CN116009487A - 加工质量监控系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种加工质量监控系统及其方法，包括依据加工需求产生对应的加工参数，并利用加工参数产生加工信号以使超声波主轴进行加工，以在超声波主轴执行加工过程中，检测超声波主轴线圈的反馈电流，并判断反馈电流，以在反馈电流落入预定范围内时，令超声波主轴继续加工，或是在反馈电流超出预定范围时，执行加工参数的修正。

Description

加工质量监控系统及其方法

技术领域

本公开涉及一种监控加工质量的技术，尤其涉及一种加工质量监控系统及其方法。

背景技术

玻璃纤维强化聚合物(GFRP)主要用于结构核心材料，由于其具有优异的材料特性，因而广泛使用于航空、风能、船舶、运输、建筑及汽车等产业上，同时因GFRP减轻了结构整体重量，又具有相当的经济特性，因此其也广泛用于风力涡轮机叶片中来提高效率。

现今产业为因应复合材料快速应用发展，超声波加工技术随之普及化，然而，为配合超声波主轴高速化需求，加工应用频率愈来愈高，未来将走向无人化智能化世代，加工质量监控技术需求势必日益迫切。简言之，复合材料(以下称复材)以多层纤维堆迭胶合而成，不适当的加工参数会导致纤维未完全切断，切面产生毛边，需再依赖人力进行手工修整，耗时费力，其次，超声波复合材料加工尚属新兴加工领域，旧有加工经验无法导入，对于刀具选用及切削所需参数仍处摸索期，即便目前市面超声波加工设备可令刀具维持恒定振荡频率，但无法依加工负载变化维持恒定振幅，当切削负载增大振幅减小时，毛边去除效果大打折扣。

因此，如何克服前述现有技术的种种缺失，优化超声波执行复材加工的质量监控，将成目前技术人员亟欲追求的课题。

发明内容

有鉴于此，本公开提出一种加工质量监控系统及其方法，通过超声波加工控制系统在加工时动态调整电流值以符合预计振幅的优势，配合自动生成的加工参数数据，以达到监控加工质量及优化的目的。

本公开提供一种加工质量监控系统，包括：加工表面粗糙度数据库，其用于存储各种切削数据；加工操控单元，依据加工过程所用的刀具、材料的尺寸以及该材料加工后的期望表面粗糙度值，自该加工表面粗糙度数据库取得对应的加工参数；加工控制器，依据该加工参数，产生加工信号而使一超声波主轴进行加工；电流传感器，用于检测该超声波主轴加工时线圈的反馈电流；以及修正单元，用于调整该超声波主轴的振幅，以在该反馈电流超出一预定范围时执行该加工参数的修正。

本公开还提供一种加工质量监控方法，包括：依据加工需求产生对应的加工参数；利用该加工参数产生加工信号，以使一超声波主轴进行加工；检测该超声波主轴在加工时线圈的反馈电流；以及若该反馈电流在一预定范围内时，令该超声波主轴继续加工，或是若该反馈电流超出该预定范围时，执行该加工参数的修正。

综上可知，本公开的加工质量监控系统及其方法，运用超声波刀把的电流反馈电路，借以判断是否需调整加工参数，另外，本公开通过预先建立有关切削数据的加工表面粗糙度数据库，能在加工前基于期望表面粗糙度值、所用的刀具以及复合材料的尺寸等加工需求，取得较佳加工参数，使一开始加工能更符合需求，搭配后续切削过程中线上检测反馈的电流信号，动态调整刀具振幅，以避免重负荷下振幅不足影响毛边去除效果，也就是借由即时调整加工转速及进给速度，以维持加工过程刀具振幅的一致性，故能达到自动加工参数优化与振幅调制等效益，将有利于提升复材加工的质量。

附图说明

图1为本公开的加工质量监控系统的架构示意图。

图2为本公开的加工质量监控系统在一实施例的架构示意图。

图3A和3B为本公开的加工表面粗糙度数据库内部数据的数据示意图。

图4为本公开的加工质量监控方法的步骤示意图。

图5为本公开的加工质量监控方法在一具体实施例的流程示意图。

符号说明

1:加工质量监控系统

10:加工操控单元

11:加工控制器

111:信号产生器

112:功率放大器

12:电流传感器

13:修正单元

2:超声波主轴

3:加工表面粗糙度数据库

4:切削参数数据库

S401～S404:步骤

S501～S511:流程。

具体实施方式

以下借由特定的具体实施形态说明本公开的技术内容，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本公开的优点与功效。然本公开也可借由其他不同的具体实施形态加以施行或应用。

随着复合材料加工市场的兴起，高速化超声波主轴产品推陈出新，面对高转速及长工时稳定加工需求，表面质量的好坏变得相当重要。本公开提出一种可应用于超声波复材的加工质量监控机制，针对复合材料相关加工经验缺乏而需仰赖人力摸索微调的问题，提出利用加工参数专家机制，以能起始即采用较佳的加工参数，另外，针对加工时复合材料切削时易产生毛边而需仰赖人力手工修整的情况，则通过刀具振幅线上调制机制，借以监控并优化加工质量。

图1为本公开的加工质量监控系统的架构示意图。如图所示，本公开的加工质量监控系统1能搭配超声波主轴2进行运作，该加工质量监控系统1包括加工操控单元10、加工控制器11、电流传感器12以及修正单元13。

加工操控单元10为依据加工过程所用的刀具、复合材料的尺寸以及该复合材料加工后的期望表面粗糙度值，自一加工表面粗糙度数据库3取得对应的加工参数，其中，加工表面粗糙度数据库3用于存储各种加工组合的切削数据。为使起始的加工参数有所依据，本公开通过利用加工表面粗糙度数据库3预存各种加工组合的切削数据，针对不同复合材料、不同加工工具、不同表面粗糙度需求等组合建立相关信息，以利后续执行加工时，一开始能取得惯用或常用的加工参数，避免加工开始即有明显误差。

具体地，该加工操控单元10能依据操作者输入的期望表面粗糙度值、所用的刀具以及复合材料的尺寸，自加工表面粗糙度数据库3取得对应的加工参数，其中，期望表面粗糙度值是指该复合材料加工后欲呈现的表面粗糙度值，而所用的刀具是指加工过程要使用的刀具，复合材料的尺寸是指要加工的复合材料大小，例如复合材料板的厚度。换句话说，当操作者输入期望表面粗糙度值、所用的刀具以及复合材料的尺寸等加工数据后，能由该加工表面粗糙度数据库3取得对应的加工参数，也就是超声波主轴2要运作的加工转速及进给速度。

在一实施例中，该切削数据包括不同刀具、转速、进给速度及复合材料的尺寸的组合，例如不同刀具在不同复合材料的厚度下，需以何种转速、进给速度执行加工，上述相关数据的组合，可在输入加工需求下，找出对应参数。

加工控制器11用于依据该加工参数产生加工信号而使超声波主轴进行加工。简言之，加工控制器11用于将加工参数，也就是超声波主轴2要运作的加工转速及进给速度，转换为加工信号以供控制超声波主轴2进行加工。

电流传感器12用于检测该超声波主轴2加工时线圈的反馈电流。当超声波主轴2加工时，电流传感器12能检测超声波主轴2线圈的反馈电流，此反馈电流供判断是否要调整超声波功率或是改变进给速度。

修正单元13用于该超声波主轴2的振幅调整，以在该反馈电流超出一预定范围时执行该加工参数的修正。简言之，预先设定一区间范围，借以判断反馈电流是否正常，若反馈电流落入该预定范围时，表示超声波主轴2加工正常，则持续该超声波主轴2的加工动作，若反馈电流未落入该预定范围内，表示超声波主轴2加工受到影响，例如重负下导致超声波主轴2的振幅下降，此时能通过修正单元13执行加工参数的修正，以令超声波主轴2能维持原振幅以继续加工。

在一实施例中，该加工参数的修正包括在过大电流时提高超声波功率，也就是当反馈电流高于预定电流范围时，可提高超声波功率，或是在过低电流时降低超声波功率，亦即当反馈电流低于预定电流范围时，可降低超声波功率。另外，若持续过大电流的情况下，可降低进给速度，反之，若持续过低电流时，则可提高进给速度。

综上可知，本公开的可应用于超声波复材的加工质量监控系统，以不同刀具、转速、进给速度及复材尺寸建立出对应的加工表面粗糙度数据库，供操作者输入期望表面粗糙度、所用的刀具及复合材料的尺寸，即能立即取得对应的加工转速及进给速度，且在切削时，线上检测反馈电流信号，以据的动态调整刀具振幅，如此能避免重负荷下振幅不足影响毛边去除效果。换句话说，本公开的超声波加工，在加工前须配合一组加工参数进行切削，以令刀具可维持恒定频率，即依据操作者的加工需求提供参数建议，但因为振幅会随着负载变化，故本公开提出超声波加工振幅维持机制，通过反馈电流信号进行振幅调制，维持加工过程刀具振幅的一致性。

图2为本公开的加工质量监控系统在一实施例的架构示意图。在本实施例中，说明加工控制器11包括信号产生器111以及功率放大器112，另外，超声波复材的加工能通过加工控制设备(例如超声波加工控制系统)进行操控，也就是操作者通过加工控制设备进行超声波复材的加工，其中，加工操控单元10和修正单元13则设置在加工控制设备内。

加工操控单元10能依据操作者输入的需求，自与加工控制设备连接的加工表面粗糙度数据库3取得加工参数，并将加工参数送至信号产生器111产生加工信号，之后该加工信号经由功率放大器112进行放大后，以控制超声波主轴2的加工运作，其中，电流传感器12会即时检测超声波主轴2线圈的回馈电流，并将回馈电流数据送至加工控制设备内的修正单元13进行判断，也就是在过大电流时提高超声波功率或是在过低电流时降低超声波功率，另外，若是持续过大电流时则降低进给速度，若是持续过低电流时提高进给速度。

在加工过程中，电流传感器12持续检测超声波主轴2线圈的回馈电流，每检测一次即由修正单元13判断是否要调整加工参数，若无需调整则维持原加工参数继续加工并持续检测，若需要调整，则判断电流高低以决定加工参数的修改。

加工表面粗糙度数据库3除了前述的独立于加工控制设备外，也可设置在加工控制设备内。加工表面粗糙度数据库3存储各种加工组合的切削数据，包括不同刀具、转速、进给速度及复合材料的尺寸(例如板厚)等数据的组合，具体来说，能先预先建置一切削参数数据库4，用于提供前述不同刀具、转速、进给速度及复合材料的尺寸等信息，而加工表面粗糙度数据库3则将表面粗糙度的需求与前述切削数据结合，以建立出加工表面粗糙度数据库3，之后，加工操控单元10即能依据操作者输入的期望表面粗糙度值、所用的刀具以及复合材料的尺寸大小，找到对应的加工转速及进给速度。

图3A和3B为绘制本公开的加工表面粗糙度数据库内部数据的数据示意图，如图所示，其说明不同刀具在不同转速下与表面粗糙度之间的关系，简言之，图3A以不同刀具(不同直径的低角度螺旋刀)、不同转速(每分钟转速5000rpm(Revolution Per Minute)、10000rpm、20000rpm)下对不同板材(板材A，B，C)加工，能得到对应的表面粗糙度，同样地，图3B则绘制不同刀具、不同转速下对不同板材(板材D，E，F)加工所得到的表面粗糙度，因而当操作者输入所用的刀具和期望表面粗糙度值等需求后，可对应得到加工所需的加工转速。

图4为本公开的加工质量监控方法的步骤示意图。在步骤S401，依据加工需求产生对应的加工参数。本步骤依据操作者输入的加工需求产出加工参数，具体来说，由一加工操控单元接收期望表面粗糙度值、所用的刀具以及复合材料的尺寸，并自一加工表面粗糙度数据库取得所需的加工参数，而该加工表面粗糙度数据库内记载有包括不同刀具、转速、进给速度及复合材料的尺寸(例如板厚)的组合的切削数据。

在步骤S402，利用该加工参数产生加工信号，以供超声波主轴进行加工。本步骤通过加工控制器将加工参数转换为加工信号，以使该加工信号控制超声波主轴进行加工，具体而言，该加工参数可包括加工转速及进给速度，经转换后，所产生的加工信号则包括使超声波主轴进行加工的所需电流和频率。

在步骤S403，检测该超声波主轴在加工时线圈的反馈电流。本步骤通过电流传感器来检测超声波主轴加工时线圈的反馈电流，亦即通过检测反馈电流来决定超声波主轴的加工是否正常，简言之，可通过预先设定一电流范围，当超过(大于或小于)该范围时，以进行超声波主轴的加工调整。

在步骤S404，在该反馈电流在一预定范围内时，令该超声波主轴继续加工，或是在该反馈电流超出该预定范围时，执行该加工参数的修正。本步骤即进行超声波主轴的加工调整，通过一预定范围进行电流值的判断，其中，在过大电流时可提高超声波功率，或是在过低电流时降低超声波功率，另外，若有持续过大电流的情况发生，则可降低进给速度，反之，若有持续过低电流的情况发生，则可提高进给速度。

图5为本公开的加工质量监控方法在一具体实施例的流程示意图。本流程由超声波复材加工前期先找出合适的加工参数，搭配加工期间的回馈电流监控，以决定是否修正加工参数。

在流程S501，进行刀具的扫频。本流程是指在超声波复材加工前，先针对刀具进行扫频以判断刀具共振频率。

在流程S502，基于预定参数，加工测量材料阻尼值。本流程用于通过预定参数对复合材料加工，以测量出复合材料的阻尼值。

在流程S503，刀具加速规回馈时间及震动变化值。本流程用于测量刀具内的加速规在流程S502中的回馈时间及震动变化值。

在流程S504，数据库比对判断材质。本流程用于通过流程S502和S503所取得数据进行分析，至一数据库内进行数据比对，以判断复合材料的材质。

在流程S505，以平均粗糙度(Ra)需求提供加工参数。本流程用于接收操作者输入的加工需求产出加工参数，具体而言，可输入期望表面粗糙度值、所用的刀具以及复合材料的尺寸等信息，进而取得加工参数，加工参数可包括加工转速及进给速度。

在流程S506，输入需要电流及频率。本流程用于将加工参数转换为加工信号，换句话说，将流程S505取得的控制超声波主轴加工所需的加工转速及进给速度，经转换后增加操控超声波主轴进行加工的电流和频率信息。接着，进入流程S507，即开始加工。

在一实施例中，可设定目标Ra为1.2um，刀具形式/直径为低角度螺旋刀/6mm，复合材料的板材厚度为5mm，通过加工表面粗糙度数据库查询，可得到适合的加工参数，例如进给速度为430mm/min以及主轴转速为10000rpm，如此即可供超声波主轴执行加工运作。

在流程S508中，在加工过程中，通过一追频系统使超声波主轴的运作能维持一定频率，另外，通过流程S509，进行相位比较加工频率，也就是在运作时通过相位比较法来间接测量加工频率，进而供追频系统进行追频。

在流程S510，在加工过程中，判断电流在合理范围？具体来说，为了判断超声波主轴的运作是否正常，本公开通过电流传感器来检测超声波主轴加工时其线圈的反馈电流，进而判断是否需调整加工参数。

配合前述实施例中，可设定电流范围为110～140mA，可通过计算电流均方根值(Root Mean Square，RMS)方式求得，在此将依据反馈电流来判断加工参数是否需调整，若需要则进入到流程S511，即修正预定参数，相反地，若反馈电流RMS未超出110～140mA的范围，则回到流程S507，持续监控加工过程。

关于上述是否调整加工参数，包括下列判断标准。首先，当过大电流(反馈电流大于140mA)时，可提高超声波功率，也就是通过提高切断效率并观察电流是否降低，若还是持续过大电流的情况，则进一步降低进给速度，也就是当提高功率仍旧过大电流时，则放缓进给速度；另外，当过低电流(反馈电流小于110mA)时，可降低超声波功率，也就是因切削阻力小，故降低超声波功率，若还是持续过低电流的情况，则进一步提高进给速度，也就是当降低功率仍旧过低电流时，则提高进给速度。

本公开的设备、单元、装置等包括微处理器及存储器，而算法、数据、程序等是存储在存储器或芯片内，微处理器可从存储器载入数据或算法或程序进行数据分析或计算等处理，在此不予赘述。换句话说，本公开的加工质量监控系统可在电子设备上执行，例如一般计算机、手持装置或是服务器，在收到使用者输入的加工需求后执行数据分析与运算，进而取得加工参数并进行超声波复材的加工，故加工质量监控系统所进行程序，可通过软件设计并架构在具有处理器、存储器等元件的电子设备上，以在各类电子设备上运行；另外，加工控制器、电流传感器等元件能分别以独立元件组成，例如以硬件方式呈现或是设计为具有处理单元的固件。

综上所述，本公开的加工质量监控系统及其方法，通过预先建置的切削参数数据库，以不同刀具、转速、进给速度及复合材料的尺寸来建立出对应的加工表面粗糙度数据库，以在操作者输入期望表面粗糙度值、所用的刀具及复合材料的尺寸下，提供对应的加工转速及进给速度等加工参数，避免传统无加工数据参考下，导致切削质量低落的问题；其次，本公开还公开一种线上即时刀具振幅调制的机制，也就是在切削过程中，线上检测超声波主轴的线圈的反馈电流信号，进而动态调整刀具振幅，借此避免因重负荷下导致振幅不足而影响毛边去除效果等问题。

上述实施例的超声波线圈为整合到主轴内部的设计，然而对于超声波线圈外挂在主轴外侧的设计，本公开同样能检测线圈的反馈电流而达到加工质量监控的目的，故超声波线圈外挂的设计也不脱离本公开的范围。

上述实施形态仅例示性说明本公开的原理及其功效，而非用于限制本公开。本领域技术人员均可在不违背本公开的精神及范围下，对上述实施形态进行修饰与改变。因此，本公开的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (11)

1.一种加工质量监控系统，其特征在于，包括：

加工表面粗糙度数据库，用于存储各种切削数据；

加工操控单元，依据加工过程所用的刀具、材料的尺寸以及该材料加工后的期望表面粗糙度值，自该加工表面粗糙度数据库取得对应的加工参数；

加工控制器，依据该加工参数，产生加工信号而使超声波主轴进行加工；

电流传感器，用于检测该超声波主轴加工时的反馈电流；以及

修正单元，用于调整该超声波主轴的振幅，以在该反馈电流超出预定范围时执行该加工参数的修正。

2.如权利要求1的加工质量监控系统，其特征在于，该加工控制器包括：

信号产生器，用于产生该加工信号；以及

功率放大器，用于放大该加工信号。

3.如权利要求1的加工质量监控系统，其特征在于，该切削数据包括不同刀具、转速、进给速度及该材料的尺寸的组合。

4.如权利要求1的加工质量监控系统，其特征在于，该加工参数包括加工转速及进给速度。

5.如权利要求1的加工质量监控系统，其特征在于，该加工参数的修正包括在过大电流时提高超声波功率、在持续过大电流时降低进给速度、在过低电流时降低超声波功率、以及在持续过低电流时提高进给速度。

6.一种加工质量监控方法，其特征在于，包括：

依据加工需求产生对应的加工参数；

利用该加工参数产生加工信号，以使超声波主轴进行加工；

检测该超声波主轴在加工时的反馈电流；以及

若该反馈电流在预定范围内时，令该超声波主轴继续加工，或是若该反馈电流超出该预定范围时，执行该加工参数的修正。

7.如权利要求6的加工质量监控方法，其特征在于，该依据加工需求产生对应的加工参数的步骤包括基于加工过程所用的刀具、材料的尺寸以及该材料加工后的期望表面粗糙度值，自加工表面粗糙度数据库取得该加工参数。

8.如权利要求7的加工质量监控方法，其特征在于，该加工表面粗糙度数据库记载有包括不同刀具、转速、进给速度、及该材料的尺寸的组合的切削数据。

9.如权利要求6的加工质量监控方法，其特征在于，该加工参数包括加工转速及进给速度。

10.如权利要求6的加工质量监控方法，其特征在于，该加工信号包括使该超声波主轴进行加工所需的电流和频率。

11.如权利要求6的加工质量监控方法，其特征在于，该执行该加工参数的修正的步骤包括在过大电流时提高超声波功率、在持续过大电流时降低进给速度、在过低电流时降低超声波功率、以及在持续过低电流时提高进给速度。

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