CN103728919A

CN103728919A - 机械加工设备的自发电感测装置、监控系统及其操作方法

Info

Publication number: CN103728919A
Application number: CN201210381408.9A
Authority: CN
Inventors: 钟添淦; 蔡沛原; 张睿文
Original assignee: FINE MACHINERY RESEARCH AND DEVELOPMENT CENTER
Current assignee: FINE MACHINERY RESEARCH AND DEVELOPMENT CENTER; Precision Machinery Research and Development Center
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开了一种用于机械加工设备的自发电感测装置，该装置主要通过一传感器来感测机械加工设备的作动、并根据所感测到的作动而产生一作动信号，接着利用一无线信号发送器将作动信号进行处理之后再发送出去，同时再提供一能量转换器将机械加工设备在加工过程中所产生震动或转动的作动能量转换成电能，并将电能传送至传感器及无线信号发送器，用以对传感器及无线信号发送器进行充电动作而达到自发电的目的。此外，自发电感测装置也可结合一监控装置而构成一监控系统，用以方便操作者判断作动信号是否正常。

Description

机械加工设备的自发电感测装置、监控系统及其操作方法

技术领域

本发明属于机械加工设备领域，具体涉及机械加工设备的传感器，特别是一种具有自发电功能的感测装置、监控系统及其操作方法。

背景技术

一般在机械加工的过程中，刀具常因承受无法预知的应力而导致加工的质量不佳，甚至可能会造成刀具或工件毁损，因此，目前大多会将一传感器安装于主轴或是机床上，用来实时感测刀具的作动或是工件的加工状况，以便在机械加工过程中获得优化的运作。

然而就传统的传感器的设计来说，线路的排布除了可能会造成主轴或机床的结构设计更为复杂之外，也可能还会造成多个刀把或是机床的导轨之间产生纠缠的状况。为了解决线路的问题，目前的设计是倾向于将传感器以内埋方式或封装方式设置于主轴上、主轴附近或是机床上的适当位置，但是此安装方式在日后进行定期维修保养时，维修人员要更换传感器的电池时会相当的不容易，假如传感器所使用的数量非常庞大，更换电池的过程就会变得更加困难及耗时。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于机械加工设备的自发电感测装置，其能自行产生电力而不需要安装电池，可避免产生更换电池的问题。

为了达成上述主要目的，本发明的自发电感测装置包括一传感器、一无线信号发送器，以及一能量转换器。该传感器设于该机械加工设备，用以感测该机械加工设备的作动而产生一作动信号；该无线信号发送器设于该机械加工设备，并具有一信号处理元件及一无线信号发送元件，该信号处理元件电性连接该传感器，用以接收该作动信号，并将该作动信号转换成一输出信号，该无线信号发送元件电性连接该信号处理元件，用以接收该输出信号，并将该输出信号发送出去；该能量转换器设于该机械加工设备内，并电性连接该传感器及该无线信号发送器，用以将该机械加工设备所产生的作动能量转换成电能，并将该电能传送至该传感器及该无线信号发送器，用以对该传感器及该无线信号发送器进行充电动作。据此，本发明的自发电感测装置将该机械加工设备在机械加工过程中所产生的振动或转动等作动能量拿来利用，并不需要安装电池而能自行发电，可以避免电池更换困难的问题，以达到节能省碳的目的。

在该自发电感测装置中，还可以提供一电能储存器，该电能储存器用以储存该能量转换器所转换的电能，并将所储存的电能输送至该传感器及该无线信号发送器。

本发明的优选设计是将该自发电感测装置安装于该机械加工设备的主轴，而该传感器为一加速度传感器，该能量转换器则可以采用压电材料，或是感应线圈搭配磁铁来构成。

本发明的次要目的在于提供一种用于机械加工设备的监控系统，其能让操作者判断该机械加工设备的作动是否为正常状况。

为了达成上述次要目的，该监控系统包括前述自发电感测装置及一监控装置，该监控装置具有一无线信号接收器及一电性连接该无线信号接收器的计算机，该无线信号接收器接收该输出信号，并将该输出信号还原成该作动信号，该计算机内建有一监控软件及一工艺参数数据库，该监控软件读取该作动信号，并将该作动信号与该工艺参数数据库内的数据进行比对，用以供操作者判断该作动信号是否为正常状况。

在该监控系统中，当该监控软件判断该作动信号为异常时，该监控软件会产生一警告信号，用以提醒操作者修改原本的参数设定。

本发明的又一目的在于提供该监控系统的操作方法，其能方便操作者对该监控系统进行操作。

为了达成上述目的，该监控系统的操作方法包括五个步骤。步骤a、设定一工艺参数，待设定完成之后即可开始进行机械加工；步骤b、该传感器在机械加工过程中会感测该机械加工设备的作动而产生该作动信号，同时该能量转换器会获取该机械加工设备所产生的作动能量，并将所获取到的作动能量转换成电能；步骤c、该能量转换器将步骤b的电能输送至该传感器及该无线信号发送器，用以对该传感器及该无线信号发送器进行充电动作；步骤d、该无线信号发送器的信号处理元件会接收步骤b的作动信号，并将该作动信号转换成该输出信号，再由该无线信号发送器的无线信号发送元件将该输出信号发送出去；步骤e、该监控装置的无线信号接收器会接收步骤c的输出信号，并将该输出信号还原成步骤b的作动信号，再由该计算机的监控软件对该作动信号进行读取，同时与该工艺参数数据库内的数据进行比对。据此，操作者只要依据前述步骤即可快速地对该监控系统进行操作，用以判断该主轴组件所产生的作动信号是否处在正常状态。

附图说明

图1为本发明第一优选实施例所提供的自发电感测装置的平面示意图；

图2为本发明第一优选实施例所提供的自发电感测装置的方块图；

图3为本发明第二优选实施例所提供的监控系统的方块图；

图4为本发明第二优选实施例所提供的监控系统的操作方法的流程图。

【主要元件符号说明】

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，为本发明第一优选实施例所提供的自发电感测装置10，主要应用在一机械加工设备(如切削工具机)，机械加工设备包括一主轴组件12，主轴组件12具有一主轴122、一可转动地设于主轴122的刀把124，以及一安装于刀把124的刀具126，通过刀把124相对主轴122的旋转，即可驱动刀具126对材料进行切削加工工艺。本发明的自发电感测装置10包括一传感器20、一无线信号发送器30，以及一能量转换器40。

如图1及图2所示，传感器20在本实施例为一加速度传感器而能够用来感测主轴组件12的作动而产生一作动信号22，所以传感器20的位置要以距离刀具126越近越好，其中以埋设于刀把124内为最佳实施方式。

无线信号发送器30以设置在刀把124内为最佳实施方式，并具有一信号处理元件32及一无线信号发送元件34。信号处理元件32电性连接传感器20，用以接收作动信号22，并将作动信号22转换成一输出信号36；无线信号发送元件34电性连接信号处理元件32，用以接收输出信号36，并将输出信号36发送出去。

如图1及图3所示，能量转换器40具有一压电元件42、一感应线圈44，以及二磁铁46。压电元件42设于刀把124内且电性连接传感器20及无线信号发送器30，用以获取刀把124在加工过程中所产生的振动能量P1，并将所获取到的振动能量P1转换成电能E，再将所转换的电能E传送至传感器20及无线信号发送器30，用以对传感器20及无线信号发送器30进行充电；感应线圈44设于刀把124内且电性连接传感器20及无线信号发送器30，该二磁铁46具有不同的极性且设于主轴122内，并位于刀把124的两相对侧，当刀把124带动感应线圈44相对该二磁铁46旋转时，感应线圈44便会因为磁通量的变化而产生电能E，并将电能E传送至加速度传感器20及无线信号发送器30，用以对传感器20及无线信号发送器30进行充电。

在此需要补充说明的是，能量转换器40不一定要同时使用压电元件42、感应线圈44，以及磁铁46的搭配，只要使用压电元件或感应线圈44及磁铁46的组合的其中之一就能达到对加速度传感器20及无线信号发送器30进行充电的功效。

另一方面，本发明的自发电感测装置10还提供了一电能储存器50，电能储存器50电性连接能量转换器40、加速度传感器20，以及无线信号发送器30，用以储存能量转换器40所产生的电能E，并将所储存的电能E输送至传感器20及无线信号发送器30。

据此，本发明的自发电感测装置10将主轴组件12在机械加工过程中所产生的振动能量P1及旋转能量P2分别拿来产生电能E，所以不需要安装电池或外接其他电源就能自行发电，因此可以避免产生习用技术中针对电池的更换所产生的问题，同时又能够达到节能省碳的目的。

此外，本发明的实施方式样并不限于前述实施例，本发明的自发电感测装置10亦可随实际需要而安装于该机械加工设备的机床或是其他位置，该传感器20也不以加速度传感器为限。

为了方便操作者对机械加工过程所设定的工艺参数进行监测，本发明的第二实施例将前述自发电感测装置10与一监控装置14作搭配而构成一监控系统16，如图2所示。

监控装置14具有一无线信号接收器60及一计算机70。无线信号接收器接收输出信号36，并将输出信号36还原成作动信号22；计算机70电性连接无线信号接收器60，并内建有一监控软件72及一工艺参数数据库74，监控软件72用以读取作动信号22，并将作动信号22与工艺参数数据库74内的数据进行比对，用以供操作者判断作动信号22是否正常，若作动信号22为异常，监控软件72会发出一警告信号(例如灯光或声音)，用以提醒操作者调整工艺参数。

接着如图2及图3所示，本发明还提供监控系统16的操作方法S1～S5，用以详细说明如何对监控系统16进行操作。

S1：步骤a、设定一工艺参数，待设定完成之后即可开始进行机械加工。

S2：步骤b、传感器20在机械加工过程中会根据刀把124的作动而产生作动信号22，同时能量转换器40的压电元件42会将刀把124所产生的振动能量P1转换成电能E，而且，能量转换器40的感应线圈44会借助刀把124的旋转而相对磁铁46运动，并在相对磁铁46运动的过程中产生电能E。

S3：步骤c、能量转换器40将步骤b的电能E分别输送至传感器20及无线信号发送器30，用以对传感器20及无线信号发送器30进行充电动作。在此需要补充说明的是，能量转换器40可以先将电能E储存至电能储存器50内，再由电能储存器50将电能E输送至加速度传感器20及无线信号发送器30，同样可以达到充电效果。

S4：步骤d、无线信号发送器30的信号处理元件32会接收步骤b的作动信号22，并将作动信号22转换成输出信号36，再由无线信号发送器30的无线信号发送元件34将输出信号36发送出去。

S5：步骤e、监控装置14的无线信号接收器60会接收步骤c的输出信号36，并将输出信号36还原成步骤b的作动信号22，再由计算机70的监控软件72对作动信号22进行读取，同时与工艺参数数据库74内的数据进行比对，用以判断作动信号22是否正常。若监控软件72判断作动信号22为异常时，监控软件72会发出警告信号(例如灯光或声音)，用以提醒操作者调整步骤a的工艺参数。

由上述步骤可知，操作者可以很方便地通过监控装置14来判断工艺结果，并能够在信号异常的状况下实时提醒操作者修改原本的设定，以避免对机械加工设备10或产品造成损坏。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于机械加工设备的自发电感测装置，该机械加工设备包括一主轴组件，该自发电感测装置包括：

一传感器，设于该机械加工设备以感测该机械加工设备的作动而产生一作动信号；

一无线信号发送器，设于该机械加工设备，并且具有一信号处理元件及一无线信号发送元件，该信号处理元件电性连接该加速度传感器，用以接收该作动信号，并将该作动信号转换成一输出信号，该无线信号发送元件电性连接该信号处理元件，用以接收该输出信号，并将该输出信号发送出去；以及

一能量转换器，设于该机械加工设备，并电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，用以将该机械加工设备所产生的作动能量转换成电能，并将该电能传送至该加速度传感器及该无线信号发送器，用以对该加速度传感器及该无线信号发送器进行充电。

2.如权利要求1所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，其中该机械加工设备包括一主轴组件，该自发电感测装置是安装于该主轴组件内。

3.如权利要求2所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，其中该传感器为一加速度传感器。

4.如权利要求1所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，其中该能量转换器为一压电元件。

5.如权利要求2所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，其中该能量转换器为一压电元件，该主轴组件具有一主轴及一可转动地设于该主轴的刀把，该能量转换器安装于该刀把。

6.如权利要求2所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，其中该主轴组件具有一主轴及一可转动地设于该主轴的刀把，该能量转换器具有一感应线圈及二磁铁，该感应线圈设于该刀把内且电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，该二磁铁具有不同的极性且设于该主轴内，并位于该刀把的两相对侧。

7.如权利要求2所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，其中该主轴组件具有一主轴及一可转动地设于该主轴的刀把，该能量转换器具有一压电元件、一感应线圈，以及二磁铁，该压电元件及该感应线圈分别设于该刀把内且分别电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，该二磁铁具有不同的极性且设于该主轴内，并位于该刀把的两相对侧。

8.如权利要求1至7中任一项所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，还包括一电能储存器，其电性连接该能量转换器，用以储存该能量转换器所转换的电能。

9.如权利要求8所述的用于机械加工设备的自发电感测装置，其中该电能储存器电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，用以将所储存的电能输送至该加速度传感器及该无线信号发送器。

10.一种用于机械加工设备的监控系统，包括：

一如权利要求1所述的自发电感测装置；以及

一监控装置，具有一无线信号接收器及一计算机，该无线信号接收器接收该输出信号，并将该输出信号还原成该作动信号，该计算机电性连接该无线信号接收器，并内建有一监控软件及一工艺参数数据库，该监控软件读取该作动信号，并将该作动信号与该工艺参数数据库内的数据进行比对，用以判断该作动信号是否正常。

11.如权利要求10所述的用于机械加工设备的监控系统，其中当该作动信号异常时，该监控软件会发出一警告信号。

12.如权利要求10所述的用于机械加工设备的监控系统，其中该主轴组件具有一主轴及一可转动地设于该主轴的刀把，该能量转换器为一压电元件且设于该刀把内。

13.如权利要求10所述的用于机械加工设备的监控系统，其中该主轴组件具有一主轴及一可转动地设于该主轴的刀把，该能量转换器具有一感应线圈及二磁铁，该感应线圈设于该刀把内且电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，该二磁铁具有不同的极性且设于该主轴内，并位于该刀把的两相对侧。

14.如权利要求10所述的用于机械加工设备的监控系统，其中该主轴组件具有一主轴及一可转动地设于该主轴的刀把，该能量转换器具有一压电元件、一感应线圈，以及二磁铁，该压电元件及该感应线圈分别设于该刀把内且分别电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，该二磁铁具有不同的极性且设于该主轴内，并位于该刀把的两相对侧。

15.如权利要求10至14所述的用于机械加工设备的监控系统，其中该自发电感测装置还具有一电能储存器，其电性连接该能量转换器，用以储存该能量转换器所转换的电能。

16.如权利要求15所述的用于机械加工设备的监控系统，其中该电能储存器电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，用以将所储存的电能输送至该加速度传感器及该无线信号发送器。

17.一种如权利要求10所述的监控系统的操作方法，包括下列步骤：

a、设定一工艺参数；

b、该加速度传感器在机械加工过程中会感测到该主轴组件的作动而产生该作动信号，同时该能量转换器会获取该主轴组件所产生的作动能量，并将所获取到的作动能量转换成电能；

c、该能量转换器将步骤b的电能输送至该加速度传感器及该无线信号发送器，用以对该加速度传感器及该无线信号发送器进行充电动作；

d、该无线信号发送器的信号处理元件会接收步骤b的作动信号，并将该作动信号转换成该输出信号，再由该无线信号发送器的无线信号发送元件将该输出信号发送出去；以及

e、该监控装置的无线信号接收器会接收步骤d的输出信号，并将该输出信号还原成步骤b的作动信号，再由该计算机的监控软件对该作动信号进行读取，同时与该工艺参数数据库内的数据进行比对，用以判断该作动信号是否正常。

18.如权利要求17所述的监控系统的操作方法，其中该能量转换器为一压电元件且设于该主轴组件的一刀把内；在步骤b中，该能量转换器会将所获取到的振动能量转换成电能。

19.如权利要求17所述的监控系统的操作方法，其中该能量转换器具有一感应线圈及二磁铁，该感应线圈设于该主轴组件的一刀把内且电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，该二磁铁具有不同的极性且设于该主轴组件的一主轴内，并位于该刀把的两相对侧；在步骤b中，该能量转换器的感应线圈会将该主轴组件所产生的旋转能量转换成电能。

20.如权利要求17所述的监控系统的操作方法，其中该能量转换器具有一压电元件、一感应线圈，以及二磁铁，该压电元件及该感应线圈分别设于该主轴组件的一刀把内，并且分别电性连接该加速度传感器及该无线信号发送器，该二磁铁具有不同的极性且设于该主轴组件的一主轴内，并位于该刀把的两相对侧；在步骤b中，该能量转换器的压电元件及感应线圈会分别将该主轴组件所产生的振动能量及旋转能量转换成电能。

21.如权利要求17至20中任一项所述的监控系统的操作方法，其中该能量转换器会将该电能储存至一电能储存器内，再由该电能储存器将该电能输送至该加速度传感器及该无线信号发送器。

22.如权利要求21所述的监控系统的操作方法，其中当该监控软件判断该作动信号为异常时，该监控软件会发出一警告信号，用以提醒操作者调整步骤a的工艺参数。