CN101209530A - 刀具状态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种刀具状态检测装置及方法，其应用于检测针对工作物进行加工作业的刀具状态。该工作物设置于一加工机台上，该刀具是由主轴马达的中心转子带动旋转。而该主轴马达的中心转子与该主轴马达的外壳保持绝缘，主要通过施加于该外壳的电场信号而使该外壳与该中心转子之间产生感应电场，并在加工作业中侦测该感应电场是否存在。当该感应电场因刀具接触工作物并经该加工机台接地而使信号消失时，视为未断刀状态；当该感应电场的信号持续存在时，则视为断刀状态。

Description

刀具状态检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种刀具状态检测装置及方法，更具体地，涉及一种用于检测针对工作物进行加工作业的刀具磨耗或断刀与否的刀具状态检测装置及方法。

背景技术

使用自动化加工机具进行加工作业时，必须即时侦测刀具状态以确保产品品质。以印刷电路板的钻孔作业为例，其通过高速非接触式气静压主轴马达夹持钻针来实现。钻孔机具有快、稳、准等高性能表现，然而钻针在高速运转下亦会产生磨耗甚至断刀。而为了在钻针产生磨耗、断刀的情形下及时发现并加以更换，以往是在非接触式马达底部相对钻针头端附近加设感测设备。当钻针状态异常时，则将信息回传至相关控制非接触式马达的控制器，以停机更换钻针。目前侦测钻针运转中的状态有光线遮断法、碳刷接触法、粉尘碎屑搜集法、电压信号法，以及驱动电流法等侦测方法。

光线遮断法是在钻针的两侧设置投射以及接收光的装置，根据光线接收端接收光信号的有无来判断钻针的状态。然而在钻针直径越来越小的趋势下，欲使光信号正确地被钻针所阻断所要的设置精度要求也越高，因此使得光线遮断法有越来越难以实施的趋势，即使装置架设成功也耗费了相当多的时间以及甚高的成本。

碳刷接触侦测法是将碳刷与钻针直接接触，根据碳刷传回信号的有无来判断钻针的状态。然而在非接触式马达高速运转下，钻针会因接触到碳刷而快速磨耗，且在摩擦过程中产生的粉尘以及碎屑亦会伤害非接触式马达的转子。

粉尘碎屑侦测法是在碳刷与钻针对加工物件加工时，将产生的粉尘以及碎屑以集尘器加以搜集，再根据集尘器内的粉尘及碎屑感测器信号来侦测钻针的状态。然而粉尘搜集量却有难以拿捏的困扰，且粉尘中含多少比例以上的钻针成分方可判定钻针已受损的标准亦难以制定，因此使得粉尘碎屑侦测法难以应用于实际操作上。

驱动电流侦测法是在主轴驱动器的电流输出线安装电流感测器，再根据钻针在加工时因扭力而产生的电流变化，来侦测钻针的状态。

电压信号侦测法是在加工物件与机台间建立电位差，通过钻针贯穿上层加工物件的动作，将上层电压信号传导至下层，电脑控制器再根据电压信号是否传递，来侦测钻针的状态。

但是驱动电流侦测法以及电压信号侦测法均必须加装感测器，从而增加整体钻孔机的成本，并且难以适用在高速且微孔的钻孔作业，因此亦造成应用范围的限制。

再者，钻针的头端在未进行加工动作前离开工作物的高度称为非加工行程，而非加工行程是与钻孔速度呈反比，因此各式的钻孔机均着重于缩小非加工行程以提升钻孔速度。然而上述的光线遮断法、碳刷接触法、粉尘碎屑搜集法、电压信号法或驱动电流法，均多少必须在钻针附近增设侦测装置或感测元件，经常会因此而增加非加工行程，进而影响钻孔速度。

因此，如何改善以上种种缺点，为当今亟待思考的课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的一个目的在于提供一种刀具状态检测装置及方法，无须于该刀具周围增设侦测装置，从而可具有最小的加工行程。

本发明的又一目的为提供一种刀具状态检测装置及方法，从而明确地判断出刀具的磨耗或断刀状态。

本发明的再一目的为提供一种可节省成本的刀具状态检测装置及方法。

本发明的又一目的为提供一种无须接触磨损刀具的刀具状态检测装置及方法。

为达到上述及其他目的，本发明提供一种刀具状态检测装置，其应用于检测针对工作物进行加工作业的刀具状态。该工作物设置于一加工机台上，该刀具是由主轴马达的中心转子带动旋转，而该主轴马达的中心转子是与该主轴马达的外壳保持绝缘。该刀具状态检测装置包括：电场信号产生器，用以施加电场信号于该主轴马达的外壳，以使该外壳与该中心转子之间产生感应电场；电场信号处理器，用以接收来自该主轴马达的外壳的感应电场的信号，并根据该感应电场的信号的状态而输出相对信号；以及控制器，耦合至该电场信号处理器且根据该相对信号以判断该感应电场的存在与否，当该感应电场因刀具接触工作物并经该加工机台接地而使该感应电场的信号消失时，视为未断刀状态；当该感应电场的信号持续存在时，则视为断刀状态。

本发明亦揭示一种刀具状态检测方法，其应用于检测针对工作物进行加工作业的刀具状态。该工作物设置于一加工机台上，该刀具是由主轴马达的中心转子带动旋转，而该主轴马达的中心转子是与该主轴马达的外壳保持绝缘，该方法包括：施加电场信号于该主轴马达的外壳，以使该外壳与该中心转子之间产生感应电场；令该主轴马达带动该刀具以对工作物进行加工作业；以及在加工作业中侦测该感应电场的存在与否，当该感应电场因刀具接触工作物并经该加工机台接地而使信号消失时，视为未断刀状态；当该感应电场的信号持续存在时，则视为断刀状态。

就应用于钻孔作业为例。该刀具为一钻针，相对于现有技术中各种关于侦测钻针使用状态的方法会造成增加非加工行程而降低钻孔速度，本发明的刀具状态检测方法，是于主轴马达的中心转子及外壳间形成电场，再在钻针进行钻孔作业时，侦测该电场信号的有无，以判断钻针的状态，无需于钻针周遭设置相关侦测装置。因此，相比于现有技术可有效地缩短非加工行程而加快钻孔速度，在实际测试中，约可加快30％的钻孔速度。

且，相对于现有技术中以碳刷接触侦测法容易导致钻针快速磨耗而受损的缺失，本发明的刀具状态检测方法无须以任何结构接触到钻针而避免增加钻针磨耗的速度。

又，相对于现有技术中以粉尘搜集法有钻针状态无法确定的疑虑，本发明的刀具状态检测方法，以电场信号的有无即可明确判断出钻针的状态。

再者，相对于现有技术各式侦测钻针状态的方法，例如以光阻断侦测的方法所要求的精度甚高、粉尘搜集法有粉尘搜集量难以拿捏的缺点，均会导致侦测钻针状态所需的成本提高；本发明的刀具状态检测方法只须通电使该主轴马达的中心转子带正电荷，而使该外壳感应带负电荷，再将该外壳电性导接于该加工机台上即可，无须精密的设置精度，亦不须搜集副产品，而可以节省成本的方式，精确地测出该钻针的状态。

另外，并可量测出每次钻针接触到工作物的时间，当发现钻针接触该工作物所需时间偏离正常值较多时，代表钻针所受的磨耗过大，亦可于此时主动更换钻针。

附图说明

图1显示本发明刀具状态检测装置的示意图；

图2显示本发明刀具状态检测装置中，主轴马达的中心转子与外壳产生感应电场的示意图；

图3显示本发明刀具状态检测装置，当钻针接触到工作物时的示意图；以及

图4显示本发明刀具状态检测方法的流程图。

【主要元件符号说明】

1     主轴马达

10    中心转子

11    外壳

12    钻针

2     工作物

3     加工机台

4     刀具状态检测装置

41    电场信号产生器

42    电场信号处理器

43    控制器

a     第一半径

b     第二半径

r     第三半径

+Q    第一电荷

-Q    第二电荷

l     长度

S101  步骤

S102  步骤

S103  步骤

S104  步骤

S105  步骤

S106  步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，所属领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。

请参阅图1至图3，是本发明刀具状态检测装置及方法的具体实施例。在本实施例中以应用于钻孔作业为例，因此以钻针代表刀具，但是所属领域技术人员均可理解本发明并非仅限于应用在钻孔作业中，而所指刀具亦非以钻针为限。

如图1所示，主轴马达1具有中心转子10以及环绕该中心转子10的外壳11。该中心转子10运转时，该主轴马达1导入空气于该中心转子10及该外壳11之间而使该中心转子10气浮式地绝缘于该外壳11。

该中心转子10的一端外露于该主轴马达1并夹持有一钻针12，该钻针12受该中心转子10的带动而旋转，以在一工作物2上进行钻孔，该工作物2可为一印刷电路板，承载于一加工机台3上。

该外壳11及该加工机台3间电性连接有一检测该钻针12状态的刀具状态检测装置4。该刀具状态检测装置4包括有：用以在该中心转子10及该外壳11间产生感应电场的电场信号产生器41、侦测该感应电场的信号的状态而输出相对信号的电场信号处理器42、以及接收由电场信号处理器42所传来的相对信号以判断该感应电场存在与否的控制器43。

如图2所示，当该主轴马达1的中心转子10开始运转时，该电场信号产生器41亦同时施加电场信号于该外壳11使其带有正电，而由于该中心转子10绝缘于该外壳11，因此该中心转子10会感应电场而带有负电。现就以下参数加以定义：中心转子10的第一半径＝a、中心转子10中心至该外壳11外表面的第二半径＝b、电场E产生之处与中心转子10中心的第三半径＝r，且a＜r＜b、钻针12所带的第一电荷＝+Q、外壳所带的第二电荷＝-Q，介电系数＝ε、电荷密度＝λ、外壳11与该中心转子10产生感应的长度为l、中心转子10的电位＝V_a、外壳11的电位＝V_b、电容＝C。当然，前述的电场信号产生器41亦可施加电场信号于该外壳11，使其带有负电且该中心转子10会感应电场带有正电，使钻针12所带的第一电荷＝-Q、而外壳所带的第二电荷则＝+Q

已知的是a、b、l、ε等参数，而中心转子10与外壳11间的电位差为 $V_a-V_b={\∫}_a^b\stackrel{\→}{E}\left(r\right)\·\mathrm{dr}$

而又可由 $\stackrel{\→}{E}\left(r\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\λ}}{r}\stackrel{\→}{r}$ 代入前一式

求得中心转子10与外壳11间的电位差

$V_a-V_b=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π\ϵ}}\ln \frac{b}{a},$ 其中， $\mathrm{\λ}=\frac{Q}{l}$

再由电容公式可求得电容 $C=\frac{Q}{V_a-V_b}=\frac{Q}{\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π\ϵ}}\ln \frac{b}{a}}=\frac{2\mathrm{\π\ϵl}}{\ln \frac{b}{a}}$

因此，该主轴马达因具有相互绝缘的中心转子10与外壳11，而形成为一电容装置。

请配合参阅图3，同时该中心转子10往下移动而使该钻针12于该加工物2上进行钻孔。当钻针12处于非断刀状态时，可顺利地接触于该加工物2，而由于该刀具状态检测装置4电性连接于该加工机台3而产生有一接地的效应。因此当该钻针12接触到加工物2时，感应电场与电容C会消失，可据此判断钻针12为非断刀状态。同时，电场信号处理器42将输出一“无感应电场”的相对信号传送给控制器43。

然而，当该钻针12发生折断的情形时，钻针12将无法触及工作物2，而使得感应电场与电容C保持不变，即可判断钻针12的状态不正常，而必须停机检修更换。此时电场信号处理器42输出一“有感应电场”的相对信号传送给控制器43，且控制器43更可进一步启动一告警机制，例如停止该主轴马达或是发出警报声响。

另外，即使钻针12于每一次钻孔作业中均可触及该工作物2，但是该钻针12亦有可能已产生磨耗现象而影响钻孔品质，因此可测量每次钻孔作业中钻针12触及该工作物2所需的时间。与钻针12第一次下刀状态下，触及该加工机台3所需的时间相比较，当超过一定的容许值时，则判定钻针12已磨耗严重而必须更换。

请参阅图4，因此，本发明刀具状态检测方法可由步骤S101产生感应电场后，在步骤S102读取该刀具状态检测装置4中的感应电场的信号，接着启动该中心转子10进行前述的钻孔作业。并在步骤S103侦测感应电场的信号存在与否，当一次的钻孔作业中，持续侦测到有感应电场的信号时，代表钻针12为断刀状态，可直接进行到步骤S106，进行钻针12的更换；然而当侦测到感应电场的信号消失时，则进行步骤S104将前述量测钻针12触及工作物2所需时间与第一次进行钻孔触及工作物2所需时间相减。步骤S105则判断该相减的数值，当低于一额定的设定值时，则回到步骤S102；而当高于该设定值时，则进展至步骤S106进行钻针12检查或更换。

相对于现有技术中各种关于侦测钻针使用状态的方法会造成增加非加工行程而降低钻孔速度，本发明的刀具状态检测方法，是于主轴马达的中心转子及外壳间形成电场，再于钻针进行加工时侦测该电场信号的有无以判断刀具的状态，无需于钻针周遭设置相关侦测装置。因此相对于现有技术可有效地缩短非加工行程而加快钻孔速度，于实际测试中，约可加快30％的钻孔速度。

且，相对于现有技术中以碳刷接触侦测法容易导致钻针快速磨耗而受损的缺失，本发明的刀具状态检测方法无须以任何结构接触到钻针而避免增加钻针磨耗的速度。

又，相对于现有技术中以粉尘搜集法有钻针状态无法确定的疑虑，本发明的刀具状态检测方法以电场信号的有无即可明确判断出钻针的状态。

再者，相比于现有技术各式侦测钻针状态的方法，例如以光阻断侦测的方法所要求的精度甚高、粉尘搜集法有粉尘搜集量难以拿捏的缺点，均会导致侦测钻针状态所需的成本甚高。本发明的刀具状态检测方法只须通电使该主轴马达的中心转子带正电荷，而使该外壳带负电荷，再将该外壳电性导接于该加工机台上即可，无须精密的设置精度，亦不须搜集副产品，而可以节省成本的方式精确地测出该钻针的状态。

另外，并可量测出每次钻针接触到工作物的时间，当发现钻针接触该工作物所需时间偏离正常值较多时，代表钻针所受的磨耗已届临界值，亦可于此时主动更换钻针。

由上可知，本发明刀具状态检测装置及方法可改进现有技术的缺点，并可提早发现钻针的磨耗，因此具有高度产业利用价值。

但是以上所述的具体实施例，仅用以例释本发明的特点及功效，而非用以限定本发明的可实施范畴，在未脱离本发明上述的精神与技术范畴下，任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为下述的申请专利范围所涵盖。

Claims (20)

1.一种加工作业中的刀具状态检测方法，该刀具是由主轴马达的中心转子带动旋转，而该主轴马达的中心转子与该主轴马达的外壳保持绝缘，该方法包括：

施加电场信号于该主轴马达的外壳，以使该外壳与该中心转子间产生感应电场；

令该主轴马达带动该刀具以对工作物进行加工作业；以及

于加工作业中侦测该感应电场的存在与否，当该感应电场消失时，视为未断刀状态；当该感应电场持续存在时，则视为断刀状态。

2.根据权利要求1所述的刀具状态检测方法，其中，该感应电场通过一电场信号产生器于该外壳与该中心转子之间产生。

3.根据权利要求1所述的刀具状态检测方法，其中，该感应电场通过一电场信号处理器处理后输出一相对信号至一控制器，并由该控制器判读该感应电场存在与否。

4.根据权利要求3所述的刀具状态检测方法，其中，该控制器于判断该感应电场持续存在时，还进一步启动一告警机制。

5.根据权利要求4所述的刀具状态检测方法，其中，该告警机制为停止该主轴马达。

6.根据权利要求4所述的刀具状态检测方法，其中，该告警机制为发出警报声响。

7.根据权利要求1所述的刀具状态检测方法，其中，该中心转子是气浮式地转动定位于该外壳中，以与该外壳保持绝缘。

8.根据权利要求1所述的刀具状态检测方法，其中，该外壳带有负电荷、而该中心转子则具有正电荷，从而令该主轴马达成为一电容装置。

9.根据权利要求1所述的刀具状态检测方法，其中，在未断刀状态下，还包括侦测每一次加工作业开始至信号消失所需时间的时间差，并于该时间差大于等于一预设值时视为刀具磨损状态。

10.根据权利要求1所述的刀具状态检测方法，其中，该刀具为钻针。

11.根据权利要求1所述的刀具状态检测方法，其中，该工作物为印刷电路板。

12.一种加工作业中的刀具状态检测装置，该刀具是由主轴马达的中心转子带动旋转，而该主轴马达的中心转子与该主轴马达的外壳保持绝缘；该装置包括：

电场信号产生器，用以施加电场信号于该主轴马达的外壳，以使该外壳与该中心转子间产生感应电场；

电场信号处理器，用以接收来自该主轴马达的外壳的感应电场的信号，并根据该感应电场的信号的状态而输出相对信号；以及

控制器，耦合至该电场信号处理器，并根据该相对信号以判读该感应电场的存在与否。

13.根据权利要求12所述的刀具状态检测装置，其中，该控制器于判读感应电场的信号持续存在时，还进一步启动一告警机制。

14.根据权利要求13所述的刀具状态检测装置，其中，该告警机制为停止该主轴马达。

15.根据权利要求13所述的刀具状态检测装置，其中，该告警机制为发出警报声响。

16.根据权利要求12所述的刀具状态检测装置，其中，该中心转子是气浮式转动定位于该外壳中，以与该外壳保持绝缘。

17.根据权利要求12所述的刀具状态检测装置，其中，该电场信号产生器使该外壳带有负电荷、而该中心转子则具有正电荷，从而令该主轴马达成为一电容装置。

18.根据权利要求12所述的刀具状态检测装置，其中，该电场信号处理器电性连接至该加工机台。

19.根据权利要求12所述的刀具状态检测装置，其中，该刀具为钻针。

20.根据权利要求12所述的刀具状态检测装置，其中，该工作物为印刷电路板。

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