TW201343320A - 工具機智能化適應性切削振動抑制方法與系統 - Google Patents

Abstract

本發明係一種工具機智能化適應性切削振動抑制方法與系統，主要係於一工具機的控制器中內建一共振自動迴避模組、一切削振動抑制模組與一刀具壽命監控模組，並連結一資料庫，資料庫儲存機台各元件的共振頻率，共振自動迴避模組整合計算各共振頻率以產生加工轉速，切削振動抑制模組量測加工時的振動訊號並微調加工轉速，刀具壽命監控模組紀錄並監測刀具老化狀態；藉由先行解析機台共振頻率並迴避產生振動的條件，控制器僅需持續監控振動訊號有無超過其振動值，無需設置即時解析設備以降低成本，解決高階工具機因價格高昂而不易普及的問題。

Description

工具機智能化適應性切削振動抑制方法與系統

本發明係一種工具機的切削振動抑制方法與系統，尤指一種整合自動量測、自動調整與自動紀錄三種功能而具有智能化適應性的工具機切削振動抑制方法與系統。

現有的工具機包含有多種感測器，如溫度、振動、位移，藉此監控工具機之機台運作的狀況，而如何將感測器量測到的資料運用在機台以改善切削效果、提高加工效率、改善切削紋路以及提高工件之幾何精度，是亟待研究與解決的問題。

現有高階的工具機具有的自動量測功能，是於機台上安裝有多種感測器並連接至一控制器，尤其是在重要運轉元件中安裝溫度感測器，確保機台運作時不會過溫或故障導致無法加工，再者，針對主軸與軸向馬達負載同時進行監控，以期能提早發現異常，便於使用者即時維修處理而可延長機台使用壽命；除了監控溫度與馬達負載之外，亦會加裝加速規或是位移計來監控機台所產生的振動與微量位移，以便檢測如軸承異常或是熱伸長等機台特性，令使用者易於掌控機台使用狀況。

不過上述自動量測功能僅能提供相關感測器的量測資料，仍需要配合使用者進行人工操作對機台調整與改善，所以透過自動調整功能，針對前述量測資料進行自動化調整與保護措施，例如針對切削顫振的量測計算與規避，或是過溫與過負載自動停止機台運轉，但是對於不同種類的工具機，其訊號解析與計算的方法都不盡相同，而且許多自動量測功能都得搭配昂貴的訊號解析與運算設備以進行即時分析，會造成機台成本增加，導致使用自動調整功能的主動振動控制或是適應性切削抑制系統仍無法普及。

除此之外，透過自動記錄功能，將量測資料記錄並加以儲存，作為比較差異的參考依據，並配合原有的刀具壽命管理系統，共同維護與檢測刀具的使用壽命。

綜上所述，工具機的控制器可分別藉由前述方式監控機台運作的狀況，進而將量測資料進行運算以改善工件切削效果、提高加工效率以及提高工件之幾何精度，但是將其整合則存在一定難度，且機台欲內建自動量測功能需搭配昂貴的訊號解析與運算設備，造成機台成本大幅增加的問題，使得具有前述功能的高階工具機仍無法普及。

如前揭所述，現有高階工具機整合自動量測、自動調整與自動紀錄三種功能，使其具有高效率、高精度與良好的刀具壽命管理，但是其價格高昂不易普及，因此本發明主要目的在提供一工具機智能化適應性切削振動抑制方法與系統，透過工具機的控制器進行整合計算並迴避令機台產生共振的加工轉速，再者，結合現有的振動偵測與刀具壽命管理系統，工具機不需內建昂貴的訊號解析與運算設備，可降低工具機的製造成本，解決高階工具機價格高昂不易普及的問題。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述工具機智能化適應性切削振動抑制方法是由一控制器執行以下步驟：由一與控制器連結的資料庫中取得其儲存的機台共振頻率，將機台之共振頻率與選用刀具的共振頻率整合運算，以避開發生共振的加工轉速；當機台於該加工轉速的振動訊號超過一上限值時，則降低加工轉速，若降低加工轉速後仍超過上限值則停止機台，若振動訊號未超過上限值時則持續監測振動訊號；前述振動訊號同時作為刀具是否老化的判斷依據，當刀具資料與切削加工條件相同，但振動訊號超過上限值表示刀具老化產生振動，即停止加工。

為達成前述目的採取的主要技術手段係提供一工具機智能化適應性切削振動抑制系統，包含有一控制器及一資料庫，其中控制器與資料庫連結並內建有：一共振自動迴避模組，其取得資料庫所儲存的機台、主軸、三軸、夾具的共振頻率，並將各元件的共振頻率以及選用之刀具的共振頻率進行整合運算，以產生一加工轉速；一切削振動抑制模組，其量測機台產生的振動訊號並與一上限值比較，以調整前述之加工轉速；一刀具壽命監控模組，其紀錄並比較機台使用中之刀具的共振頻率、切削加工條件及振動訊號，若使用刀具與切削加工條件相同，但振動訊號經調整加工轉速仍超過上限值，表示刀具老化應停止加工；利用前述元件組成的工具機智能化適應性切削振動抑制系統，利用頻譜分析儀先行量測機台的整機、主軸、三軸(X軸、Y軸、Z軸)、刀具以及夾具的特性，以分別取得產生共振頻率的資料，將該等資料存入資料庫中，共振自動迴避模組將主軸與三軸先行濾波，排除三軸進給共振以及主軸運轉共振，接著共振自動迴避模組將上述資料結合欲進行切削加工之刀具的共振頻率，整合計算以避開使機台產生共振的加工轉速，並將此加工轉速送至切削振動抑制模組以調整原先加工程式的預定轉速，主動迴避原先加工程式中會令機台產生共振的加工轉速，以最適當之切削條件進行加工，避免產生機台共振與異音的問題而影響加工精度與切削紋路。

再者，該切削振動抑制模組用以量測切削加工時的振動訊號，監控切削加工的振動訊號是否超過上限值，該振動訊號的量測值為時域訊號，可由切削振動抑制模組直接進行運算，無須藉由昂貴的訊號解析與運算設備將時域訊號經由快速傅立葉轉換(F.F.T.)轉換為頻譜訊號以進行即時訊號解析，降低設備與運算成本並避免產生訊號延遲現象；當振動訊號超過上限值時，切削振動抑制模組會主動降低加工轉速以改善切削振動。

該刀具壽命監控模組會將使用中的刀具種類及其共振頻率等資料、加工條件以及振動狀態記錄於前述資料庫中，作為後續比較的基準，當該刀具持續使用並使其逐漸磨損而導致切削加工的振動變大，造成量測的振動訊號超過上限值，刀具壽命監控模組會發出警告並停止機台運轉，以保護工件完整性並延長機台壽命。

由上述可知，本發明可有效降低現有工具機於自動調整功能中設置主動振動控制或是適應性切削系統的設備成本，機台本身各元件產生共振頻率的訊號解析是於機台整機性能測試時就量測完成，並將取得的相關資料載入資料庫中，使用者輸入欲使用之刀具以及加工程式，控制器會自行運算並迴避機台可能產生共振的條件，同時微調加工轉速，控制器僅需持續比對機台的振動訊號是否超過上限值，不需即時解析量測的頻譜訊號，降低後端處理即時訊號的設備與成本，解決高階工具機因價格高昂而不易普及的問題。

關於本發明的一較佳實施例，請參閱圖1所示，係於一控制器10內包含有一共振自動迴避模組20、一切削振動抑制模組30以及一刀具壽命監控模組40，其中，該控制器10進一步與一資料庫50連結，該資料庫50可內建在控制器10中，或是設在控制器10的外部。

請參閱圖2所示，欲使工具機保持在最佳切削加工狀態，分別由共振自動迴避模組20、切削振動抑制模組30以及刀具壽命監控模組40依序於於控制器10中執行以下程序：共振自動迴避模組20由資料庫50中取得其預先儲存之機台各元件的共振頻率，並結合選用之刀具的共振頻率進行運算，以避開令機台發生共振的加工轉速。

將避開令機台發生共振的加工轉速輸入加工程式中並進行切削加工，切削振動抑制模組30比對機台於該加工轉速的振動訊號是否超過一上限值，若超過上限值則降低加工轉速，若降低加工轉速後仍超過上限值則停止機台並告警；若振動訊號未超過上限值，則紀錄該振動訊號，並持續監測振動訊號直到加工完成。

刀具壽命監控模組40比較刀具種類及其共振頻率等資料與切削加工條件，於相同條件下但振動訊號超過上限值，表示該刀具老化或劣化造成振動，應立即停止加工並告警。

關於本發明的控制方法主要是利用一頻譜分析儀先行量測工具機的整機、主軸、軸向、刀具以及夾具的特性以分別取得其共振頻率的資料，將該等資料經由控制器10存入資料庫50中，並由共振自動迴避模組20、切削振動抑制模組30以及刀具壽命監控模組40分別執行以下步驟：請參閱圖3所示，首先由共振自動迴避模組20取得儲存於資料庫50中之各個元件的共振頻率(201)，分別將主軸與三軸先行濾波(202,203)，消除軸向進給共振以及主軸運轉共振，選用刀具加工時，共振自動迴避模組20將先取得刀具產生共振頻率的資料(204)進行整合運算(205)以產生迴避共振頻率的加工轉速(206)，由控制器10主動迴避並調整加工轉速，以最適當之切削條件進行加工，避免共振與異音等問題影響加工精度與切削紋路。

該切削振動抑制模組30用以量測振動訊號並設定上限值，並比較振動訊號與上限值以調整加工轉速，機台進行加工時，先由切削振動抑制模組30將共振自動迴避模組20所產生迴避共振的加工轉速加入加工程式(301)，隨即開始切削加工(302)，並持續量測切削加工的振動訊號(303)，並設定上限值(304)以監控切削加工的振動是否超過上限值(305)，該振動訊號的量測值為時域訊號，無須如現有機台需將時域訊號經由快速傅立葉轉換(FFT)轉換為頻譜訊號進行訊號解析，解決現有機台需搭配昂貴的訊號解析與運算設備進行即時訊號解析，可降低設備成本並避免產生訊號延遲現象；當振動訊號超過上限值，切削振動抑制模組30會主動降低切削加工轉速(306)以改善切削振動，在調整加工轉速後，接著判斷振動是否超過上限值(307)，若是則停止運轉並發出警告(308)。

該刀具壽命監控模組40會把目前使用中刀具之共振頻率的資料、加工條件以及振動狀態記錄於前述資料庫50中，當作後續比較的基準，因此刀具壽命監控模組40將量測並紀錄振動訊號(401,402)，並判斷加工是否持續(403)，若加工持續，則量測振動訊號(404)，並判斷其是否超過上限值(405)，若超過上限值則停止運轉並發出警告，若未超過，則在紀錄振動訊號(402)後循環運作。

藉此可保護工件完整性與機台壽命，令操作者能於刀具磨損時，立即更換刀具以便於重新啟動機台繼續進行加工，如此可有效提高機台使用效率，更可確保工件的加工品質。

由上述可知，本發明不需於機台上安裝昂貴的即時訊號解析以及運算設備，可有效降低自動調整功能中的主動振動控制或是適應性切削系統的安裝成本，將訊號解析部分提前於機台整機性能測試時便已完成分析，相關資料由控制器10載入資料庫50後，使用者輸入欲使用刀具與加工程式，控制器10會運算並迴避機台與刀具產生共振或振動的條件，而無需即時解析加速規量測訊號，降低後端即時訊號處理成本，解決高階工具機因價格高昂而不易普及的問題；再者，切削振動抑制模組30於切削加工時僅需要利用原有的一加速規量測機台的振動訊號，進行監控與加工參數微調，並由刀具壽命監控模組40紀錄加工最佳值之相關訊號並持續比較，當刀具磨損、劣化甚至斷裂時能即時通知使用者機台出現異常，以便於立即處理機台問題，降低機台因為故障或維修造成的損失，若機台出現故障需要維修時，前述量測資料亦能提供明確的使用紀錄與機台狀況，降低維修成本並提高機台使用效率。

10．．．控制器

20．．．共振自動迴避模組

30．．．切削振動抑制模組

40．．．刀具壽命監控模組

50．．．資料庫

圖1：係本發明一較佳實施例的系統方塊圖。

圖2：係本發明一較佳實施例的流程圖(一)。

圖3：係本發明一較佳實施例的流程圖(二)。

10．．．控制器

20．．．共振自動迴避模組

30．．．切削振動抑制模組

40．．．刀具壽命監控模組

50．．．資料庫

Claims (7)

1. 一種工具機智能化適應性切削振動抑制方法，由一設在機台上的控制器執行以下步驟：由一與控制器連結的資料庫中取得其儲存的機台共振頻率，將機台之共振頻率與選用刀具的共振頻率整合運算，以避開發生共振的加工轉速；當機台於該加工轉速的振動訊號超過一上限值時，則降低加工轉速，若降低加工轉速後仍超過上限值則停止機台，振動訊號未超過上限值則持續監測振動訊號；前述振動訊號同時作為刀具是否老化的判斷依據，若刀具資料與切削加工條件相同，但振動訊號超過上限值表示刀具老化產生振動，即停止加工。
2. 如請求項1所述的工具機智能化適應性切削振動抑制方法，當振動訊號未超過上限值係紀錄該振動訊號後，持續監測振動訊號。
3. 如請求項1或2所述的工具機智能化適應性切削振動抑制方法，所述避開發生共振的加工轉速係對主軸與三軸濾波，以消除軸向進給發生共振的加工轉速以及主軸運轉發生共振的加工轉速。
4. 如請求項3所述的工具機智能化適應性切削振動抑制方法，該控制器係根據共振的加工轉速值調整原先加工程式的加工轉速，以迴避產生共振的加工轉速區間。
5. 一種工具機智能化適應性切削振動抑制系統，包含有一控制器及一資料庫，其中控制器與資料庫連結並內建有：一共振自動迴避模組，其取得資料庫所儲存的機台、主軸、三軸、夾具的共振頻率，並將各元件的共振頻率以及選用之刀具的共振頻率進行整合運算，以產生一加工轉速；一切削振動抑制模組，其量測機台產生的振動訊號並與一上限值比較，以調整前述之加工轉速；一刀具壽命監控模組，其紀錄並比較機台之刀具的共振頻率、切削加工條件及其振動訊號，若使用刀具與切削加工條件相同，但振動訊號經調整加工轉速仍超過上限值，表示刀具老化。
6. 如請求項5所述之工具機智能化適應性切削振動抑制系統，該切削振動抑制模組的振動訊號是由一加速規所量測取得。
7. 如請求項5或6所述之工具機智能化適應性切削振動抑制系統，該資料庫所儲存的機台、主軸、三軸、刀具與夾具的共振頻率是由一頻譜分析儀所量測取得。