CN103372787A - 工具机智能化适应性切削振动抑制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工具机智能化适应性切削振动抑制方法与系统，该系统包括一工具机的控制器，其中内装一共振自动回避模块、一切削振动抑制模块与一刀具寿命监控模块，并连结一数据库，数据库储存机台各元件的共振频率，共振自动回避模块整合计算各共振频率以产生加工转速，切削振动抑制模块量测加工时的振动信号并微调加工转速，刀具寿命监控模块纪录并监测刀具老化状态；通过先行解析机台共振频率并回避产生振动的条件，控制器仅需持续监控振动信号有无超过其振动值，无需设置即时解析设备以降低成本，解决高阶工具机因价格高昂而不易普及的问题。

Description

工具机智能化适应性切削振动抑制方法与系统

技术领域

本发明关于一种工具机的切削振动抑制方法与系统，特别指一种整合自动量测、自动调整与自动纪录三种功能而具有智能化适应性的工具机切削振动抑制方法与系统。

背景技术

现有的工具机包含有多种感测器，如温度、振动、位移，来监控工具机的机台运作的状况，而如何将感测器量测到的数据运用在机台以改善切削效果、提高加工效率、改善切削纹路以及提高工件的几何精度，是有待研究与解决的问题。

现有高阶的工具机具有的自动量测功能，是在机台上安装有多种感测器并连接至一控制器，尤其是在重要运转元件中安装温度感测器，确保机台运作时不会过温或故障导致无法加工，此外，针对主轴与轴向马达负载同时进行监控，希望能提早发现异常，便于使用者即时维修处理而可延长机台使用寿命；除了监控温度与马达负载之外，也会加装加速规或是位移计来监控机台所产生的振动与微量位移，以便检测如果轴承异常或是热伸长等机台特性，让使用者易于掌控机台使用状况。

不过上述自动量测功能仅能提供相关感测器的量测数据，仍需要配合使用者进行人工操作对机台调整与改善，所以通过自动调整功能，针对前述量测数据进行自动化调整与保护措施，例如针对切削颤振的量测计算与规避，或是过温与过负载自动停止机台运转，但是对于不同种类的工具机，其信号解析与计算的方法都不尽相同，而且许多自动量测功能都得搭配昂贵的信号解析与运算设备以进行即时分析，会造成机台成本增加，导致使用自动调整功能的主动振动控制或是适应性切削抑制系统仍无法普及。

除此之外，通过自动记录功能，将量测数据记录并加以储存，作为比较差异的参考依据，并配合原有的刀具寿命管理系统，共同维护与检测刀具的使用寿命。

综上所述，工具机的控制器可分别通过前述方式监控机台运作的状况，进而将量测数据进行运算以改善工件切削效果、提高加工效率以及提高工件的几何精度，但是将其整合则存在一定难度，且机台要内装自动量测功能需搭配昂贵的信号解析与运算设备，造成机台成本大幅增加的问题，使得具有前述功能的高阶工具机仍无法普及。

发明内容

如上所述，现有高阶工具机整合自动量测、自动调整与自动纪录三种功能，使其具有高效率、高精度与良好的刀具寿命管理，但是其价格高昂不易普及，因此本发明主要目的在于提供一种工具机智能化适应性切削振动抑制方法与系统，通过工具机的控制器进行整合计算并回避让机台产生共振的加工转速，此外，结合现有的振动侦测与刀具寿命管理系统，工具机不需内装昂贵的信号解析与运算设备，可降低工具机的制造成本，解决高阶工具机价格高昂不易普及的问题。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是让前述工具机智能化适应性切削振动抑制方法是由一控制器执行以下步骤：

从一与控制器连结的数据库中取得其储存的机台共振频率，将机台的共振频率与选用刀具的共振频率整合运算，以避开发生共振的加工转速；

当机台在该加工转速的振动信号超过一上限值时，则降低加工转速，若降低加工转速后仍超过上限值则停止机台，若振动信号未超过上限值时则持续监测振动信号；

前述振动信号同时作为刀具是否老化的判断依据，当刀具数据与切削加工条件相同，但振动信号超过上限值表示刀具老化产生振动，即停止加工。

为达成前述目的采取的主要技术手段是提供一种工具机智能化适应性切削振动抑制系统，包含有一控制器及一数据库，其中控制器与数据库连结并内装有：

一共振自动回避模块，其取得数据库所储存的机台、主轴、三轴、夹具的共振频率，并将各元件的共振频率以及选用的刀具的共振频率进行整合运算，以产生一加工转速；

一切削振动抑制模块，其量测机台产生的振动信号并与一上限值比较，以调整前述的加工转速；

一刀具寿命监控模块，其纪录并比较机台使用中的刀具的共振频率、切削加工条件及振动信号，若使用刀具数据与切削加工条件相同，但振动信号经调整加工转速仍超过上限值，表示刀具老化应停止加工；

利用前述元件组成的工具机智能化适应性切削振动抑制系统，利用频谱分析仪先行量测机台的整机、主轴、三轴(X轴、Y轴、Z轴)、刀具以及夹具的特性，以分别取得产生共振频率的数据，将所述数据存入数据库中，共振自动回避模块将主轴与三轴先行滤波，排除三轴进给共振以及主轴运转共振，接着共振自动回避模块将上述数据结合要进行切削加工的刀具的共振频率，整合计算以避开使机台产生共振的加工转速，并将此加工转速送至切削振动抑制模块来调整原先加工程序的预定转速，主动回避原先加工程序中会让机台产生共振的加工转速，以最适当的切削条件进行加工，避免产生机台共振与异音的问题而影响加工精度与切削纹路。

此外，该切削振动抑制模块用以量测切削加工时的振动信号，监控切削加工的振动信号是否超过上限值，该振动信号的量测值为时域信号，可由切削振动抑制模块直接进行运算，无须通过昂贵的信号解析与运算设备将时域信号经由快速傅立叶转换(F.F.T.)转换为频谱信号来进行即时信号解析，降低设备与运算成本并避免产生信号延迟现象；当振动信号超过上限值时，切削振动抑制模块会主动降低加工转速以改善切削振动。

该刀具寿命监控模块会将使用中的刀具种类及其共振频率等数据、加工条件以及振动状态记录在前述数据库中，作为后续比较的基准，当该刀具持续使用并使其逐渐磨损而导致切削加工的振动变大，造成量测的振动信号超过上限值，刀具寿命监控模块会发出警告并停止机台运转，以保护工件完整性并延长机台寿命。

由上述可知，本发明可有效降低现有工具机在自动调整功能中设置主动振动控制或是适应性切削系统的设备成本，机台本身各元件产生共振频率的信号解析是在机台整机性能测试时就量测完成，并将取得的相关数据载入数据库中，使用者输入要使用的刀具以及加工程序，控制器会自行运算并回避机台可能产生共振的条件，同时微调加工转速，控制器仅需持续比对机台的振动信号是否超过上限值，不需即时解析量测的频谱信号，降低后端处理即时信号的设备与成本，解决高阶工具机因价格高昂而不易普及的问题。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的系统方块图；

图2为本发明一较佳实施例的流程图；

图3为本发明一较佳实施例的流程图。

其中，附图标记：

10控制器               20共振自动回避模块

30切削振动抑制模块     40刀具寿命监控模块

50数据库

具体实施方式

图1为本发明的一较佳实施例，一控制器10内包含有一共振自动回避模块20、一切削振动抑制模块30以及一刀具寿命监控模块40，其中，该控制器10进一步与一数据库50连结，该数据库50可内装在控制器10中，或是设在控制器10的外部。

请参见图2所示，要使工具机保持在最佳切削加工状态，分别由共振自动回避模块20、切削振动抑制模块30以及刀具寿命监控模块40依次在控制器10中执行以下程序：

共振自动回避模块20从数据库50中取得其预先储存的机台各元件的共振频率，并结合选用的刀具的共振频率进行运算，以避开让机台发生共振的加工转速。

将避开让机台发生共振的加工转速输入加工程序中并进行切削加工，切削振动抑制模块30比对机台在该加工转速的振动信号是否超过一上限值，若超过上限值则降低加工转速，若降低加工转速后仍超过上限值则停止机台并告警；若振动信号未超过上限值，则纪录该振动信号，并持续监测振动信号直到加工完成。

刀具寿命监控模块40比较刀具种类及其共振频率等数据与切削加工条件，在相同条件下但振动信号超过上限值，表示该刀具老化或劣化造成振动，应立即停止加工并告警。

关于本发明的控制方法主要是利用一频谱分析仪先行量测工具机的整机、主轴、轴向、刀具以及夹具的特性以分别取得其共振频率的数据，将该等数据经由控制器10存入数据库50中，并由共振自动回避模块20、切削振动抑制模块30以及刀具寿命监控模块40分别执行以下步骤：

请参见图3所示，首先由共振自动回避模块20取得储存于数据库50中的各个元件的共振频率(201)，分别将主轴与三轴先行滤波(202，203)，消除轴向进给共振以及主轴运转共振，选用刀具加工时，共振自动回避模块20将先取得刀具产生共振频率的数据(204)进行整合运算(205)以产生回避共振频率的加工转速(206)，由控制器10主动回避并调整加工转速，以最适当的切削条件进行加工，避免共振与异音等问题影响加工精度与切削纹路。

该切削振动抑制模块30用以量测振动信号并设定上限值，并比较振动信号与上限值以调整加工转速，机台进行加工时，先由切削振动抑制模块30将共振自动回避模块20所产生回避共振的加工转速加入加工程序(301)，随即开始切削加工(302)，并持续量测切削加工的振动信号(303)，并设定上限值(304)以监控切削加工的振动是否超过上限值(305)，该振动信号的量测值为时域信号，无须如现有机台需将时域信号经由快速傅立叶转换(FFT)转换为频谱信号进行信号解析，解决现有机台需搭配昂贵的信号解析与运算设备进行即时信号解析，可降低设备成本并避免产生信号延迟现象；当振动信号超过上限值，切削振动抑制模块30会主动降低切削加工转速(306)以改善切削振动，在调整加工转速后，接着判断振动是否超过上限值(307)，若是则停止运转并发出警告(308)。

该刀具寿命监控模块40会把目前使用中刀具的共振频率的数据、加工条件以及振动状态记录在前述数据库50中，当作后续比较的基准，因此刀具寿命监控模块40将量测并纪录振动信号(401，402)，并判断加工是否持续(403)，若加工持续，则量测振动信号(404)，并判断其是否超过上限值(405)，若超过上限值则停止运转并发出警告，若未超过，则在纪录振动信号(402)后循环运作。

因此可保护工件完整性与机台寿命，让操作者能在刀具磨损时，立即更换刀具以便于重新启动机台继续进行加工，如此可有效提高机台使用效率，更可确保工件的加工品质。

由上述可知，本发明不需在机台上安装昂贵的即时信号解析以及运算设备，可有效降低自动调整功能中的主动振动控制或是适应性切削系统的安装成本，将信号解析部分提前于机台整机性能测试时前便已完成分析，相关数据由控制器10载入数据库50后，使用者输入要使用刀具与加工程序，控制器10会运算并回避机台与刀具产生共振或振动的条件，而无需即时解析加速规量测信号，降低后端即时信号处理成本，解决高阶工具机因价格高昂而不易普及的问题；此外，切削振动抑制模块30在切削加工时仅需要利用原有的一加速规量测机台的振动信号，进行监控与加工参数微调，并由刀具寿命监控模块40纪录加工最佳值的相关信号并持续比较，当刀具磨损、劣化甚至断裂时能即时通知使用者机台出现异常，以便于立即处理机台问题，降低机台因为故障或维修造成的损失，若机台出现故障需要维修时，前述量测数据也能提供明确的使用纪录与机台状况，降低维修成本并提高机台使用效率。

Claims (7)

1.一种工具机智能化适应性切削振动抑制方法，其特征在于，由一设在机台上的控制器执行以下步骤：

从一与控制器连结的数据库中取得其储存的机台共振频率，将机台的共振频率与选用刀具的共振频率整合运算，以避开发生共振的加工转速；

当机台在该加工转速的振动信号超过一上限值时，则降低加工转速，若降低加工转速后仍超过上限值则停止机台，振动信号未超过上限值则持续监测振动信号；

前述振动信号同时作为刀具是否老化的判断依据，若刀具数据与切削加工条件相同，但振动信号超过上限值表示刀具老化产生振动，即停止加工。

2.如权利要求1所述的工具机智能化适应性切削振动抑制方法，其特征在于，当振动信号未超过上限值系纪录该振动信号后，持续监测振动信号。

3.如权利要求1或2所述的工具机智能化适应性切削振动抑制方法，其特征在于，所述避开发生共振的加工转速是对主轴与三轴滤波，以消除轴向进给发生共振的加工转速以及主轴运转发生共振的加工转速。

4.如权利要求3所述的工具机智能化适应性切削振动抑制方法，其特征在于，该控制器是根据共振的加工转速值调整原先加工程序的加工转速，以回避产生共振的加工转速区间。

5.一种工具机智能化适应性切削振动抑制系统，其特征在于，包含有一控制器及一数据库，其中控制器与数据库连结并内装有：

一共振自动回避模块，其取得数据库所储存的机台、主轴、三轴、夹具的共振频率，并将各元件的共振频率以及选用的刀具的共振频率进行整合运算，以产生一加工转速；

一切削振动抑制模块，其量测机台产生的振动信号并与一上限值比较，以调整前述的加工转速；

一刀具寿命监控模块，其纪录并比较机台的刀具的共振频率、切削加工条件及其振动信号，若使用刀具与切削加工条件相同，但振动信号经调整加工转速仍超过上限值，表示刀具老化。

6.如权利要求5所述的工具机智能化适应性切削振动抑制系统，其特征在于，该切削振动抑制模块的振动信号是由一加速规所量测取得。

7.如权利要求5或6所述的工具机智能化适应性切削振动抑制系统，其特征在于，该数据库所储存的机台、主轴、三轴、刀具与夹具的共振频率是由一频谱分析仪所量测取得。

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