CN113442128A - 减低机械手臂振动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种减低机械手臂振动的方法，其包含下列步骤：将至少一惯性致动器及至少一振动信号提取单元安装于一机械手臂的加工端；由振动信号提取单元感测机械手臂的加工端产生的振动，并产生振动信号；由中央处理单元根据振动信号及机械手臂的加工端的坐标，提取至少一组对应的控制参数，计算至少一输出力；由惯性致动器将输出力作用于机械手臂的加工端，以抵消机械手臂的加工端的振动力。

Description

减低机械手臂振动的方法
技术领域
本发明涉及加工技术领域，尤其是涉及一种可用于降低机械手臂的加工端在加工过程时的振动的减低机械手臂振动的方法。
背景技术
机械手臂具有较弹性的应用场合与多轴加工(例如，切削、抛光、研磨)的能力，但由于机械手臂相较于CNC加工机的刚性极低，因此目前的振动问题在高负载的应用(例如，切削)上仍难以克服。
机械手臂振动问题，将造成机械手臂在加工过程时产生颤振，尤其，机械手臂的加工端的振动问题，导致效率低落与表面粗糙度不佳等问题，且机械手臂随姿态改变造成机械手臂本身共振频率变化，因此，在金属加工产业中，目前仍以CNC工具机为主要的加工设备。
若能够控制机械手臂加工振动的发生，提升机械手臂动刚性，则加工深度可以再提升，加工效率也可以有效提升，并同时能够保障刀具寿命。因此一般业者在加工过程中，会以阻尼器抑制振动的功能，藉此降低加工振动，同时由于阻尼系数的提升，使切削稳态图的稳态区域向上提升，可增加加工深度并提升效率。
然由于目前在机械手臂加工应用上仍属于前期发展阶段，故对于机械手臂减振应用的专利或公开文件仍然稀少，且以被动式调谐质量阻尼装置为主。而调谐质量阻尼装置只可抑制固定频率的振动，若结构共振频率改变效果将明显下降，不适合用于结构频率时常改变的状况。
据此，如何能有一种可有效降低机械手臂的加工端振动的「减低机械手臂振动的方法」，是相关技术领域人士亟待解决的课题。
发明内容
在一实施例中，本发明提出一种减低机械手臂振动的方法，包含下列步骤：
将至少一惯性致动器及至少一振动信号提取单元安装于一机械手臂的加工端；
由振动信号提取单元感测机械手臂的加工端产生的振动，并产生一振动信号；
由一中央处理单元根据振动信号及机械手臂的加工端的坐标，提取至少一组对应的控制参数，计算至少一输出力；以及
由惯性致动器将输出力作用于机械手臂的加工端，以抵消机械手臂的加工端的振动力。
附图说明
图1为本发明的一实施例的流程图；
图2为本发明将惯性致动器与振动信号提取单元安装于机械手臂的结构示意图；
图3为本发明基于图1所示流程衍生而出的另一实施例的流程图；
图4为基于图3实施例的各构件的电连接架构示意图；
图5为本发明建立机械手臂的加工端坐标和自然频率关系数据库的方法的架构示意图。
符号说明
1:机械手臂
11:应用模块/加工端
2:惯性致动器
3:振动信号提取单元
4:模拟数字转换单元
5:数字振动信号处理器
6:中央处理单元
7:数字模拟转换器
8:信号输出单元
9:数据库
A～F:六宫格
X,Y,Z:轴向
S100,S200:减低机械手臂振动的方法的流程
S1,S2,S21,S22,S3,S31,S32,S4:步骤
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明所提供的一种减低机械手臂振动的方法的流程S100，其包含下列步骤：
步骤S1：将至少一惯性致动器及至少一振动信号提取单元安装于一机械手臂的加工端；机械手臂的加工端可为机械手臂的鼻端或机械手臂的应用模块，亦即，将惯性致动器及振动信号提取单元安装于机械手臂靠近加工材料的一端；
步骤S2：由至少一振动信号提取单元感测机械手臂的加工端产生的振动，并产生一振动信号；
步骤S3：由一中央处理单元根据振动信号及机械手臂的加工端的坐标，提取一组对应的控制参数，计算一输出力；以及
步骤S4：由惯性致动器将输出力作用于机械手臂的加工端，以抵消机械手臂的加工端的振动力。
本发明技术领域人士经由上述流程S100都可理解，流程S100中所提及的机械手臂、惯性致动器、振动信号提取单元、中央处理单元之间是电连接，以达到减低机械手臂振动的方法的流程S100中述及的感测、传送或接收信号的作用。
请参阅图2所示，其显示于机械手臂1的应用模块(亦即加工端)11沿X轴向与Y轴向分别安装一惯性致动器2及一振动信号提取单元3。惯性致动器2与振动信号提取单元3的种类不限，例如，惯性致动器2为电磁式主动控制阻尼装置，振动信号提取单元3可为加速规、光学尺、位移计、速度计其中之一。通过振动信号提取单元3分别感测机械手臂1的加工端11于加工时于X轴向与Y轴向的振动，并产生X轴向与Y轴向的振动信号。
关于上述惯性致动器2采用电磁式主动控制阻尼装置，其结构一般包括线圈、磁铁、弹性元件，弹性元件的刚性将定义阻尼装置本身的共振频率。其组合的方式大致有二种，可将磁铁安装于一底座上，线圈透过支撑件与弹性元件相连，或者，将线圈安装固定于底座上，磁铁透过支撑件与弹性元件相连。无论上述任一组和结构，其作用原理都为，当电流通过线圈时产生劳仑兹力推动线圈(惯性质量)移动。因此可通过惯性致动器2对机械手臂1的加工端11施加一反推力，以抵消机械手臂1的加工端11的振动。
除了图2所示实施例之外，也可于Y轴向设置安装一惯性致动器2及一振动信号提取单元3，以此类推，可仅于X轴向、Y轴向、Z轴向其中之一，或其中任意二轴向设置惯性致动器2及振动信号提取单元3。更进一步地，每一轴向也不限于仅设置一组惯性致动器2及振动信号提取单元3。依实际所需而设计。
请参阅图3及图4所示，说明本发明所提供的一种减低机械手臂振动的方法的流程S200，其包含下列步骤：
步骤S1：将惯性致动器2及振动信号提取单元3安装于一机械手臂1的加工端；
步骤S2：由振动信号提取单元3感测机械手臂1的加工端11产生的振动，并产生一振动信号；
步骤S21：由一模拟数字转换单元4将振动信号转换为一数字振动信号；
步骤S22：由一数字振动信号处理器5将数字振动信号进行过滤，并将过滤后的数字振动信号传送至中央处理单元6；数字振动信号处理器5主要是用以过滤数字振动信号的高低频噪声；
步骤S3：由中央处理单元6根据振动信号及机械手臂1的加工端的坐标，提取一组对应的控制参数，计算一输出力；
步骤S31：由一数字模拟转换器7将数字型态的输出力转换为模拟控制信号；
步骤S32：由一信号输出单元8将模拟控制信号输出至惯性致动器2；
步骤S4：由惯性致动器2将输出力作用于机械手臂1的加工端，以抵消机械手臂1的加工端的振动力。
图3所揭露的实施例流程S200包含了图1的主要步骤S1、S2、S3、S4，差异在于，图3的流程S200于步骤S2之后还包含了步骤21、步骤22，以及，在步骤S3之后还包含了步骤31、步骤32。
本发明技术领域人士经由上述流程S200都可理解，上述机械手臂1、惯性致动器2、振动信号提取单元3、模拟数字转换单元4、数字振动信号处理器5、中央处理单元6、数字模拟转换器7、信号输出单元8之间是电连接，以达到减低机械手臂振动的方法的流程S200中述及的感测、传送或接收信号的作用。
图4显示中央处理单元6连接一数据库9，数据库9为一预先建立有关的机械手臂姿态和自然频率关系数据库，数据库9包含了多组控制参数，每一组控制参数对应机械手臂1的加工端移动至不同区域时的一组坐标。
请参阅图5所示，说明建立机械手臂坐标和自然频率关系数据库的方法。机械手臂1在不同姿态下有不同的振动频率，由于机械手臂1如同悬臂一般，当手臂关节位置改变时，机械手臂1的加工端11的坐标与频率会改变，据此可建立针对不同坐标与频率的控制参数。
如图5所示，依机械手臂1的加工端11的移动范围划分为六宫格A～F，每一宫格A～F都包含X轴向、Y轴向、Z轴向三组控制参数，因此总共有十八组控制参数。
必须说明的是，依机械手臂的不同，可将机械手臂1的加工端11的移动范围划分为不同于六宫格A～F的其他区域，划分的区域也不限于六个，依实际所需而设计。
当机械手臂1的加工端11移动到六宫格A～F其中之一且产生振动时，执行图1及图3所示步骤S2、S3，由振动信号提取单元3感测机械手臂1的加工端11产生的振动，并产生一振动信号，再由中央处理单元6根据振动信号及机械手臂1的加工端11的坐标，提取一组或多组对应的控制参数，计算最佳的输出力，再执行图1及图3所示步骤S4，由惯性致动器2将输出力作用于机械手臂1的加工端，即可抵消机械手臂1的振动力，达到抑振效果。
综上所述，本发明所提供的减低机械手臂振动的方法，通过安装于机械手臂的加工端的惯性致动器及振动信号提取单元持续提取机械手臂的加工端的振动信号，并经由中央处理单元计算输出力，由惯性致动器对机械手臂的加工端即时产生一反推力，因此可减低机械手臂的加工端的振动。
虽然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，任何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，可作些许的更动与润饰，故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 (8)

1.一种减低机械手臂振动的方法，包含下列步骤：
(a)将至少一惯性致动器及至少一振动信号提取单元安装于机械手臂的加工端；
(b)由该振动信号提取单元感测该机械手臂的加工端产生的振动，并产生振动信号；
(c)由中央处理单元根据该振动信号及该机械手臂的加工端的坐标，提取至少一组对应的控制参数，计算至少一输出力；以及
(d)由该惯性致动器将该输出力作用于该机械手臂的加工端，以抵消该机械手臂的加工端的振动力。
2.如权利要求1所述的减低机械手臂振动的方法，其中该中央处理单元连接于数据库，该数据库具有多组该控制参数，每一组该控制参数对应该机械手臂的加工端移动至不同区域时的一组坐标，在该步骤(c)，该中央处理单元根据该振动信号及该机械手臂的加工端的坐标，提取至少一组对应的该控制参数，计算至少一该输出力。
3.如权利要求1所述的减低机械手臂振动的方法，其中该步骤(b)后还包括下列步骤：
(b1)由模拟数字转换单元将该振动信号转换为数字振动信号；
(b2)由数字振动信号处理器将该数字振动信号进行过滤，并将过滤后的数字振动信号传送至该中央处理单元。
4.如权利要求3所述的减低机械手臂振动的方法，其中该数字振动信号处理器是过滤该数字振动信号的高低频噪声。
5.如权利要求1所述的减低机械手臂振动的方法，其中该步骤(c)后还包括下列步骤：
(c1)由数字模拟转换器将数字型态的该输出力转换为模拟控制信号；以及
(c2)由信号输出单元将该模拟控制信号输出至该惯性致动器。
6.如权利要求1所述的减低机械手臂振动的方法，其中该机械手臂的加工端为该机械手臂的鼻端或该机械手臂的应用模块。
7.如权利要求1所述的减低机械手臂振动的方法，其中该振动信号提取单元为加速规、光学尺、位移计、速度计其中之一，用以感测该机械手臂于至少一轴向的振动。
8.如权利要求1所述的减低机械手臂振动的方法，其中该惯性致动器为电磁式主动控制阻尼装置。
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