CN106855432B - 撷取动态振动频率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种撷取动态振动频率的方法，包括下列步骤：选用至少五双振动量测元件；决定该第一双至第五双振动量测元件带宽范围；将该第一双至第五双振动量测元件依序在一主轴的几何结构对称的第一侧及第二侧，以对称式布点方式進行振动位移量的量测；校正该第一侧及第二侧的其中一者的该第一至第五振动量测元件所量测的振动位移量，以差动消除产生环境干扰的噪声；计算出位于该第一侧及第二侧的至少一双节点的位置；利用前述步骤的该些振动位移量以推算出一双主谐波的动态振动频率；以及确认该主轴的振动模态。本发明的方法可以快速量测切削过程中的动态振动频率，并可以清楚了解切削动态振动频率、模态、以及节点位置。
Description
技术领域
本发明有关于一种撷取动态振动频率的方法，特别是关于一种撷取切削时动态振动频率的方法。
背景技术
微铣削工艺加工市场需求急增，产业竞争重点已朝向智能化发展，其中最重要的环节是实时切削振动监测考虑，可作为主轴运作状况了解及设备工艺良率控制。然而，目前市售具高精度切削振动感测装置单价较高，导入可行性不佳。
在线颤振抑制（on-line chatter avoidance）主要功能为保护切削工具机。透过安装在切削工具机加工区（如主轴的板金上）的微型振动感测元件，设于后端的分析软体可侦测单一加工时的振动频率，缺乏切削振动模态信息。若已知该主轴的切削动态振动频率及振动模态，则可调整切削的状态，并在线改变转速及进给，进而把工件物料的浪费降到最低，也可避免伤害刀具。
美国专利公开号US 20140067289A1揭示一种整合振动量测及分析系统，其包括一种振动量测讯号处理方法，透过IIR的滤波手段可以分析实时的整合或差动振动讯号，可以降低系统硬件的复杂程度及数据储存需求。
然而，上述专利文献并无揭示将多个振动量测元件在一主轴的两侧进行对称式布点的设计方式，可直接去除环境干扰的噪声，并快速得到切削时动态振动频率及模态信息。
有鉴于此，因此，便有需要提供一种撷取动态振动频率及振动模态的方法，来解决前述的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种撷取切削时动态振动频率的方法，可直接将环境干扰的噪声去除，并快速得到切削时动态振动频率及振动模态。
为达成上述目的，本发明提供一种撷取动态振动频率的方法，包括下列步骤：选用至少五双振动量测元件，其包括第一双振动量测元件至第五双振动量测元件，其中该第一双振动量测元件包括两个第一振动量测元件，该第二双振动量测元件包括两个第二振动量测元件，依此类推；决定该第一双振动量测元件至第五双振动量测元件带宽范围；将该第一双振动量测元件至第五双振动量测元件依序在一主轴的几何结构对称的第一侧及第二侧，以对称式布点方式进行振动位移量的量测；利用该第一双振动量测元件之间、该第三双振动量测元件之间或该第五双振动量测元件之间所量测的振动位移量差值，进行校正该第一侧及第二侧的其中一者的该第一振动量测元件至第五振动量测元件所量测的振动位移量，以差动消除产生环境干扰的噪声；利用该第二双振动量测元件及第四双振动量测元件的已校正及未校正的振动位移量对该第一双振动量测元件、该第三双振动量测元件、及该第五双振动量测元件的已校正及未校正的振动位移量进行内插法计算，用以计算出位于该第一侧及第二侧的至少一双节点的位置；利用前述步骤的这些振动位移量以推算出一双主谐波的动态振动频率；以及确认该主轴的振动模态。
本发明的设计借由一种多个振动量测元件对称布点方式可以快速量测切削过程中的动态振动频率，由于对称布点其感测讯号理论值会相同，但受到环境影响程度不相同，因此借由讯号差值计算方式可以清楚了解切削动态振动频率、模态、以及节点位置。本发明的技术可提出可使该量测系统不会受到环境干扰而影响精度，进而能准确撷取出切削时的动态振动频率及振动模态。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的撷取动态振动频率的方法的流程图；
图2a为本发明一实施例的至少五双振动量测元件的侧视示意图；
图2b为本发明一实施例的切削工具机及量测系统的侧视示意图；以及
图3为本发明一实施例的切削时该第一侧的及第二侧的一双主谐波的示意图。
附图标记说明
100 切削工具机 102 工件
110 主轴 112 刀具
114 夹治具 116 工具机平台
120a 第一侧 120b 第二侧
121a 第一振动量测元件 121b 第一振动量测元件
122a 第二振动量测元件 122b 第二振动量测元件
123a 第三振动量测元件 123b 第三振动量测元件
124a 第四振动量测元件 124b 第四振动量测元件
125a 第五振动量测元件 125b 第五振动量测元件
126 讯号截取盒 128 计算机
S200~S260 步骤。
具体实施方式
请参考图1，其显示本发明的一实施例的撷取动态振动频率的方法，包括下列步骤：
在步骤S200中，选用至少五双振动量测元件，其包括第一双至第五双振动量测元件。请参考图2a，其显示本发明的一实施例的该第一双至第五双振动量测元件。该第一双振动量测元件121a、121b包括两个第一振动量测元件121a、121b，该第二双振动量测元件122a、122b包括两个第二振动量测元件122a、122b，依此类推该振动量测元件可为一振动加速规，用以量测一振动位移量。请参考图2a及图2b，一量测系统包括该第一双至第五双振动量测元件，即总共十个振动量测元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b、一讯号截取盒126及一计算机128，其中该第一双至第五双振动量测元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b电性连接该讯号截取盒126，且该讯号截取盒126电性连接该计算机128。
在步骤S210中，决定该第一双至第五双振动量测元件带宽范围。举例，决定该第一双至第五双振动量测元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b带宽范围介于50Hz~10KHz。该第一双至第五双振动量测元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b带宽范围须涵盖该操作频率范围(例如150Hz~400Hz)。
在步骤S220中，将该第一双至第五双振动量测元件依序在一主轴的几何结构对称的第一侧及第二侧，以对称式布点方式进行振动位移量的量测。请再参考图2b，该主轴为一切削工具机100的一主轴110。详言之，该切削工具机100更包括一刀具112、一夹治具114及一工具机平台116。该刀具112固设于该主轴110，并用以旋转切削一工件102，该夹治具114用以夹持该工件102，且该工具机平台116用以支撑并固定该夹治具114。
该第一双至第五双振动量测元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b依序对称地固设在该主轴110的第一侧120a及第二侧120b。该第一双至第五双振动量测元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b在该主轴110的第一侧120a及第二侧120b的位置为该主轴110的几何结构对称位置(例如该主轴的形状上的对称位置)。在本实施例中，该第一侧120a同一侧的该第一至第五振动量测元件121a、122a、123a、124a、125a相邻的两个振动量测元件以相等距离方式分布在该主轴，该第二侧120b同一侧的该第一至第五振动量测元件121b、122b、123b、124b、125b，相邻的两个振动量测元件亦以相等距离方式分布在该主轴，且两两之间的距离约为50mm。在其他实施例中，同一侧的该第一至第五振动量测元件，相邻的两个振动量测元件以不相等距离方式分布在该主轴，且两两之间的距离可依设计需求而调整成其他数值。
在步骤S230中，于加工状态下，利用该第一双振动量测元件之间、该第三双振动量测元件之间或该第五双振动量测元件之间所量测的振动位移量差值，进行校正该第一侧及第二侧的其中一者的该第一至第五振动量测元件所量测的振动位移量，以差动消除产生环境干扰的噪声（简言之，是透过两讯号对照分析，将环境干扰的噪声利用讯号相减方式抵消）。由于所谓的对称式布点是指该些振动量测元件是设置在该主轴110上几何相对应处，因此振动时这些位置点会有相同增益的振动讯号。环境干扰的噪声去除可借由上述相同的增益振动讯号作为基础值，并利用讯号差值计算方式完成。
在本实施例中，校正该第一侧及第二侧的其中一者的该第一至第五振动量测元件所量测的振动位移量的步骤中，包括下列步骤：计算出该第一双振动量测元件之间所量测的一第一振动位移量差值、该第三双振动量测元件之间所量测的一第三振动位移量差值及第五双振动量测元件之间所量测的一第五振动位移量差值，其中该第一、第三及第五振动位移量差值皆视为至少一噪声所产生的环境干扰值。举例，请参考表1，其显示该第一侧120a的第一至第五振动量测元件121a、122a、123a、124a、125a及第二侧120b的第一至第五振动量测元件121b、122b、123b、124b、125b所量测的原始振动位移量。请参考表2，其显示该第一双振动量测元件121a、121b之间所量测的一第一振动位移量差值、该第三双振动量测元件123a、123b之间所量测的一第三振动位移量差值、第五双振动量测元件1251a、125b之间所量测的一第五振动位移量差值。
| 振动位移量 | 第一振动量测元件 | 第二振动量测元件 | 第三振动量测元件 | 第四振动量测元件 | 第五振动量测元件 |
| 第一侧 | 60μm | 30μm | 10μm | -25μm | -40μm |
| 第二侧 | 50μm | 20μm | 6μm | -35μm | -50μm |
表1
| 振动位移量差值 | 第一双振动量测元件 | 第三双振动量测元件 | 第五双振动量测元件 | ||
| 10μm | 4μm | 10μm |
表2
在本实施例中，校正该第一侧及第二侧的其中一者的该第一至第五振动量测元件所量测的振动位移量的步骤中，更包括下列步骤：比较该同一侧的第一、第三及第五振动量测元件所量测的振动位移量，以得出一最小振动位移量，视为一最小振幅，其中对应该最小振动位移量的该第一、第三及第五振动量测元件的其中一者的位置视为最接近节点，且对应该最小振动位移量的该第一、第三及第五振动位移量差值的其中一者视为最接近该噪声所产生的环境干扰值。举例，请再参考表1，该两第三振动量测元件123a、123b所量测的振动位移量为最小振动位移量，分别是10μm及6μm，可视为该第一侧120a及第二侧120b的最小振幅，其对应位置可视为最接近节点。此时，对应该最小振动位移量的该第一、第三及第五振动位移量差值的其中一者(即第三振动位移量差值)可视为该噪声所造成的环境干扰值，如表2所示。
在本实施例中，校正该第一侧及第二侧的其中一者的该第一至第五振动量测元件所量测的振动位移量的步骤中，更包括下列步骤：比较该第一侧及该第二侧的第一、第三及第五振动量测元件所量测的振动位移量，以得出该第一、第三及第五振动量测元件所量测的振动位移量较大的一侧；以及以最接近该噪声所产生的环境干扰值作为校正振动位移量较大的该侧的该第一振动量测元件至第五振动量测元件所量测的振动位移量。举例，请再参考表1，比较该第一侧120a的第一、第三及第五振动量测元件121a、123a、125a所量测的振动位移量与该第二侧120b的第一、第三及第五振动量测元件121b、123b、125b所量测的振动位移量，可得出该第一侧120a是该第一、第三及第五振动量测元件121a、123a、125a所量测的振动位移量较大的一侧；以及对应该最小振动位移量的该第三振动位移量差值(即最接近该噪声所产生的环境干扰值)作为校正该第一侧120a的该第一至第五振动量测元件121a、122a、123a、124a、125a所量测的振动位移量。请再参考表3，其显示该第一侧102a的已校正的振动位移量及该第二侧120b的未校正的振动位移量。
表3
在步骤S240中，利用该第二双及第四双振动量测元件的已校正及未校正的振动位移量对该第一双振动量测元件、该第三双振动量测元件、及该第五双振动量测元件的已校正及未校正的振动位移量进行内插法计算，用以计算出位于该第一侧及第二侧的至少一双节点的位置。举例，请参考表4，利用内插法可计算出一双节点的位置会位于该第三双振动量测元件123a、123b及第四双振动量测元件124a、124b的位置之间，即可计算出该一双节点的横轴及纵轴坐标值分别为(X1, 0)及(X2, 0)，如图3中（a）与（b）所示。
表4
在步骤S250中，利用步骤S220至步骤S240的该些振动位移量以推算出一双主谐波的动态振动频率。举例，请再参考表4，利用表四的横轴及纵轴坐标值可推导出切削时该第一侧120a的及第二侧120b的一双主谐波，如图3中（a）与（b）所示，并推算出该一双主谐波的动态振动频率。
在步骤S260中，确认该主轴的振动模态。举例，利用该一双主谐波的动态振动频率及该一双节点位置可确认该主轴110的振动模态。
本发明的设计借由一种多个振动量测元件对称布点方式可以快速量测切削过程中的动态振动频率，由于对称布点其感测讯号理论值会相同，但受到环境影响程度不相同，因此借由讯号差值计算方式可以清楚了解切削动态振动频率、模态、以及节点位置。本发明的技术可使该量测系统不会受到环境干扰而影响精度，进而能准确撷取出切削时的动态振动频率及振动模态。
综上所述，仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求文义相符，或依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。
Claims (5)
1.一种撷取动态振动频率的方法，其特征在于，其包括下列步骤：
选用至少五双振动量测元件，其包括第一双振动量测元件至第五双振动量测元件，其中该第一双振动量测元件包括两个第一振动量测元件，该第二双振动量测元件包括两个第二振动量测元件，依此类推；
决定该第一双振动量测元件至第五双振动量测元件带宽范围；
将该第一双振动量测元件至第五双振动量测元件依序在一主轴的几何结构对称的第一侧及第二侧，以对称式布点方式进行振动位移量的量测；
利用该第一双振动量测元件之间、该第三双振动量测元件之间或该第五双振动量测元件之间所量测的振动位移量差值，计算出该第一双振动量测元件之间所量测的一第一振动位移量差值、该第三双振动量测元件之间所量测的一第三振动位移量差值及第五双振动量测元件之间所量测的一第五振动位移量差值，其中该第一、第三及第五振动位移量差值皆视为至少一噪声所产生的环境干扰值；比较同一侧的该第一、第三及第五振动量测元件所量测的振动位移量，以得出一最小振动位移量，视为一最小振幅，其中对应该最小振动位移量的该第一、第三及第五振动量测元件的其中一者的位置视为最接近节点，且对应该最小振动位移量的该第一、第三及第五振动位移量差值的其中一者视为最接近该噪声所产生的环境干扰值；再比较该第一侧及第二侧的第一、第三及第五振动量测元件所量测的振动位移量，以得出该第一、第三及第五振动量测元件所量测的振动位移量较大的一侧；以及以最接近该噪声所产生的环境干扰值作为校正振动位移量较大的该侧的该第一振动量测元件至第五振动量测元件所量测的振动位移量，进行校正该第一侧及第二侧的其中一者的该第一振动量测元件至第五振动量测元件所量测的振动位移量，以差动消除产生环境干扰的噪声；
利用该第二双振动量测元件及第四双振动量测元件的已校正及未校正的振动位移量对该第一双振动量测元件、该第三双振动量测元件、及该第五双振动量测元件的已校正及未校正的振动位移量进行内插法计算，用以计算出位于该第一侧及第二侧的至少一双节点的位置；
利用前述步骤的这些振动位移量以推算出一双主谐波的动态振动频率；以及
确认该主轴的振动模态。
2.如权利要求1所述的撷取动态振动频率的方法，其特征在于，该主轴为一切削工具机的一主轴。
3.如权利要求2 所述的撷取动态振动频率的方法，其特征在于，该切削工具机更包括一刀具、一夹治具及一工具机平台，该刀具固设于该主轴，并用以旋转切削一工件，该夹治具用以夹持该工件，且该工具机平台用以支撑并固定该夹治具。
4.如权利要求1所述的撷取动态振动频率的方法，其特征在于，该振动量测元件为一振动加速规，用以量测一振动位移量。
5.如权利要求1所述的撷取动态振动频率的方法，其特征在于，同一侧的该第一振动量测元件至第五振动量测元件，其相邻的两个振动量测元件以相等或不相等距离方式分布在该主轴。
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