CN105583690A - 具有高频振动的工具机及其感测/回馈信号的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高频振动的工具机，其主轴构造上设有一旋转轴，所述旋转轴的端部设有一刀把夹头用以固定一高频振动刀把。此外，所述旋转轴的上段部设有一转动线圈部；所述主轴构造上对应设有一固定线圈部；及所述高频振动刀把内设有一高频振动模塊。本发明通过非接触式线圈将外部电力/信号传至所述刀把内的高频振动模塊，可避免接触式转动电极的磨损现象，并且由于感应线圈是设置在刀具外，因此可降低刀具成本及增进更换刀具的便利性。此外，本发明通过无线传输的感测/回馈信号的控制方法，提高高频振动刀把的加工稳定性及效率。

Description

具有高频振动的工具机及其感测/回馈信号的控制方法
技术领域
本发明涉及一种具有高频振动的工具机，特别是涉及一种将感应线圈设置在主轴上，再通过接触式电极将电力/信号传送至高频振动刀把的工具机及其感测/回馈信号的控制方法。
背景技术
高频振动切削加工是一种新兴的加工技术，它通过在一般的切削刀具上施加高频振动，使刀具和工件发生间断性的接触，从而使现有切削模式发生了根本性的变化。由于此变化解决了现有切削加工中固有的难题，如切削中的震动和切削热累积及加工品质不稳定等，从而得到优良的切削效果。
现有高频振动的震动装置设在刀柄内，所述刀柄可拆装于一加工机具上，一般高频振动加工机具可分成接触式供电及非接触式供电两种方式，其中接触式供电方式的电极非常容易磨损，因此较新式的高频振动机具多采用非接触式供电的方式。
然而，在现有技术中使用线圈感应的非接触式供电方式会将固定线圈设在加工机具侧，而将转动线圈直接设在刀柄内，其虽然可避免接触式转动电极的磨损现象，但由于感应线圈是设置在刀具内，因此会增加刀具成本，并且也不利于刀具的更换作业。
为了改进上述的缺点，有必要提供一种改良的具有高频振动的工具机及其感测/回馈信号的控制方法，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有高频振动的工具机，其是将感应线圈设置在主轴上，再通过接触式电极将电力及/或信号传送至高频振动的刀具内，可避免接触式转动电极的磨损现象，并且由于感应线圈是设置在刀具外，因此可降低刀具成本及增进更换刀具的便利性。
为达上述目的，本发明提供一种具有高频振动的工具机，其包含一主轴构造及一高频振动刀把，其中所述主轴构造包含：一本体，固定于所述工具机的一加工侧面上；一旋转轴，可转动地设于所述本体内；一刀把夹头，同轴地设于所述旋转轴的下端，所述刀把夹头具有一组同轴设置的定位键，所述定位键的内侧面设有至少一组第一电极；一固定线圈部，包含一固定环及至少一初级线圈，皆呈中空状，相互同轴地叠设固定，并位于所述旋转轴的上段部，所述固定环固定于所述本体上，使所述固定线圈部相对所述本体为固定，一组外部电线电性连接至所述固定环；及一转动线圈部，包含一转动环及至少一次级线圈，皆呈中空状，相互同轴地叠设固定，并设于所述旋转轴的上段部，并且所述次级线圈与所述固定线圈部的初级线圈形成对应，所述转动环固定于所述旋转轴上，使所述转动线圈部随所述旋转轴转动，并且通过至少一组内部电线电性连接至所述定位键内侧面的所述至少一组第一电极。
再者，所述高频振动刀把包含：一刀柄部，设于所述刀把上部，用于与所述主轴构造的刀把夹头形成夹持固定，所述刀柄部包含一组键槽，与所述刀把夹头的所述定位键对应卡合，其外侧设有至少一组第二电极，与所述刀把夹头的所述至少一组第一电极对应接触；一容置部，设于所述刀把中段，内部设有一高频振动模塊，与所述至少一组第二电极电性连接；及一刀具夹头，设于所述刀把下部，用于向下夹持固定一刀具。
此外，所述工具机另包含一自动加工控制模塊及一高频控制模塊，所述自动加工控制模塊控制所述旋转轴转动，使固定于所述刀把下方的刀具转动以进行切削作业；所述高频控制模塊控制电力/信号由所述至少一组外部电线传输至所述固定线圈部的固定环，再传至所述至少一初级线圈，并感应所述转动线圈部的至少一次级线圈形成电力/信号，再传至所述转动环，接着通过所述至少一组内部电线传至所述刀把夹头的至少一组第一电极，再传至所述刀柄部的所述至少一组第二电极，最后传至所述高频振动模塊，使所述刀具形成高频振动。
在本发明的一实施例中，所述第一电极是一接触式弹簧电极，所述第二电极包含设于内圈的导电片及设于外圈的绝缘片。
在本发明的一实施例中，所述高频振动模塊选自一压电致动器、一音圈致动器或一磁致动器。
在本发明的一实施例中，所述初级线圈为两个，所述次级线圈对应为两个，其中一组初级线圈与次级线圈用于电力传输，另一组初级线圈与次级线圈用于信号载波传输。
在本发明的一实施例中，所述工具机另包含一无线信号接收模塊及一计算机模塊，所述高频振动刀把另设有一感测模塊及一无线信号发射模塊；所述感测模塊用于将至少一感测资料通过所述无线信号发射模塊传至所述无线信号接收模塊，并以所述计算机模塊进行分析计算后，所述计算机模塊将结果转为控制指令输出至所述自动加工控制模塊及所述高频控制模塊；及所述自动加工控制模塊调整所述工具机的高频振动刀把的旋转功率及移动进给量，以及所述高频控制模塊调整所述高频振动模塊的振动频率，从而提高所述高频振动刀把的加工稳定性及效率。
在本发明的一实施例中，所述感测模塊包含一应变规，所述感测资料包含所述应变规感测的所述高频振动刀把的内部应力。
在本发明的一实施例中，所述感测模塊包含一温度计，所述感测资料包含所述温度计感测的所述高频振动刀把的温度。
本发明的另一目的在于提供一种高频振动刀具的工具机的感测及/或回馈信号的控制方法，其通过无线传输的感测/回馈信号的控制方法，可提高高频振动刀把的加工稳定性及效率。
为达上述目的，本发明提供一种具有高频振动的工具机的感测/回馈信号的控制方法，包含以下步骤：(a)提供一工具机及一高频振动刀把，所述工具机设有一自动加工控制模塊、一高频控制模塊、一无线信号接收模塊及计算机模塊，所述高频振动刀把设有一高频振动模塊、一感测模塊及一无线信号发射模塊；(b)使用所述自动加工控制模塊控制所述工具机的高频振动刀把的旋转功率及移动进给量以加工一工件，所述高频控制模塊使所述高频振动刀把产生高频振动；(c)使用所述感测模塊将至少一感测资料通过所述无线信号发射模塊传至所述无线信号接收模塊，并以所述计算机模塊进行分析计算；(d)使用所述计算机模塊将结果转为控制指令输出至所述自动加工控制模塊及所述高频控制模塊；及(e)使用所述自动加工控制模塊调整所述工具机的高频振动刀把的旋转功率及移动进给量，以及所述高频控制模塊调整所述高频振动模塊的振动频率，从而提高所述高频振动刀把的加工稳定性及效率。
综上所述，利用本发明的具有高频振动的工具机及其感测/回馈信号的控制方法，除了可降低刀具成本及增进更换刀具的便利性，还可提高高频振动刀把的加工稳定性及效率。
附图说明
图1：本发明一实施例的具有高频振动的工具机的组合示意图；
图2：本发明一实施例的工具机的主轴构造示意图；
图3：本发明一实施例的工具机的高频振动刀把示意图；
图4：本发明一实施例的具有高频振动的工具机的感测/回馈信号的控制方法。
图5A：本发明一实施例的感测模塊的应变规装设示意图；
图5B：本发明一实施例的感测模塊的应变规的加工负载曲线图(调整前)；及
图5C：本发明一实施例的感测模塊的应变规的加工负载曲线图(调整后)。
具体实施方式
为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，幷配合附图，作详细说明。为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。再者，本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参照附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
本发明的工具机可用于一般需要使用高频振动功能的工具机，下文将详细说明所述具有高频振动功能的工具机的构造及其运作原理。
请同时参照图1至图3所示，图1是本发明一实施例的具有高频振动的工具机的组合示意图；图2是本发明一实施例的工具机的主轴构造示意图；及图3是本发明一实施例的工具机的高频振动刀把示意图。本发明的一种具有高频振动的工具机1，其包含一主轴构造100及一高频振动刀把200。其中所述主轴构造100包含一本体110、一旋转轴120及一刀把夹头130。其中，所述本体110系固定于所述工具机1的一加工侧面上；所述旋转轴120可转动地设于所述本体110内；所述刀把夹头130系同轴地设于所述旋转轴120的下端，所述刀把夹头130具有一组同轴设置的定位键131，所述定位键131的内侧面设有至少一组第一电极132。
再者，所述主轴构造100另包含一固定线圈部140及一转动线圈部150。其中所述固定线圈部140包含一固定环141及至少一初级线圈142，皆呈中空状，相互同轴地叠设固定，并位于所述旋转轴120的上段部，所述固定环141固定于所述本体110上，使所述固定线圈部140相对所述本体110为固定，一组外部电线143电性连接至所述固定环141。另外，所述转动线圈部150包含一转动环151及至少一次级线圈152，皆呈中空状，相互同轴地叠设固定，并设于所述旋转轴120的上段部，并且所述次级线圈152与所述固定线圈部140的初级线圈142形成对应，所述转动环151固定于所述旋转轴120上，使所述转动线圈部150随所述旋转轴120转动，并且通过至少一组内部电线153电性连接至所述定位键131内侧面的所述至少一组第一电极132。
如图1及图3所示，所述高频振动刀把200包含一刀柄部210、一容置部220及一刀具夹头230。其中，所述刀柄部210设于所述刀把上部，用于与所述主轴构造100的刀把夹头130形成夹持固定，所述刀柄部210包含一组键槽211，与所述刀把夹头130的所述定位键131对应卡合，其外侧设有至少一组第二电极212，与所述刀把夹头130的所述至少一组第一电极132对应接触；所述容置部220设于所述刀把中段，内部设有一高频振动模塊240，与所述至少一组第二电极212电性连接；此外所述刀具夹头230设于所述刀把200下部，用于向下夹持固定一刀具300。
请再同时参照图4，图4是本发明一实施例的具有高频振动的工具机的控制方法。其中，所述工具机1另包含一自动加工控制模塊160及一高频控制模塊170，所述自动加工控制模塊160控制所述旋转轴120转动，使固定于所述刀把200下方的刀具300转动以进行切削作业；所述高频控制模塊170控制电力及/或信号由所述至少一组外部电线143经由所述固定线圈140部的固定环141，再传至所述至少一初级线圈142，并感应所述转动线圈部150的至少一次级线圈152形成电力/信号，再经由所述转动环151，接着通过所述至少一组内部电线153传至所述刀把夹头130的所述至少一组第一电极132，再传至所述刀柄部210的所述至少一组第二电极212，最后传至所述高频振动模塊240，使所述刀具300形成高频振动。
综上所述，本发明是将所述次级线圈151设置在所述旋转轴120上，再通过接触式第一电极132及第二电极212将电力/信号传送至高频振动的刀具200内，可避免接触式转动电极的磨损现象，并且由于次级线圈151是设置在刀具200外，因此可降低刀具成本及增进更换刀具的便利性。
再者，优选的，所述第一电极132可以是一接触式弹簧电极，所述第二电极212包含设于内圈的导电片及设于外圈的绝缘片。
优选的，所述第一电极132包含一正极及一负极，所述第二电极212对应包含一正极及一负极。
优选的，所述高频振动模塊240选自一压电致动器、一音圈致动器或一磁致动器。
在本发明的另一可能的实施例中，所述初级线圈142可以为两个(或两个以上)，所述次级线圈152对应为两个(或两个以上)，其中一组初级线圈142与次级线圈152用于电力传输及信号载波传输，另一组初级线圈142与次级线圈152用于信号载波传输。
请再次参照图4，图4显示上述具有高频振动的工具机的感测及/或回馈信号的控制方法：
首先，提供一工具机1及一高频振动刀把200，所述工具机1设有一自动加工控制模塊160、一高频控制模塊170、一无线信号接收模塊180及一计算机模塊190，所述高频振动刀把200设有一高频振动模塊240、一感测模塊250及一无线信号发射模塊260。
接着，使用所述自动加工控制模塊160使所述工具机1的高频振动刀把200的旋转功率及移动进给量以加工一工件，所述高频控制模塊170使所述高频振动刀把200产生高频振动。
再接着，使用所述感测模塊250将至少一感测资料通过所述无线信号发射模塊260传至所述无线信号接收模塊180，并以所述计算机模塊190进行分析计算。
再接着，使用所述计算机模塊190将结果转为控制指令输出至所述自动加工控制模塊160及所述高频控制模塊170。
最后，使用所述自动加工控制模塊160调整所述工具机1的高频振动刀把200的旋转功率及移动进给量，以及所述高频控制模塊170调整所述高频振动模塊240的振动频率，从而提高所述高频振动刀把200的加工稳定性及效率。
综上所述，本发明的具有高频振动的工具机另包含所述一无线信号接收模塊180及一计算机模塊190；以及所述高频振动刀把200另设有一感测模塊250及一无线信号发射模塊260。因此，所述感测模塊250将至少一感测资料通过所述无线信号发射模塊260传至所述无线信号接收模塊180，并以所述计算机模塊190进行分析计算后，将所述计算机模塊190将结果转为控制指令输出至所述自动加工控制模塊160及所述高频控制模塊170以提高所述高频振动刀把200的加工稳定性及效率。
再者，优选的，所述感测模塊250可包含一应变规，所述感测资料包含所述应变规感测的所述高频振动刀把200的内部应力。
优选的，所述感测模塊250可包含一温度计，所述感测资料包含所述温度计感测的所述高频振动刀把200的温度。
优选的，所述感测信号得经信号放大器(未绘示)来增强。
可选的，所述高频振动刀把200也可以通过上述非接触式线圈传输电力/信号的方式，将其高频振动频率的数据反向传输至所述计算机模塊190，从而控制所述高频控制模塊170调整所述高频振动模塊240的振动频率，然而这属于已知的现有技术，可并用于本发明中，在此不再赘述。
在本发明中，是通过无线传输的感测/回馈信号的方式，将感测到的资料，例如上述高频振动模塊240的高频振动频率、应变规感测的刀把200内部应力及/或刀把200的温度等数据传送至所述计算机模塊190进行综合分析，以控制所述自动加工控制模塊160及/或所述高频控制模塊170。
如图5A所示，所述感测模塊250可包含至少一应变规251，其可安装在所述高频振动刀把200内的任一方向上，用以感测所述高频振动刀把200在此一方向上的内部应力变化值，即加工负载值。此时，通过所述感测资料，所述计算机模塊190即可分析该高频振动刀把200在此一方向上的加工负载的变化情形。
例如，通过一理想状况或记录上一次的应变规加工负载来建立一标准的加工负载曲线S0，并设定一预设值范围，上限MAX及下限MIN。如图5B所示，当所述计算机模塊190将回传的感测资料进行分析计算后，若发现所述加工负载值S1超过所述预设值范围MAX时，所述计算机模塊190即下控制指令使所述自动加工控制模塊160降低所述高频振动刀把200的旋转功率及/或移动进几量，以减轻此一方向的加工负载。接着，如图5C所示，此时回传的感测资料显示所述加工负载值S1已回到所述预设值范围内，因而可提高所述高频振动刀把200的加工稳定性。
相反地，若是所述计算机模塊190发现所述加工负载值S1低于一预设值范围MIN时(未绘示)，所述计算机模塊190即下控制指令使所述自动加工控制模塊160提高所述高频振动刀把200的旋转功率及/或移动进几量，因而可提高所述高频振动刀把200的效率。
当然，所述高频振动刀把200也可以选择安装多个应变规251于多个想要感测的方向上，以感测出高频振动刀把200在各方向或轴向上的负载情形，或用来判断刀具的损耗情形，从而控制所述自动加工控制模塊160调整所述高频振动刀把200的旋转功率及移动进给量。
通过上述的设计，本发明通过非接触式线圈传输电力/信号，避免电极磨损；并且将线圈设在刀具外，降低刀具成本及增进更换刀具的便利性。此外，本发明通过无线传输的感测/回馈信号的控制方法，提高高频振动刀把的加工稳定性及效率。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反的，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种具有高频振动的工具机，包含一主轴构造及一高频振动刀把，其特征在于：所述主轴构造包含：
一本体，固定于所述工具机的一加工侧面上；
一旋转轴，可转动地设于所述本体内；
一刀把夹头，同轴地设于所述旋转轴的下端，所述刀把夹头具有一组同轴设置的定位键，所述定位键的内侧面设有至少一组第一电极；
一固定线圈部，包含一固定环及至少一初级线圈，皆呈中空状，相互同轴地叠设固定，并位于所述旋转轴的上段部，所述固定环固定于所述本体上，使所述固定线圈部相对所述本体为固定，一组外部电线电性连接至所述固定环；及一转动线圈部，包含一转动环及至少一次级线圈，皆呈中空状，相互同轴地叠设固定，并设于所述旋转轴的上段部，并且所述次级线圈与所述固定线圈部的初级线圈形成对应，所述转动环固定于所述旋转轴上，使所述转动线圈部随所述旋转轴转动，并且通过至少一组内部电线电性连接至所述定位键内侧面的所述至少一组第一电极；
其中所述高频振动刀把包含：
一刀柄部，设于所述刀把上部，用于与所述主轴构造的刀把夹头形成夹持固定，所述刀柄部包含一组键槽，与所述刀把夹头的所述定位键对应卡合，其外侧设有至少一组第二电极，与所述刀把夹头的所述至少一组第一电极对应接触；
一容置部，设于所述刀把中段，内部设有一高频振动模塊，与所述至少一组第二电极电性连接；及
一刀具夹头，设于所述刀把下部，用于向下夹持固定一刀具；
其中所述工具机另包含一自动加工控制模塊及一高频控制模塊，所述自动加工控制模塊控制所述旋转轴转动，使固定于所述刀把下方的刀具转动以进行切削作业；所述高频控制模塊控制电力/信号由所述至少一组外部电线传输至所述固定线圈部的固定环，再传至所述至少一初级线圈，并感应所述转动线圈部的至少一次级线圈形成电力/信号，再传至所述转动环，接着通过所述至少一组内部电线传至所述刀把夹头的至少一组第一电极，再传至所述刀柄部的所述至少一组第二电极，最后传至所述高频振动模塊，使所述刀具形成高频振动。
2.如权利要求1所述的工具机，其特征在于：所述第一电极是一接触式弹簧电极，所述第二电极包含设于内圈的导电片及设于外圈的绝缘片。
3.如权利要求1所述的工具机，其特征在于：所述高频振动模塊选自一压电致动器、一音圈致动器或一磁致动器。
4.如权利要求1所述的工具机，其特征在于：所述初级线圈为两个，所述次级线圈对应为两个，其中一组初级线圈与次级线圈用于电力传输，另一组初级线圈与次级线圈用于信号载波传输。
5.如权利要求1所述的工具机，其特征在于：所述工具机另包含一无线信号接收模塊及一计算机模塊，所述高频振动刀把另设有一感测模塊及一无线信号发射模塊；所述感测模塊用于将至少一感测资料通过所述无线信号发射模塊传至所述无线信号接收模塊，并以所述计算机模塊进行分析计算后，所述计算机模塊将结果转为控制指令输出至所述自动加工控制模塊及所述高频控制模塊；及所述自动加工控制模塊调整所述工具机的高频振动刀把的旋转功率及移动进给量，以及所述高频控制模塊调整所述高频振动模塊的振动频率。
6.如权利要求5所述的工具机，其特征在于：所述感测模塊包含一应变规，所述感测资料包含所述应变规感测的所述高频振动刀把的内部应力。
7.如权利要求5所述的工具机，其特征在于：所述感测模塊包含一温度计，所述感测资料包含所述温度计感测的所述高频振动刀把的温度。
8.一种具有高频振动的工具机的感测/回馈信号的控制方法，其特征在于：所述控制方法包含以下步骤：
(a)提供一工具机及一高频振动刀把，所述工具机设有一自动加工控制模塊、一高频控制模塊、一无线信号接收模塊及计算机模塊，所述高频振动刀把设有一高频振动模塊、一感测模塊及一无线信号发射模塊；
(b)使用所述自动加工控制模塊控制所述高频振动刀把的旋转功率及移动进给量以加工一工件，所述高频控制模塊使所述高频振动刀把产生高频振动；
(c)使用所述感测模塊将至少一感测资料通过所述无线信号发射模塊传至所述无线信号接收模塊，并以所述计算机模塊进行分析计算；
(d)使用所述计算机模塊将结果转为控制指令输出至所述自动加工控制模塊及所述高频控制模塊；及
(e)使用所述自动加工控制模塊调整所述工具机的高频振动刀把的旋转功率及移动进给量，以及所述高频控制模塊调整所述高频振动模塊的振动频率。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述感测模塊包含一应变规，所述感测资料包含所述应变规感测的所述高频振动刀把的内部应力。
10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述感测模塊包含一温度计，所述感测资料包含所述温度计感测的所述高频振动刀把的温度。
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