TW201408424A - 加工機的動平衡刀把及其動平衡控制系統 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種加工機的動平衡刀把及其動平衡控制系統，主要係於一加工機的主軸上設有一動平衡刀把，供固定加工刀具，該動平衡刀把上設有一個以上的平衡調整環及一個以上的磁性元件；當加工機的主軸運轉時可由一動平衡控制系統取得主軸的振動量及動平衡刀把的相對位置，經過平衡控制系統運算後產生一調整角度值，供調整動平衡刀把上的平衡調整環角度，以修正主軸的不平衡量，進而避免主軸損壞、提高產品信賴度。

Description

加工機的動平衡刀把及其動平衡控制系統

本發明係關於一種加工機的動平衡刀把及其動平衡控制系統，尤指一種利用磁性感應技術感應運算主軸上所設動平衡刀把的相對位置，並配合取得主軸振動量以運算出一調整角度值，供調整該動平衡刀把的角度以令其達到平衡的相關技術。

由於各式加工機具有高速、高精度的加工需求，加工機在主軸高速化後遭遇質量不平衡造成的振動問題。

上述不平衡的衡量標準，係根據國際標準組織所制訂定的ISO1940，轉子依據轉子使用的條件及運轉時的振動量而加以區分，其將轉子平衡等級分為11等，以2.5倍逐級遞增為增量，由最佳的G0.4到最差的G4000，其中加工機主軸與刀具的動平衡等級為G6.3，其代表不平衡的質量位於轉子半徑上相對於轉子總重量的值，亦代表不平衡對於轉子軸心的偏心距離。

而造成加工機上主軸不平衡的因素很多，例如加工刀具的尺寸大小，經常造成主軸動平衡的差異太大，進而影響主軸壽命與加工品質。

為解決加工機的主軸不平衡問題，既有的修正技術包括以下數種：

1.重量消去法：係利用鑽孔、銑削方式減少主軸上殘餘不平衡邊的重量。

2.重量增加法：係在刀桿上預先鑽好固定深度的螺孔，在量測取得動平衡殘餘值後，使用已知重量的螺絲加在預先鑽好的螺孔內，以修正動平衡值。

3.動平衡環調整法：係在刀桿上設兩個偏心且已知偏心量的動平衡環，透過改變其角度以調整刀桿的不平衡量。

以已知的動平衡調整法而言，係調整刀桿上兩個已知偏心量的動平衡環角度，來調整刀桿的不平衡量。因此如何決定調整角度的大小，即直接影響不平衡量的調整效果。

因此本發明主要目的在提供一種加工機的動平衡控制系統，主要是在加工機主軸的動平衡刀把上分設兩個平衡調整環及一磁性元件，利用磁感應方式取得動平衡刀把的相對位置，且同時偵測主軸運轉時的振動值，以換算出兩個平衡調整環應該調整的角度，藉以快速修正主軸的不平衡量。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述加工機的動平衡控制系統包括：一動平衡刀把，係安裝於一加工機的主軸上，供固定刀具，該動平衡刀把具有一刀把本體，刀把本體上分設有兩個平衡調整環及一磁性元件；一磁感應偵測器，係相對於前述動平衡刀把上的磁性元件；一振動感測器，係設於加工機的主軸上，用以量測主軸運轉時的振動值；一訊號處理電路，分別與前述磁感應偵測器、振動感 測器連接，用以轉換處理接收自磁感應偵測器、振動感測器的感測訊號；一調整角度運算模組，係與前述訊號處理電路連接，其內建一相關係數運算程序，以根據訊號處理電路的輸出訊號運算出一調整角度值，供調整動平衡刀把上兩平衡調整環的角度；以上所述的動平衡控制系統主要是在加工機主軸運轉時，利用振動感測器量測主軸的振動值，同時由磁感應偵測器取得動平衡刀把的相對位置，藉以換算出一調整角度值，並根據該調整角度值調整動平衡刀把上的平衡調整環，藉以修正主軸的不平衡量。利用上述系統係先量測加工機主軸修正不平衡量以前的振動值，配合動平衡刀把相對位置的取得及相關係數法的運算，得以運算出動平衡刀把上所設平衡調整環應該調整的角度，藉此可快速且準確地完成主軸不平衡量的修正。

關於本發明之一較佳實施例，請參閱圖1所示，主要係於一加工機10的主軸11上設有一動平衡刀把20，該動平衡刀把20係用以固定刀具；又主軸11上設有一振動感測器12，在本實施例中，該振動感測器12係由一加速規構成。

請配合參閱圖2所示，該動平衡刀把20具有一刀把本體200，刀把本體200上分設有兩平衡調整環30,30’及一磁性元件21；關於平衡調整環30,30’的安裝方式，詳如以 下所述：該動平衡刀把20的刀把本體200係呈圓柱狀，該刀把本體200徑面上形成有兩朝軸心方向凹入的環槽201,202，以分供設置一平衡調整環30,30’，該環槽201,202的槽高與槽形係與平衡調整環30,30’的厚度、內緣輪廓匹配。

該平衡調整環30,30’分別由兩片半圓形的半環片31,32組成(由於兩平衡調整環30,30’構造相同，以下僅以其中一平衡調整環30說明其構造)，兩半環片31,32分別具有一表面及一底面，其中一半環片31的底面兩端分別形成有一凹部310，兩凹部310使半環片31兩端的厚度變小(例如變成一半)，另一半環片32的兩端部分別朝圓周方向延伸一凸部320，該凸部320底面與半環片32的底面齊平，凸部320的厚度適為另一半環片31兩端凹部320的深度，且凸部320的周長適為凹部310的周長；當一半環片32以其凸部320完全地疊合於另一半環片31的凹部310上，適可組成一正圓形的平衡調整環30。又平衡調整環30的其中一半環片31上設有一配重塊33，主要係在該半環片31上形成有一安裝孔311，供配重塊33嵌設其間，在本實施例中，兩平衡調整環30,30’係分別在相對位置的半環片31,32上設置配重塊33。

安裝前述兩平衡調整環30,30’時，係將其兩半環片31,32分開，再分別嵌入環槽201,202內，使兩半環片31,32的凹部310，凸部320得以匹配地疊合，利用公差與摩擦力使平衡調整環30,30’確實地固定在動平衡刀把20的刀把本體200上。

又本實施例中，係在刀把本體200下端套設有一螺帽22，螺帽22的徑壁上形成有一開孔220，供嵌設該磁性元件21，本實施例中，該磁性元件21係由銣鐵硼磁鐵所構成。

再者，本發明係在前述動平衡刀把20的相對位置上設有一磁感應偵測器40(如圖3所示)，該磁感應偵測器40以微小的距離(約3~4mm)相對於刀把本體200下端的磁性元件21，當主軸11旋轉時，由磁感應偵測器40偵測動平衡刀把20的相對角度(位置)。本實施例中，磁感應偵測器40是由一巨磁阻效應(GMR)感測器所構成。

請參閱圖4所示，本發明進一步包括有一訊號處理電路50及一調整角度運算模組60，該訊號處理電路50分別與前述磁感應偵測器40、振動感測器12連接，用以轉換處理接收自磁感應偵測器40、振動感測器12的感測訊號；該調整角度運算模組60係根據前述訊號處理電路50輸出的訊號運算產生兩平衡調整環30,30’須調整的角度，以修正主軸11的不平衡量。

該訊號處理電路50主要係由一巨磁阻效應控制電路51、一波形轉換電路52及一數位濾波電路53組成，該巨磁阻效應控制電路51係與磁感應偵測器40連接，以接收並處理磁感應偵測器40傳來的偵測訊號，該波形轉換電路52則將巨磁阻效應控制電路51送出的弦波訊號改為方波；該數位濾波電路53係與振動感測器12連接，以便對振動感測器12送入的訊號進行濾波處理。

在本實施例中，訊號處理電路50進一步與一相位運算器54及一資料擷取器55連接，該相位運算器54係與波形 轉換電路52連接，以便根據磁感應偵測器40輸出的訊號計算其相位，再透過資料擷取器55送至調整角度運算模組60，又振動感測器12輸出的訊號經過數位濾波電路53濾波後亦透過資料擷取器55送至調整角度運算模組60，以計算出兩平衡調整環30,30’應調整的角度。在本實施例中，該相位運算器54係由一複雜可程式邏輯裝置(CPLD)所構成，資料擷取器55則由一DAQ卡所構成。該調整角度運算模組60可以是一部電腦，在本實施例中，該調整角度運算模組60運算調整角度的方法是相關係數法，相關係數法原為估測轉子不平衡量的方法之一，相關係數矩陣是一個轉移函數(如下列式1-1)，振動量為不平衡量所產生的力經過該轉移函數的輸出：

：相關係數矩陣

：主軸原始不平衡量所造成相對於參考點的振動訊號相位與大小

：主軸原始不平衡量相對於參考點的相位與大小(未知)

在本實施例中，前述兩平衡調整環30,30’上的不平衡量相位相差180度，力量的輸入為主軸11不平衡量所產生的不平衡力，而輸出的振動向量為振動感測器(加速規)12量測得到的振動訊號向量。在得到主軸原始不平衡量所造成的振動訊號振幅大小與相位後再作試重(trail weight)，而將兩平衡調整環30,30’不平衡量的向量當作試重的不平衡量，再經由量測得到試重後的主軸不平衡量、 兩平衡調整環30,30’不平衡量三向量和的振動訊號振幅大小和相位，藉此得到下式：

：試重後，兩平衡調整環的不平衡量與主軸原始不平衡量向量和相對於參考點所造成的振動訊號相位與大小

：試重後，兩平衡調整環已知不平衡量向量和，相對於參考點的相位(未知)與大小

將前述式(1-1)、式(1-2)兩式相減，得到相關係數矩陣如下：

將式(1-3)代入式(1-1)後得到

由式(1-4)可以得出，為經過一次試重後，估算出的主軸原始不平衡量的大小與相對參考點的相位，因此只要調整兩平衡調整環向量和的大小與相等，而相位與相差180度，即可修正主軸11上的不平衡量。

根據上述可知，實際上調整動平衡刀把20上兩平衡調整環30,30’的方式係如以下所述：

1.量測取得主軸11的振動大小。

2.改變動平衡刀把20上兩平衡調整環30,30’的角度。

3.再次量測取得主軸11的振動大小。

4.計算最佳化角度。

5.將兩平衡調整環30,30’調整至最佳化角度(本實施例為手動調整)。

6.再次量測主軸11的振動大小，以確認主軸11的不平衡量是否獲得有效修正。

由上述可知，本發明係先量測加工機主軸修正不平衡量以前的振動值，配合動平衡刀把相對位置的取得及相關係數法的運算，得以運算出動平衡刀把上所設平衡調整環應該調整的角度，藉此可快速且準確地完成主軸不平衡量的修正。

10‧‧‧加工機

11‧‧‧主軸

12‧‧‧振動感測器

20‧‧‧動平衡刀把

200‧‧‧刀把本體

201,202‧‧‧環槽

21‧‧‧磁性元件

22‧‧‧螺帽

220‧‧‧開孔

30,30’‧‧‧平衡調整環

31,32‧‧‧半環片

310‧‧‧凹部

311‧‧‧安裝孔

320‧‧‧凸部

33‧‧‧配重塊

40‧‧‧磁感應偵測器

50‧‧‧訊號處理電路

51‧‧‧巨磁阻效應控制電路

52‧‧‧波形轉換電路

53‧‧‧數位濾波電路

54‧‧‧相位運算器

55‧‧‧資料擷取器

60‧‧‧調整角度運算模組

圖1 係本發明應用的加工機示意圖。

圖2係本發明在加工機主軸上所設動平衡刀把的分解圖。

圖3係本發明在加工機主軸上所設動平衡刀把的平面示意圖。

圖4 係本發明的電路方塊圖。

10‧‧‧加工機

11‧‧‧主軸

12‧‧‧振動感測器

20‧‧‧動平衡刀把

200‧‧‧刀把本體

21‧‧‧磁性元件

30,30’‧‧‧平衡調整環

40‧‧‧磁感應偵測器

Claims (10)

1. 一種加工機的動平衡控制系統，包括：一動平衡刀把，係安裝於一加工機的主軸上，供固定刀具，該動平衡刀把具有一刀把本體，刀把本體上分設有兩個平衡調整環及一磁性元件；一磁感應偵測器，係相對於前述動平衡刀把上的磁性元件；一振動感測器，係設於加工機的主軸上，用以量測主軸運轉時的振動值；一訊號處理電路，分別與前述磁感應偵測器、振動感測器連接，用以轉換處理接收自磁感應偵測器、振動感測器的感測訊號；一調整角度運算模組，係與前述訊號處理電路連接，其內建一相關係數運算程序，以根據訊號處理電路的輸出訊號運算出一調整角度值，供調整動平衡刀把上兩平衡調整環的角度。
2. 如請求項1所述加工機的動平衡控制系統，該磁感應偵測器是一巨磁阻效應感測器；該訊號處理電路包括一巨磁阻效應控制電路、一波形轉換電路及一數位濾波電路組成，該巨磁阻效應控制電路係與磁感應偵測器連接，以接收並處理磁感應偵測器傳來的偵測訊號，該波形轉換電路將巨磁阻效應控制電路送出的弦波訊號改為方波；該數位濾波電路係與振動感測器連接。
3. 如請求項2所述加工機的動平衡控制系統，該波形 轉換電路與調整角度運算模組之間進一步設有一相位運算器、一資料擷取器，以便根據磁感應偵測器輸出的訊號計算其相位，再透過資料擷取器送至調整角度運算模組；該數位濾波電路輸出端亦透過資料擷取器與調整角度運算模組連接。
4. 如請求項3所述加工機的動平衡控制系統，該相位運算器係一複雜可程式邏輯裝置；該資料擷取器為一DAQ卡。
5. 如請求項4所述加工機的動平衡控制系統，該振動感測器是一加速規。
6. 一種加工機的動平衡刀把，具有一刀把本體，該刀把本體上分設有兩平衡調整環及一磁性元件；其中：該刀把本體係呈圓柱狀，其徑面上形成有兩朝軸心方向凹入的環槽，以分供設置一平衡調整環，該環槽的槽高與槽形係與平衡調整環的厚度、內緣輪廓匹配；各平衡調整環分別由兩片半圓形的半環片組成，兩半環片分別具有一表面及一底面，其中一半環片的底面兩端分別形成有一凹部，兩凹部使半環片兩端的厚度變小，另一半環片的兩端部分別朝圓周方向延伸一凸部，該凸部底面與半環片的底面齊平，凸部的厚度適為另一半環片兩端凹部的深度；每一平衡調整環的其中一半環片上設有一配重塊。
7. 如請求項6所述加工機的動平衡刀把，該平衡調整環的一半環片上形成有一安裝孔，供配重塊嵌設其間。
8. 如請求項7所述加工機的動平衡刀把，兩平衡調整 環分別在相對位置的半環片上設置配重塊。
9. 如請求項6至8中任一項所述加工機的動平衡刀把，該刀把本體下端套設一螺帽，螺帽的徑壁上形成有一開孔，供嵌設該磁性元件。
10. 如請求項9所述加工機的動平衡刀把，該磁性元件係由銣鐵硼磁鐵所構成。