TW201412453A - 用於機械加工設備之自發電感測模組、具有該自發電感測模組之監控系統，以及該監控系統之操作方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種用於機械加工設備之自發電感測模組，主要是藉由一感測器來感測機械加工設備之作動、並根據所感測到之作動而產生一作動訊號，接著利用一無線訊號發送器將作動訊號進行處理之後再發送出去，同時再提供一能量轉換器將機械加工設備在加工過程中所產生震動或轉動之作動能量轉換成電能，並將電能傳送至感測器及無線訊號發送器，用以對感測器及無線訊號發送器進行充電動作而達到自發電的目的。此外，自發電感測模組亦可結合一監控模組而構成一監控系統，用以方便操作者判斷作動訊號是否正常。

Description

用於機械加工設備之自發電感測模組、具有該自發電感測模組之監控系統，以及該監控系統之操作方法

本發明與用於機械加工設備之感測器有關，特別是指一種具有自發電功能之感測模組。

一般在機械加工的過程中，刀具常因承受無法預知的應力而導致加工的品質不佳，甚至可能會造成刀具或工件毀損，因此，目前大多會藉由一感測器安裝於主軸或是機床上，用來即時感測刀具的作動或是工件的加工狀況，以便在機械加工過程中獲得最佳化的運作。

然而就傳統感測器的設計來說，線路的鋪排除了可能會造成主軸或機床的結構設計更為複雜之外，也可能還會造成多數個刀把或是機床的導軌之間產生糾纏的狀況。為了解決線路的問題，目前的設計是傾向於將感測器以內埋方式或封裝方式設置於主軸上、主軸附近或是機床上的適當位置，但是此安裝方式在日後進行定期維修保養時，維修人員要更換感測器的電池會相當的不容易，假如感測器所使用的數量非常龐大時，更換電池的過程會變得更加困難及耗時。

本發明之主要目的在於提供一種用於機械加工設備之自發電感測模組，其能自行產生電力而不需要安裝電池，可避免產生更換電池的問題。

為了達成上述主要目的，本發明之自發電感測模組包含有一感測器、一無線訊號發送器，以及一能量轉換器。該感測器設於該機械加工設備，用以感測該機械加工設備之作動而產生一作動訊號；該無線訊號發送器設於該機械加工設備，並具有一訊號處理元件及一無線訊號發送元件，該訊號處理元件電性連接該感測器，用以接收該作動訊號，並將該作動訊號轉換成一輸出訊號，該無線訊號發送元件電性連接該訊號處理元件，用以接收該輸出訊號，並將該輸出訊號發送出去；該能量轉換器設於該機械加工設備內，並電性連接該感測器及該無線訊號發送器，用以將該機械加工設備所產生之作動能量轉換成電能，並將該電能傳送至該感測器及該無線訊號發送器，用以對該感測器及該無線訊號發送器進行充電動作。藉此，本發明之自發電感測模組將該機械加工設備在機械加工過程中所產生的振動或轉動等作動能量拿來利用，並不需要安裝電池就能自行發電，可以避免電池更換困難的問題，以達到節能省碳的目的。

在該自發電感測模組中，更可以提供一電能儲存器，該電能儲存器用以儲存該能量轉換器所轉換之電能，並將所儲存之電能輸送至該感測器及該無線訊號發送器。

本創作的較佳設計是將該自發電感測模組安裝於該機械加工設備之主軸，而該感測器為一加速度感測器，該能量轉換器則可以採用壓電材料，或是感應線圈搭配磁鐵逤構成。

本發明之次要目的在於提供一種用於機械加工設備之監控系統，其能讓操作者判斷該機械加工設備之作動是否為正常狀況。

為了達成上述次要目的，該監控系統包含有前述自發電感測模組及一監控模組，該監控模組具有一無線訊號接收器及一電性連接該無線訊號接收器之電腦，該無線訊號接收器接收該輸出訊號，並將該輸出訊號還原成該作動訊號，該電腦內建有一監控軟體及一製程參數資料庫，該監控軟體讀取該作動訊號，並將該作動訊號與該製程參數資料庫內之資料進行比對，用以供操作者判斷該作動訊號是否為正常狀況。

在該監控系統中，當該監控軟體判斷該作動訊號為異常時，該監控軟體會產生一警告訊號，用以提醒操作者修改原本的參數設定。

本發明之又一目的在於提供該監控系統之操作方法，其能方便操作者對該監控系統進行操作。

為了達成上述目的，該監控系統之操作方法包含有五個步驟。步驟a)係設定一製程參數，待設定完成之後即可開始進行機械加工；步驟b)係該感測器在機械加工過程中會感測該機械加工設備之作動而產生該作動訊號，同時該能量轉換器會擷取該機械加工設備所產生之作動能量，並將所擷取到之作動能量轉換成電能；步驟c)係該能量轉換器將步驟c)之電能輸送至該感測器及該無線訊號發送器，用以對該感測器及該無線訊號發送器進行充電動作；步驟 d)係該無線訊號發送器之訊號處理元件會接收步驟b)之作動訊號，並將該作動訊號轉換成該輸出訊號，再由該無線訊號發送器之無線訊號發送元件將該輸出訊號發送出去；步驟e)係該監控模組之無線訊號接收器會接收步驟c)之輸出訊號，並將該輸出訊號還原成步驟b)之作動訊號，再由該電腦之監控軟體對該作動訊號進行讀取，同時與該製程參數資料庫內之資料進行比對。藉此，操作者只要依據前述步驟即可快速地對該監控系統進行操作，用以判斷該主軸組件所產生之作動訊號是否處在正常狀態。

為了詳細說明本發明之結構、特徵及功效所在，茲列舉二較佳實施例並配合下列圖式說明如後。

請參閱第一圖，為本發明第一較佳實施例所提供之自發電感測模組10，主要應用在一機械加工設備(如切削工具機)，機械加工設備包含有一主軸組件12，主軸組件12具有一主軸122、一可轉動地設於主軸122之刀把124，以及一安裝於刀把124之刀具126，藉由刀把124相對主軸122之旋轉，即可驅動刀具126對材料進行切削加工製程。本發明之自發電感測模組10包含有一感測器20、一無線訊號發送器30，以及一能量轉換器40。

如第一及二圖所示，感測器20在本實施例為一加速度感測器而能夠用來感測主軸組件12之作動而產生一作動訊號22，所以感測器20的位置要以距離刀具126越近越 好，其中以埋設於刀把124內為最佳實施方式。

無線訊號發送器30以設置在刀把124內為最佳實施方式，並具有一訊號處理元件32及一無線訊號發送元件34。訊號處理元件32電性連接感測器20，用以接收作動訊號22，並將作動訊號22轉換成一輸出訊號36；無線訊號發送元件34電性連接訊號處理元件32，用以接收輸出訊號36，並將輸出訊號36發送出去。

如第一及三圖所示，能量轉換器40具有一壓電元件42、一感應線圈44，以及二磁鐵46。壓電元件42設於刀把124內且電性連接感測器20及無線訊號發送器30，用以擷取刀把124在加工過程中所產生之振動能量P1，並將所擷取到之振動能量P1轉換成電能E，再將所轉換之電能E傳送至感測器20及無線訊號發送器30，用以對感測器20及無線訊號發送器30進行充電；感應線圈44設於刀把124內且電性連接感測器20及無線訊號發送器30，該二磁鐵46具有不同的極性且設於主軸122內，並位於刀把124之兩相對側，當刀把124帶動感應線圈44相對該二磁鐵46旋轉時，感應線圈44便會因為磁通量的變化而產生電能E，並將電能E傳送至加速度感測器20及無線訊號發送器30，用以對感測器20及無線訊號發送器30進行充電。

在此需要補充說明的是，能量轉換器40不一定要同時使用壓電元件42、感應線圈44，以及磁鐵46的搭配，只要使用壓電元件或感應線圈44及磁鐵46之組合的其中之一就能達到對加速度感測器20及無線訊號發送器30進行 充電的功效。

另一方面，本發明之自發電感測模組10更提供了一電能儲存器50，電能儲存器50電性連接能量轉換器40、加速度感測器20，以及無線訊號發送器30，用以儲存能量轉換器40所產生之電能E，並將所儲存之電能E輸送至感測器20及無線訊號發送器30。

藉此，本發明之自發電感測模組10將主軸組件12在機械加工過程中所產生的振動能量P1及旋轉能量P2分別拿來產生電能E，所以不需要安裝電池或外接其他電源就能自行發電，因此可以避免產生習用技術中針對電池的更換所產生的問題，同時又能夠達到節能省碳的目的。

此外，本創作的實施態樣並不限於前述實施例，本創作之自發電感測模組10亦可隨實際需要而安裝於該機械加工設備的機床或是其他位置，該感測器20也不以加速度感測器為限。

為了方便操作者對機械加工過程所設定之製程參數進行監測，本發明之第二實施例遂將前述自發電感測模組10與一監控模組14作搭配而構成一監控系統16，如第二圖所示。

監控模組14具有一無線訊號接收器60及一電腦70。無線訊號接收器接收輸出訊號36，並將輸出訊號36還原成作動訊號22；電腦70電性連接無線訊號接收器60，並內建有一監控軟體72及一製程參數資料庫74，監控軟體72用以讀取作動訊號22，並將作動訊號22與製程參數資 料庫74內之資料進行比對，用以供操作者判斷作動訊號22是否正常，若作動訊號22為異常，監控軟體72會發出一警告訊號(例如燈光或聲音)，用以提醒操作者調整製程參數。

接著如第二及三圖所示，本發明更提供監控系統16之操作方法S1~S5，用以詳細說明如何對監控系統16進行操作。

步驟a)S1：設定一製程參數，待設定完成之後即可開始進行機械加工。

步驟b)S2：感測器20在機械加工過程中會根據刀把124之作動而產生作動訊號22，同時能量轉換器40之壓電元件42會將刀把124所產生之振動能量P1轉換成電能E，而且，能量轉換器40之感應線圈44會藉由刀把124之旋轉而相對磁鐵46運動，並在相對磁鐵46運動的過程中產生電能E。

步驟c)S3：能量轉換器40將步驟b)S1之電能E分別輸送至感測器20及無線訊號發送器30，用以對感測器20及無線訊號發送器30進行充電動作。在此需要補充說明的是，能量轉換器40可以先將電能E儲存至電能儲存器50內，再由電能儲存器50將電能E輸送至加速度感測器20及無線訊號發送器30，同樣可以達到充電效果。

步驟d)S4：無線訊號發送器30之訊號處理元件32會接收步驟b)S1之作動訊號22，並將作動訊號22轉換成輸出訊號36，再由無線訊號發送器30之無線訊號發送元件 34將輸出訊號36發送出去。

步驟e)S5：監控模組14之無線訊號接收器60會接收步驟c)S3之輸出訊號36，並將輸出訊號36還原成步驟b)S2之作動訊號22，再由電腦70之監控軟體72對作動訊號22進行讀取，同時與製程參數資料庫74內之資料進行比對，用以判斷作動訊號22是否正常。若監控軟體72判斷作動訊號22為異常時，監控軟體72會發出警告訊號(例如燈光或聲音)，用以提醒操作者調整步驟a)S1之製程參數。

藉由上述步驟可知，操作者可以很方便地藉由監控模組14來判斷製程結果，並能夠在訊號異常的狀況下即時提醒操作者修改原本的設定，以避免對機械加工設備10或產品造成損壞。

最後，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧自發電感測模組

12‧‧‧主軸組件

122‧‧‧主軸

124‧‧‧刀把

126‧‧‧刀具

P1‧‧‧振動能量

P2‧‧‧旋轉能量

14‧‧‧監控模組

16‧‧‧監控系統

20‧‧‧加速度感測器

22‧‧‧作動訊號

30‧‧‧無線訊號發送器

32‧‧‧訊號處理元件

34‧‧‧無線訊號發送元件

36‧‧‧輸出訊號

40‧‧‧能量轉換器

42‧‧‧壓電元件

44‧‧‧感應線圈

46‧‧‧磁鐵

E‧‧‧電能

50‧‧‧電能儲存器

60‧‧‧無線訊號接收器

70‧‧‧電腦

72‧‧‧監控軟體

74‧‧‧製程參數資料庫

S1~S5‧‧‧步驟

第一圖為本發明第一較佳實施例所提供之自發電感測模組之平面示意圖。

第二圖為本發明第一較佳實施例所提供之自發電感測模組之方塊圖。

第三圖為本發明第二較佳實施例所提供之監控系統之方塊圖。

第四圖為本發明第二較佳實施例所提供之監控系統之操作方法的流程圖。

10‧‧‧自發電感測模組

12‧‧‧主軸組件

122‧‧‧主軸

124‧‧‧刀把

126‧‧‧刀具

20‧‧‧加速度感測器

30‧‧‧無線訊號發送器

40‧‧‧能量轉換器

42‧‧‧壓電元件

44‧‧‧感應線圈

46‧‧‧磁鐵

50‧‧‧電能儲存器

Claims (22)

1. 一種用於機械加工設備之自發電感測模組，該機械加工設備包含有一主軸組件，該自發電感測模組包含有：一感測器，設於該機械加工設備以感測該機械加工設備之作動而產生一作動訊號；一無線訊號發送器，設於該機械加工設備，並且具有一訊號處理元件及一無線訊號發送元件，該訊號處理元件電性連接該加速度感測器，用以接收該作動訊號，並將該作動訊號轉換成一輸出訊號，該無線訊號發送元件電性連接該訊號處理元件，用以接收該輸出訊號，並將該輸出訊號發送出去；以及一能量轉換器，設於該機械加工設備，並電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，用以將該機械加工設備所產生之作動能量轉換成電能，並將該電能傳送至該加速度感測器及該無線訊號發送器，用以對該加速度感測器及該無線訊號發送器進行充電。
2. 如請求項1所述之用於機械加工設備之自發電感測模組，其中該機械加工設備包含有一主軸組件，該自發電感測模組是安裝於該主軸組件內。
3. 如請求項2所述之用於機械加工設備之自發電感測模組，其中該感測器為一加速度感測器。
4. 如請求項1所述之用於機械加工設備之自發電感測模組，其中該能量轉換器為一壓電元件。
5. 如請求項2所述之用於機械加工設備之自發電感測 模組，其中該能量轉換器為一壓電元件，該主軸組件具有一主軸及一可轉動地設於該主軸之刀把，該能量轉換器安裝於該刀把。
6. 如請求項2所述之用於機械加工設備之自發電感測模組，其中該主軸組件具有一主軸及一可轉動地設於該主軸之刀把，該能量轉換器具有一感應線圈及二磁鐵，該感應線圈設於該刀把內且電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，該二磁鐵具有不同的極性且設於該主軸內，並位於該刀把之兩相對側。
7. 如請求項2所述之用於機械加工設備之自發電感測模組，其中該主軸組件具有一主軸及一可轉動地設於該主軸之刀把，該能量轉換器具有一壓電元件、一感應線圈，以及二磁鐵，該壓電元件及該感應線圈分別設於該刀把內且分別電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，該二磁鐵具有不同的極性且設於該主軸內，並位於該刀把之兩相對側。
8. 如請求項1至7中任一項所述之用於機械加工設備之自發電感測模組，更包含有一電能儲存器，係電性連接該能量轉換器，用以儲存該能量轉換器所轉換之電能。
9. 如請求項8所述之用於機械加工設備之自發電感測模組，其中該電能儲存器電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，用以將所儲存之電能輸送至該加速度感測器及該無線訊號發送器。
10. 一種用於機械加工設備之監控系統，包含有： 一如請求項1所述之自發電感測模組；以及一監控模組，具有一無線訊號接收器及一電腦，該無線訊號接收器接收該輸出訊號，並將該輸出訊號還原成該作動訊號，該電腦電性連接該無線訊號接收器，並內建有一監控軟體及一製程參數資料庫，該監控軟體讀取該作動訊號，並將該作動訊號與該製程參數資料庫內之資料進行比對，用以判斷該作動訊號是否正常。
11. 如請求項10所述之用於機械加工設備之監控系統，其中當該作動訊號異常時，該監控軟體會發出一警告訊號。
12. 如請求項10所述之用於機械加工設備之監控系統，其中該主軸組件具有一主軸及一可轉動地設於該主軸之刀把，該能量轉換器為一壓電元件且設於該刀把內。
13. 如請求項10所述之用於機械加工設備之監控系統，其中該主軸組件具有一主軸及一可轉動地設於該主軸之刀把，該能量轉換器具有一感應線圈及二磁鐵，該感應線圈設於該刀把內且電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，該二磁鐵具有不同的極性且設於該主軸內，並位於該刀把之兩相對側。
14. 如請求項10所述之用於機械加工設備之監控系統，其中該主軸組件具有一主軸及一可轉動地設於該主軸之刀把，該能量轉換器具有一壓電元件、一感應線圈，以及二磁鐵，該壓電元件及該感應線圈分別設於該刀把內且分別電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，該二 磁鐵具有不同的極性且設於該主軸內，並位於該刀把之兩相對側。
15. 如請求項10至14所述之用於機械加工設備之監控系統，其中該自發電感測模組更具有一電能儲存器，係電性連接該能量轉換器，用以儲存該能量轉換器所轉換之電能。
16. 如請求項15所述之用於機械加工設備之監控系統，其中該電能儲存器電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，用以將所儲存之電能輸送至該加速度感測器及該無線訊號發送器。
17. 一種如請求項10所述之監控系統之操作方法，包含有下列步驟：a)設定一製程參數；b)該加速度感測器在機械加工過程中會感測到該主軸組件之作動而產生該作動訊號，同時該能量轉換器會擷取該主軸組件所產生之作動能量，並將所擷取到之作動能量轉換成電能；c)該能量轉換器將步驟b)之電能輸送至該加速度感測器及該無線訊號發送器，用以對該加速度感測器及該無線訊號發送器進行充電動作；d)該無線訊號發送器之訊號處理元件會接收步驟b)之作動訊號，並將該作動訊號轉換成該輸出訊號，再由該無線訊號發送器之無線訊號發送元件將該輸出訊號發送出去；以及 e)該監控模組之無線訊號接收器會接收步驟d)之輸出訊號，並將該輸出訊號還原成步驟b)之作動訊號，再由該電腦之監控軟體對該作動訊號進行讀取，同時與該製程參數資料庫內之資料進行比對，用以判斷該作動訊號是否正常。
18. 如請求項17所述之監控系統之操作方法，其中該能量轉換器為一壓電元件且設於該主軸組件之一刀把內；在步驟b)中，該能量轉換器會將所擷取到之振動能量轉換成電能。
19. 如請求項17所述之監控系統之操作方法，其中該該能量轉換器具有一感應線圈及二磁鐵，該感應線圈設於該主軸組件之一刀把內且電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，該二磁鐵具有不同的極性且設於該主軸組件之一主軸內，並位於該刀把之兩相對側；在步驟b)中，該能量轉換器之感應線圈會將該主軸組件所產生之旋轉能量轉換成電能。
20. 如請求項17所述之監控系統之操作方法，其中該能量轉換器具有一壓電元件、一感應線圈，以及二磁鐵，該壓電元件及該感應線圈分別設於該主軸組件之一刀把內，並且分別電性連接該加速度感測器及該無線訊號發送器，該二磁鐵具有不同的極性且設於該主軸組件之一主軸內，並位於該刀把之兩相對側；在步驟b)中，該能量轉換器之壓電元件及感應線圈會分別將該主軸組件所產生之振動能量及旋轉能量轉換成電能。
21. 如請求項17至20中任一項所述之監控系統之操作方法，其中該能量轉換器會將該電能儲存至一電能儲存器內，再由該電能儲存器將該電能輸送至該加速度感測器及該無線訊號發送器。
22. 如請求項21所述之監控系統之操作方法，其中當該監控軟體判斷該作動訊號為異常時，該監控軟體會發出一警告訊號，用以提醒操作者調整步驟a)之製程參數。