CN116149256A - 加工机及其加工异常判断方法 - Google Patents

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Abstract

一种加工机的加工异常判断方法，应用于一加工机，包括步骤：由设置在工具端上的加速规取得可对应至工具末端的加速度值的加速度信号；对加速度信号进行积分以产生位移信息；取得带动工具端移动的马达的马达位置信息；对位移信息与马达位置信息分别进行坐标对齐处理，以产生基于工件端使用的工件端坐标系进行描述的转换后位移信息以及位置向量；结合转换后位移信息及位置向量，以产生工具末端与工件端间的相对位移量；及，基于相对位移量判断加工机是否出现加工异常。

Description

加工机及其加工异常判断方法
技术领域
本发明涉及一种加工机，尤其涉及一种可用于判断加工异常的加工机，以及其所使用的加工异常判断方法。
背景技术
一般生产线都是通过加工机(例如CNC工具机、机械手臂等)来对目标工件进行加工。具体地，所述加工机通过内部马达的转动来带动工具端上的工具(例如切削刀、抓具等)进行动作，以进行加工。通过对马达编码器的反馈信号进行计算，加工机即可判断工具末端的位置。
目前加工机所面临的问题，是马达编码器检测不到工具末端的振动，故所述反馈信号(通常代表马达角度)不能直接等于工具末端的确切位置。具体地，所述加工机会基于本身的运动而产生振动，亦可能是加工机的机座受到外力造成振动，若加工机在加工过程中因为振动而造成工件的加工异常，加工机并无法立即察觉。
于相关技术中，加工机的振动将会影响到工件的加工品质，但所述振动无法被加工机立即检测到，因此只能等待工件加工完成后，再由品管人员过滤瑕疪品。因此，现有的加工机制实不具备效率，且加工品质也有待改善。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种加工机及其加工异常判断方法，系可即时感测振动并计算工具末端与工件端间的相对位移量，并且通过监测相对位移量来判断加工机是否有加工异常的情形。
为了达成上述的目的，本发明的加工异常判断方法应用于一加工机，该加工机具有一工具端及相对的一工件端，该工具端设置一工具，该工件端放置一工件，该工具具有用以对该工件进行加工的一工具末端，该方法包括：
a)由一加速规取得一加速度信号，其中该加速规设置于该工具端上并使用一加速规坐标系，该加速度信号对应至该工具末端的一真实加速度值；
b)对该加速度信号进行一二次积分程序以产生一位移信息；
c)执行一加速规坐标对齐处理以将该位移信息从该加速规坐标系转换至该工件端使用的一工件端坐标系上，并产生一转换后位移信息；
d)取得一马达位置信息，其中该马达位置信息与用来控制该工具端的至少一马达相关，并且对应至该工具末端于一工具端坐标系上的一坐标值；
e)对该马达位置信息进行一顺向运动学处理，以获得该工具末端相对于该工件端坐标系的一位置向量；
f)结合该转换后位移信息及该位置向量，以产生该工具末端与该工件端间的一相对位移量；及
g)基于该相对位移量判断该加工机是否出现加工异常。
为了达成上述的目的，本发明的加工机包括：
一工件端，用以放置一工件，并且使用一工件端坐标系；
一工具端，用以设置一工具，该工具具有用来对该工件进行加工的一工具末端，并且使用一工具端坐标系；
至少一马达，连接该工具端，受控制进行转动以带动该工具移动，并产生一马达位置信息，其中该马达位置信息对应至该工具末端于该工具端坐标系上的一坐标值；
一加速规，设置于该工具端上，使用一加速规坐标系，检测该工具末端的一真实加速度值并产生一加速度信号；
一驱动单元，连接该至少一马达及该加速规，用以控制该至少一马达，并接收该马达位置信息及该加速度信号；及
一控制单元，连接该驱动单元，该控制单元被配置为对该加速度信号进行一二次积分程序以产生一位移信息，并执行一加速规坐标对齐处理以将该位移信息从该加速规坐标系转换至该工件端坐标系上，以产生一转换后位移信息，并且该控制单元被配置为对该马达位置信息进行一顺向运动学处理，以获得该工具末端相对于该工件端坐标系的一位置向量；
其中，该控制单元被配置为结合该转换后位移信息及该位置向量，以产生该工具末端与该工件端间的一相对位移量，并且基于该相对位移量判断该加工机是否出现加工异常。
本发明相对于相关技术所能达成的技术功效在于，可以有效检测加工机的振动信息，进而准确地计算工具末端与工件端间的相对位移量。通过持续计算相对位移量，本发明可以达到线上即时监控加工状态以及线下追踪加工品质的有益功效。
附图说明
图1为本发明的加工机的示意图的第一具体实施例；
图2为本发明的加工机的方块图的第一具体实施例；
图3A为相对位移量的示意图的第一具体实施例；
图3B为相对位移量的示意图的第二具体实施例；
图4为本发明的判断方法的流程图的第一具体实施例；
图5为本发明的坐标对齐示意图的第一具体实施例；
图6为本发明的坐标对齐示意图的第二具体实施例；
图7为本发明的信号混合流程图的第一具体实施例；
图8为本发明的信号混合流程图的第一具体实施例；
图9为本发明的信号混合流程图的第二具体实施例；
图10为本发明的信号混合流程图的第三具体实施例。
附图标记说明
1…加工机
10…控制单元
101…时间对齐模块
102…加速规坐标对齐模块
103…机构坐标对齐模块
104…信号混合模块
11…驱动单元
12、13…马达
2…工具端
3…工件端
4…工具
41…工具末端
5…加速规
6…工件
71、81…机构坐标对齐程序
72…低通滤波器
73、82…二次积分程序
74、83…加速规坐标对齐程序
75、84…高通滤波器
91…工具端坐标系
92…工件端坐标系
93…加速规坐标系
94…大地坐标系
95…第二加速规坐标系
M1、M2…相对位移量
V1…第一向量
V2…第二向量
V3…第三向量
S10～S24…判断步骤
S220～S224…混合步骤
具体实施方式
兹就本发明的一较佳实施例，配合附图，详细说明如后。
本发明公开了一种可判断加工异常的加工机(下面将于说明书中简称为加工机)，所述加工机可以检测因为振动所产生的非预期性的位移，藉此更准确地计算工具端与工件端间的相对位移。通过监控所述相对位移，可以有效判断加工机在加工过程中，是否因为非预期性的振动而产生加工异常。上述非预期性的振动，可例如为由外力所造成的振动，以及因加工机本身的刚性不足或是组装异常等原因而产生的振动，但不以此为限。
请参阅图1，为本发明的加工机的示意图的第一具体实施例。本发明的加工机可为各式的电脑数值控制(Computer Numerical Control,CNC)加工机(例如三轴、四轴、五轴的CNC加工机)、机械手臂或机器人等，不加以限定。图1的实施例是以三轴的CNC加工机1为例，结合说明书内容进行本案的技术说明。
如图1所示，加工机1主要具有工具端2及相对的工件端3。工具端2上设置有工具4，工件端3用以放置要进行加工的工件6。工具4的一侧具有用来对工件6进行加工的工具末端41。所述工具4可视加工内容而进行更换，例如工件6可为铝件，而工具4可为用来对铝件进行切割的切削刀的刀把。再例如，工件6可为电子零件，而工具4可为抓具。惟，上述仅为本发明的部分实施范例，但并不以此为限。本发明中，所述工具端2及工具4采用工具端坐标系进行定位，工件端3所采用的工件端坐标系进行定位，其中工件端坐标系不同于工具端坐标系(容后详述)。
本发明的其中一个技术特征在于，加工机1还具有至少一个加速规5，所述加速规5设置于加工机1上可移动的物件上，用以直接检测此物件的位移。当加工机1于加工过程中产生的振动时，加速规5可同时检测此物件因为受振动影响而产生的非预期性位移。
于图1的实施例中，加工机1是通过移动工具端2来带动工具4，进而以工具末端41对放置在工件端3的平台上的工件6进行加工。于此实施例中，加速规5设置于工具端2上。所述加速规5的设置目的是要检测工具末端41的预期性位移以及受振动影响而产生的非预期性位移，并且通过所输出的加速度信号来代表工具末端41的上述位移，因此，加速规5于工具端2上的设置位置越靠近工具末端41越好。
于本实施例中，加速规5使用加速规坐标系进行定位，并且，加速规5用以在加工机1的加工过程中持续检测工具末端41的真实加速度值，并产生对应的加速度信号。
如上所述，加速规5可检测加工机1上的可移动物件(例如工具端2)的预期性位移以及非预期性位移。本发明的加工机1依据加速规5输出的加速度信号来计算工具末端41与工件端3间的相对位置，可以一并考虑受振动影响而产生的非预期性位移，因此可使得计算结果更为凖确，进而可提高加工良率。因此，只要是加工机1上可以移动的物件，都可以设置加速规5来检测其振动信息。
再者，若工具端2上设置有多个工具4，或是工具4具有多个工具末端41，则亦可为各个工具4/工具末端41分别设置一个加速规5。通过多个加速规5的设置，可分别检测各个工具4/工具末端41受振动影响时分别产生的非预期性位移，藉此令所述计算结果更为精准。
另一方面，对于加工机1上不能移动，但仍会受到振动影响的物件(例如，所述物件为放置在可能被碰撞的桌子上的平台，或是工件端本身产生的振动)，亦可设置加速规5，以检测此物件因为外部振动的影响所产生的非预期性位移。
为便于理解，图1中仅以设置在工具端2上的单一个加速规5为例，进行说明，但加速规5的数量并不以一个为限，并且加速规5的设置位置亦不以设置在工具端2上为限。
请同时参阅图1及图2，其中图2为本发明的加工机的方块图的第一具体实施例。如图2所示，加工机1还具有控制单元10、驱动单元11及马达12。控制单元10连接驱动单元11，并且下达马达命令给驱动单元11。驱动单元11连接马达12，以通过马达命令对马达12进行控制。马达12连接工具端2，基于马达命令进行转动，并且带动工具端2以及工具端2上的工具4进行移动，藉此通过工具末端41来实现加工程序。
具体地，本实施例中加工机1上主要可配置至少一颗马达12，通过至少一马达12接受控制后所产生的对应作用即可形成工具4的移动。值得一提的是，所述马达12的数量并不以一个为限。于其他实施例中，加工机1可通过多个马达12来连接驱动单元11及工具端2，以通过多颗马达12的作用来共同形成工具端2以及工具4的移动。
若加工机1上具备可移动的工件端3，则加工机1还可包含连接驱动单元11及工件端3的一或多个马达13。于此实施例中，控制单元10下达马达命令给驱动单元11，驱动单元11通过马达命令对马达13进行控制，马达13依据马达命令进行转动，并且带动工件端3移动。藉此，加工机1通过工具末端41以及工件端3来共同实现加工程序。
于图2的实施例中，驱动单元11连接马达12及加速规5，用以对马达12进行控制，同时接收与马达12的位置相关的马达位置信息以及加速规5输出的加速度信号。值得一提的是，马达12基于马达命令进行转动并且产生马达位置信息(例如由马达12上的马达编码器产生)，并且加工机1是通过马达12的转动来将工具末端41移动至所需位置。因此，所述马达位置信息可对应至工具末端41于工具端坐标系上的坐标值。在不考虑非预期性振动的情况下，所述马达位置信息可用来直接代表工具末端41于工具端坐标系上的位置。
本发明的其中一个技术特征在于，控制单元10通过马达位置信息以及加速度信号来计算工具末端41与工件端3间的相对位移量，并且此相对位移量包含了工具末端41基于马达12的转动所进行的预期性位移，以及工具末端41受到非预期性振动影响而产生的非预期性位移。
参阅图3A及图3B，分别为相对位移量的示意图的第一具体实施例及第二具体实施例。
如上所述，本发明由控制单元10在加工机1的加工过程中，通过马达位置信息以及加速度信号来持续计算工具末端41与工件端3间的相对位移量。所述相对位移量除了可以代表工具末端41因为加工需求而进行的预期性位移外，亦可同时代表工具末端41因为受到振动影响而产生的非预期性位移。
如图3A所示，在加工机1正常运作的情况下，工具末端41与工件端3间的相对位移量M1会显示正常。而如图3B所示，当加工机1因内在因素或外在因素而产生非预期性振动时，工具末端41与工件端3间的相对位移量M2会出现瞬间极值(例如加工机1被外力所碰撞)，使得相对位移量M2超出门槛值。
于相对位移量M2超出门槛值的情况下，加工中的工件6可能已成为瑕疪品，因此加工机1应立即停机。于一实施例中，控制单元10在判断相对位移量M2超出门槛值时，可直接控制加工机1停机。于另一实施例中，控制单元10可在判断相对位移量M2超出门槛值时产生控制信号，并将控制信号发送给变频器(或称马达驱动器)，使得加工机1的马达停止运转。通过停止对潜在的瑕疪品继续加工，可以有效节省加工时间。藉此，可以达到本案线上即时监控加工状态的目的。
再者，生产线上的工件6通常都会具有各自独立的编号，控制单元10可以记录各个工件6的编号与加工时间，并且于加工过程中记录所述相对位移量M1、M2。若品管人员在检查成品时发现瑕疪品，可通过瑕疪品的编号及加工时间来查询对应的相对位移量M1、M2，进而确认瑕疪品的产生原因。通过事后查询加工时的状态，可以达到本案线下追踪加工品质的目的。
回到图2。于一实施例中，控制单元10可为中央处理单元(Central ProcessingUnit,CPU)、微控制单元(Micro Control Unit,MCU)、图形处理器(Graphics ProcessingUnit,GPU)、现场可程序化逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)等处理器。于另一实施例中，控制单元10可由独立的个人电脑(Personal Computer)、工业电脑(Industrial PC,IPC)、机柜伺服器、云端伺服器、笔记本电脑等来实现，并且通过网络或传输端口连接加工机1的驱动单元11，但不加以限定。
于一实施例中，控制单元10用以对所述马达位置信息以及加速度信号进行时间处理以及空间处理，并且将处理后的信号进行混合，藉此产生如图3A、图3B所示的相对位移量M1、M2。
具体地，控制单元10记录有电脑可执行程序码，当控制单元10执行电脑可执行程序码后，可实现控制单元10的各个主要功能，包括对马达位置信息以及加速度信号进行时间处理、对马达位置信息以及加速度信号进行空间处理、对处理后的信号进行混合等。
基于控制单元10可实现的上述功能，所述电脑可执行程序码可包括多个由软体构成的虚拟模块(例如为电脑可执行程序码中的多个副程序)，各个虚拟模块分别用以执行控制单元10的其中一个具体功能。于图2的实施例中，控制单元10基于要实现的功能而将电脑可执行程序码逻辑切割成多个虚拟模块，包括时间对齐模块101、加速规坐标对齐模块102、机构坐标对齐模块103及信号混合模块104。惟，上述仅为本发明的其中一个具体实施范例，控制单元10并不以上述模块101-104为限。
请同时参阅图1至图4，其中图4为本发明的判断方法的流程图的第一具体实施例。本发明的主要目的在于，于加工机1的加工过程中持续计算工具末端41相对于工件端3的相对位移量，藉此判断加工程序是否因为非预期性的振动而出现异常。为此，加工机1首先需在加工期间，由控制单元10持续从加速规5取得加速度信号(步骤S10)，并且取得马达位置信息(步骤S12)。其中，步骤S10及步骤S12并不具有执行上的顺序关系。
于本实施例中，加速规5直接设置于工具端2上，故加速规5输出的加速度信号可对应至工具末端41的真实加速度值。马达位置信息是基于用来控制工具端2的马达12的马达角度而产生，故可对应至工具末端41于工具端坐标系上的坐标值。
于一实施例中，所述马达12为具有传感器的马达(sensor based motor)。驱动单元11基于控制单元10的马达命令来控制马达12转动，并且马达12通过马达编码器(图未标示)进行信号反馈，以回复所述马达位置信息给驱动单元11。于本实施例中，所述马达位置信息即为编码器信号，而可对应至真实的马达角度。
于另一实施例中，驱动单元11除了依据马达命令控制马达12转动外，亦把马达命令输入由数学式构成的虚拟马达模型(图未标示)。本实施例中，虚拟马达模型可模拟马达编码器的功能，通过马达命令计算出马达12的真实马达角度，并且产生对应的反馈信号，以作为所述马达位置信息。
惟，上述仅为本发明的部分具体实施范例，但并不以此为限。
于步骤S10及步骤S12后，控制单元10通过时间对齐模块10对马达位置信息及加速度信号进行时间处理(步骤S14)，使得马达位置信息及加速度信号于时间上达成同步，而可共同被用来描述工具末端41与工件端3在一个特定时间点时的相对位置关系。
于另一实施例中，所述时间对齐模块10可通过外部的时间对齐技术来实现，例如通过EtherCAT同步信号来达成时间同步。于此实施例中，控制单元10中不必然存在时间对齐模块10，即，控制单元10接收的马达位置信息及加速度信号于时间上已经同步，故不需要再执行所述时间处理。
接着，控制单元10通过加速规坐标对齐模块101对加速度信号进行二次积分程序，以产生位移信息(步骤S16)。具体地，控制单元10先对加速度信号进行第一次积分程序，以将加速度信号转换为速度信号，接着再对速度信号进行第二次积分程序，以获得位移信息。
如前文所述，加速规5预设使用加速规坐标系进行定位，因此所述位移信息是基于加速规坐标系来进行描述。步骤S16后，加速规坐标对齐模块101对位移信息执行加速规坐标对齐处理，以将位移信息从加速规坐标系转换至工件端3所使用的工件端坐标系上，并产生对应的转换后位移信息(步骤S18)。
具体地，所述位移信息是基于加速规坐标系来描述工具末端41的位置，而所述转换后位移信息则是基于工件端坐标系来描述工具末端41的位置。本发明通过对齐处理来将不同的信息皆转换至相同的坐标系上，才能对这些信息进行混合以精准地描述工具末端41的位置。于图4的实施例中，是以将所有信息皆转换至工件端坐标系为例，但并不以此为限。
另一方面，控制单元10通过机构坐标对齐模块103对马达位置信息进行机构对齐处理，以获得工具末端41相对于工件端坐标系的位置向量(步骤S20)。于一实施例中，所述机构对齐处理为顺向运动学处理(Forward Kinematics)。本实施例，机构坐标对齐模块103基于工件端坐标系来对马达位置信息执行顺向运动学处理，可以把马达12在轴空间上的坐标信息(即，马达位置信息)转换成相对于工件端坐标系的一个向量。并且，此向量可以基于工件端坐标系来描述受马达12控制的工具末端41的位置。
由于加速度信号在二次积分后即可产生位移信息，而可代表工具末端41的位置，因此控制单元10只需要对位移信息进行坐标系转换，即可完成对齐处理。马达位置信息代表的是马达12的转动角度，因此需要先通过顺向运动学处理将转动角度转换至三维空间上的位置后，再进行坐标系转换。
值得一提的是，步骤S18与步骤S20并不具有执行上的顺序关系。于一实施例中，控制单元10可先执行步骤S18以获得转换后位移信息，再执行步骤S20以获得位置向量。于另一实施例中，控制单元10可先执行步骤S20以获得位置向量，再执行步骤S18以获得转换后位移信息。于又一实施例中，控制单元10可通过多工处理来同时执行步骤S18与步骤S20，而不以图4所示的流程顺序为限。
于步骤S18及步骤S20后，控制单元10进一步通过信号混合模块104来执行信号混合程序，以获得工具末端41与工件端3间的相对位移量(步骤S22)。具体地，信号混合模块104结合所述转换后位移信息以及位置向量，以产生工具末端41与工件端3的相对位移量。
基于所产生的相对位移量，控制单元10可以判断加工机1是否出现加工异常(步骤S24)。值得一提的是，控制单元10是在加工机1的加工过程中持续执行所述步骤S10至步骤S24，以持续监控并计算工具末端41与工件端3间的相对位移量(即，产生如图3A、图3B的图示)，藉此判断加工机1是否因为非预期性的振动而造成加工异常。
于一实施例中，加速规坐标对齐模块102于上述步骤S18中，主要是基于工件端坐标系对位移信息执行尤拉角(Proper Euler Angles)转换程序，以对所述位移信息进行处理并产生转换后位移信息。所述转换后位移信息是将基于工件端坐标系进行描述，而可与工件端3的信息对齐。
所述尤拉角转换程序可例如为将位移信息乘上ZYX尤拉角转换矩阵，即，先以加速规坐标系的Z轴为基准对位移信息旋转C度，再以Y轴为基准对旋转后的位移信息旋转B度，最后再以X轴为基准对旋转后的位移信息旋转A度。所述角度是基于加速规坐标系与工件端坐标系间的已知差异而设定的。所述ZYX尤拉角转换矩阵如下所示：
Figure BDA0003369875380000111
其中，R为ZYX尤拉角转换矩阵。
于一实施例中，加速规坐标对齐模块102可基于下列公式计算转换后位移信息：
U＝RV。
其中，R为ZYX尤拉角转换矩阵，V为位移信息(例如为坐标值(XV,YV,ZV)，或是于三轴上的位移量，U为转换后位移信息(例如坐标值(XU,YU,ZU)，或是于三轴上的位移量)。举例来说，若所述位移信息V为于三轴上的位移量，则通过Z轴30度、Y轴40度及X轴50度的尤拉角转换矩阵，可以将第一坐标系上的位移量(例如为1μm,2μm,3μm)转换为第二坐标系上的位移量(例如为3.096μm,0.618μm,2.008μm)。
于一实施例中，机构坐标对齐模块103于上述步骤S20中执行的顺向运动学处理，主要是基于工件端坐标系来使用DH表(Denavit-Hartenberg Parameters)对马达位置信息进行计算，以产生工具末端41相对于工件端坐标系的位置向量。所述DH表可例如包含下列三项公式：
Figure BDA0003369875380000112
Figure BDA0003369875380000113
Figure BDA0003369875380000114
其中，
Figure BDA0003369875380000121
为第i-1轴至第i轴的转换矩阵，B为源头的基础坐标系(例如工具端坐标系)，E为端点坐标系(例如工件端坐标系)，R为旋转矩阵，t为平移矩阵，/>
Figure BDA0003369875380000122
为基础坐标系至第i轴端点的向量。
具体地，上述顺向运动学处理及DH表为坐标转换领域常用的技术手段，为了说明书简洁，于此不再赘述。
请同时参阅图1、图2、图4及图5，其中图5为本发明的坐标对齐示意图的第一具体实施例。于图5的实施例中，工具端2及其上的工具4皆使用工具端坐标系91，工件端3使用工件端坐标系92，加速规5使用加速规坐标系93。
本实施例中，控制单元10是以工件端坐标系92作为所有位置相关信号的基础坐标系。具体地，控制单元10需将基于工具端坐标系91来描述工具末端41的坐标值的马达位置信息转换成基于工件端坐标系92来描述工具末端41的相对位置的第一向量V1，并且将基于加速规坐标系93来描述工具末端41的位移状态的位移信息转换为基于工件端坐标系92来描述工具末端41的位移状态的转换后位移信息。其中，所述第一向量V1指的是工具末端41相对于工件端坐标系92的原点(0,0,0)的坐标位置。
当将所有位置相关信息皆以相同的基础坐标系(本实施例中为工件端坐标系92)来进行描述后，控制单元10即可对这些位置相关信息进行计算(例如执行图4的步骤S22的混合程序)，以产生工具末端41与工件端3间的相对位移量。
值得一提的是，如图1所示，若加工机1的工件端3可以移动，则加工机1可进一步包括连接驱动单元11以及工件端3的马达13。
在工件端3可移动的情况下，工件6也会随着工件端3而移动。此实施例中，控制单元10需计算基于工件端坐标系92来描述工具末端41的位置的所述第一向量V1、基于工件端坐标系92来描述工具末端41的位移状态的转换后位移信息，以及基于工件端坐标系92来描述工件6的位置的另一向量。并且，基于所述第一向量V1、转换后位移信息及另一向量来计算工具末端41与工件端3间的相对位移量。
然而，工件6系被放置于工件3上，因此工件6的位置信息原本就是基于工件端坐标系92来进行描述。换句话说，所述基于工件端坐标系92来描述工件6的位置的另一向量为0。也就是说，若以工件端坐标系92作为基础坐标系，则即使加工机1采用可以移动的工件端3，控制单元10仍仅需取得所述第一向量V1以及转换后位移信息，就可以计算工具末端41与工件端3间的相对位移量。
请同时参阅图1、图2、图4及图6，其中图6为本发明的坐标对齐示意图的第二具体实施例。于图6的实施例中，控制单元10是以大地坐标系94作为所有位置相关信号的基础坐标系。于此实施例中，控制单元10需将基于工具端坐标系91来描述工具末端41的坐标值的马达位置信息转换成基于大地坐标系94来描述工具末端41的相对位置的第二向量V2，并且将基于加速规坐标系93来描述工具末端41的位移状态的位移信息转换为基于大地坐标系94来描述工具末端41的位移状态的转换后位移信息。
于图6的实施例中，加工机1并非是以工件端坐标系92作为基础坐标系，因此于图4的步骤S18中，控制单元10是基于大地坐标系94对加速规5产生的位移信息进行处理，以产生基于大地坐标系94进行描述的转换后位移信息。并且，于图4的步骤S20中，控制单元10是基于大地坐标系94对马达位置信息进行顺向运动学处理，以获得工具末端41相对于大地坐标系94的第一向量V1。
并且，由于加工机1非以工件端坐标系92为基础坐标系，因此若工件端3能够移动，则控制单元10还需取得用来控制工件端3的马达13的马达位置信息，并且基于大地坐标系94对马达位置信息进行顺向运动学处理，以获得基于大地坐标系94来描述工件端3的位置的第三向量V3。
通过共同以大地坐标系94来描述的第二向量V2、第三向量V3及转换后位移信息，控制单元10可以准确地计算工具末端41与工件端3间的相对位移量。
于一实施例中，若加工机1具备可移动的工件端3，则加工机1还可具备设置在工件端3上的第二加速规51。所述第二加速规51使用第二加速规坐标系95，并且于加工机1的加工过程中取得第二加速度值，其中第二加速度值对应至工件端3的真实加速度值。
本实施例中，控制单元10于图4的步骤S10中需同时从第二加速规51取得所述第二加速度值，于步骤S16中需同时对第二加速度值进行所述二次积分程序，以产生第二位移信息，于步骤S18中需同时对第二位移信息执行所述加速规坐标对齐处理，以将第二位移信息从第二加速规坐标系95转换至基础坐标系(即，工件端坐标系92或大地坐标系94)上，以产生第二转换后位移信息。
并且，于本实施例中，控制单元10于图4的步骤S22中需同时将所述第二转换后位移信息作为相对位移量的计算基础。如此一来，控制单元10计算所得的相对位移量除了包含工具末端41受振动影响所产生的非预期性位移外，同时也包含了工件端3受振动影响所产生的非预期性位移。藉此，可令控制单元10所计算的相对位移量更为准确。
续请同时参阅图1、图2、图4及图7，其中图7为本发明的信号混合流程图的第一具体实施例。图7用以说明控制单元10于图4的步骤S22中，如何执行信号混合程序以获得工具末端41与工件端3间的相对位移量。
如图7所示，要执行信号混合程序时，控制单元10首先通过信号混合模块104取得所述转换后位移信息(步骤S220)，并且取得所述位置向量(步骤S222)。并且，控制单元10通过信号混合模块104基于第一权重值对转换后位移信息进行处理，基于第二权重值对位置向量进行处理，并且再结合处理后的转换后位移信息以及处理后的位置向量，以产生所述相对位移量(步骤S224)。其中，所述第一权重值的高频部分大于低频部分，而所述第二权重值的低频部分大于高频部分。
具体地，本发明将加速规5设置在工具端2上以直接检测工具末端41的加速度信号，因此只要基于加速度信号来计算位移信息，再将位移信息转换至工件端坐标系上，就可以通过转换后位移信息来直接表示工具末端41与工件端3间的相对位移量。
然而，加速规5是以电压形式来输出所述加速度信号，经常有偏压产生，即工具端2没有移动，加速规5还是会有信号(即，电压)输出。如此一来，会导致控制单元10的误判。因此，在加速规5输出的加速度信号中，低频部分的信号的可信度较低。
另一方面，由于马达位置信息反应不出工具末端41的高频振动。因此，本实施例需要设置加速规在工具末端41作为辅助。
本发明的信号混合模块104通过所述第一权重值的设定降低转换后位移信息(来自加速规5)的低频成分，并且通过所述第二权重值的设定降低位置向量(来自马达12)的高频成分。通过第一权重值与第二权重值的处理，控制单元10计算所得的相对位移量将主要由转换后位移信息的高频部分以及位置向量的低频部分所构成。如此一来，可以避免因加速规5的低频偏压以及马达12的马达位置信息无法预估末端不可预期的振动所造成的问题。
下面结合图8、图9及图10来说明对上述对高频信号与低频信号进行处理的相关实施例。
续请同时参阅图1、图2、图4、图7及图8，其中图8为本发明的信号混合流程图的第一具体实施例。
于图8的实施例中，控制单元10对马达位置信息进行机构坐标对齐程序71，以产生基于工件端坐标系来描述工具末端41的坐标值的位置向量
Figure BDA0003369875380000151
接着，控制单元10通过低通滤波器72对位置向量/>
Figure BDA0003369875380000152
进行过滤，以产生低频位置向量/>
Figure BDA0003369875380000153
并且，控制单元10对加速规5输出的加速度信号进行二次积分程序73，以产生基于工具端坐标系来描述工具末端41的位置的位移信息
Figure BDA0003369875380000154
并且，控制单元10对位移信息/>
Figure BDA0003369875380000155
进行加速规坐标对齐程序74，以产生基于工件端坐标系来描述工具末端41的位置的转换后位移信息/>
Figure BDA0003369875380000156
并且，控制单元10再通过高通滤波器75或是带通滤波器对转换后位移信息/>
Figure BDA0003369875380000157
进行过滤，以产生高频位移信息/>
Figure BDA0003369875380000158
最后，控制单元10将所述低频位置向量
Figure BDA0003369875380000159
与高频位移信息/>
Figure BDA00033698753800001510
进行相加，以产生工具末端41与工件端3间的相对位移量/>
Figure BDA00033698753800001511
于图8的实施例中，相对位移量
Figure BDA00033698753800001512
的高频部分是从加速规5输出的加速度信号来取得，低频部分是从马达12的马达位置信息来取得。因此，可以有效避免因加速规5的低频偏压以及马达12马达位置信息无法预估传动末端不可预期的振动所造成的问题。
值得一提的是，若加工机1上设置有多个加速规(例如图6所示的加速规5及第二加速规51)，则控制单元10同样对第二加速规51输出的第二加速度信号执行二次积分程序73及加速规坐标对齐程序74，以产生第二转换后位移信息，并且通过高通滤波器75或是带通滤波器对第二转换后位移信息进行过滤，以产生第二高频位移信息。于此实施例中，控制单元10是将所述低频位置向量、高频位移信息及第二高频位移信息行相加，以产生工具末端41与工件端3间的相对位移量。
值得一提的是，于其他实施例中，控制单元10可先将经过加速规坐标对齐程序74的转换后位移信息及第二转换后位移信息相减后，再通过高通滤波器75或是带通滤波器对相加后的信息进行过滤，而不以图8所示的处理顺序为限。
请同时参阅图1、图2、图4、图7、图8及图9，其中图9为本发明的信号混合流程图的第二具体实施例。
于图9的实施例中，控制单元10对马达位置信息进行机构坐标对齐程序71，以产生基于工件端坐标系来描述工具末端41的坐标值的位置向量
Figure BDA0003369875380000161
接着，控制单元10通过低通滤波器72对位置向量/>
Figure BDA0003369875380000162
进行过滤，以产生低频位置向量/>
Figure BDA0003369875380000163
与图8的实施例的差异在于，图9的加工机1上可设置有多个加速规，例如包含用以检测工具末端41的真实加速度
Figure BDA0003369875380000164
的第一加速规，以及用以检测工件端3的真实加速度
Figure BDA0003369875380000165
的第二加速规。
本实施例中，控制单元10对第一加速规输出的第一加速度信号
Figure BDA0003369875380000166
进行二次积分程序73，以产生基于工具端坐标系来描述工具末端41的位置的第一位移信息/>
Figure BDA0003369875380000167
并且，控制单元10对第一位移信息/>
Figure BDA0003369875380000168
进行加速规坐标对齐程序74，以产生基于工件端坐标系来描述工具末端41的位置的第一转换后位移信息/>
Figure BDA0003369875380000169
另一方面，控制单元10对第二加速规输出的第二加速度信号
Figure BDA00033698753800001610
进行二次积分程序73，以产生基于工件端坐标系来描述工件6的位置的第二位移信息/>
Figure BDA00033698753800001611
并且，控制单元10对第二位移信息/>
Figure BDA00033698753800001612
进行加速规坐标对齐程序74，以产生对齐于工件端坐标系的第二转换后位移信息/>
Figure BDA00033698753800001613
值得一提的是，工件6的位置本来就是基于工件端坐标系来进行描述，因此于本实施例中，控制单元10可以在二次积分程序73后直接输出所述第二位移信息/>
Figure BDA00033698753800001614
而不需再执行加速规坐标对齐程序74。
接着，控制单元10将第一转换后位移信息
Figure BDA00033698753800001615
与第二转换后位移信息/>
Figure BDA00033698753800001616
进行相减，以产生工具末端41与工件端3间的初步相对位移量/>
Figure BDA00033698753800001617
再通过高通滤波器75或是带通滤波器对初步相对位移量/>
Figure BDA00033698753800001618
进行过滤，以产生高频相对位移量
Figure BDA0003369875380000171
最后，控制单元10将所述低频位置向量
Figure BDA0003369875380000172
与高频相对位移量
Figure BDA0003369875380000173
进行相加，以产生工具末端41与工件端3间的相对位移量
Figure BDA0003369875380000174
于图9的实施例中，相对位移量
Figure BDA0003369875380000175
的高频部分是基于两个加速规输出的加速度信号所取得的，而低频部分是从马达12的马达位置信息来取得。因此，可以有效避免因加速规的低频偏压以及马达12马达位置信息无法预估传动末端不可预期的振动所造成的问题。
续请同时参阅图1、图2、图4及图10，其中图10为本发明的信号混合流程图的第三具体实施例。
于图10的实施例中，控制单元10对马达位置信息进行机构坐标对齐程序81，以产生基于工件端坐标系来描述工具末端41的坐标值的位置向量
Figure BDA0003369875380000176
另一方面，控制单元10
控制单元10对加速规5输出的加速度信号进行二次积分程序82，以产生对应基于工具端坐标系来描述工具末端41的位置的位移信息
Figure BDA0003369875380000177
并且，控制单元10对位移信息
Figure BDA0003369875380000178
进行加速规坐标对齐程序83，以产生基于工件端坐标系来描述工具末端41的位置的转换后位移信息/>
Figure BDA0003369875380000179
本实施例中，控制单元10接着将所述转换后位移信息
Figure BDA00033698753800001710
与位置向量/>
Figure BDA00033698753800001711
相减，以产生混合向量/>
Figure BDA00033698753800001712
接着，控制单元10再通过高通滤波器84或带通滤波器对混合向量
Figure BDA00033698753800001713
进行过滤，以产生高频混合向量/>
Figure BDA00033698753800001714
最后，控制单元10将高频混合向量
Figure BDA00033698753800001715
与所述位置向量/>
Figure BDA00033698753800001716
(即，位置向量/>
Figure BDA00033698753800001717
)进行相加，以产生工具末端41与工件端3间的相对位移量/>
Figure BDA00033698753800001718
与图8及图9的实施例相似，图10中的相对位移量
Figure BDA00033698753800001719
的高频部分是从加速规5输出的加速度信号来取得，低频部分是从马达12的马达位置信息来取得。因此，同样可以避免因加速规5的低频偏压以及马达12的马达位置信息无法预估传动末端不可预期的振动所造成的问题。
并且，与图9的实施例相似，当加工机1上设置有多个加速规时，加工机1同样可依据图10所示的计算方式来计算出工具末端41与工件端3间的相对位移量
Figure BDA00033698753800001720
故于此不再赘述。
通过本发明的技术方案，控制单元可以通过马达以及加速规的输出信号来准确地计算工具末端相对于工件端的相对位移量，并且这个相对位移量包含了工具末端进行正常运作的预期性位移以及受到振动影响所产生的非预期性位移。据此，本发明可以达到线上即时监控加工状态以及线下追踪加工品质的有益功效。
以上所述仅为本发明的较佳具体实例，非因此即局限本发明的权利要求，故举凡运用本发明内容所为的等效变化，均同理皆包含于本发明的范围内，合予陈明。

Claims (10)

1.一种加工机的加工异常判断方法，应用于加工机，所述加工机具有工具端及相对的工件端，所述工具端设置工具，所述工件端放置工件，所述工具具有用以对所述工件进行加工的工具末端，所述方法包括：
a)由加速规取得加速度信号，其中所述加速规设置于所述工具端上并使用加速规坐标系，所述加速度信号对应至所述工具末端的真实加速度值；
b)对所述加速度信号进行二次积分程序以产生位移信息；
c)执行加速规坐标对齐处理以将所述位移信息从所述加速规坐标系转换至所述工件端使用的工件端坐标系上，并产生转换后位移信息；
d)取得马达位置信息，其中所述马达位置信息与用来控制所述工具端的至少一马达相关，并且对应至所述工具末端于工具端坐标系上的坐标值；
e)对所述马达位置信息进行顺向运动学处理，以获得所述工具末端相对于所述工件端坐标系的位置向量；
f)结合所述转换后位移信息及所述位置向量，以产生所述工具末端与所述工件端间的相对位移量；及
g)基于所述相对位移量判断所述加工机是否出现加工异常。
2.根据权利要求1所述的加工异常判断方法，其中所述步骤f)包括：
f11)取得所述转换后位移信息；
f12)取得所述位置向量；
f13)基于第一权重值对所述转换后位移信息进行处理，并基于第二权重值对所述位置向量进行处理，其中所述第一权重值的高频部分大于低频部分，所述第二权重值的低频部分大于高频部分；及
f14)结合处理后的所述转换后位移信息及处理后的所述位置向量，以产生所述相对位移量。
3.根据权利要求1所述的加工异常判断方法，其中所述步骤f)包括：
f21)取得所述转换后位移信息，并通过高通滤波器对所述转换后位移信息进行过滤，以产生高频位移信息；
f22)取得所述位置向量，并通过低通滤波器对所述位置向量进行过滤，以产生低频位置向量；及
f23)结合所述高频位移信息及所述低频位置向量以产生所述相对位移量。
4.根据权利要求1所述的加工异常判断方法，其中所述步骤f)包括：
f31)取得所述转换后位移信息及所述位置向量
f32)将所述转换后位移信息与所述位置向量进行相减，以产生混合向量；
f33)通过高通滤波器对所述混合向量进行过滤，以产生高频混合向量；及
f34)结合所述高频混合向量及所述位置向量以产生所述相对位移量。
5.根据权利要求1所述的加工异常判断方法，其中所述加工机包括设置于所述工件端上的第二加速规，所述第二加速规使用第二加速规坐标系，并且所述步骤f)之前还包括：
f01)由所述第二加速规取得第二加速度信号，所述第二加速度信号对应至所述工件端的真实加速度值；
f02)对所述第二加速度信号进行所述二次积分程序以产生第二位移信息；及
f03)执行所述加速规坐标对齐处理以将所述第二位移信息从所述第二加速规坐标系转换至所述工件端坐标系上，并产生第二转换后位移信息；
其中，所述步骤f)是结合所述转换后位移信息、所述位置向量以及所述第二转换后位移信息，以产生所述相对位移量。
6.一种加工机，包括：
工件端，用以放置工件，并且使用工件端坐标系；
工具端，用以设置工具，所述工具具有用来对所述工件进行加工的工具末端，并且使用工具端坐标系；
至少一马达，连接所述工具端，受控制进行转动以带动所述工具移动，并产生马达位置信息，其中所述马达位置信息对应至所述工具末端于所述工具端坐标系上的坐标值；
加速规，设置于所述工具端上，使用加速规坐标系，检测所述工具末端的真实加速度值并产生加速度信号；
驱动单元，连接所述至少一马达及所述加速规，用以控制所述至少一马达，并接收所述马达位置信息及所述加速度信号；及
控制单元，连接所述驱动单元，所述控制单元被配置为对所述加速度信号进行二次积分程序以产生位移信息，并执行加速规坐标对齐处理以将所述位移信息从所述加速规坐标系转换至所述工件端坐标系上，以产生转换后位移信息，并且所述控制单元被配置为对所述马达位置信息进行顺向运动学处理，以获得所述工具末端相对于所述工件端坐标系的位置向量；
其中，所述控制单元被配置为结合所述转换后位移信息及所述位置向量，以产生所述工具末端与所述工件端间的相对位移量，并且基于所述相对位移量判断所述加工机是否出现加工异常。
7.根据权利要求6所述的加工机，其中所述加速规坐标对齐程序是基于所述工件端坐标系对所述位移信息执行尤拉角转换程序，以产生所述转换后位移信息，所述顺向运动学处理是基于所述工件端坐标系来使用DH表对所述马达位置信息进行计算，以产生所述位置向量。
8.根据权利要求6所述的加工机，其中所述控制单元被配置为通过高通滤波器对所述转换后位移信息进行过滤以产生高频位移信息，通过低通滤波器对所述位置向量进行过滤以产生低频位置向量，并且再结合所述高频位移信息及所述低频位置向量以产生所述相对位移量。
9.根据权利要求6所述的加工机，其中所述控制单元被配置为将所述转换后位移信息与所述位置向量进行相减以产生混合向量，通过高通滤波器对所述混合向量进行过滤以产生高频混合向量，并且再结合所述高频混合向量及所述位置向量以产生所述相对位移量。
10.根据权利要求6所述的加工机，其中还包括：
第二加速规，设置于所述工件端上，使用第二加速规坐标系，检测所述工件端的真实加速度值并产生第二加速度信号；
其中，所述控制单元被配置为对所述第二加速度信号进行所述二次积分程序以产生第二位移信息，并执行所述加速规坐标对齐处理以将所述第二位移信息从所述第二加速规坐标系转换至所述工件端坐标系上，并产生第二转换后位移信息；
其中，所述控制单元被配置为结合所述转换后位移信息、所述位置向量以及所述第二转换后位移信息，以产生所述相对位移量。
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