TWI771757B - 工具機精度預測與補償系統 - Google Patents

Abstract

一種工具機精度預測與補償系統，是在工具機的次系統設有物聯網裝置，以物聯網裝置感測該次系統的物理量參數，並在該工具機進行加工模擬時，以誤差檢測儀器量測該次系統的多個誤差量，透過一工業電腦擷取、接收加工模擬時的工業電腦主控制器的參數，配合前述的物理量參數與誤差量，運用該參數與誤差量建立一人工智慧模型安裝於該工業電腦，之後當該工業電腦即時擷取、接收各次系統的多個控制器參數以及數個物理量參數，即可利用人工智慧模型模擬當前的模擬誤差量，輸入該主控制器進行誤差補償，達到對工具機的精度進行預測並補償的功效。

Description

工具機精度預測與補償系統

本發明涉及一種人工智慧模型的補償系統，尤其涉及一種工具機精度預測與補償系統。

工具機監控系統有許多研究人員投入，主要研究方向是著重於主軸狀態監控、軸承狀態監控等元件的狀態監控，透過設備元件的狀態監控可以幫助維修人員於工具機發生異常狀態時，能夠快速辨識出需要維修的元件，對損壞的元件進行維修。

然而前述監控設備元件狀態的手段，雖然可以讓維修人員快速地辨識出需要維修的元件，但由監控元件所獲得的資訊，卻無法幫現場加工人員判定該機台的精度是否足夠，運用於工件的加工時是否可以加工出符合工單需求公差的工件。

由於現有工具機的監控系統主要著重於元件狀態的監控，因此無法對工具機的加工精度進行預測，也無法對其誤差進行補償。為此，本發明透過主控制器以及元件物理量的參數收集，配合工具機的誤差量測建立人工智慧模型，以人工智慧模型模擬的方式對工具機的精度進行監控與誤差的補償。

為達到上述的創作目的，本發明提供一種工具機精度預測與補償系統，運用於一工具機，該工具機設有一主控制器並且包括一個以上的次系統，該系統包括：一個以上的物聯網裝置，各物聯網裝置安裝於各次系統並且包括數個感測器，以數個感測器感測各次系統的數個物理量參數；一個以上的精度誤差檢測儀器，當該工具機進行多次加工模擬時，各精度誤差檢測儀器以離線或線上的方式分別量測該工具機各次系統的多個誤差量；以及一工業電腦，該工業電腦接收各次系統的多個誤差量輸入，該工業電腦與該主控制器連接而擷取各次系統於加工模擬時的多個控制器參數，該工業電腦與各物聯網裝置訊號連接而接收各次系統於加工模擬時的數個物理量參數；該工業電腦設有一資料庫，該資料庫儲存各次系統的多個控制器參數、數個物理量參數以及多個誤差量，並運用該些參數與多個誤差量建立一對應各次系統的人工智慧模型，將此人工智慧模型安裝於該工業電腦；之後當該工業電腦即時擷取、接收各次系統的多個控制器參數以及數個物理量參數，輸入對應的各人工智慧模型模擬當前的一模擬誤差量，將各模擬誤差量輸入該主控制器進行誤差補償。

進一步，本發明所述各物聯網裝置設有一物聯網無線模組，透過該物聯網無線模組與所述的數個感測器電連接；該工業電腦設有一無線模組，以該無線模組與各物聯網無線模組訊號連接。

更進一步，本發明所述工業電腦設有一精度補償控制介面，於該精度補償控制介面對應所述各次系統設定一誤差警戒閥值，當各模擬誤差量超出對應的誤差警戒閥值時，該工業電腦將該模擬誤差量輸入該主控制器進行誤差補償。

較佳的，本發明所述之工具機精度預測與補償系統，其中所述各物聯網裝置的數個感測器包括一溫度感測器、一振動感測器、一電流感測器，以及一形變感測器。

進一步，本發明該工具機的次系統包括一主軸系統；配合量測該主軸系統的精度誤差檢測儀器是主軸溫升位移與偏擺檢測裝置；該主軸系統的多個控制器參數包括加工轉速、切削深度量、切削速度、供液壓力、泵浦馬達轉速，以及冷卻液溫度；該主軸系統的數個物理量參數包括溫度變化、振動程度、馬達驅動電流大小，以及結構變形量。

進一步，本發明該工具機的次系統有四個並且分為一主軸系統、一進給系統、一旋轉軸系統以及一基座水平系統。配合量測該主軸系統的精度誤差檢測儀器是主軸溫升位移與偏擺檢測裝置；配合量測該進給系統的精度誤差檢測儀器是線性定位檢測裝置；配合量測該旋轉軸系統的精度誤差檢測儀器是旋轉軸定位檢測裝置；配合量測該基座水平系統的精度誤差檢測儀器是水平儀。

本發明使用時，利用該工具機進行多次加工模擬過程中所擷取的數個物理量參數、多個控制器參數以及量測各次系統加工的誤差量，以演算法建立在輸入物理量參數、控制器參數後即可模擬誤差量變化的人工智慧模型，並將該人工智慧模型安裝於工業電腦。

本發明的功效在於，在後續該工業電腦擷取、接收對應各次系統的物理量參數與控制器參數時，能透過對應的人工智慧模型模擬、推算出相對應的模擬誤差量，達到對工具機進行精度預測的功效，並且將該模擬誤差量輸入該工具機的主控制器時，能對該工具機的次系統進行誤差的補償，可確保該加工機的加工精度能保持在較佳的狀態。

10:工具機

11:主控制器

12:次系統

121:主軸系統

122:進給系統

123:旋轉軸系統

124:基座水平系統

20:物聯網裝置

21:溫度感測器

22:振動感測器

23:電流感測器

24:形變感測器

25:物聯網無線模組

30:精度誤差檢測儀器

40:工業電腦

41:無線模組

42:資料庫

43:精度補償控制介面

圖1是本發明較佳實施例的系統方塊圖。

圖2是本發明較佳實施例物聯網裝置的方塊圖。

圖3是本發明較佳實施例檢測誤差量的方塊圖。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。

如圖1至圖3所示的較佳實施例，本發明提供一種工具機精度預測與補償系統，使用時是運用於一工具機10，該工具機10設有一主控制器11並且包括四個次系統12，該主控制器11是電腦數值控制器(CNC控制器)，前述的四個次系統12分為一主軸系統121、一進給系統122、一旋轉軸系統123以及一基座水平系統124，該主軸系統121包括主軸與冷卻系統等元件，該進給系統122包括馬達、螺桿、線性滑軌、馬達座以及軸承座等元件，該旋轉軸系統123包括馬達、轉盤、渦桿與渦輪、齒輪以及軸承等元件，該基座水平系統124包括水平基座以及五大鑄件(頭部、立柱、工作台、鞍座以及底座)等元件；運用於前述工具機10的本發明系統包括：四個配合次系統12數量的物聯網裝置20，四個物聯網裝置20分別安裝於該主軸系統121、該進給系統122、該旋轉軸系統123以及該基座水平系統124，各物聯網裝置20包括一溫度感測器21、一振動感測器22、一電流感測器23、一形變感測器24，以及一與該些感測器電連接的物聯網無線模組25，該形變感測器24可以是應力或應變感測器；各物聯網裝置20的感測器用以感測該主軸系統121、該進給系統122、該旋轉軸系統123或該基座水平系統124的元件的數個物理 量參數，例如該主軸系統121的主軸的溫度變化、振動程度、馬達驅動電流大小，以及結構變形量等物理量參數。

當工具機10運作時，各次系統12的元件會因溫度變化產生影響加工精度的形狀變化，各物聯網裝置20的溫度感測器21用於量測元件的溫度變化；各振動感測器22用於感測各次系統12的元件是否因為長時間運轉而產生磨耗、或接合面鬆脫等問題，造成異常的振動或晃動；當元件的負載不同時，馬達的驅動電流會有不同，各電流感測器23用於感測各次系統12的馬達驅動電流大小；各形變感測器24則是感測各次系統12的元件的結構變形量；分別安裝於該進給系統122、該旋轉軸系統123以及該基座水平系統124的各物聯網裝置20的感測器，依據前述不同感測器的作用量測與該工具機10加工精度有關的數個物理量參數。

四個配合次系統12數量的精度誤差檢測儀器30，四個精度誤差檢測儀器30分別用於量測各次系統12運作時的多個誤差量。配合量測該主軸系統121的精度誤差檢測儀器30是主軸溫升位移與偏擺檢測裝置；配合量測該進給系統122的精度誤差檢測儀器30是線性定位檢測裝置；配合量測該旋轉軸系統123的精度誤差檢測儀器30是旋轉軸定位檢測裝置；配合量測該基座水平系統124的精度誤差檢測儀器30是水平儀。當該工具機10以不同的加工條件進行多次的加工模擬時，各精度誤差檢測儀器30以離線或線上的方式分別量測該工具機10各次系統12，也就是該主軸系統121、該進給系統122、該旋轉軸系統123或該基座水平系統124的多個誤差量。

一工業電腦40，該工業電腦40安裝有能與該工具機10的主控制器11連線的主控制器連線軟體，作為機聯網系統的智慧機上盒(SMB)與該工具機10連線，該工業電腦40設有一無線模組41、一資料庫42以及一顯示於顯示器的精度補償控制介面43。該工業電腦40以線下檔案傳輸的方式或以連接埠連接的線 上傳輸方式，接收各精度誤差檢測儀器30於該工具機10進行多次加工模擬時所量測的各次系統12的多個誤差量輸入，該工業電腦40也透過連接埠與該主控制器11連線，並以該無線模組41與各物聯網裝置20的物聯網無線模組25訊號連接。

該工業電腦40與該主控制器11連接而擷取各次系統12於加工模擬時的多個控制器參數，該工業電腦40與各物聯網裝置20訊號連接而接收各次系統12於加工模擬時的數個物理量參數，將各次系統12的多個控制器參數、數個物理量參數以及多個誤差量儲存於該資料庫42，以各次系統12於加工模擬時的多個控制器參數、數個物理量參數以及多個誤差量作為數據資料，使用演算法例如數據資料少時以線性回歸分析，當數據資料量較多時以基因演算法或類神經演算法，建立一對應各次系統12的人工智慧模型，將此人工智慧模型安裝於該工業電腦40。

之後當該工業電腦40即時擷取、接收各次系統12的多個控制器參數以及數個物理量參數，輸入對應的各人工智慧模型模擬當前的一模擬誤差量，即可先於該精度補償控制介面43對應所述各次系統12設定一誤差警戒閥值，當各模擬誤差量超出對應的誤差警戒閥值時，該工業電腦40將該模擬誤差量輸入該主控制器11進行誤差補償。

前述以各人工智慧模型模擬各次系統12當前模擬誤差量的過程，以該主軸系統121的主軸的熱變形為例子：該工具機10運作時以熱所影響的精度誤差影響最深，熱會造成主軸伸長使刀具下刀的刀尖點與原本設定有誤差而影響加工精度。建立人工智慧模型時，是以安裝在該主軸系統121的物聯網裝置20來感測該主軸系統121的物理量參數，這些物理量參數包括該主軸系統121的主軸的溫度變化、振動程度、馬達驅動電流大小，以及結構變形量，並擷取該主控制器11的多個控制器參數，這些控制器參數包括加工轉速、切削深度量、切削速度、供液壓力、泵浦馬達轉速、泵浦馬達電流負載、冷卻液流量大小，以及冷卻 液溫度(控制器參數的數量可以增減，僅使用其中對精度誤差影響較明顯的部分參數)，配合精度誤差檢測儀器30(亦即主軸溫升位移與偏擺檢測裝置)量測刀尖點於工具機10於多次加工模擬時，於每一個軸向包括X軸、Y軸、Z軸的位移變化與角度偏擺變化的多個誤差量，運用演算法建立包含物理量參數、控制器參數與最終下刀的刀尖點變化關係的人工智慧模型。

將對應主軸系統121的刀尖點變化的人工智慧模型安裝於工業電腦40後，透過該工業電腦40即時地擷取、接收主軸系統121相關的物理量參數、控制器參數，即可模擬、推算出當前的刀尖點位移變化的模擬誤差量，用於對該工具機10的主軸系統121的誤差進行補償。如此，在該工具機10運用本發明而後出廠時，不需要在異地使用主軸溫升位移與偏擺檢測裝置的精度誤差檢測儀器30量測該工具機10的主軸系統121，也能利用先前建立的人工智慧模型進行參數的模擬、推知同一工具機10的刀尖點變化，藉此進行加工精度的補償。

本發明除前述較佳實施例，是在各次系統12皆安裝有物聯網裝置20以外，也可以僅於其中一個或其他數量的次系統12安裝所述的物聯網裝置20，建立對應各次系統12的人工智慧模型，將對應不同次系統12的人工智慧模型安裝於工業電腦40，用於配合該工業電腦40擷取、接收的物理量參數、控制器參數來模擬、推算各次系統12的模擬誤差量，用於對該工具機10各次系統12加工精度的誤差補償。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

10:工具機

11:主控制器

12:次系統

121:主軸系統

122:進給系統

123:旋轉軸系統

124:基座水平系統

20:物聯網裝置

30:精度誤差檢測儀器

40:工業電腦

41:無線模組

42:資料庫

43:精度補償控制介面

Claims (7)

1. 一種工具機精度預測與補償系統，運用於一工具機，該工具機設有一主控制器並且包括一個以上的次系統，該系統包括：一個以上的物聯網裝置，各物聯網裝置安裝於各次系統並且包括數個感測器，以數個感測器感測各次系統的數個物理量參數；一個以上的精度誤差檢測儀器，當該工具機進行多次加工模擬時，各精度誤差檢測儀器以離線或線上的方式分別量測該工具機各次系統的多個誤差量；以及一工業電腦，該工業電腦接收各次系統的多個誤差量輸入，該工業電腦與該主控制器連接而擷取各次系統於加工模擬時的多個控制器參數，該工業電腦與各物聯網裝置訊號連接而接收各次系統於加工模擬時的數個物理量參數；該工業電腦設有一資料庫，該資料庫儲存各次系統的多個控制器參數、數個物理量參數以及多個誤差量，並運用該些參數與多個誤差量建立一對應各次系統的人工智慧模型，將此人工智慧模型安裝於該工業電腦；之後當該工業電腦即時擷取、接收各次系統的多個控制器參數以及數個物理量參數，輸入對應的各人工智慧模型模擬當前的一模擬誤差量，將各模擬誤差量輸入該主控制器進行誤差補償。
2. 如請求項1所述之工具機精度預測與補償系統，其中所述各物聯網裝置設有一物聯網無線模組，透過該物聯網無線模組與所述的數個感測器電連接；該工業電腦設有一無線模組，以該無線模組與各物聯網無線模組訊號連接。
3. 如請求項2所述之工具機精度預測與補償系統，其中所述工業電腦設有一精度補償控制介面，於該精度補償控制介面對應所述各次系統設定一誤差警戒閥值，當各模擬誤差量超出對應的誤差警戒閥值時，該工業電腦將該模擬誤差量輸入該主控制器進行誤差補償。
4. 如請求項1至3中任一項所述之工具機精度預測與補償系統，其中所述各物聯網裝置的數個感測器包括一溫度感測器、一振動感測器、一電流感測器，以及一形變感測器。
5. 如請求項4所述之工具機精度預測與補償系統，其中該工具機的次系統包括一主軸系統；配合量測該主軸系統的精度誤差檢測儀器是主軸溫升位移與偏擺檢測裝置；該主軸系統的多個控制器參數包括加工轉速、切削深度量、切削速度、供液壓力、泵浦馬達轉速，以及冷卻液溫度；該主軸系統的數個物理量參數包括溫度變化、振動程度、馬達驅動電流大小，以及結構變形量。
6. 如請求項4所述之工具機精度預測與補償系統，其中該工具機的次系統有四個並且分為一主軸系統、一進給系統、一旋轉軸系統以及一基座水平系統。
7. 如請求項6所述之工具機精度預測與補償系統，其中配合量測該主軸系統的精度誤差檢測儀器是主軸溫升位移與偏擺檢測裝置；配合量測該進給系統的精度誤差檢測儀器是線性定位檢測裝置；配合量測該旋轉軸系統的精度誤差檢測儀器是旋轉軸定位檢測裝置；配合量測該基座水平系統的精度誤差檢測儀器是水平儀。

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