TW201944622A - 壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統 - Google Patents
壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統 Download PDFInfo
- Publication number
- TW201944622A TW201944622A TW107112130A TW107112130A TW201944622A TW 201944622 A TW201944622 A TW 201944622A TW 107112130 A TW107112130 A TW 107112130A TW 107112130 A TW107112130 A TW 107112130A TW 201944622 A TW201944622 A TW 201944622A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- electrode
- piezoelectric
- tool
- force
- coefficient
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 56
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 55
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 37
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 21
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 19
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims description 14
- 238000007514 turning Methods 0.000 claims description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 4
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/302—Sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
- B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
- B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
- B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
- B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
- B23Q17/0966—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring a force on parts of the machine other than a motor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators
- G01L5/0076—Force sensors associated with manufacturing machines
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q2717/00—Arrangements for indicating or measuring
- B23Q2717/003—Arrangements for indicating or measuring in lathes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
Abstract
一種壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統。壓電感測模組係設置於工具機之作動工具上。壓電感測模組包括壓電感測薄膜，壓電感測薄膜上至少設置包括第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極以及第六電極，其中第一電極位於第三電極及第四電極之間，第二電極位於第五電極及第六電極之間；其中第一電極及第二電極之間、第三電極及第五電極之間與第四電極及第六電極之間皆相隔特定距離，且第一電極及第二電極之間、第三電極及第五電極之間與第四電極及第六電極之間於作動工具上具有90度之夾角。
Description
本發明係關於一種壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統，特別是一種可以量測多種工具機受力狀態之壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統。
隨著時代的進步，現今有許多關於工具機切削力量測之研究，藉此可以獲得大量之切削量測資料，以進一步改進切削方式以增進精度及效率或監測切削狀況，避免刀具受損或加工失敗等。工具機切削力之量測是近年來發展智慧型工具機之重點。而於先前技術當中，是將測力計(dynamometer)置於工具機之工件端，間接量測其受力情況。但測力計的精確性及系統昂貴，且易受損等缺點，是先前技術中較難克服的問題。另外，以銑削(milling process)為例，若使用一般33型極化、d31方向負載之PVDF壓電薄膜感測器來測量刀具表面形變時，至少需要使用三組六具感測器並貼附於刀具上，再經複雜之演算才能測量。且其中之三具感測器需與切削方向呈某一適當之角度才能得到正確的數值，在在都增加了測量的難度。
因此，有必要發明一種新的壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統，以解決先前技術的缺失。
本發明之主要目的係在提供一種壓電感測模組，其具有可以量測多種工具機受力狀態之效果。
本發明之另一主要目的係在提供一種製成上述壓電感測模組之壓電感測模組偵測之方法
本發明之另一主要目的係在提供一種具有上述壓電感測模組之壓電感應偵測系統。
為達成上述之目的，本發明之壓電感測模組係設置於工具機之作動工具上。壓電感測模組包括壓電感測薄膜，壓電感測薄膜上至少設置包括第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極以及第六電極，其中第一電極位於第三電極及第四電極之間，第二電極位於第五電極及第六電極之間；其中第一電極及第二電極之間、第三電極及第五電極之間與第四電極及第六電極之間皆相隔特定距離，且當壓電感測薄膜貼附於作動工具上時，第一電極及第二電極之間、第三電極及第五電極之間與第四電極及第六電極之間於作動工具上具有90度之夾角。
本發明之壓電感測模組極化之方法包括以下步驟：提供壓電感測薄膜，該壓電感測薄膜上至少設置包括第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極及第六電極；貼附壓電感測薄膜於刀具單元上，以使第一電極及第二電極之間、第三電極及該五電極之間與第四電極及第六電極之間於作動工具上具有90度之夾角。
本發明之壓電感應偵測系統係用於工具機。工具機具有作動工具。壓電感應偵測系統包括壓電感測模組及訊號處理模組。壓電感測模組係設置於作動工具上，當作動工具工作時，壓電感測模組係感應得到壓電感測訊號。壓電感測模組包括壓電感測薄膜，壓電感測薄膜上至少設置包括第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極以及第六電極，其中第一電極位於第三電極及第四電極之間，第二電極位於第五電極及第六電極之間；其中第一電極及第二電極之間、第三電極及第五電極之間與第四電極及第六電極之間皆相隔特定距離，且當壓電感測薄膜貼附於作動工具上時，第一電極及第二電極之間、第三電極及第五電極之間與第四電極及第六電極之間於作動工具上具有90度之夾角。訊號處理模組係電性連接壓電感測模組，用以根據壓電感測訊號得知該作動工具之受力狀況。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。
以下請先參考圖1係本發明之壓電感應偵測系統之架構示意圖。
本發明之壓電感應偵測系統10用以偵測一機具或物品所承受的應力，於本發明之一實施例中，本發明之壓電感應偵測系統10係用於一工具機40，但本發明並不限於此。工具機40具有作動工具41，用以對一工件50(如圖6A所示)進行加工。於本實施例中作動工具41係為一銑削刀具，以對工件50進行銑削加工，但本發明壓電感應偵測系統10並不限於僅能用於此類型的加工工具。壓電感應偵測系統10可包括壓電感測模組20及訊號處理模組31。壓電感測模組20係設置於該作動工具41上未接觸該工件50之處。當該作動工具41以對該工件50加工時，壓電感測模組20係因為作動工具41的受力表面變形而可以感應得到一壓電感測訊號。壓電感測模組20係經由無線方式以電性連接至訊號處理模組31，以將量測得到的壓電感測訊號傳輸至訊號處理模組31。訊號處理模組31係電性連接該壓電感測模組20，用以根據該壓電感測訊號計算得知該作動工具41之一受力狀況，即一進給力(feed force)、一橫向力(transverse force)或一切向力(tangential force)。上述訊號處理模組31除可配置為硬體裝置、軟體程式、韌體或其組合外，亦可藉電路迴路或其他適當型式配置；並且，各個模組除可以單獨之型式配置外，亦可以結合之型式配置。此外，本實施方式僅例示本發明之較佳實施例，為避免贅述，並未詳加記載所有可能的變化組合。
而關於壓電感測模組20之技術請參考圖2，圖2係本發明之壓電感測模組之極化示意圖。
於本發明之一實施方式中壓電感測模組20包括壓電感測薄膜21，壓電感測薄膜21上設有第一電極A、第二電極B、第三電極C1、第四電極C2、第五電極D1及第六電極D2。壓電感測薄膜21係為一聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride，PVDF)，但本發明的壓電感測薄膜21並不僅限於利用此種材質製成，亦不論是用d13或d33型電極製成者皆在本發明之保護範圍內。於圖2中可以得知壓電感測薄膜21的方向1及方向2，而方向3係為垂直於壓電感測薄膜21，於圖2中並未標示。由於壓電感測薄膜21的製程已經為本發明所屬技術領域中具通常知識者所熟知，故在此不再贅述其原理。
壓電感測薄膜21具有四個邊角，第三電極C1、第四電極C2、第五電極D1及第六電極D2係貼附於靠近壓電感測薄膜21之四個邊角之處，該第一電極A位於該第三電極C1及該第四電極C2之間，該第二電極B位於該第五電極D1及該第六電極D2之間。且其中該第一電極A及該第二電極B之間、該第三電極C1及該第五電極D1之間與該第四電極C2及該第六電極D2之間皆相隔一特定距離。並且於此實施方式中，該第一電極A係對該第三電極C1及該第四電極C2之方向進行極化，該第五電極D1及該第六電極D2係對該第二電極B之方向進行極化。該第五電極D1係對第三電極C1之方向進行極化，該第六電極D2係對該第四電極C2之方向進行極化。
在此請一並參考圖3A係本發明之壓電感測模組貼於刀具單元之側視圖及圖3B係本發明之壓電感測模組貼於刀具單元之剖視圖。
而當壓電感測薄膜21貼附於作動工具41上時，係使得該第一電極A及該第二電極B之間、該第三電極C1及該第五電極D1之間與該第四電極C2及該第六電極D2之間於該作動工具41上具有90度之夾角。換言之，若第一電極A、第三電極C1及第四電極C2的位置在作動工具41的0度角之處，第二電極B、第五電極D1及第六電極D2就位在作動工具41的90度角之處。藉此即可方便計算作動工具41之受力狀況。但本發明並不限於此，若沒有將電極分別設置於0度及90度角之處時，則可利用統計分析計算作動工具41之受力狀況。
接著請參考圖4係本發明之壓電感測模組偵測之方法之步驟流程圖。此處需注意的是，以下雖以上述的壓電感測模組20為例說明本發明之壓電感測模組偵測之方法，但本發明之壓電感測模組偵測之方法並不以使用在上述相同結構的壓電感測模組20為限。
首先進行步驟401：提供一壓電感測薄膜。
首先係提供一聚偏二氟乙烯薄膜，再利用冷拉伸、固相擠出以及碾磨等方式來製成壓電感測薄膜21。由於壓電感測薄膜21的製程已經為本發明所屬技術領域中具通常知識者所熟知，故在此不再贅述其原理。
其次進行步驟402：至少設置包括一第一電極、一第二電極、一第三電極、一第四電極、一第五電極及一第六電極於該壓電感測薄膜上。
其次，將第一電極A、第二電極B、第三電極C1、第四電極C2、第五電極D1及第六電極D2依照貼附於壓電感測薄膜21上，並且其中該第一電極A及該第二電極B之間、該第三電極C1及該第四電極C2之間與該第五電極D1及該第六電極D2之間皆相隔一特定距離。
再進行步驟403：將至少一電極依照至少一極化方向以對另一電極進行極化。
接著至少一電極係依照至少一極化方向以對另一電極進行極化，使得壓電感測模組20可以具有複數個極化方向。
於本發明之一實施方式中，步驟403可以包括下列步驟403a到步驟403d，但本發明並不限於此。
也就是先進行步驟403a：自該第一電極對該第三電極及該第四電極之方向進行極化。
先第一電極A施加正高電壓，第三電極C1及第四電極C2接地或是負高電壓，藉此從該第一電極A朝向該第三電極C1及第四電極C2之方向進行極化。
接著進行步驟403b：自該第五電極及該第六電極對該第二電極之方向進行極化。
接著利用相同的極化方法，從第五電極D1及第六電極D2朝向該第二電極之方向進行極化。
再進行步驟403c：自該第五電極對該第三電極之方向進行極化。
接著從該第五電極D1朝向該第三電極C1之方向進行極化。
最後步驟403d：自該第六電極對該第四電極之方向進行極化。
最後從該第六電極D2朝向該第四電極C2之方向進行極化，以製成壓電感測模組20。如此一來，壓電感測模組20即可得到六個極化方向。
最後進行步驟404：貼附該壓電感測薄膜於該作動工具上，以使該第一電極及該第二電極之間、該第三電極及該第四電極之間與該第五電極及該第六電極之間於該作動工具上具有90度之夾角。
最後將壓電感測薄膜21貼附於作動工具41上，並且於本實施例中，壓電感測薄膜21係配合作動工具41之形狀，讓該第一電極A、第三電極C1及第四電極C2位於同一角度，第二電極B、第五電極D1及第六電極D2位於同一角度，且該第一電極A及該第二電極B、該第三電極C1及該第四電極C2與該第五電極D1及該第六電極D2之間具有90度的夾角。也就是如果第一電極A、第三電極C1及第四電極C2位於0度，第二電極B、第五電極D1及第六電極D2就位在90度的位置。
此處需注意的是，本發明之壓電感測模組偵測之方法並不以上述之步驟次序為限，只要能達成本發明之目的，上述之步驟次序亦可加以改變。
如此一來，訊號處理模組31可根據第一電極A及該第二電極B所得到的壓電感應訊號計算出作動工具41所受的一進給力(feed force)與一橫向力(transverse force)，並利用第一電極A到該第六電極D2所得到的壓電感應訊號計算出作動工具41所受的一切向力(tangential force)。
接著請一併參考圖5到圖6B的相關示意圖。圖5係本發明之各電極與作動工具之間的關係之示意圖，圖6A係本發明之壓電感應偵測模組設置於銑削工具之示意圖圖6B係本發明之壓電感應偵測模組設置於銑削工具之剖視圖。
圖5中係顯示了第一電極A、第二電極B、第三電極C1、第四電極C2、第五電極D1及第六電極D2與作動工具41之間的長度及角度關係，以下計算受力的推導皆以圖5所示的關係為基礎，但本發明的應用並不僅限於此。
當作動工具41進行銑削時，於X軸、Y軸、Z軸的方向上可以各具有受力、、。作動工具41的軸的應力可以定義為：，其中X軸方向的長度，Y軸方向長度，其中角度且為旋轉角度，為感測器及初始切割端的夾角，是每個感應器的初始角度，為負責測量上述 之第一電極A與第二電極B到切割端42之距離，是作動工具41的楊氏係數(Young’s modulus)，及為作動工具41的直徑及轉動貫量，最後及為朝向X軸及Y軸之受力，於本實施例中分別為進給力及橫向力。而當第一電極A及第二電極B的初始角度為及時，就可得到：，其中，且 。 並且於本發明之實施方式中，第一電極A及第二電極B之間具有90度夾角，因此可以將及代入得到：及。
而表示壓電性的構成關係可為：，其中為電位移，為變形量，為介電常數，與為壓電係數，為定電場下的彈性係數。於本發明的一實施例中，壓電感測薄膜21不具有延伸電場，故電位移可以轉換為：。如此一來，本發明之一實施例中，壓電感測薄膜21的極化方法可以讓電位移改寫為：，其中為壓電感測薄膜21的楊氏係數、為壓電係數、及為該第一電極A及該第二電極B的壓電係數。而每個電極得到的電量可定義為：。其中A為壓電感測薄膜之截面積，其及非常小可不予考慮，且，。既然電量，為電極之電容量，所以量測出的電壓就為。所以最後可以得到。由上述的公式推導可知，當測量得知第一電極A及該第二電極B所得到的壓電感應訊號後，作動工具41所受的一進給力與一橫向力就可以計算出來。
於本發明之一實施例中，作動工具41在切削過程因受力影響而產生扭曲角(twist angle)、直徑及長度，且藉由切割端42來接觸工件50。而兩電極第六電極D2及第五電極D1到扭曲角的延伸線就分別具有距離及距離。因此根據彈性扭轉公式可得到：且，其中為作動工具41的直徑，為極慣性矩(polar moment of inertia)，為剛性模數(modulus of rigidity)。而上述的公式可以再改寫：且或。
而第三電極C1及第四電極C2之初始角度為。第五電極D1及第六電極D2的初始角度為。且第四電極C2及第六電極D2到切割端42的距離為，第三電極C1及第五電極D1到切割端42的距離為，第三電極C1及第四電極C2，與第五電極D1及第六電極D2之間都相距。因此可以得到：，。所以，公式可再改寫為：或，其中為轉矩所產生壓電感測模組20之第三電極C1及第四電極C2或第五電極D1及第六電極D2的應變。
而切向力相對於進給力及該橫向力之關係為：。 若以31型極化的電極為例，電位移可以轉換為：；，其中及分別為任一電極的長及寬。由於，所以於第三電極C1及第四電極C2之間會具有：，其中為電極之電容量。所以可以得知第三電極C1及第四電極C2之間電壓差：，其中為為已知常數。當測量到電量後，扭曲角就為，所以可以得到切向力。
對初始角度為的第三電極C1及第四電極C2而言，其切向力為而對初始角度為=90度的第五電極D1及第六電極D2而言，其切向力為。
接著進一步共同考量0度的第一電極A、第三電極C1及第四電極C2可以得到：及，再由上兩式子計算出：及。
而對90度的第二電極B、第五電極D1及第六電極D2可以得到：及，再由上兩式子計算出：及。
所以由上述的公式可整理出： 進給力及 橫向力，其中、、、。
如圖6A所示，於本發明之一實施例中，本發明之壓電感應偵測系統10係用於一工具機40之作動工具41，以對工件50加工時，壓電感測模組20係因為作動工具41的受力表面變形而可以感應得到壓電感測訊號，壓電感測模組20可以利用無線通訊方式連接至訊號處理模組30。所以於本發明之一實施例中，壓電感應偵測系統10還可包括軸承套件32及天線模組33。軸承套件32係用以安裝該作動工具41。天線模組33係電性連接該壓電感測模組20，用以利用該軸承套件32之反射以朝該軸承套件32之垂直方向傳輸該壓電感測訊號至該訊號處理模組31，但本發明並不限定天線模組33之種類或形狀。
如此一來，天線模組33水平與垂直方向之輻射場型圖就分別如圖7A及7B所示，圖7A係本發明之壓電感應偵測系統具有之天線模組於水平方向之輻射場型圖，圖7B係本發明之壓電感應偵測系統具有之天線模組於垂直方向之輻射場型圖。
於圖7A到7B可知，本發明的天線模組33在頻率2.4GHz、2.45GHz及2.5GHz下，於水平或垂直的各方向都具有不錯的傳輸效果，而不會只偏向於同一方向。
另外，本發明的壓電感測模組20也可用於測量得知一般之電動扳手(electric wrench)或氣動扳手(pneumatic wrench)的扭力。若以圖6A為例，於此實施例中，若工具機40為電動扳手或氣動扳手時，可將原作動工具41的切割端42視為進行鎖固之處，工件50則為要被鎖固的物件。藉此可以只根據第三電極C1及第四電極C2之間或第五電極D1及第六電極D2之間壓電感測訊號的電壓差來計算得到電動扳手或氣動扳手的扭力。
同樣參考圖5之前述的公式推導可以得知，彈性扭轉公式為：。 而當第三電極C1及第四電極C2之間或第五電極D1及第六電極D2之間具有距離時，就可以由：及得到：，所以可推知或。
接著由電極的長及寬得到電位移：；。由於，所以於第三電極C1及第四電極C2之間會具有：，為電極之電容值。所以就可以再推得電壓差。其中是已知常數。
如此一來，當量測得到第三電極C1及第四電極C2之間的電壓差時，就可以得知旋轉角度為以及計算出作動工具41的轉矩。
接著請參考圖8係本發明之壓電感應偵測模組設置於車削刀具之示意圖。
本案的壓電感測模組20也可以適用車削(Turning Process)工具上。於本實施例中，壓電感測薄膜21可以貼於車削的作動工具41’上，且該第一電極A及該第二電極B、該第三電極C1及該第四電極C2與該第五電極D1及該第六電極D2之間同樣具有90度的夾角。藉此，作動工具41’上的進給力、橫向力與切向力就可以由該第一電極A及該第二電極B測量的電壓而推導出來。
以本發明的圖8之實施方式為例，該第一電極A及該第二電極B的應變可以分別由以下的公式計算得到：及，其中應變由切向力得到，應變由切向力得到。於此實施方式中，朝向Y軸方向之受力為切向力，朝向Z軸方向之受力為進給力，所以為切向力，為進給力。為該第一電極A及該第二電極B到切割端42’的距離，及為作動工具41’於Y軸方向及Z軸方向的寬度及高度，為作動工具41’的楊氏係數，及為面積慣性矩(area moment of inertia)。
且由本說明書之前的描述可知，表示壓電性的構成關係可為：，其中為壓電感測薄膜21的楊氏係數。而每個電極得到的電量Q可定義為：。其中定義及非常小，。藉此即可以進一步推導出：，其中；、及為該第一電極A及該第二電極B的壓電係數。
所以最終可以得到切向力，進給力。因此，當代入第一電極A及第二電極B之感應電壓及其他數據後，即可以得到車削刀具的作動工具41’之切向力及進給力。
由上述的說明可知，本發明的壓電感測模組20可以適用於各式的工具機40之作動工具41或41’，以利用各電極的壓電感測訊號計算出作動工具41或41’所受的力。且不同的電極的壓電感測訊號可以計算的力有諸多變化，例如由第一電極A及第二電極B計算出銑削刀具的進給力與橫向力，由第一電極A到第六電極D2計算出銑削刀具的切向力，由第三電極C1及第四電極C2計算出扳手的轉矩，由第一電極A及第二電極B計算出車削刀具的切向力及進給力，但本發明並不限於上述的實施方式。
需注意的是，上述實施方式僅例示本發明之較佳實施例，為避免贅述，並未詳加記載所有可能的變化組合。然而，本領域之通常知識者應可理解，上述各模組或元件未必皆為必要。且為實施本發明，亦可能包含其他較細節之習知模組或元件。各模組或元件皆可能視需求加以省略或修改，且任兩模組間未必不存在其他模組或元件。只要不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準。
1、2‧‧‧方向
10‧‧‧壓電感應偵測系統
20‧‧‧壓電感測模組
21‧‧‧壓電感測薄膜
31‧‧‧訊號處理模組
32‧‧‧軸承套件
33‧‧‧天線模組
40‧‧‧工具機
41、41’‧‧‧作動工具
42，42’‧‧‧切割端
50‧‧‧工件
A‧‧‧第一電極
B‧‧‧第二電極
C1‧‧‧第三電極
C2‧‧‧第四電極
D1‧‧‧第五電極
D2‧‧‧第六電極
‧‧‧電極寬
‧‧‧電極長
‧‧‧作動工具直徑
‧‧‧作動工具長度
、、‧‧‧到切割端距離
‧‧‧相距
、‧‧‧到延伸線距離
、、、‧‧‧初始角度
‧‧‧作動工具扭曲角
、、‧‧‧軸
、、‧‧‧受力
‧‧‧切向力
、、‧‧‧長度
‧‧‧角度
圖1係本發明之壓電感應偵測系統之架構示意圖。 圖2係本發明之壓電感測模組之極化之示意圖。 圖3A係本發明之壓電感測模組貼於刀具單元之側視圖。 圖3B係本發明之壓電感測模組貼於刀具單元之剖視圖。 圖4係本發明之壓電感測模組極化之方法之步驟流程圖。 圖5係本發明之各電極與作動工具之間的關係之之示意圖。 圖6A係本發明之壓電感應偵測模組設置於銑削工具之示意圖。 圖6B係本發明之壓電感應偵測模組設置於銑削工具之剖視圖。 圖7A係本發明之壓電感應偵測系統具有之天線模組於水平方向之輻射場型圖。 圖7B係本發明之壓電感應偵測系統具有之天線模組於垂直方向之輻射場型圖。 圖8係本發明之壓電感應偵測模組設置於車削刀具之示意圖。
Claims (28)
- 一種壓電感測模組，係設置於一工具機之一作動工具上，包括： 一壓電感測薄膜，該壓電感測薄膜上至少設置包括： 一第一電極； 一第二電極； 一第三電極； 一第四電極； 一第五電極；以及 一第六電極，其中該第一電極位於該第三電極及該第四電極之間，該第二電極位於該第五電極及該第六電極之間；其中該第一電極及該第二電極之間、該第三電極及該第五電極之間與該第四電極及該第六電極之間皆相隔一特定距離，且當該壓電感測薄膜貼附於該作動工具上時，該第一電極及該第二電極之間、該第三電極及該第五電極之間與該第四電極及該第六電極之間於該作動工具上具有90度之夾角。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測模組，其中該第一電極係對該第三電極及該第四電極之方向進行極化，該第五電極及該第六電極係對該第二電極之方向進行極化，該第五電極係對該第三電極之方向進行極化，該第六電極係對該第四電極之方向進行極化。
- 如申請專利範圍第2項所述之壓電感測模組，其中該作動工具係為一銑削刀具，該第一電極及該第二電極用以計算該作動工具之一進給力(feed force)與一橫向力(transverse force)。
- 如申請專利範圍第3項所述之壓電感測模組，其中該進給力及該橫向力由：；計算而得，且，，、； 其中為該進給力、為該橫向力、為旋轉角度、為電容量、為該第一電極之量測電壓、為該第二電極之量測電壓、、為該作動工具的楊氏係數、為該作動工具直徑、及為該第一電極及該第二電極的壓電係數、為該第一電極及該第二電極到一切割端之距離。
- 如申請專利範圍第4項所述之壓電感測模組，其中該第一電極到該第六電極用以計算該作動工具之一切向力(tangential force)。
- 如申請專利範圍第5項所述之壓電感測模組，其中該切向力由計算而得，且： 進給力，橫向力， 其中、，、， 其中、為極慣性矩、為剛性模數、為該第三電極及該第四電極之間之電壓差、為該第五電極及該第六電極之間之電壓差、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第三電極與第四電極之間及該第五電極與第六電極之間之距離、為壓電係數、為任一電極的長度。
- 如申請專利範圍第2項所述之壓電感測模組，其中該作動工具為一氣動扳手或一電動板手，該作動工具之一轉矩由計算得到，其中、為極慣性矩、為剛性模數、為該作動工具的直徑、為該第三電極及該第四電極之電量差、為電容量、為壓電係數、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第三電極與第四電極之間之距離、為任一電極的長度。
- 如申請專利範圍第2項所述之壓電感測模組，其中該作動工具係為一車削刀具，該第一電極及該第二電極用以計算該作動工具之一切向力及一進給力。
- 如申請專利範圍第8項所述之壓電感測模組，其中該切向力及該進給力由：，計算而得， 其中為該切向力、為該進給力、為電容量、為該第一電極之量測電壓、為該第二電極之量測電壓、、、為該作動工具的楊氏係數、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第一電極及該第二電極到一切割端之距離、及為該第一電極及該第二電極的壓電係數、為電極的長度、為電極的寬度、及為該作動工具的寬度及高度。
- 一種壓電感應模組偵測之方法，係用於一壓電感測模組，該壓電感測模組以設置於一工具機之一作動工具上，以計算該刀具單元之受力；該方法包括以下步驟： 提供一壓電感測薄膜； 於該壓電感測薄膜上至少設置包括一第一電極、一第二電極、一第三電極、一第四電極、一第五電極及一第六電極；以及 貼附該壓電感測薄膜於該刀具單元上，以使該第一電極及該第二電極之間、該第三電極及該第五電極之間與該第四電極及該第六電極之間於該作動工具上具有90度之夾角。
- 如申請專利範圍第10項所述之壓電感應模組偵測之方法，更包括以下之步驟： 自該第一電極對該第三電極及該第四電極之方向進行極化； 自該第五電極及該第六電極對該第二電極之方向進行極化； 自該第五電極對該第三電極之方向進行極化；以及 自該第六電極對該第四電極之方向進行極化。
- 如申請專利範圍第11項所述之壓電感應模組偵測之方法，其中該作動工具係為一銑削刀具，該方法更包括利用該第一電極及該第二電極以計算該作動工具之一進給力與一橫向力之步驟。
- 如申請專利範圍第12項所述之壓電感應模組偵測之方法，更包括以下之步驟： 其中該進給力及該橫向力由：；計算而得，且，，、； 其中為該進給力、為該橫向力、為旋轉角度、為電容量、為該第一電極之量測電壓、為該第二電極之量測電壓、、為該作動工具的楊氏係數、為該作動工具直徑、及為該第一電極及該第二電極的壓電係數、為該第一電極及該第二電極到一切割端之距離。
- 如申請專利範圍第13項所述之壓電感應模組偵測之方法，其中更包括利用該第一電極到該第六電極計算該作動工具之一切向力之步驟。
- 如申請專利範圍第14項所述之壓電感應模組偵測之方法，更包括以下之步驟： 該切向力由計算而得，且： 進給力，橫向力， 其中、、、， 其中、為極慣性矩、為剛性模數、為該第三電極及該第四電極之間之電壓差、為該第五電極及該第六電極之間之電壓差、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第三電極與第四電極之間及該第五電極與第六電極之間之距離、為壓電係數、為任一電極的長度。
- 如申請專利範圍第11項所述之壓電感應模組偵測之方法，其中該作動工具為一氣動扳手或一電動板手，該方法更包括以下之步驟：該作動工具之一轉矩由計算得到， 其中、為極慣性矩、為剛性模數、為該作動工具直徑、為該第三電極及該第四電極之電量差、為電容量、為壓電係數、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第三電極與第四電極之間之距離，為任一電極的長度。
- 如申請專利範圍第11項所述之壓電感應模組偵測之方法，其中該作動工具係為一車削刀具，該方法更包括藉由該第一電極及該第二電極用以計算該作動工具之一切向力及一進給力之步驟。
- 如申請專利範圍第17項所述之壓電感應模組偵測之方法，更包括以下之步驟： 該切向力及該進給力由，計算而得，其中為該切向力、為該進給力、為電容量、為該第一電極之量測電壓、為該第二電極之量測電壓、、、為該作動工具的楊氏係數、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第一電極及該第二電極到一切割端之距離、及為該第一電極及該第二電極的壓電係數、為電極的長度、為電極的寬度、及為該作動工具的寬度及高度。
- 一種壓電感應偵測系統，係用於一工具機之一作動工具上；該壓電感應偵測系統包括： 一壓電感測模組，係設置於該作動工具上之處，當該作動工具執行工作時，該壓電感測模組係感應得到一壓電感測訊號；其中該壓電感測模組包括： 一壓電感測薄膜，該壓電感測薄膜上係至少設置包括： 一第一電極； 一第二電極； 一第三電極； 一第四電極； 一第五電極；以及 一第六電極，其中該第一電極位於該第三電極及該第四電極之間，該第二電極位於該第五電極及該第六電極之間；其中該第一電極及該第二電極之間、該第三電極及該第五電極之間與該第四電極及該第六電極之間皆相隔一特定距離，且當該壓電感測薄膜貼附於該作動工具上時，該第一電極及該第二電極之間、該第三電極及該第五電極之間與該第四電極及該第六電極之間於該作動工具上具有90度之夾角；以及 一訊號處理模組，係電性連接該壓電感測模組，用以根據該壓電感測訊號得知該作動工具之受力狀況。
- 如申請專利範圍第19項所述之壓電感應偵測系統，其中該第一電極係對該第三電極及該第四電極之方向進行極化，該第五電極及該第六電極係對該第二電極之方向進行極化，該第五電極係對該第三電極之方向進行極化，該第六電極係對該第四電極之方向進行極化。
- 如申請專利範圍第20項所述之壓電感應偵測系統，其中該作動工具係為一銑削刀具，該訊號處理模組根據該第一電極及該第二電極之壓電訊號計算該作動工具之一進給力與一橫向力。
- 如申請專利範圍第21項所述之壓電感應偵測系統，其中該進給力及該橫向力由：；計算而得，且，，、； 其中為該進給力、為該橫向力、為旋轉角度、為電容量、為該第一電極之量測電壓、為該第二電極之量測電壓、、為該作動工具的楊氏係數、為該作動工具直徑、及為該第一電極及該第二電極的壓電係數、為該第一電極及該第二電極到一切割端之距離。
- 如申請專利範圍第22項所述之壓電感應偵測系統，其中該訊號處理模組係根據該第一電極到該第六電極之壓電訊號計算該作動工具之一切向力。
- 如申請專利範圍第23項所述之壓電感應偵測系統，其中該切向力由計算而得，且： 進給力，橫向力， 其中、、、， 其中、為極慣性矩、為剛性模數、為該第三電極及該第四電極之間之電壓差、為該第五電極及該第六電極之間之電壓差、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第三電極與第四電極之間及該第五電極與第六電極之間之距離、為壓電係數、為任一電極的長度。
- 如申請專利範圍第20項所述之壓電感應偵測系統，其中該作動工具為一氣動扳手或一電動板手，該訊號處理模組係根據第三電極及該第四電極間之壓電訊號計算該作動工具之一轉矩：，其中、為極慣性矩、為剛性模數、為該作動工具直徑、為該第三電極及該第四電極之電量差、為電容量、為壓電係數、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第三電極與第四電極之間之距離、為壓電係數、為任一電極的長度。
- 如申請專利範圍第20項所述之壓電感應偵測系統，其中該作動工具係為一車削刀具，該訊號處理模組係根據該第一電極及該第二電極之壓電訊號計算該作動工具之一切向力及一進給力。
- 如申請專利範圍第26項所述之壓電感應偵測系統，其中該切向力及該進給力由：，計算而得， 其中為該切向力、為該進給力、為電容量、為該第一電極之量測電壓、為該第二電極之量測電壓、、、為該作動工具的楊氏係數、為該壓電感測薄膜的楊氏係數、為該第一電極及該第二電極到一切割端之距離、及為該第一電極及該第二電極的壓電係數、為電極的長度、為電極的寬度、及為該作動工具的寬度及高度。
- 如申請專利範圍第19項所述之壓電感應偵測系統，更包括： 一軸承套件，係用以安裝該刀具單元；以及一天線模組，係電性連接該壓電感測模組，用以利用該軸承套件之反射以朝該軸承套件之垂直方向傳輸該壓電感測訊號至該訊號處理模組。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW107112130A TWI679784B (zh) | 2018-04-09 | 2018-04-09 | 壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統 |
| CN201811055403.0A CN110361115B (zh) | 2018-04-09 | 2018-09-11 | 压电感测模块、压电感测模块检测的方法及其压电感应检测系统 |
| US16/136,649 US10680163B2 (en) | 2018-04-09 | 2018-09-20 | Piezoelectric sensing module, piezoelectric sensing module detecting method, and piezoelectric sensing detection system thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW107112130A TWI679784B (zh) | 2018-04-09 | 2018-04-09 | 壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201944622A true TW201944622A (zh) | 2019-11-16 |
| TWI679784B TWI679784B (zh) | 2019-12-11 |
Family
ID=68097404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW107112130A TWI679784B (zh) | 2018-04-09 | 2018-04-09 | 壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10680163B2 (zh) |
| CN (1) | CN110361115B (zh) |
| TW (1) | TWI679784B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3930958B1 (en) * | 2019-02-27 | 2024-03-20 | The Provost, Fellows, Foundation Scholars, & the other members of Board, of the College of the Holy & Undiv. Trinity of Queen Elizabeth near Dublin | System for wireless and passive monitoring of strain during manufacturing processes |
| CN115026633A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-09-09 | 西南交通大学 | 一种机床多分量智能测力系统 |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4868447A (en) * | 1987-09-11 | 1989-09-19 | Cornell Research Foundation, Inc. | Piezoelectric polymer laminates for torsional and bending modal control |
| US6346764B1 (en) * | 2000-12-15 | 2002-02-12 | Face International Corp. | Multilayer piezoelectric transformer |
| US7443080B2 (en) * | 2006-01-23 | 2008-10-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Laminated piezoelectric/electrostrictive device |
| US8115367B2 (en) * | 2007-11-26 | 2012-02-14 | Sii Nanotechnology Inc. | Piezoelectric actuator provided with a displacement meter, piezoelectric element, and positioning device |
| EP2288179B1 (en) * | 2008-05-29 | 2015-09-30 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric speaker, speaker device and tactile feedback device |
| EP2727731B1 (en) * | 2011-06-29 | 2019-07-10 | Kyocera Corporation | Liquid discharge head and recording device using same |
| WO2015005238A1 (ja) * | 2013-07-10 | 2015-01-15 | 積水化学工業株式会社 | 圧電センサ |
| CN104535227B (zh) * | 2014-12-22 | 2017-02-22 | 浙江大学 | 压入式介电高弹体压力传感器 |
| EP3306687B1 (en) * | 2015-05-25 | 2021-03-17 | Konica Minolta, Inc. | Piezoelectric thin film, piezoelectric actuator, inkjet head, inkjet printer, and method for manufacturing piezoelectric actuator |
| TWI620920B (zh) * | 2015-09-23 | 2018-04-11 | 中原大學 | 多軸向壓電應力感測元件、多軸向壓電應力感測元件極化之方法及其壓電感應偵測系統 |
| CN205280252U (zh) * | 2015-12-02 | 2016-06-01 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种集成压电式万向冲击传感器 |
| TWI607206B (zh) * | 2016-11-15 | 2017-12-01 | 中原大學 | 感應三軸應力之電子裝置及其三軸應力感應器 |
-
2018
- 2018-04-09 TW TW107112130A patent/TWI679784B/zh active
- 2018-09-11 CN CN201811055403.0A patent/CN110361115B/zh active Active
- 2018-09-20 US US16/136,649 patent/US10680163B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TWI679784B (zh) | 2019-12-11 |
| US10680163B2 (en) | 2020-06-09 |
| US20190312191A1 (en) | 2019-10-10 |
| CN110361115B (zh) | 2021-07-20 |
| CN110361115A (zh) | 2019-10-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9975250B2 (en) | Force detecting device, robot, electronic component conveying apparatus | |
| TWI470197B (zh) | 電容式剪力感測器及其製造方法 | |
| US10254183B2 (en) | Device for detecting force and torque including multiple piezoelectric force measuring cells mechanically biased in a horizontal plane | |
| CN104395720B (zh) | 测量力的测量元件、测量体和测量装置以及这种测量体的应用 | |
| TWI679784B (zh) | 壓電感測模組、壓電感測模組偵測之方法及其壓電感應偵測系統 | |
| JP6102341B2 (ja) | 力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体 | |
| US8904884B2 (en) | Torque sensor | |
| WO2021208233A1 (zh) | 三轴快速刀具伺服机构及其三维力在线检测系统 | |
| US10677667B2 (en) | Component transducer and multi-component transducer using such component transducer as well as use of such multi-component transducer | |
| TWI620920B (zh) | 多軸向壓電應力感測元件、多軸向壓電應力感測元件極化之方法及其壓電感應偵測系統 | |
| CN104897318A (zh) | 力检测装置、机器臂以及电子部件输送装置 | |
| JP6183161B2 (ja) | センサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置 | |
| JP6241204B2 (ja) | 力検出装置およびロボット | |
| JP6217320B2 (ja) | センサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置 | |
| TWI716239B (zh) | 一種可感測低頻力與高頻力的力感測裝置 | |
| JP6176059B2 (ja) | センサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置 | |
| CN206048259U (zh) | 一种二维夹持力检测装置 | |
| CN206601119U (zh) | 一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置 | |
| JP6432647B2 (ja) | センサー素子、力検出装置およびロボット | |
| RU2802530C1 (ru) | Рычажная конструкция для многомерного датчика силы и крутящего момента и многомерный датчик силы и крутящего момента | |
| CN106393178B (zh) | 一种二维夹持力传感器 | |
| JP2014190794A (ja) | 力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、および電子部品検査装置 | |
| JP6817905B2 (ja) | 感圧センサ並びにこれを備える作業装置及び作業システム | |
| CN106932123A (zh) | 一种手腕传感器 | |
| KR20230105637A (ko) | 다축 힘 토크 센서의 암 구조 및 다축 힘 토크 센서 |