CN106695456A - 刀具检测装置及其刀具检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种刀具检测装置及其刀具检测方法。该刀具检测装置适用于具有刀轴的工具机。刀轴用以装设并驱动刀具以进行切削。刀具检测装置包括撷取模块与分析模块。分析模块电连接撷取模块。撷取模块用以撷取刀轴的负载信号。分析模块用以接收负载信号及撷取出特征负载图样，并用以将特征负载图样比对标准负载图样，以产生判断结果。

Description

刀具检测装置及其刀具检测方法

技术领域

本发明涉及一种刀具检测装置及其刀具检测方法，特别是涉及一种即时线上检测的刀具检测装置及其刀具检测方法。

背景技术

工具机用以加工各式零组件，随用途不同又分为车床、铣床、钻床等。在各种应用领域例如国防、航太、汽车等产业，工具机更是不可或缺。实务上，工具机具有种多因素考虑会影响加工件的品质好坏，其中刀具更会直接影响加工件的精度、纹路与光泽等品质要求。而且，刀具在加工的过程中不预期的损伤对工件品质的影响更难以防范。

一般来说，目前检测刀具的方法多为离线式的检测方法，亦即在加工前后以影像或激光等模块，确认刀具在加工后是否有破损。但这样的方法无法及时的监控加工过程及提高加工效率。而目前线上的刀具检测方式，往往需要外加感测器或相应的部件，或者需要很多的数据参数，甚至于需要设置额外的数据库。上述方法不但增加了设备成本，使用上也不方便，对于生产厂商来说更是沉重的负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种刀具检测装置及其刀具检测方法，通过分析工具机任一或多轴马达负载的变化状况，来判断刀具是否适合继续使用，以解决过去刀具检测方法成效不佳的问题。

为达上述目的，本发明所公开的一种刀具检测装置，适用于具有刀轴的工具机。刀轴用以装设并驱动刀具以进行切削。刀具检测装置包括撷取模块与分析模块。撷取模块电连接刀轴，分析模块电连接撷取模块。撷取模块用以撷取刀轴的负载信号。分析模块用以自负载信号撷取并动态产生一连串的特征负载图样，标准负载图样可由动态产生的特征图样中被决定出来，并将最新的特征负载图样比对标准负载图样，以及时产生判断结果。其中，当比对的特征负载图样与标准负载图样的差异大于预设标准时，分析模块即判断刀具不符合标准或不适合继续使用。

本发明公开了一种刀具检测方法，适用于具有刀轴的工具机。刀轴用以装设并驱动刀具以进行切削，刀具检测方法包括接收刀轴的负载信号。再依据负载信号动态产生特征负载图样。并且，将最新的特征负载图样比对标准负载图样，以产生判断结果。然后，当特征负载图样与标准负载图样的差异大于预设标准时，判断刀具不符合标准或不适合继续使用。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例中所绘示的刀具检测装置的功能方块图；

图2A为本发明一实施例中所绘示刀具切削工件的示意图；

图2B为本发明一实施例中以标准刀具切削工件时对应的负载信号的示意图；

图2C为本发明图2B中所绘示负载信号的频谱示意图；

图2D为本发明一实施例中以非标准刀具切削工件时对应的负载信号的示意图；

图2E为本发明图2D中所绘示负载信号对应的频谱的示意图；

图3为本发明一实施例中所绘示的刀具检测方法的流程图。

符号说明

1 刀具驱动装置

12 刀具

122a～122e 刀刃

16 刀轴

2 工件

3 刀具检测装置

32 撷取模块

34 分析模块

An、Bn 特征负载图样

An-1、An-2、Bn-1、Bn-2 负载图样

f1 转动频率

f2 切削频率

F、S 方向

TAn、TAn-1、TAn-2、TBn、TBn-1、TBn-2 参考周期

P1 低频峰值

P2 高频峰值

S301～S307 步骤

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请一并参照图1与图2A，图1为根据本发明一实施例中所绘示的刀具检测装置的功能方块图，图2A为根据本发明一实施例中所绘示刀具切削工件的示意图。刀具检测装置3电连接刀具驱动装置1。刀具检测装置3具有撷取模块32与分析模块34，撷取模块32电连接分析模块34。刀具驱动装置1具有刀具12与刀轴16。刀轴16连接刀具12。撷取模块32电连接刀轴16。分析模块34电连接撷取模块32。刀具驱动装置1例如为一工具机，刀轴16例如为工具机的主轴。事实上，在其他的实施例中，刀具检测装置1还具有进给轴或旋转轴。

刀具12通常具有至少一刀刃，以下以刀具12具有刀刃122a～122e进行说明，但实际上刀具12所包含的刀刃数并不以此为限，也不限制刀刃的材质以及形状。刀刃122a～122e例如环绕刀轴16，且刀刃122a～122e等距离地彼此间隔，但并不以此为限。在图2A所对应的实施例中，刀具12可拆卸地设置于刀轴16的一端，刀轴16例如具有不连续面以连动刀具旋转，但均不以此为限。亦即，使用者可以对应工件2所需，而置换具有任意形式的刀刃的刀具12。换句话说，本发明所公开的刀具检测装置1及刀具检测方法适用于具有任意形式的刀刃的刀具12，而不以附图所绘示者为限制。

刀轴16受驱动而使刀具12的刀刃122a～122e旋转以切削工件2。在一实施例中，刀轴16例如受一马达(未图示)所驱动，刀轴16连接于马达的旋转轴以受马达驱动而带动刀刃122a～122e绕方向S旋转。此外，刀具12还可受刀具驱动装置1的驱动而沿方向F移动以切削工件2。刀轴16依据其受力负载而产生负载信号。负载信号例如为刀具12的振幅、刀具12的转速、转动频率或马达的驱动电流等，但不以此为限。且在实务上，刀具12还可受刀具驱动装置1的驱动而沿其他方向移动而不仅限于方向F。

详细来说，当刀刃122a～122e转动切削到工件2时，刀轴16会承受刀刃122a～122e切削工件2时的反作用力，进而影响到刀具12的振幅、刀具12的转速、转动频率或马达的驱动电流，从而反应在负载信号上。此外，当刀具12的类型或刀刃数不同时，负载信号也会具有对应的波形。例如，即使刀刃数相同，由于标准刀具与刀刃破损的刀具的刀刃状况并不相同，因此所产生负载信号也会具有相应的特征，后续将以图2B～图2D进行详述。

撷取模块32用以自刀轴16取得所述的负载信号，并提供给分析模块34进行分析处理。分析模块34用以依据负载信号撷取出一特征负载图样，并将特征负载图样比对一标准负载图样，以产生一判断结果。而在另一实施例中，撷取模块32除了自刀轴16取得负载信号之外，更自负载信号中撷取得特征负载图样，以供分析模块34进行如前述的分析处理，以产生一判断结果。其中，当特征负载图样与标准负载图样的差异大于预设的标准时，分析模块34判断刀具12不符合标准，也即表示刀具12可能已失去精度或损坏。

需注意的是，当刀具检测装置1还包含进给轴或旋转轴时，刀具检测装置1更可依据刀轴16、进给轴与旋转轴的至少其中之一来产生负载信号。然而在此为求叙述简明，仅以刀轴16进行叙述，但是所属技术领域具有通常知识者经详阅本说明书后当可推得如何以刀轴、进给轴与旋转轴的至少其中之一来实行后续所述的刀具检测装置与方法。

请接着参照图2B以说明当刀具12为标准刀具时的情形，图2B为根据本发明一实施例中以标准刀具切削工件时对应的负载信号的示意图。在图2B中，纵轴为负载，横轴为时间。同样地。当刀刃122a～122e切削到工件2时，刀轴16会承受刀刃122a～122e切削工件2时的反作用力，而使得负载信号具有多个峰值。因此，每一峰值会对应到刀刃122a～122e的其中之一，而使得各峰值分别隐含着刀刃122a～122e的相关信息。

在图2B所对应的实施例中，刀具12为一标准刀具，亦即刀刃122a～122e的状况都佳，因此刀刃122a～122e在切削时均匀受力，各峰值接近，动态产生的负载图样即为每一刀刃的切削负载。而图2B更示意的是，刀具12原本为标准刀具，但在使用过程中刀刃122c突然断刃或其他因素，致使负载信号突然变异。

请一并参照图2C以对分析模块34如何判断刀具12是否符合标准进行说明，图2C为根据本发明图2B中所绘示负载信号的频谱示意图。在图2C中，纵轴为强度，横轴为频率。分析模块34依据负载信号产生对应的频谱。其中，分析模块34例如以快速傅立叶转换(fast fourier transform,FFT)产生对应的频谱，但在此并不限制依据何种演算法自负载信号转换得出频谱，且为求叙述简明，图2C中已省略掉不相关的细节以示意重点，而非绘制真实的频谱。如图2C所示，此频谱具有低频峰值P1与高频峰值P2。其中低频峰值P1对应于刀具12的转动频率f1，而高频峰值P2对应于刀具12的切削频率f2。其中，切削频率f2高于转动频率f1。

在实务上，切削频率f2大致上为转动频率f1的倍频。至于切削频率f2与转动频率f1之间的倍数关系则关联于刀具12的刀刃数以及各刀刃的损坏状况，峰值对应的频率于加工过程中动态产生，且与刀具转速成正比。可以理解的是，当刀具12为标准刀具时，也就是刀具12的刀刃122a～122e状况都佳时，低频峰值P1并不明显，而切削负载的信息将呈现在高频峰值P2的强度上。因此在本实施例中，分析模块34先判断出此时的切削频率f2作为一参考频率，并依据切削频率f2推算得一参考周期TAn。接着，分析模块34依据参考周期TAn的长度，自图2B所示的负载信号撷取出特征负载图样An。在此实施例中，特征负载图样A的长度相同于参考周期TAn。但实际上，分析模块34可更依据参考周期TAn以及其他信息算出另一个适宜的时间长度，并据以撷取出特征负载图样An。而于实务上，分析模块34可依据负载信号的波峰、波谷、其他信号上的特征或是时间上的特征作为特征负载图样An的起点。在此并不限制如何撷取出特征负载图样An。

分析模块34再将特征负载图样An比对于一标准负载图样。标准负载图样例如是自如图2B所示的负载信号中撷取一段时间长度同为标准参考周期TAn的负载信号，且此段负载信号的时间先于特征负载图样An前。在一实施例中，标准负载图样可以是前一次撷取得的特征负载图样An，也就是如图2B所示的负载图样An-1作为标准负载图样。在另一实施例中，分析模块34还同时通过负载图样An-1、An-2作为标准负载图样，以对特征负载图样An进行比对。例如将特征负载图样An分别比对于负载图样An-1、An-2以形成多个比对结果，再综合多个比对结果来判断刀具12是否符合标准。或是，先依据负载图样An-1、An-2产生一个更为适当的比对样本，再将负载图样An比对于此比对样本以判断刀具12是否符合标准。而在更一实施例中，标准负载图样撷取自以另一标准刀具切削工件2的负载信号，以确保标准负载图样的可靠度。

在前述实施例中，由于每次取到的参考周期可能有所差异，因此在一实施例中，在比对前会先对特征负载图样An或标准负载图样至少其中之一进行时间上或振幅上的正规化，以提升比对两者的精确度。更详细地来说，由于刀具12在进行切削时会受到工件2的反作用力，因而影响到刀具12的转动速度，进而影响到负载信号。因此，每次由负载信号判断出的转动频率f2不一定会相同。换句话说，特征负载图样A和标准负载图样所包含的取样点数不见得会相同。因此需要对至少其中之一进行正规化，以进行公平的比对。在实务上例如可用滤波器进行内插或外插以增减取样点数，然此为所属技术领域具有通常识者可依实际所需自行设计，在此并不加以限制。同样的道理，负载信号的振幅也会受到刀具12进行切削过程中的各种因素影响。因此，所属技术领域具有通常识者可依实际所需正规化特征负载图样An的振幅，以精确比对特征负载图样An与标准负载图样。

而在进行比对的时候，分析模块34积分特征负载图样An与标准负载图样的各对应取样点的差值而形成一特征值。当特征值大于一预设阈值时，分析模块34判断刀具不符合标准。或者在另一种作法中，分析模块34依据特征负载图样A与标准负载图样的各取样点计算出一差异比例，并比对差异比例于另一预设阈值。前述为举例示范，所属技术领域具有通常知识者当可依据实际信号而采用适宜的判断准则，凡是采用比对当前一特征信号图样于一标准信号图样的判断方法者都属本发明的范畴。

请再接着参照图2D与图2E，图2D为根据本发明一实施例中以非标准刀具切削工件时对应的负载信号的示意图，图2E为根据本发明图2D中所绘示负载信号对应的频谱的示意图。在图2D与图2E所对应的实施例中，刀具12为非标准刀具。更详细地来说，在图2D与图2E所对应的实施例中，由于每个刀刃122a～122e的锋利程度不一，或是因为刀刃122a～122e卡屑甚至断刃，刀刃122a～122e所对应的负载信号峰值大小并不一致。其中，负载图样可从刀刃122a～122e的切削变化动态产生，亦即刀具一回转的周期时间。

如图2D所示，在图2D最右边的时间区间中，刀刃122a～122e的其中之一发生如上述的毁损的情况，因此各峰值的大小各有程度不一的增减。以下以刀刃122c为例进行说明。刀刃122c对应的峰值明显变小，暗示着刀刃122c可能已经断刃，而其下一个峰值对应的刀刃122d则在此时承受较大的切削力，因此刀刃122d对应的峰值则有所提升。通过类似图2D的负载示意图，使用者可以进行类似于前述的解读，而判断刀刃的状况。前述情境仅为举例示范，并不以此为限。

分析模块34依据如图2D的负载信号产生如图2E的频谱。如图2E所示，此频谱同样具有低频峰值P1与高频峰值P2。其中低频峰值P1对应于刀具12的转动频率f1，而高频峰值P2对应于刀具12的切削频率f2。其中，切削频率f2高于转动频率f1。而与先前叙述不同的是，当刀具12为非标准刀具时，也就是刀具12的刀刃122a～122e状况不一时，高频峰值P2并不明显，而切削负载的信息将呈现在低频峰值P1的强度上。因此在本实施例中，分析模块34先判断出此时的转动频率f1作为一参考频率，并依据转动频率f1推算得一参考周期TBn。接着，分析模块34依据参考周期TBn的长度，自图2D所示的负载信号撷取出特征负载图样Bn。

如图2B～图2D所示，参考周期TAn、TBn的长度会随着刀具12的刀刃数不同或者各刀刃损坏情况而有所变化。例如在图2B、图2C的实施例中，分析模块34推算得的参考周期TAn即与在图2D、图2E的实施例中参考周期TBn有所不同，且依据参考周期TAn取得的特征负载图样An，也与依据参考周期TBn取得的特征负载图样Bn有所不同，例如在时间长度上，或所包含的峰值数量并不相同。然而，以特征负载图样TBn进行后续分析的相关细节是如类似于前述以特征负载图样TAn进行分析的方式，所属技术领域具有通常知识者经详阅本说明书后当可依此类推，于此则不再赘述。

延续上述发想，本发明还提供了一种刀具检测方法。请参照图3，图3为根据本发明一实施例中所绘示的刀具检测方法的流程图。刀具检测方法适用于具有刀轴的工具机，刀轴用以装设并驱动刀具以进行切削。在刀具检测方法的步骤S301中，依据刀轴的负载产生负载信号。接着在步骤S303中，依据负载信号产生特征负载图样。并且在步骤S305中，将特征负载图样比对标准负载图样。然后在步骤S307中，当特征负载图样与标准负载图样的差异大于预设标准时，判断刀具不符合标准。

综合以上所述，本发明所提供的刀具检测装置及其刀具检测方法通过侦测主轴、旋转轴或进给轴上的负载来判断刀具的各刀刃的受力状况或者磨损状况，从而判断出刀具是否堪用。由此，刀具检测装置及其刀具检测方法得以即时线上地检测刀具状况，而不必如目前只能在加工前后检测刀具，提升了加工效率并降低了加工成本。此外，本发明所提供的刀具检测装置及其刀具检测方法也不需如目前离线式刀具检测方法需要额外的感测器或部件即能进行检测，不管是对使用者或者工具机厂而言都提升了方便性，并降低了设备成本，且减轻了维护的负担。

Claims (16)

1.一种刀具检测装置，适用于具有一刀轴的工具机，该刀轴用以装设并驱动一刀具以进行切削，该刀具检测装置包括：

撷取模块，用以撷取该刀轴的一负载信号；以及

分析模块，电连接该撷取模块，用以接收该负载信号及撷取出一特征负载图样，并将该特征负载图样比对一标准负载图样，以产生一判断结果。

2.如权利要求1所述的刀具检测装置，其中该负载信号撷取自该刀轴的一马达。

3.如权利要求1所述的刀具检测装置，其中该分析模块积分该特征负载图样与该标准负载图样的多数对应取样点的差值而产生一特征值，并比对于一预设阈值，以产生该判断结果。

4.如权利要求1所述的刀具检测装置，其中该分析模块自该负载信号判断出一参考频率，并依据该参考频率推算出一参考周期，还依据该参考周期自该负载信号撷取出该特征负载图样，该特征负载图样的时间长度等于该参考周期。

5.如权利要求4所述的刀具检测装置，其中该负载信号的频谱包含一高频峰值与一低频峰值，该高频峰值对应于一切削频率，该低频峰值对应于一转动频率，当该高频峰值大于该低频峰值时，该分析模块定义该切削频率为该参考频率，当该低频峰值大于该高频峰值时，该分析模块定义该转动频率为该参考频率。

6.如权利要求4所述的刀具检测装置，其中该分析模块还依据该标准负载图样正规化该特征负载图样的时间长度或振幅。

7.如权利要求2所述的刀具检测装置，其中该负载信号为该刀具的振幅、该刀具的转速、该转动频率或该马达的驱动电流。

8.如权利要求1所述的刀具检测装置，其中该标准负载图样撷取自该负载信号，且该标准负载图样所对应的时间先于该特征负载图样所对应的时间。

9.如权利要求1所述的刀具检测装置，其中该标准负载图样撷取自一标准刀具进行切削时的该负载信号。

10.一种刀具检测方法，适用于具有一刀轴的工具机，该刀轴用以装设并驱动一刀具以进行切削，该刀具检测方法包括：

接收该刀轴的一负载信号；

依据该负载信号产生一特征负载图样；以及

将该特征负载图样比对一标准负载图样，以产生一判断结果。

11.如权利要求10所述的刀具检测方法，其中在将该特征负载图样比对该标准负载图样的步骤中，还积分该特征负载图样与该标准负载图样的对应取样点的差值以形成一特征值，并比对于一预设阀值，以产生该判断结果。

12.如权利要求10所述的刀具检测方法，其中产生该特征负载图样的步骤为：

自该负载信号判断出一参考频率；

依据该参考频率推算出一参考周期；以及

依据该参考周期自该负载信号撷取出该特征负载图样，该特征负载图样的时间长度等于该参考周期。

13.如权利要求10所述的刀具检测方法，还包含依据该标准负载图样正规化该特征负载图样的时间长度或振幅。

14.如权利要求10所述的刀具检测方法，其中该负载信号为该刀具的振幅、转速、该转动频率或该刀轴的一马达的驱动电流。

15.如权利要求10所述的刀具检测方法，其中该标准负载图样撷取自该负载信号，且该标准负载图样所对应的时间先于该特征负载图样所对应的时间。

16.如权利要求10所述的刀具检测方法，其中该标准负载图样撷取自一标准刀具受驱动进行切削时的该负载信号。