先設定之重複次數仍無法完成自動調校，則要求修改期望目標值或加工路徑。
與另一實施態樣中，如第2C圖所示，該步驟S34復包括：若超過預先設定之重複次數仍無法完成自動調校，則使用觀察操作調整模組15讀取該工具機13作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異，作為調整該控制參數的依據，並透過目標導向輸入模組10調整目標期望值、或透過加工測試路徑選擇模組11調整加工路徑以產生更新之控制參數，並將該更新之控制參數傳送至該數值控制器14，以控制該工具機13依據該更新之控制參數作動。
於又一實施態樣中，如第2D圖所示，步驟S31復包括：使用調校模式選擇模組16切換成半自動調校模式或手動調校模式，以於該半自動調校模式下使用參數資料調變模組17由多組方程式係數中選擇其中一組或以於該手動調校模式下使用參數資料調變模組17輸入手動控制參數，且步驟S32復包括：該自動調機方程式模組12依據所選定之方程式係數產生更新之控制參數，再以該更新之控制參數或手動控制參數取代該控制參數以控制該工具機13作動。
綜上所述，本揭露之目標導向數值控制自動調校系統係結合於工具機之數位控制器，令使用者能以更符合直覺之加工精度或允許之誤差範圍等目標期望值作為輸入，再透過預先建立之控制方程式進行自動調機。此外，本揭露 目標導向數值控制自動調校系統係透過數位控制器對工具機進行調校，因此不受控制參數被限制於專用伺服驅動器的影響，能更有效率地發揮工具機的加工性能。
上述實施例僅為例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何本領域中具有通常知識者均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。
1‧‧‧目標導向數值控制自動調校系統
10‧‧‧目標導向輸入模組
11‧‧‧加工測試路徑選擇模組
12‧‧‧自動調機方程式模組
13‧‧‧工具機
14‧‧‧數值控制器
15‧‧‧觀察操作調整模組
16‧‧‧調校模式選擇模組
17‧‧‧參數資料調變模組
S31~S34‧‧‧步驟
第1A圖係為本揭露之目標導向數值控制自動調校系統之一實施例的示意圖； 第1B圖係為習知技術之固定加工路徑的示意圖； 第1C圖係為本揭露之目標導向數值控制自動調校系統之任意加工路徑的示意圖；以及 第2A至2D圖係為應用本揭露之目標導向數值控制自動調校系統之自動調校方法的流程圖。
1‧‧‧目標導向數值控制自動調校系統
10‧‧‧目標導向輸入模組
11‧‧‧加工測試路徑選擇模組
12‧‧‧自動調機方程式模組
13‧‧‧工具機
14‧‧‧數值控制器
15‧‧‧觀察操作調整模組
16‧‧‧調校模式選擇模組
17‧‧‧參數資料調變模組

Claims (13)

  1. 一種目標導向數值控制自動調校系統，包括：目標導向輸入模組，係用以接收自外部輸入之目標期望值；加工測試路徑選擇模組，係用以接收自外部輸入之加工路徑；以及自動調機方程式模組，係具有預先設定方程式係數的控制方程式，該自動調機方程式模組自該目標導向輸入模組及該加工測試路徑選擇模組分別接收該目標期望值及該加工路徑，以使該控制方程式依據該目標期望值及該加工路徑計算適當之控制參數，並將該控制參數傳送至該數值控制器以控制該工具機作動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之目標導向數值控制自動調校系統，復包括觀察操作調整模組，係用以比對該工具機作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異，作為調整該控制參數的依據，並透過目標導向輸入模組調整目標期望值、或透過加工測試路徑選擇模組調整加工路徑以產生更新之控制參數，以控制該工具機作動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之目標導向數值控制自動調校系統，復包括：觀察操作調整模組，係用以比對該工具機作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異； 調校模式選擇模組，係用以將該目標導向數值控制自動調校系統設定為自動調校模式、半自動調校模式或手動調校模式；以及參數資料調變模組，係用以於該自動調校模式下，使該自動調機方程式模組依據該觀察操作調整模組比對之該差異，並透過目標導向輸入模組調整目標期望值、或透過加工測試路徑選擇模組調整加工路徑，以產生更新之控制參數，以控制該工具機作動；或於該半自動調校模式下由多組方程式係數中選擇其中一組，以產生更新之控制參數並輸出至該自動調機方程式模組，以控制該工具機作動；或於該手動調校模式下輸入手動控制參數，以產生更新之控制參數並輸出至該自動調機方程式模組，以控制該工具機作動。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之目標導向數值控制自動調校系統，其中，該多組方程式係數係分別對應於不同之加工精度高低及加工時間長短。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之目標導向數值控制自動調校系統，其中，該目標期望值係為加工精度及允許之誤差範圍。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之目標導向數值控制自動調校系統，其中，該加工路徑係為直線、轉角、圓弧 或其組合而成之任意路徑。
  7. 一種目標導向數值控制的自動調校方法，包括：(1)由外部分別輸入目標期望值至該目標導向輸入模組及輸入加工路徑至該加工測試路徑選擇模組；(2)該自動調機方程式模組自該目標導向輸入模組及該加工測試路徑選擇模組分別接收該目標期望值及該加工路徑，以使預先設定方程式係數之控制方程式依據該目標期望值及該加工路徑計算適當之控制參數，再將該控制參數傳送至該數值控制器以控制該工具機作動；以及(3)比對該工具機作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異是否滿足該期望目標值及該加工路徑，若是，則完成該工具機之自動調校，若否，則回到步驟(2)重新計算控制參數以使該作動後之實際結果與該模擬作動之結果的差異最小化，及重複步驟(3)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之自動調校方法，復包括步驟(4)：若超過預先設定之重複次數仍無法完成自動調校，則由觀察操作調整模組讀取該工具機作動後之實際結果與利用該控制參數模擬作動之結果的差異，作為調整該控制參數的依據，並透過目標導向輸入模組調整目標期望值、或透過加工測試路徑選擇模組調整加工路徑以產生更新之控制參數，並將該更新之控制參數傳送至該數值控制器，以控制該工具機依據該 更新之控制參數作動。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之自動調校方法，其中，步驟(1)復包括：使用調校模式選擇模組切換成半自動調校模式或手動調校模式，以於該半自動調校模式下使用參數資料調變模組由多組方程式係數中選擇其中一組或於該手動調校模式下使用該參數資料調變模組輸入手動控制參數，且步驟(2)復包括：該自動調機方程式模組依據所選定之方程式係數產生更新之控制參數，再以該更新之控制參數或手動控制參數取代該控制參數控制該工具機作動。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之自動調校方法，其中，該預先設定方程式係數係依據實驗方法輸入多組實驗控制參數，並取得該工具機作動後之實際結果與利用該實驗控制參數模擬作動之結果的差異，據以反向求解該控制方程式而取得。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之自動調校方法，其中，該實驗方法係為田口法。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之自動調校方法，其中，該目標期望值係為加工精度及允許之誤差範圍。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之自動調校方法，其中，該加工路徑係為直線、轉角、圓弧或其組合而成之任意路徑。
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