CN108363822A - 刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法，其主要是于一综合加工机的计算机中内建一刀具刚性预测单元，刀具刚性预测单元包含主轴刚性模型、各类型刀杆数据库模块、刀具刚性演算模块、稳态切削条件计算模块，此刀具刚性预测单元储存于工具机的计算机内部，根据切削信号判断为发生颤振时，通过人机接口选择刀杆类型，并输入刀具参数与切削参数，稳态切削条件计算模块可利用切削颤振模型分析该些系统动态参数，进而计算出加工机最佳的主轴转速与切削深度，以此修正综合加工机的主轴转速与切削深度，以避免刀具颤振。

Description

刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法

技术领域

本发明是关于一种刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法，特别指一种能根据储存于工具机的计算机内部的主轴刚性数据，通过操作者于人机接口选择刀杆型式与刀具参数，进而得到最佳的转速与切削深度的条件；此为一于加工进行当中，控制系统检测切削信号发生异常，并根据刀杆刀具型式而计算出最佳切削条件的加工最佳化方法。

背景技术

传统的工具机进行切削加工时，加工师傅会依据刀具商提供的切削条件来设定加工程序的转速和切削深度，但不同机台制造商其机台特性不一样，对于同样的刀具和切削条件不一定完全适用，当加工过程发生异常声音或振动、工件表面纹路不佳时，通常以降低转速与切深的方式来避免异常状况发生，但是这样会导致生产效率降低，终究不是克服问题的最佳方法。

近几年来，由于感测器技术的发展，与计算机运算处理技术的成熟，加工即时抑制切削异常的应用技术愈来愈广泛，所利用的技术即是数字信号的傅立叶转换分析，与Altintas的颤振理论。参阅图1所示，一种习知的刀具抑制切削颤振的方法，其实施的程序包含：(a)颤振发生时，执行(b)停止机台的动作，并退出刀具，然后使用(c)冲击槌敲击刀尖点，并以(d)加速规测量刀尖点响应，再通过(e)撷取卡撷取信号(加速规所测得的信号)，撷取卡将信号传递至计算机进行(f)计算机信号分析处理得到刀具刚性；其后，再用计算机运算软件(g)计算切削稳态图，(h)使用者选择适当切削条件，然后(i)工具机继续进行切削，以达到(j)颤振停止的目标；但是，上述的方式需停止工具机，并花费大量时间与人力去进行，不敷业界的操作成本控制。

故近年来使用感测器加速规检测切削振动或是麦克风撷取异音信号，通过傅立叶转换分析信号后得到切削颤振的频率，再以快速公式S＝fc*60/Z/N(S＝主轴转速，fc＝颤振频率，Z＝刀具刃数，N＝1、2、3…)计算出最佳切削转速，抑制异常振动并继续进行切削为较多工具机操作人员所使用，此方式虽然可以快速地找出最佳转速，但仍无法得知最佳切深的资讯，而且其计算出的最佳转速为一大约估计的数值，因此仍然很有可能是不稳定的切削条件。因此，如何准确地提供稳定的切削条件资讯给操作人员，仍是一项综合加工机产业亟待改进的课题。

发明内容

本发明的主要目的，是在提供一种刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法，通过计算机内建立的该工具机的主轴刚性数据、刀具刚性模型与各类型刀杆数据库模块，在加工过程当中检测到加工异常，便将主轴刚性数据结合使用中的刀杆模块与刀具参数，经由模型计算出最佳的切削转速与切深，抑制加工异常状况的发生，并增进刀具使用寿命与机台加工效率，较为以前所已知的刀具敲击测试寻找最佳条件知方式节省时间与人力，且无实验仪器耗材等问题。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置，其包含：设置在一综合加工机的至少一感测单元、一撷取单元及一计算机；该感测单元装设于该综合加工机的主轴，测量该主轴的振动，并将所测得的振动信号回馈给该撷取单元进行读取；该撷取单元与该感测单元及该计算机连接，撷取该撷取单元所得的振动信号，并将振动信号转换成计算机可读取的信号，传递至该计算机；该计算机内建一刀具刚性预测单元，并连接于该撷取单元与该综合加工机的控制器之间，该刀具刚性预测单元包含一主轴刚性模型、一各类型刀杆数据库模块、一刀具刚性演算模块、一稳态切削条件计算模块；该主轴刚性模型包含有该综合加工机的主轴的刚性数据；该各类型刀杆数据库模块包含各种刀型杆的简化尺寸数据；该刀具刚性演算模块抓取该各类刀型杆数据库模块的刀杆数据，结合输入的刀具参数与切削参数进行有限元素分割动作，将分割完成后的模型与该主轴刚性模块进行迭加运算以得到刀具刀尖点刚性；该稳态切削条件计算模块以刀尖点刚性进行运算以找到主轴转速与切削深度。

本发明实施例还提供一种刀具刚性预测用于抑制切削颤振的方法，其包含：设置在一综合加工机的至少一感测单元、一撷取单元及一计算机；当该综合加工机在加工进行时，通过该撷取单元撷取主轴的振动信号，并传输至该计算机进行分析；通过计算机的计算机程序判断是否发生颤振，若计算机程序判断到发生颤振，即自动控制该综合加工机暂停加工；再由该综合加工机的控制器的人机接口显示出刀杆类型、刀具参数与切削参数的输入画面，进行选择与输入刀杆类型、刀具参数与切削参数；输入完成后，该控制器将输入的数据传至该计算机内建的一刀具刚性预测单元，该刀具刚性预测单元通过所输入的刀杆类型、刀具参数与切削参数进行运算而得到刀尖点刚性，该刀具刚性预测单元根据该刀尖点刚性数据，运算得到多组主轴转速与切削深度的切削条件，并输出至该综合加工机的人机接口上供使用者任意选择一切削条件；然后该综合加工机的控制器根据选择的切削条件修改主轴转速与切削深度，并继续进行加工。

本发明实施例的刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法，其较佳技术方案包含：利用感测单元检测加工时的振动信号，以傅立叶转换出该信号频率响应图，当出现非刀具切削频率(即颤振频率)信号时，控制器即停止加工程序并警告使用者加工发生异常，请使用者输入该加工刀杆与刀具参数，计算机会将此加工刀杆与刀具模型结合该主轴刚性数据，通过内部计算机运算，输出最佳转速与切深条件供使用者选择，使用者任意选择该条件加工即可避开颤振，此时撷取的振动信号，切削颤振频率消失，仅剩稳定的刀具切削频率。

附图说明

以下配合附图详细说明本发明的特征及优点：

图1为已知抑制颤振方法的实施步骤的示意图。

图2为本发明抑制颤振系统的总体方块示意图。

图3为本发明抑制颤振方法各项步骤的执行示意图。

图4为本发明抑制颤振方法各项步骤的判断及执行程序示意图。

图5为本发明抑制颤振方法的实施步骤示意图。

附图标记：

10 综合加工机

101 主轴

1 感测单元

2 撷取单元

3 计算机

4 刀具刚性预测单元

41 主轴刚性模型

42 各类型刀杆数据库模块

43 刀具刚性演算模块

44 稳态切削条件计算模块

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明实施例的刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法，为一种以有限元素法理论为基础的预测刀具刚性技术，得以预测当下加工状态下的最佳削转速与切削深度，进而使综合加工机能避开切削颤振，并提升刀具寿命与加工的效率。参阅图2所示，其较佳的具体实施例包含设置在综合加工机10的至少一感测单元1、一撷取单元2及一计算机3，作为执行本发明抑制切削颤振技术的硬件装置，其中：

该感测单元1较佳的为一种用于对综合加工机10进行振动监测的振动感测器(例如加速规)，该振动感测器具体的装设于综合加工机10的振动发生位置，例如主轴101或其他选定位置，用以测量该综合加工机10主轴101的振动，并能将所测得的振动信号回馈给下述的撷取单元2进行读取；

该撷取单元2为一种感测器的信号撷取装置，其是与上述的感测单元1的振动感测器及该计算机3构成连接，用以撷取该振动感测器所得的振动信号，并将振动信号转换成计算机可读取的信号，传递至上述的计算机3；该撷取单元2包含有单晶片的处理及运算，用来做高速采样、数字转换及过滤噪声干扰，以获得正确的振动数据；另外还有配置存储装置(例如SD卡)可作即时异常振动储存，且撷取单元是与前述的计算机连接；

该计算机3是设置在该综合加工机10的工业计算机，该计算机3内建一刀具刚性预测单元，并连接于该撷取单元2与综合加工机10的控制器之间做数据汇整桥梁，进而执行综合加工机10的振动信号运算分析、刀具刚性计算等动作，通过该计算机3可对综合加工机10所产生的振动经过振动感测器及撷取单元2进行监控，并藉计算机3运算分析判断是否发生切削颤振，再由计算机3回馈综合加工机10的控制器最佳的切削条件。

通过上述该感测单元1、撷取单元2与计算机3等装置与综合加工机10的配置，并参阅图3所示，其刀具刚性预测抑制切削颤振的执行的方式为：由该感测单元1(振动感测器)进行监测振动，取得综合加工机10的主轴101振动信号与转速，并回馈至该撷取单元2，使该撷取单元2撷取振动信号与转速，并经由该撷取单元2传送至计算机3中；该计算机3内的刀具刚性预测单元会以该综合加工机10在加工程序运作中所撷取到主轴101的振动信号，进行振动信息分析，通过快速傅立叶转换找出主轴101加工颤振频率的变化，藉此用来判断是否达到颤振发生的条件(判断颤振是否发生)；若达到颤振发生的条件时，并即时停止加工程序，待使用者于综合加工机的操作面板输入该综合加工机切削条件(包含加工刀杆与刀具参数、切削参数输入)；该计算机3的刀具刚性预测单元便根据这些参数结合主轴刚性数据做刀具刚性计算，最后得出当下的最佳切削参数(转速与切削深度)，并输出到该综合加工机10的控制器操作面板，提供使用者选择，使用这些最佳条件进行加工，使得综合加工机的切削效率有效提升。

参阅图4所示，上述该刀具刚性预测单元4内建于上述的计算机3当中，其包含主轴刚性模型41、各类型刀杆数据库模块42、刀具刚性演算模块43、稳态切削条件计算模块44；其中，该主轴刚性模型41包含有该综合加工机10的主轴101的刚性数据，为频率(Hz)对应刚性(um/N)的数据；该各类型刀杆数据库模块42包含各种刀杆的简化尺寸数据(长度、外径、内径、锥度…等)；该刀具刚性演算模块43则为以材料力学理论与有限元素演算法结合的运算程序；该稳态切削条件计算模块44为以刀尖点刚性与切削条件快速找到最佳主轴转速与切削深度的运算程序；使用者经由人机接口(控制面板)输入刀杆类型后，该刀具刚性预测单元4便会从各类刀型杆数据库模块42中抓取相对应的刀杆数据，接着使用者继续输入刀具参数(直径、刃数、刀长、伸长量)、切削参数，该刀具刚性预测单元4即会结合刀杆数据与刀具参数与切削参数的数据，并进行有限元素分割动作，该刀具刚性演算模块43将分割完成后的模型与该主轴刚性模块41进行迭加运算以得到最终的刀具刀尖点刚性，其后经由该稳态切削条件计算模块44运算出最佳的切削条件。

再参阅图4所示，本发明刀具刚性预测抑制切削颤振的技术方法，其实施的方法包括：当该综合加工机10在加工进行时，通过上述该撷取单元2高速撷取主轴101的振动信号，并传输至计算机3进行分析；再通过计算机3的计算机程序判断是否发生颤振，若计算机程序判断到发生颤振，即自动控制该综合加工机10暂停加工；该综合加工机10的控制器的人机接口即显示出刀杆类型、刀具参数、切削参数的输入画面，用以提供使用者进行选择与输入；输入完成后，控制器随即将这些数据传至计算机3的刀具刚性预测单元4，该刀具刚性预测单元4即通过这些数据进行如上述的动作，进而得到刀尖点刚性，其中上述该稳态切削条件计算模块44抓取此刀尖点刚性数据，快速运算得到最佳的五组主轴转速(切削转速)与切削深度的切削条件，并输出至人机接口上供使用者任意选择一切削条件；然后该综合加工机10的控制器即根据使用者选择的切削条件修改为最佳主轴转速与切削深度，并继续进行加工，同时该计算机3继续进行振动信号的撷取与计算机程序分析判断是否发生颤振。

再参阅图5所示，本发明刀具刚性预测抑制切削颤振方法与图1所示已知的刀具抑制切削颤振的方法比较，已知的刀具刚性得到方法的步骤(a)～(f)，分别为停止机台及退出刀具的作动，并须使用仪器设备进行敲击测量的动作，停机时间长久，机台需要再经过暖机程序才能再继续进行切削。而本发明的方法为暂停机台加工(b’)，没有退出刀具，并且直接在人机介板上选择刀杆类型(c’)、输入刀具参数(d’)与输入切削参数(e’)，便能通过图4所示的该刀具刚性预测单元4运算而得到刀尖点刚性，其过程快速，大量减少停机成本且没有仪器(加速规、冲击锤、信号线…等)消耗、损坏维修问题。再者，在寻找最佳切削条件方面，已知的方法为以人工方式找寻切削稳态图的最佳切削点，而本发明所述的稳态切削条件计算模块44能够帮助操作者快速在稳态图上找到稳定切削点，并将最佳切削条件输出于操作画面上让使用者直接点选，选择完切削条件即能马上继续进行加工动作，更为简易且减少人为判断时间与失误机会。

本发明刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置及方法所达成的效果，在抑制切削颤振方面，是根据有限元素法理论基础完成预测刀具刚性动作，将刀具刚性以理论模型的方式得到，此方法可改善已知抑制颤振技术中，需通过仪器设备实验方式得到刀具刚性，停止机台造成停机成本与人力的耗费，抑或通过感测器测量颤振频率，以简易公式计算最佳转速，而没有最佳切削深度资讯与计算结果可能存在误差等问题。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围的内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置，其特征在于，所述装置包含：设置在一综合加工机的至少一感测单元、一撷取单元及一计算机；所述感测单元装设于所述综合加工机的主轴，测量所述主轴的振动，并将所测得的振动信号回馈给所述撷取单元进行读取；所述撷取单元与所述感测单元及所述计算机连接，撷取所述撷取单元所得的振动信号，并将振动信号转换成计算机可读取的信号，传递至所述计算机；所述计算机内建一刀具刚性预测单元，并连接于所述撷取单元与所述综合加工机的控制器之间，所述刀具刚性预测单元包含一主轴刚性模型、一各类型刀杆数据库模块、一刀具刚性演算模块、一稳态切削条件计算模块；所述主轴刚性模型包含有所述综合加工机的主轴的刚性数据；所述各类型刀杆数据库模块包含各种刀型杆的简化尺寸数据；所述刀具刚性演算模块抓取所述各类型刀杆数据库模块的刀杆数据，结合输入的刀具参数与切削参数进行有限元素分割动作，将分割完成后的模型与所述主轴刚性模块进行迭加运算以得到刀具刀尖点刚性；所述稳态切削条件计算模块以刀尖点刚性进行运算以找到主轴转速与切削深度。

2.如权利要求1所述的刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置，其特征在于，所述感测单元为一振动感测器。

3.如权利要求1所述的刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置，其特征在于，所述撷取单元包含一单晶片，用于做采样、数字转换及过滤噪声干扰。

4.如权利要求1所述的刀具刚性预测用于抑制切削颤振的装置，其特征在于，所述撷取单元包含一存储装置用于即时异常振动储存。

5.一种刀具刚性预测用于抑制切削颤振的方法，其特征在于，所述方法包含：设置在一综合加工机的至少一感测单元、一撷取单元及一计算机；当所述综合加工机在加工进行时，通过所述撷取单元撷取主轴的振动信号，并传输至所述计算机进行分析；通过计算机的计算机程序判断是否发生颤振，若计算机程序判断到发生颤振，即自动控制所述综合加工机暂停加工；再由所述综合加工机的控制器的人机接口显示出刀杆类型、刀具参数与切削参数的输入画面，进行选择与输入刀杆类型、刀具参数与切削参数；输入完成后，所述控制器将输入的数据传至所述计算机内建的一刀具刚性预测单元，所述刀具刚性预测单元通过所输入的刀杆类型、刀具参数与切削参数进行运算而得到刀尖点刚性，所述刀具刚性预测单元根据所述刀尖点刚性数据，运算得到多组主轴转速与切削深度的切削条件，并输出至所述综合加工机的人机接口上供使用者任意选择一切削条件；然后所述综合加工机的控制器根据选择的切削条件修改主轴转速与切削深度，并继续进行加工。

6.如权利要求5所述的刀具刚性预测用于抑制切削颤振的方法，其特征在于，所述刀具刚性预测单元包含一主轴刚性模型、一各类型刀杆数据库模块、一刀具刚性演算模块、一稳态切削条件计算模块；所述主轴刚性模型包含有所述综合加工机的主轴的刚性数据；所述各类型刀杆数据库模块包含各种刀型杆的简化尺寸数据；所述刀具刚性演算模块抓取所述各类型刀杆数据库模块的刀杆数据，结合输入的刀具参数与切削参数进行有限元素分割动作，将分割完成后的模型与所述主轴刚性模块进行迭加运算以得到刀具刀尖点刚性；所述稳态切削条件计算模块以刀尖点刚性进行运算以找到主轴转速与切削深度。