CN111251019A - 夹持装置及应用其的夹持系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种夹持装置及应用其的夹持系统，其中该夹持装置包括第一夹持器及第二夹持器。第一夹持器包括第一抵接件及驱动件。驱动件连接第一抵接件。第二夹持器包括第二抵接件。第一抵接件与第二抵接件是相对配置且彼此间隔，以容置工件，驱动件连接第一抵接件，以驱动第一抵接件往第二抵接件的方向移动，以将工件夹持在第一抵接件与该第二抵接件之间。

Description

夹持装置及应用其的夹持系统
技术领域
本发明涉及一种夹持装置及应用其的夹持系统，且特别是涉及一种具有驱动式夹持器的夹持装置及应用其的夹持系统。
背景技术
目前夹持工件的方式是提高夹持力，而且夹持力是固定的。然而，在加工过程中随着工件几何型态的改变(由于部分材料被移除)，工具机与工件构成的整体系统的自然共振频率也会随之改变，此反而导致加工过程中可能突然发生共振现象。共振现象必然导致工件的加工精度劣化。因此，如何提出一种新的夹持装置是本技术领域业者努力的方向之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种夹持装置及应用其的夹持系统，可改善前述现有问题。
本发明一实施例提出一种夹持装置。夹持装置包括一第一夹持器及一第二夹持器。第一夹持器包括一第一抵接件及一第一驱动件。第一驱动件连接第一抵接件。第二夹持器包括一第二抵接件。第一抵接件与第二抵接件相对配置且彼此间隔，以容置一工件，第一驱动件连接第一抵接件，以驱动第一抵接件往第二抵接件的方向移动，以将工件夹持在第一抵接件与该第二抵接件之间。
本发明另一实施例提出一种夹持系统。夹持系统包括一如前述的夹持装置、一传感器及一处理器。夹持装置用以安装在一工具机且用以夹持工件，其中工具机、夹持装置与工件成为一工具机系统。传感器用以感测工具机系统的一响应信号。处理器用以：分析响应信号，以取得响应信号的一运动方程式；将第一抵接件的一第一刚性系数及第二抵接件的一第二刚性系数加入运动方程式，以取得一最佳系统自然共振频率，最佳系统自然共振频率对应一第一最佳刚性系数及一第二最佳刚性系数；以及，控制夹持装置的第一驱动件驱动第一抵接件往第二抵接件的方向移动，使第一抵接件形变且第二抵接件形变，进而使第一抵接件的第一刚性系数符合第一最佳刚性系数且使第二抵接件的第二刚性系数符合第二最佳刚性系数。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附的附图详细说明如下：
附图说明
图1为本发明一实施例的夹持系统的俯视图；
图2为图1的夹持系统100的夹持控制方法的流程图；
图3为图1的第一抵接件形变与第二抵接件形变的示意图；
图4为应用本发明实施例的夹持系统的切削位置与系统自然共振频率的关系图；
图5为图1的夹持装置的示意图；
图6为图1的夹持装置的俯视图；
图7为本发明另一实施例的夹持装置的俯视图；
图8为本发明另一实施例的夹持装置的俯视图。
符号说明
10：工具机
11：平台
12：刀具
10’：工具机系统
20、20’：工件
100：夹持系统
110、210、310：夹持装置
110A、110B、110C、310A：夹持组
111：第一夹持器
111a：第一抵接件
111b：第一驱动件
111b1：第一外壳
111b2：第一连接件
111b3：压电元件
112：第二夹持器
112a：第二抵接件
112b：第二驱动件
112b1：第二外壳
112b2：第二连接件
113a、113b、313：夹座
120：传感器
130：处理器
140：放大器
150：数据采集器
C：系统阻尼系数
C1、C2：曲线
Cc1：第一阻尼系数
Cc2：第二阻尼系数
F1：第一夹持力
F2：第二夹持力
H(w)：振动响应
K：系统刚性系数
Kc1：第一刚性系数
Kc1,B：第一最佳刚性系数
Kc2：第二刚性系数
Kc2,B：第二最佳刚性系数
L1：直线
L2：曲线
L3：延伸线
M：系统质量
P1：中心点
p：阻尼比
R1：响应信号
S1：控制信号
S2：驱动信号
S110～S140：步骤
SDC：比制震能
St：抗拉强度
SP1：间隔
T1：厚度
W1：宽度
ω：工作频率
ωn：系统自然共振频率
ωn，B：最佳系统自然共振频率
具体实施方式
请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的夹持系统100的俯视图。夹持系统100包括夹持装置110、传感器120、处理器130、放大器140及数据采集器(Data acquisition,DAQ)150。数据采集器150电连接传感器120、处理器130及放大器140，以收集及/或传输此些元件之间的信号。处理器130及放大器140例如是采用半导体制作工艺形成的电路结构(circuit)。数据采集器150例如是一实体机器，其包含至少一收集且/或处理数据的电路结构。
夹持装置110用以安装在工具机10上且用以夹持工件20。夹持装置110包括至少一第一夹持器111及至少一第二夹持器112。工具机10至少包含平台11、刀具12、第一夹座113a及第二夹座113b。第一夹座113a及第二夹座113b可安装在平台11上。第一夹座113a及第二夹座113b可相对移动，以夹紧工件20或释放工件20。此外，工具机10的第一夹座113a、第二夹座113b、夹持装置110与工件20可构成一工具机系统10’，然而视实际情况而定，工具机系统10’可还包含平台11的至少一部分，或更包含平台11的至少一部分与工具机10的其它部分。
第一夹持器111及第二夹持器112分别配置在第一夹座113a及第二夹座113b。在另一实施例中，图1的第一夹持器111及第二夹持器112的位置也可对调。第一夹持器111包括第一抵接件111a及第一驱动件111b，其中第一驱动件111b连接第一抵接件111a。第一驱动件111b可控制第一抵接件111a作用于工件20的第一力量F1(绘示于图3)的大小。第二夹持器112包括第二抵接件112a及第二驱动件112b，其中第二驱动件112b连接第二抵接件112a。第二驱动件112b可控制第二抵接件112a作用于工件20的第二力量F2(绘示于图3)的大小。
第一抵接件111a及/或第二抵接件112a例如是可变形材料，其可依据变形量的不同而改变其阻尼系数及/或刚性系数。例如，如图1所示，第一抵接件111a具有第一阻尼系数Cc1。第一阻尼系数Cc1满足下式(1)。式(1)中，SDC为第一抵接件111a的材质的比制震能(Specific Damping Capacity,SDC)，而St为第一抵接件111a的材质的抗拉强度。
CC1＝SDC×St......................(1)
就具体材料而言，第一抵接件111a的材料可包含镁(Mg)、锰(Mn)、铜(Cu)、锆(Zr)、铁(Fe)、铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)或其组合，例如是锰锆合金、锰铜合金、铜铝镍合金、铁锰合金、镍钛合金或镁锆合金。
此外，第二抵接件112a的第二阻尼系数Cc2类似或同于前述第一阻尼系数Cc1，而第二抵接件112a的材料选用类似或同于前述第一抵接件111a的材料选用，于此不再赘述。
传感器120用以感测工件20的响应信号R1。响应信号R1例如是时域的响应振幅变化或频率的响应强度变化。在一实施例中，传感器120例如是非接触式振动传感器，如麦克风、激光位移计或激光多普勒速度仪。
处理器130至少用以：(1).分析响应信号R1，以取得响应信号R1的运动方程式；(2).将第一抵接件111a的第一刚性系数Kc1及第二抵接件112a的第二刚性系数Kc2加入运动方程式，以取得最佳系统自然共振频率，最佳自然系统共振频率对应一第一最佳刚性系数及一第二最佳刚性系数；以及(3).控制夹持装置110的第一驱动件111b驱动第一抵接件111a往第二抵接件112a的方向移动，使第一抵接件111a形变及第二抵接件112a形变，进而使第一抵接件111a的第一刚性系数符合第一最佳刚性系数且使第二抵接件112a的第二刚性系数符合第二最佳刚性系数。
以下是以图2的流程图进一步说明夹持系统的运作过程。图2绘示图1的夹持系统100的夹持控制方法的流程图。
在步骤S110中，在加工前，第一夹座113a与第二夹座113b夹持工件20的下部。然后，传感器120感测工件20的响应信号R1。例如，可采用激振方式(如对工件20输入一瞬间敲击力，如同脉冲信号)，以感测工件20的响应信号R1。如图1所示，响应信号R1可通过数据采集器150传输给处理器130。
此外，在传感器120感测工件20的响应信号R1前，如图1所示，夹持装置110的第一抵接件111a及第二抵接件112a可不接触工件20，然而也可轻触工件20，使工件20被轻微地夹持在第一抵接件111a与第二抵接件112a之间，以稳固工件20与夹持装置110之间的相对位置。
在步骤S120中，处理器130分析响应信号R1，以取得响应信号R1的运动方程式，如下式(2)。运动方程式例如是
Figure BDA0001915173090000062
的数学形式，式(2)中的M表示工具机系统10’的系统质量，C表示工具机系统10’的系统阻尼系数，而K表示工具机系统10’的系统刚性系数。式(2)的运动方程式可转换成如下式(3)的傅立叶形式振动响应H(w)，其中振动响应H(w)的绝对值愈小，表示振幅愈小；反之则愈大。
Figure BDA0001915173090000063
Figure BDA0001915173090000061
在式(3)中，ωn表示工具机系统10’的系统自然共振频率，ω表示工作频率(加工时)，而p表示阻尼比。
在步骤S130中，处理器130将第一抵接件111a的第一刚性系数Kc1以及第二抵接件112a的第二刚性系数Kc2加入式(2)的运动方程式，以取得最佳系统自然共振频率ωn，B，此最佳系统自然共振频率ωn，B对应第一最佳刚性系数Kc1,B及第二最佳刚性系数Kc2,B，即第一最佳刚性系数Kc1,B及第二最佳刚性系数Kc2,B是得到最佳系统自然共振频率ωn，B的先决条件之一。在一实施例中，处理器130可采用振动学理论或公式，依据式(2)、式(3)或其它任何需要的公式，对刚性系数、阻尼系数、质量及/或频率等进行运算，而得到最佳系统自然共振频率ωn，B。此外，最佳系统自然共振频率ωn，B例如是式(3)的系统自然共振频率ωn与调整频率的和，处理器130在满足此和值的前提下决定(或计算)第一最佳刚性系数Kc1,B及第二最佳刚性系数Kc2,B。调整频率为第一刚性系数Kc1与第二刚性系数Kc2调整至第一最佳刚性系数Kc1,B与第二最佳刚性系数Kc2,B所改变的系统振动频率。在一实施例中，自然共振频率ωn例如n个模态自然共振频率，其中n例如是1～3的数值，然也可更多或更少。
在步骤S140中，请参照图3，其绘示图1的第一抵接件111a形变与第二抵接件112a形变的示意图。处理器130控制第一夹持器111的第一驱动件111b驱动第一抵接件111a往工件20(或第二抵接件112a)的方向移动，且控制第二夹持器112的第二驱动件112b驱动第二抵接件112a往工件20(或第一抵接件111a)的方向移动，使第一抵接件111a形变及第二抵接件112a形变。形变后的第一抵接件111a的第一刚性系数Kc1增大或改变至符合第一最佳刚性系数Kc1,B且形变后的第二抵接件112a的第二刚性系数Kc2增大或改变至符合第二最佳刚性系数Kc2,B，使式(3)的工具机系统10’的系统自然共振频率ωn符合的最佳系统自然共振频率ωn，B。由于最佳系统自然共振频率ωn，B提高，因此加工时的工作频率ω不容易接近最佳系统自然共振频率ωn，B或与最佳系统自然共振频率ωn，B保持一安全频率范围(如前述调整频率)，因此能有效避免共振发生，达到主动减振效果。
此外，形变后的第一抵接件111a的第一阻尼系数Cc1也会增大且形变后的第二抵接件112a的第二阻尼系数Cc2也会增大，此可增加式(3)的阻尼比p，进而使式(3)的工具机系统10’的系统自然共振频率ωn更接近最佳系统自然共振频率ωn，B。
如图3所示，形变后的第一抵接件111a施加在工件20的第一力量F1以及形变后的第二抵接件112a施加在工件20的第二力量F2也会增强，更增加夹持装置110对工件20的夹持力。
此外，在控制上，如图3所示，处理器140依据第一最佳刚性系数Kc1,B及第二最佳刚性系数Kc2,B提供一对应的控制信号S1给数据采集器150，数据采集器150据以输出驱动信号S2(如电压)给放大器140。放大器140将驱动信号S2放大后输出给夹持装置110的第一驱动件111b及第二驱动件112b。第一抵接件111a受到第一驱动件111b的驱动，而往工件20或第二抵接件112a方向行进，且第二抵接件112a受到第二驱动件112b的驱动，而往工件20或第一抵接件111a方向行进，使第一抵接件111a及第二抵接件112a发生对应的形变，进而使第一抵接件111a的第一刚性系数Kc1增大或改变至符合第一最佳刚性系数Kc1,B，且使第二抵接件112a的第二刚性系数Kc2增大或改变至符合第二最佳刚性系数Kc2,B，进而使工具机系统10’的系统自然共振频率ωn符合的最佳系统自然共振频率ωn，B。
此外，本发明实施例的夹持控制方法适合加工薄型工作20。在一实施例中，适用于夹持系统100的工作20的宽度W1(绘示于图6)与厚度T1(绘示于图3)的比值(即W1/T1)大致上等于或大于10。换言之，即使厚度T1甚薄的工件20，在本发明实施例的夹持系统100的辅助下，仍可获得加工精度符合预期范围内的加工品质。
然后，如图3所示，刀具12开始加工(如切削)工件20。由于最佳系统自然共振频率ωn，B提高，因此实际加工时刀具12的工作频率不容易接近最佳系统自然共振频率ωn，B，因此能有效避免共振发生。
在持续加工过程中，夹持系统100可反复进行步骤S110～S140，以即时地因应工件20的几何型态的改变(因为切削)而主动式地控制夹持模式，如对应改变夹持力、刚性系数及/或阻尼系数，让刀具12运转的工作频率与系统自然共振频率ωn(或说最佳系统自然共振频率ωn，B)保持安全频率范围，因而在整个加工过程中能有效避免共振发生。
在加工过程中，在第一时点，处理器130依据当时的第一阻尼系数Cc1、第二阻尼系数Cc2、第一刚性系数Kc1及第二刚性系数Kc2，采用上式(2)、(3)或其它任何需要的公式，重新计算第二时点(如下个时点)的最佳系统自然共振频率ωn，B。在运算最佳系统自然共振频率ωn，B过程中，处理器130可将当时(如第一时点)的第一阻尼系数Cc1及第二阻尼系数Cc2整合至式(2)的系统阻尼系数C，将当时(如第一时点)的第一刚性系数Kc1及第一刚性系数Kc1整合至式(2)的系统刚性系数K，然后运算当时系统阻尼系数C、当时系统刚性系数K、系统质量M及安全频率范围，以取得最佳系统自然共振频率ωn，B。在第二时点，夹持系统100改变夹持器对工件的夹持状态，使系统自然共振频率改变成最佳系统自然共振频率ωn，B。在加工过程中，任前后二时点的运算方式分别同于前述第一时点及第二时点的运算方式。
请参照图4，其绘示应用本发明实施例的夹持系统100的切削位置与系统自然共振频率的关系图。横轴表示加工过程刀具12的切削位置的变化，其中切削方向例如是自工件20的顶部向下，而纵轴表示系统自然共振频率ωn的变化。图示的曲线C1表示使用现有夹持系统的切削位置与系统自然共振频率的关系，而曲线C2表示使用本发明实施例的夹持系统100的切削位置与系统自然共振频率的关系。相较于曲线C1，本发明实施例的夹持系统100在加工过程能有效提升系统自然共振频率ωn(曲线C1的系统自然共振频较低)，且能减小系统自然共振频率ωn的变化幅度C21(现有系统的变化幅度C11较大)，能提高加工稳定性。此外，依据实验模拟结果，当系统阻尼系数提高63％时，振动响应能降低51％，且本发明实施例的夹持系统100能让切削稳态图(即速度与切深的关系曲线)的稳态区域面积增加1.18倍，且让最大加工效率提升38％。
请参照图5，其绘示图1的夹持装置110的示意图。第一夹持器111及第二夹持器112例如是驱动式夹持器。详言之，第一夹持器111的第一驱动件111b例如是压电式驱动件，其包括第一外壳111b1、第一连接件111b2及压电元件111b3，其中压电元件111b3配置在第一外壳111b1内，第一连接件111b2固接压电元件111b3与第一抵接件111a。当压电元件111b3受到驱动信号S2的作用而膨胀或收缩，以带动第一抵接件111a往接近第二抵接件112a的方向行进，或往远离第二抵接件112a的方向行进。如图所示，第一抵接件111a的接触面111s的接触面112s为圆球面的一部分，如半球面。如图5所示，第二夹持器112的结构类似或相同于第一夹持器111，在此不再赘述。在另一实施例中，第二夹持器112可以是固定式夹持器，例如，第二驱动件112b可以固定件取代，此固定件不驱动第二抵接件112a运动。
此外，在其它实施例中，第一驱动件111b可以是流体控制式驱动件，如气压筒或液压筒，且第二驱动件112b可以是流体控制式驱动件，如气压筒或液压筒。通过流体的控制，也可控制抵接件相对运动。
请参照图6，其绘示图1的夹持装置110的俯视图。夹持装置110举例包括三个夹持组，如第一夹持组110A、第二夹持组110B及第三夹持组110C。第一夹持组110A包括正对配置的第一夹持器111及第二夹持器112，使第一夹持器111作用在工件20的第一夹持力F1与第二夹持器112作用在工件20的第二夹持力F2完全正对。第二夹持组110B包括交错配置的一第一夹持器111及二第二夹持器112，且第一夹持器111大致位于二第二夹持器112之间的位置，使第一夹持器111作用在工件20的第一夹持力F1的延伸线L3(例如第一夹持器111的第一抵接件111a的中心轴的延伸线)通过二第二夹持器112作用在工件20的第二夹持力F2之间的间隔。第三夹持组110C包括交错配置的二第一夹持器111及一第二夹持器112，且第二夹持器112大致位于二第一夹持器111之间的位置，使第二夹持器112作用在工件20的第二夹持力F2的延伸通过二第一夹持器111作用在工件20的第一夹持力F1之间的间隔。
在另一实施例中，夹持装置110可省略第一夹持组110A、第二夹持组110B与第三夹持组110C之一者或二者。
前述实施例的夹持装置110的数个夹持组排列成一直线L1，因此能夹持平板形工件20。详言之，各夹持组的第二夹持器111与第二夹持器112之间具有一间隔SP1，数个夹持组的数个间隔SP1排列成一直线L1，因此能夹持平板形工件20。然而本发明实施例不受此限。
请参照图7，其绘示依照本发明另一实施例的夹持装置210的俯视图。本实施例的夹持装置210举例包括三个夹持组，如第一夹持组110A、第二夹持组110B及第三夹持组110C。与图6的夹持装置110不同的是，本实施例的数个夹持组的数个间隔SP1沿一曲线L2排列。在其它实施例中，夹持装置110的数个夹持组的数个间隔SP1可沿直线与曲线的组合排列，以夹持不规则形或复杂几何型态的工件20。此外，夹持装置210的控制方式类似前述夹持装置110的控制方式，于此不再赘述。
请参照图8，其绘示依照本发明另一实施例的夹持装置310的俯视图。夹持装置310举例包括夹持组310A及夹座313，其中夹持组310A配置在夹座313。夹持组310A包括至少一第一夹持器111及至少一第二夹持器112，此些夹持器的数量是以三个为例说明，然而也可为二个或多于三个。此些夹持器都为前述驱动式夹持器。此些夹持器的中心轴交会于夹座313的中心点P1。工件20’可被此些夹持器夹持。当工件20’被此些夹持器夹持时，工件20’的中心与夹座313的中心点P1可大致对准。本实施例的夹持装置310可旋转，以带动工件20’旋转，而受到刀具(未绘示)的加工(如车床切削)。此外，夹持装置310的控制方式类似前述夹持装置110的控制方式，于此不再赘述。
综上，本发明实施例的夹持装置可包括N个夹持组，其中N为等于或大于1的任意正整数。各夹持组包含至少二夹持器，且各夹持组的全部夹持器中至少一者为驱动式夹持器，如压电式夹持器或流体控制式夹持器。各夹持组将工件夹持在此些夹持器之间，此些夹持器施加在工件的施力方向例如是共点或大致平行，如重合或错开。此些夹持器之间具有一间隔，以容纳工件，其中，间隔的一侧的夹持器为驱动式夹持器，而间隔的相对侧的夹持器可为驱动式夹持器或固定式夹持器。
综上所述，虽然本发明结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (12)

1.一种夹持装置，适于安装在工具机上且用以夹持工件，其特征在于，该夹持装置包括：
第一夹持器，包括：
第一抵接件；及
第一驱动件，连接该第一抵接件；以及
第二夹持器，包括第二抵接件；
其中，该第一抵接件与该第二抵接件相对配置且彼此间隔，以容置该工件，该第一驱动件连接该第一抵接件，以驱动该第一抵接件往该第二抵接件的方向移动，以将该工件夹持在该第一抵接件与该第二抵接件之间。
2.如权利要求1所述的夹持装置，其中该第一驱动件为压电式驱动件或流体控制式驱动件。
3.如权利要求1所述的夹持装置，其中该第二夹持器为固定式夹持器。
4.如权利要求1所述的夹持装置，其中该第二夹持器还包括第二驱动件，该第二驱动件连接该第二抵接件，以驱动该第二抵接件移动。
5.如权利要求1所述的夹持装置，其中该第一抵接件与该第二抵接件是正对配置。
6.如权利要求1所述的夹持装置，其中该第一抵接件具有第一阻尼系数，该第一阻尼系数等于该第一抵接件的比制震能(Specific Damping Capacity,SDC)与抗拉强度的乘积。
7.如权利要求1所述的夹持装置，还包括：
两个该第二夹持器，与该第一夹持器是交错配置。
8.如权利要求1所述的夹持装置，包括：
多个夹持组，各该夹持组包括该第一夹持器及该第二夹持器，该些夹持组排列成一直线。
9.如权利要求1所述的夹持装置，包括：
多个夹持组，各该夹持组包括该第一夹持器及该第二夹持器，该些夹持组排列成一曲线。
10.如权利要求1所述的夹持装置，包括两个该第二夹持器，其中该第一夹持器的中心轴与该两个第二夹持器的中心轴交会于一点，且该第一夹持器及该两个第二夹持器都为驱动式夹持器。
11.如权利要求1所述的夹持装置，其中该第一抵接件及该第二抵接件各具有接触面，该接触面为球面的一部分。
12.一种夹持系统，其特征在于，包括：
如权利要求1～11的任一所述的夹持装置，用以安装在工具机上且用以夹持该工件，其中该工具机、该夹持装置与该工件成为工具机系统；
传感器，用以感测该工具机系统的响应信号；以及
处理器，用以：
分析该响应信号，以取得该响应信号的运动方程式；
将该第一抵接件的第一刚性系数及该第二抵接件的第二刚性系数加入该运动方程式，以取得一最佳系统自然共振频率，该最佳系统自然共振频率对应第一最佳刚性系数及第二最佳刚性系数；及
控制该夹持装置的该第一驱动件驱动该第一抵接件往该第二抵接件的方向移动，使该第一抵接件形变且该第二抵接件形变，进而使该第一抵接件的该第一刚性系数符合该第一最佳刚性系数且使该第二抵接件的该第二刚性系数符合该第二最佳刚性系数。
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