TW202321844A

TW202321844A - 加工機及其加工異常判斷方法

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Publication number: TW202321844A
Application number: TW110143536A
Authority: TW
Inventors: 吳家明; 許忠湛
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2023-06-01
Also published as: TWI800108B

Abstract

一種加工機的加工異常判斷方法，應用於一加工機，包括步驟：由設置在工具端上的加速規取得可對應至工具末端的加速度值的加速度訊號；對加速度訊號進行積分以產生位移資訊；取得帶動工具端移動的馬達的馬達位置資訊；對位移資訊與馬達位置資訊分別進行座標對齊處理，以產生基於工件端使用的工件端座標系進行描述的轉換後位移資訊以及位置向量；結合轉換後位移資訊及位置向量，以產生工具末端與工件端間的相對位移量；及，基於相對位移量判斷加工機是否出現加工異常。

Description

加工機及其加工異常判斷方法

本發明涉及一種加工機，尤其涉及一種可用於判斷加工異常的加工機，以及其所使用的加工異常判斷方法。

一般生產線都是通過加工機(例如CNC工具機、機械手臂等)來對目標工件進行加工。具體地，所述加工機通過內部馬達的轉動來帶動工具端上的工具(例如切削刀、抓具等)進行動作，以進行加工。通過對馬達編碼器的回授訊號進行計算，加工機即可判斷工具末端的位置。

目前加工機所面臨的問題，是馬達編碼器偵測不到工具末端的振動，故所述回授訊號(通常代表馬達角度)不能直接等於工具末端的確切位置。具體地，所述加工機會基於本身的運動而產生振動，亦可能是加工機的機座受到外力造成振動，若加工機在加工過程中因為振動而造成工件的加工異常，加工機並無法立即察覺。

於相關技術中，加工機的振動將會影響到工件的加工品質，但所述振動無法被加工機立即偵測到，因此只能等待工件加工完成後，再由品管人員過濾瑕疪品。因此，現有的加工機制實不具備效率，且加工品質也有待改善。

本發明的主要目的，在於提供一種加工機及其加工異常判斷方法，係可即時感測振動並計算工具末端與工件端間的相對位移量，並且藉由監測相對位移量來判斷加工機是否有加工異常的情形。

為了達成上述之目的，本發明的加工異常判斷方法應用於一加工機，該加工機具有一工具端及相對的一工件端，該工具端設置一工具，該工件端放置一工件，該工具具有用以對該工件進行加工的一工具末端，該方法包括：

a)由一加速規取得一加速度訊號，其中該加速規設置於該工具端上並使用一加速規座標系，該加速度訊號對應至該工具末端的一真實加速度值；

b)對該加速度訊號進行一二次積分程序以產生一位移資訊；

c)執行一加速規座標對齊處理以將該位移資訊從該加速規座標系轉換至該工件端使用的一工件端座標系上，並產生一轉換後位移資訊；

d)取得一馬達位置資訊，其中該馬達位置資訊與用來控制該工具端的至少一馬達相關，並且對應至該工具末端於一工具端座標系上的一座標值；

e)對該馬達位置資訊進行一順向運動學處理，以獲得該工具末端相對於該工件端座標系的一位置向量；

f)結合該轉換後位移資訊及該位置向量，以產生該工具末端與該工件端間的一相對位移量；及

g)基於該相對位移量判斷該加工機是否出現加工異常。

為了達成上述的目的，本發明的加工機包括：

一工件端，用以放置一工件，並且使用一工件端座標系；

一工具端，用以設置一工具，該工具具有用來對該工件進行加工的一工具末端，並且使用一工具端座標系；

至少一馬達，連接該工具端，受控制進行轉動以帶動該工具移動，並產生一馬達位置資訊，其中該馬達位置資訊對應至該工具末端於該工具端座標系上的一座標值；

一加速規，設置於該工具端上，使用一加速規座標系，偵測該工具末端的一真實加速度值並產生一加速度訊號；

一驅動單元，連接該至少一馬達及該加速規，用以控制該至少一馬達，並接收該馬達位置資訊及該加速度訊號；及

一控制單元，連接該驅動單元，該控制單元被配置為對該加速度訊號進行一二次積分程序以產生一位移資訊，並執行一加速規座標對齊處理以將該位移資訊從該加速規座標系轉換至該工件端座標系上，以產生一轉換後位移資訊，並且該控制單元被配置為對該馬達位置資訊進行一順向運動學處理，以獲得該工具末端相對於該工件端座標系的一位置向量；

其中，該控制單元被配置為結合該轉換後位移資訊及該位置向量，以產生該工具末端與該工件端間的一相對位移量，並且基於該相對位移量判斷該加工機是否出現加工異常。

本發明相對於相關技術所能達成的技術功效在於，可以有效偵測加工機的振動資訊，進而準確地計算工具末端與工件端間的相對位移量。藉由持續計算相對位移量，本發明可以達到線上即時監控加工狀態以及線下追蹤加工品質的有益功效。

茲就本發明之一較佳實施例，配合圖式，詳細說明如後。

本發明揭露了一種可判斷加工異常的加工機(下面將於說明書中簡稱為加工機)，所述加工機可以偵測因為振動所產生的非預期性的位移，藉此更準確地計算工具端與工件端間的相對位移。藉由監控所述相對位移，可以有效判斷加工機在加工過程中，是否因為非預期性的振動而產生加工異常。上述非預期性的振動，可例如為由外力所造成的振動，以及因加工機本身的剛性不足或是組裝異常等原因而產生的振動，但不以此為限。

請參閱圖1，為本發明的加工機的示意圖的第一具體實施例。本發明的加工機可為各式的電腦數值控制(Computer Numerical Control, CNC)加工機(例如三軸、四軸、五軸的CNC加工機)、機械手臂或機器人等，不加以限定。圖1的實施例是以三軸的CNC加工機1為例，結合說明書內容進行本案的技術說明。

如圖1所示，加工機1主要具有工具端2及相對的工件端3。工具端2上設置有工具4，工件端3用以放置要進行加工的工件6。工具4的一側具有用來對工件6進行加工的工具末端41。所述工具4可視加工內容而進行更換，例如工件6可為鋁件，而工具4可為用來對鋁件進行切割的切削刀的刀把。再例如，工件6可為電子零件，而工具4可為抓具。惟，上述僅為本發明的部分實施範例，但並不以此為限。本發明中，所述工具端2及工具4採用工具端座標系進行定位，工件端3所採用的工件端座標系進行定位，其中工件端座標系不同於工具端座標系(容後詳述)。

本發明的其中一個技術特徵在於，加工機1還具有至少一個加速規5，所述加速規5設置於加工機1上可移動的物件上，用以直接偵測此物件的位移。當加工機1於加工過程中產生的振動時，加速規5可同時偵測此物件因為受振動影響而產生的非預期性位移。

於圖1的實施例中，加工機1是藉由移動工具端2來帶動工具4，進而以工具末端41對放置在工件端3的平台上的工件6進行加工。於此實施例中，加速規5設置於工具端2上。所述加速規5的設置目的是要偵測工具末端41的預期性位移以及受振動影響而產生的非預期性位移，並且藉由所輸出的加速度訊號來代表工具末端41的上述位移，因此，加速規5於工具端2上的設置位置越靠近工具末端41越好。

於本實施例中，加速規5使用加速規座標系進行定位，並且，加速規5用以在加工機1的加工過程中持續偵測工具末端41的真實加速度值，並產生對應的加速度訊號。

如上所述，加速規5可偵測加工機1上的可移動物件(例如工具端2)的預期性位移以及非預期性位移。本發明的加工機1依據加速規5輸出的加速度訊號來計算工具末端41與工件端3間的相對位置，可以一併考慮受振動影響而產生的非預期性位移，因此可使得計算結果更為凖確，進而可提高加工良率。因此，只要是加工機1上可以移動的物件，都可以設置加速規5來偵測其振動資訊。

再者，若工具端2上設置有多個工具4，或是工具4具有多個工具末端41，則亦可為各個工具4／工具末端41分別設置一個加速規5。通過多個加速規5的設置，可分別偵測各個工具4／工具末端41受振動影響時分別產生的非預期性位移，藉此令所述計算結果更為精準。

另一方面，對於加工機1上不能移動，但仍會受到振動影響的物件(例如，所述物件為放置在可能被碰撞的桌子上的平台，或是工件端本身產生的振動)，亦可設置加速規5，以偵測此物件因為外部振動的影響所產生的非預期性位移。

為便於理解，圖1中僅以設置在工具端2上的單一個加速規5為例，進行說明，但加速規5的數量並不以一個為限，並且加速規5的設置位置亦不以設置在工具端2上為限。

請同時參閱圖1及圖2，其中圖2為本發明的加工機的方塊圖的第一具體實施例。如圖2所示，加工機1還具有控制單元10、驅動單元11及馬達12。控制單元10連接驅動單元11，並且下達馬達命令給驅動單元11。驅動單元11連接馬達12，以藉由馬達命令對馬達12進行控制。馬達12連接工具端2，基於馬達命令進行轉動，並且帶動工具端2以及工具端2上的工具4進行移動，藉此通過工具末端41來實現加工程序。

具體地，本實施例中加工機1上主要可配置至少一顆馬達12，藉由至少一馬達12接受控制後所產生的對應作用即可形成工具4的移動。值得一提的是，所述馬達12的數量並不以一個為限。於其他實施例中，加工機1可通過多個馬達12來連接驅動單元11及工具端2，以藉由多顆馬達12的作用來共同形成工具端2以及工具4的移動。

若加工機1上具備可移動的工件端3，則加工機1還可包含連接驅動單元11及工件端3的一或多個馬達13。於此實施例中，控制單元10下達馬達命令給驅動單元11，驅動單元11藉由馬達命令對馬達13進行控制，馬達13依據馬達命令進行轉動，並且帶動工件端3移動。藉此，加工機1藉由工具末端41以及工件端3來共同實現加工程序。

於圖2的實施例中，驅動單元11連接馬達12及加速規5，用以對馬達12進行控制，同時接收與馬達12的位置相關的馬達位置資訊以及加速規5輸出的加速度訊號。值得一提的是，馬達12基於馬達命令進行轉動並且產生馬達位置資訊(例如由馬達12上的馬達編碼器產生)，並且加工機1是藉由馬達12的轉動來將工具末端41移動至所需位置。因此，所述馬達位置資訊可對應至工具末端41於工具端座標系上的座標值。在不考慮非預期性振動的情況下，所述馬達位置資訊可用來直接代表工具末端41於工具端座標系上的位置。

本發明的其中一個技術特徵在於，控制單元10通過馬達位置資訊以及加速度訊號來計算工具末端41與工件端3間的相對位移量，並且此相對位移量包含了工具末端41基於馬達12的轉動所進行的預期性位移，以及工具末端41受到非預期性振動影響而產生的非預期性位移。

參閱圖3A及圖3B，分別為相對位移量的示意圖的第一具體實施例及第二具體實施例。

如上所述，本發明由控制單元10在加工機1的加工過程中，通過馬達位置資訊以及加速度訊號來持續計算工具末端41與工件端3間的相對位移量。所述相對位移量除了可以代表工具末端41因為加工需求而進行的預期性位移外，亦可同時代表工具末端41因為受到振動影響而產生的非預期性位移。

如圖3A所示，在加工機1正常運作的情況下，工具末端41與工件端3間的相對位移量M1會顯示正常。而如圖3B所示，當加工機1因內在因素或外在因素而產生非預期性振動時，工具末端41與工件端3間的相對位移量M2會出現瞬間極值(例如加工機1被外力所碰撞)，使得相對位移量M2超出門檻值。

於相對位移量M2超出門檻值的情況下，加工中的工件6可能已成為瑕疪品，因此加工機1應立即停機。於一實施例中，控制單元10在判斷相對位移量M2超出門檻值時，可直接控制加工機1停機。於另一實施例中，控制單元10可在判斷相對位移量M2超出門檻值時產生控制訊號，並將控制訊號發送給變頻器(或稱馬達驅動器)，使得加工機1的馬達停止運轉。藉由停止對潛在的瑕疪品繼續加工，可以有效節省加工時間。藉此，可以達到本案線上即時監控加工狀態的目的。

再者，生產線上的工件6通常都會具有各自獨立的編號，控制單元10可以記錄各個工件6的編號與加工時間，並且於加工過程中記錄所述相對位移量M1、M2。若品管人員在檢查成品時發現瑕疪品，可藉由瑕疪品的編號及加工時間來查詢對應的相對位移量M1、M2，進而確認瑕疪品的產生原因。藉由事後查詢加工時的狀態，可以達到本案線下追蹤加工品質的目的。

回到圖2。於一實施例中，控制單元10可為中央處理單元(Central Processing Unit, CPU)、微控制單元(Micro Control Unit, MCU)、圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU)、現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等處理器。於另一實施例中，控制單元10可由獨立的個人電腦(Personal Computer)、工業電腦(Industrial PC, IPC)、機櫃伺服器、雲端伺服器、筆記型電腦等來實現，並且藉由網路或傳輸埠連接加工機1的驅動單元11，但不加以限定。

於一實施例中，控制單元10用以對所述馬達位置資訊以及加速度訊號進行時間處理以及空間處理，並且將處理後的訊號進行混合，藉此產生如圖3A、圖3B所示的相對位移量M1、M2。

具體地，控制單元10記錄有電腦可執行程式碼，當控制單元10執行電腦可執行程式碼後，可實現控制單元10的各個主要功能，包括對馬達位置資訊以及加速度訊號進行時間處理、對馬達位置資訊以及加速度訊號進行空間處理、對處理後的訊號進行混合等。

基於控制單元10可實現的上述功能，所述電腦可執行程式碼可包括多個由軟體構成的虛擬模組(例如為電腦可執行程式碼中的多個副程式)，各個虛擬模組分別用以執行控制單元10的其中一個具體功能。於圖2的實施例中，控制單元10基於要實現的功能而將電腦可執行程式碼邏輯切割成多個虛擬模組，包括時間對齊模組101、加速規座標對齊模組102、機構座標對齊模組103及訊號混合模組104。惟，上述僅為本發明的其中一個具體實施範例，控制單元10並不以上述模組101-104為限。

請同時參閱圖1至圖4，其中圖4為本發明的判斷方法的流程圖的第一具體實施例。本發明的主要目的在於，於加工機1的加工過程中持續計算工具末端41相對於工件端3的相對位移量，藉此判斷加工程序是否因為非預期性的振動而出現異常。為此，加工機1首先需在加工期間，由控制單元10持續從加速規5取得加速度訊號(步驟S10)，並且取得馬達位置資訊(步驟S12)。其中，步驟S10及步驟S12並不具有執行上的順序關係。

於本實施例中，加速規5直接設置於工具端2上，故加速規5輸出的加速度訊號可對應至工具末端41的真實加速度值。馬達位置資訊是基於用來控制工具端2的馬達12的馬達角度而產生，故可對應至工具末端41於工具端座標系上的座標值。

於一實施例中，所述馬達12為具有感測器的馬達(sensor based motor)。驅動單元11基於控制單元10的馬達命令來控制馬達12轉動，並且馬達12藉由馬達編碼器(圖未標示)進行訊號回授，以回覆所述馬達位置資訊給驅動單元11。於本實施例中，所述馬達位置資訊即為編碼器訊號，而可對應至真實的馬達角度。

於另一實施例中，驅動單元11除了依據馬達命令控制馬達12轉動外，亦把馬達命令輸入由數學式構成的虛擬馬達模型(圖未標示)。本實施例中，虛擬馬達模型可模擬馬達編碼器的功能，藉由馬達命令計算出馬達12的真實馬達角度，並且產生對應的回授訊號，以做為所述馬達位置資訊。

惟，上述僅為本發明的部分具體實施範例，但並不以此為限。

於步驟S10及步驟S12後，控制單元10通過時間對齊模組10對馬達位置資訊及加速度訊號進行時間處理(步驟S14)，使得馬達位置資訊及加速度訊號於時間上達成同步，而可共同被用來描述工具末端41與工件端3在一個特定時間點時的相對位置關係。

於另一實施例中，所述時間對齊模組10可藉由外部的時間對齊技術來實現，例如通過EtherCAT同步訊號來達成時間同步。於此實施例中，控制單元10中不必然存在時間對齊模組10，即，控制單元10接收的馬達位置資訊及加速度訊號於時間上已經同步，故不需要再執行所述時間處理。

接著，控制單元10通過加速規座標對齊模組101對加速度訊號進行二次積分程序，以產生位移資訊(步驟S16)。具體地，控制單元10先對加速度訊號進行第一次積分程序，以將加速度訊號轉換為速度訊號，接著再對速度訊號進行第二次積分程序，以獲得位移資訊。

如前文所述，加速規5預設使用加速規座標系進行定位，因此所述位移資訊是基於加速規座標系來進行描述。步驟S16後，加速規座標對齊模組101對位移資訊執行加速規座標對齊處理，以將位移資訊從加速規座標系轉換至工件端3所使用的工件端座標系上，並產生對應的轉換後位移資訊(步驟S18)。

具體地，所述位移資訊是基於加速規座標系來描述工具末端41的位置，而所述轉換後位移資訊則是基於工件端座標系來描述工具末端41的位置。本發明藉由對齊處理來將不同的資訊皆轉換至相同的座標系上，才能對這些資訊進行混合以精準地描述工具末端41的位置。於圖4的實施例中，是以將所有資訊皆轉換至工件端座標系為例，但並不以此為限。

另一方面，控制單元10通過機構座標對齊模組103對馬達位置資訊進行機構對齊處理，以獲得工具末端41相對於工件端座標系的位置向量(步驟S20)。於一實施例中，所述機構對齊處理為順向運動學處理(Forward Kinematics)。本實施例，機構座標對齊模組103基於工件端座標系來對馬達位置資訊執行順向運動學處理，可以把馬達12在軸空間上的座標資訊(即，馬達位置資訊)轉換成相對於工件端座標系的一個向量。並且，此向量可以基於工件端座標系來描述受馬達12控制的工具末端41的位置。

由於加速度訊號在二次積分後即可產生位移資訊，而可代表工具末端41的位置，因此控制單元10只需要對位移資訊進行座標系轉換，即可完成對齊處理。馬達位置資訊代表的是馬達12的轉動角度，因此需要先通過順向運動學處理將轉動角度轉換至三維空間上的位置後，再進行座標系轉換。

值得一提的是，步驟S18與步驟S20並不具有執行上的順序關係。於一實施例中，控制單元10可先執行步驟S18以獲得轉換後位移資訊，再執行步驟S20以獲得位置向量。於另一實施例中，控制單元10可先執行步驟S20以獲得位置向量，再執行步驟S18以獲得轉換後位移資訊。於又一實施例中，控制單元10可通過多工處理來同時執行步驟S18與步驟S20，而不以圖4所示的流程順序為限。

於步驟S18及步驟S20後，控制單元10進一步通過訊號混合模組104來執行訊號混合程序，以獲得工具末端41與工件端3間的相對位移量(步驟S22)。具體地，訊號混合模組104結合所述轉換後位移資訊以及位置向量，以產生工具末端41與工件端3的相對位移量。

基於所產生的相對位移量，控制單元10可以判斷加工機1是否出現加工異常(步驟S24)。值得一提的是，控制單元10是在加工機1的加工過程中持續執行所述步驟S10至步驟S24，以持續監控並計算工具末端41與工件端3間的相對位移量(即，產生如圖3A、圖3B的圖示)，藉此判斷加工機1是否因為非預期性的振動而造成加工異常。

於一實施例中，加速規座標對齊模組102於上述步驟S18中，主要是基於工件端座標系對位移資訊執行尤拉角(Proper Euler Angles)轉換程序，以對所述位移資訊進行處理並產生轉換後位移資訊。所述轉換後位移資訊是將基於工件端座標系進行描述，而可與工件端3的資訊對齊。

所述尤拉角轉換程序可例如為將位移資訊乘上ZYX尤拉角轉換矩陣，即，先以加速規座標系的Z軸為基準對位移資訊旋轉C度，再以Y軸為基準對旋轉後的位移資訊旋轉B度，最後再以X軸為基準對旋轉後的位移資訊旋轉A度。所述角度是基於加速規座標系與工件端座標系間的已知差異而設定的。所述ZYX尤拉角轉換矩陣如下所示：

。

其中，R為ZYX尤拉角轉換矩陣。

於一實施例中，加速規座標對齊模組102可基於下列公式計算轉換後位移資訊：

。

其中，R為ZYX尤拉角轉換矩陣，V為位移資訊(例如為座標值(X _V,Y _V,Z _V)，或是於三軸上的位移量，U為轉換後位移資訊(例如座標值(X _U,Y _U,Z _U)，或是於三軸上的位移量)。舉例來說，若所述位移資訊V為於三軸上的位移量，則藉由Z軸30度、Y軸40度及X軸50度的尤拉角轉換矩陣，可以將第一座標系上的位移量(例如為1µm,2µm,3µm)轉換為第二座標系上的位移量(例如為3.096µm,0.618µm,2.008µm)。

於一實施例中，機構座標對齊模組103於上述步驟S20中執行的順向運動學處理，主要是基於工件端座標系來使用DH表(Denavit-Hartenberg Parameters)對馬達位置資訊進行計算，以產生工具末端41相對於工件端座標系的位置向量。所述DH表可例如包含下列三項公式：

。

。

。

其中，

為第i-1軸至第i軸的轉換矩陣，B為源頭的基礎座標系(例如工具端座標系)，E為端點座標系(例如工件端座標系)，R為旋轉矩陣，t為平移矩陣，

為基礎座標系至第i軸端點的向量。

具體地，上述順向運動學處理及DH表為座標轉換領域常用的技術手段，為了說明書簡潔，於此不再贅述。

請同時參閱圖1、圖2、圖4及圖5，其中圖5為本發明的座標對齊示意圖的第一具體實施例。於圖5的實施例中，工具端2及其上的工具4皆使用工具端座標系91，工件端3使用工件端座標系92，加速規5使用加速規座標系93。

本實施例中，控制單元10是以工件端座標系92做為所有位置相關訊號的基礎座標系。具體地，控制單元10需將基於工具端座標系91來描述工具末端41的座標值的馬達位置資訊轉換成基於工件端座標系92來描述工具末端41的相對位置的第一向量V1，並且將基於加速規座標系93來描述工具末端41的位移狀態的位移資訊轉換為基於工件端座標系92來描述工具末端41的位移狀態的轉換後位移資訊。其中，所述第一向量V1指的是工具末端41相對於工件端座標系92的原點(0,0,0)的座標位置。

當將所有位置相關資訊皆以相同的基礎座標系(本實施例中為工件端座標系92)來進行描述後，控制單元10即可對這些位置相關資訊進行計算(例如執行圖4的步驟S22的混合程序)，以產生工具末端41與工件端3間的相對位移量。

值得一提的是，如圖1所示，若加工機1的工件端3可以移動，則加工機1可進一步包括連接驅動單元11以及工件端3的馬達13。

在工件端3可移動的情況下，工件6也會隨著工件端3而移動。此實施例中，控制單元10需計算基於工件端座標系92來描述工具末端41的位置的所述第一向量V1、基於工件端座標系92來描述工具末端41的位移狀態的轉換後位移資訊，以及基於工件端座標系92來描述工件6的位置的另一向量。並且，基於所述第一向量V1、轉換後位移資訊及另一向量來計算工具末端41與工件端3間的相對位移量。

然而，工件6係被放置於工件3上，因此工件6的位置資訊原本就是基於工件端座標系92來進行描述。換句話說，所述基於工件端座標系92來描述工件6的位置的另一向量為0。也就是說，若以工件端座標系92做為基礎座標系，則即使加工機1採用可以移動的工件端3，控制單元10仍僅需取得所述第一向量V1以及轉換後位移資訊，就可以計算工具末端41與工件端3間的相對位移量。

請同時參閱圖1、圖 2、圖4及圖6，其中圖6為本發明的座標對齊示意圖的第二具體實施例。於圖6的實施例中，控制單元10是以大地座標系94做為所有位置相關訊號的基礎座標系。於此實施例中，控制單元10需將基於工具端座標系91來描述工具末端41的座標值的馬達位置資訊轉換成基於大地座標系94來描述工具末端41的相對位置的第二向量V2，並且將基於加速規座標系93來描述工具末端41的位移狀態的位移資訊轉換為基於大地座標系94來描述工具末端41的位移狀態的轉換後位移資訊。

於圖6的實施例中，加工機1並非是以工件端座標系92做為基礎座標系，因此於圖4的步驟S18中，控制單元10是基於大地座標系94對加速規5產生的位移資訊進行處理，以產生基於大地座標系94進行描述的轉換後位移資訊。並且，於圖4的步驟S20中，控制單元10是基於大地座標系94對馬達位置資訊進行順向運動學處理，以獲得工具末端41相對於大地座標系94的第一向量V1。

並且，由於加工機1非以工件端座標系92為基礎座標系，因此若工件端3能夠移動，則控制單元10還需取得用來控制工件端3的馬達13的馬達位置資訊，並且基於大地座標系94對馬達位置資訊進行順向運動學處理，以獲得基於大地座標系94來描述工件端3的位置的第三向量V3。

藉由共同以大地座標系94來描述的第二向量V2、第三向量V3及轉換後位移資訊，控制單元10可以準確地計算工具末端41與工件端3間的相對位移量。

於一實施例中，若加工機1具備可移動的工件端3，則加工機1還可具備設置在工件端3上的第二加速規51。所述第二加速規51使用第二加速規座標系95，並且於加工機1的加工過程中取得第二加速度值，其中第二加速度值對應至工件端3的真實加速度值。

本實施例中，控制單元10於圖4的步驟S10中需同時從第二加速規51取得所述第二加速度值，於步驟S16中需同時對第二加速度值進行所述二次積分程序，以產生第二位移資訊，於步驟S18中需同時對第二位移資訊執行所述加速規座標對齊處理，以將第二位移資訊從第二加速規座標系95轉換至基礎座標系(即，工件端座標系92或大地座標系94)上，以產生第二轉換後位移資訊。

並且，於本實施例中，控制單元10於圖4的步驟S22中需同時將所述第二轉換後位移資訊做為相對位移量的計算基礎。如此一來，控制單元10計算所得的相對位移量除了包含工具末端41受振動影響所產生的非預期性位移外，同時也包含了工件端3受振動影響所產生的非預期性位移。藉此，可令控制單元10所計算的相對位移量更為準確。

續請同時參閱圖1、圖2、圖4及圖7，其中圖7為本發明的訊號混合流程圖的第一具體實施例。圖7用以說明控制單元10於圖4的步驟S22中，如何執行訊號混合程序以獲得工具末端41與工件端3間的相對位移量。

如圖7所示，要執行訊號混合程序時，控制單元10首先通過訊號混合模組104取得所述轉換後位移資訊(步驟S220)，並且取得所述位置向量(步驟S222)。並且，控制單元10通過訊號混合模組104基於第一權重值對轉換後位移資訊進行處理，基於第二權重值對位置向量進行處理，並且再結合處理後的轉換後位移資訊以及處理後的位置向量，以產生所述相對位移量(步驟S224)。其中，所述第一權重值的高頻部分大於低頻部分，而所述第二權重值的低頻部分大於高頻部分。

具體地，本發明將加速規5設置在工具端2上以直接偵測工具末端41的加速度訊號，因此只要基於加速度訊號來計算位移資訊，再將位移資訊轉換至工件端座標系上，就可以藉由轉換後位移資訊來直接表示工具末端41與工件端3間的相對位移量。

然而，加速規5是以電壓形式來輸出所述加速度訊號，經常有偏壓產生，即工具端2沒有移動，加速規5還是會有訊號(即，電壓)輸出。如此一來，會導致控制單元10的誤判。因此，在加速規5輸出的加速度訊號中，低頻部分的訊號的可信度較低。

另一方面，由於馬達位置資訊反應不出工具末端41的高頻振動。因此，本實施例需要設置加速規在工具末端41作為輔助。

本發明的訊號混合模組104藉由所述第一權重值的設定降低轉換後位移資訊(來自加速規5)的低頻成分，並且藉由所述第二權重值的設定降低位置向量(來自馬達12)的高頻成分。藉由第一權重值與第二權重值的處理，控制單元10計算所得的相對位移量將主要由轉換後位移資訊的高頻部分以及位置向量的低頻部分所構成。如此一來，可以避免因加速規5的低頻偏壓以及馬達12的馬達位置資訊無法預估末端不可預期的振動所造成的問題。

下面結合圖8、圖9及圖10來說明對上述對高頻訊號與低頻訊號進行處理的相關實施例。

續請同時參閱圖1、圖2、圖4、圖7及圖8，其中圖8為本發明的訊號混合流程圖的第一具體實施例。

於圖8的實施例中，控制單元10對馬達位置資訊進行機構座標對齊程序71，以產生基於工件端座標系來描述工具末端41的座標值的位置向量

。接著，控制單元10通過低通濾波器72對位置向量

進行過濾，以產生低頻位置向量

。

並且，控制單元10對加速規5輸出的加速度訊號進行二次積分程序73，以產生基於工具端座標系來描述工具末端41的位置的位移資訊

。並且，控制單元10對位移資訊

進行加速規座標對齊程序74，以產生基於工件端座標系來描述工具末端41的位置的轉換後位移資訊

。並且，控制單元10再通過高通濾波器75或是帶通濾波器對轉換後位移資訊

進行過濾，以產生高頻位移資訊

。

最後，控制單元10將所述低頻位置向量

與高頻位移資訊

進行相加，以產生工具末端41與工件端3間的相對位移量

。

於圖8的實施例中，相對位移量

的高頻部分是從加速規5輸出的加速度訊號來取得，低頻部分是從馬達12的馬達位置資訊來取得。因此，可以有效避免因加速規5的低頻偏壓以及馬達12馬達位置資訊無法預估傳動末端不可預期的振動所造成的問題。

值得一提的是，若加工機1上設置有多個加速規(例如圖6所示的加速規5及第二加速規51)，則控制單元10同樣對第二加速規51輸出的第二加速度訊號執行二次積分程序73及加速規座標對齊程序74，以產生第二轉換後位移資訊，並且通過高通濾波器75或是帶通濾波器對第二轉換後位移資訊進行過濾，以產生第二高頻位移資訊。於此實施例中，控制單元10是將所述低頻位置向量、高頻位移資訊及第二高頻位移資訊行相加，以產生工具末端41與工件端3間的相對位移量。

值得一提的是，於其他實施例中，控制單元10可先將經過加速規座標對齊程序74的轉換後位移資訊及第二轉換後位移資訊相減後，再通過高通濾波器75或是帶通濾波器對相加後的資訊進行過濾，而不以圖8所示的處理順序為限。

請同時參閱圖1、圖2、圖4、圖7、圖8及圖9，其中圖9為本發明的訊號混合流程圖的第二具體實施例。

於圖9的實施例中，控制單元10對馬達位置資訊進行機構座標對齊程序71，以產生基於工件端座標系來描述工具末端41的座標值的位置向量

。接著，控制單元10通過低通濾波器72對位置向量

進行過濾，以產生低頻位置向量

。

與圖8的實施例的差異在於，圖9的加工機1上可設置有多個加速規，例如包含用以偵測工具末端41的真實加速度

的第一加速規，以及用以偵測工件端3的真實加速度

的第二加速規。

本實施例中，控制單元10對第一加速規輸出的第一加速度訊號

進行二次積分程序73，以產生基於工具端座標系來描述工具末端41的位置的第一位移資訊

。並且，控制單元10對第一位移資訊

進行加速規座標對齊程序74，以產生基於工件端座標系來描述工具末端41的位置的第一轉換後位移資訊

。

另一方面，控制單元10對第二加速規輸出的第二加速度訊號

進行二次積分程序73，以產生基於工件端座標系來描述工件6的位置的第二位移資訊

。並且，控制單元10對第二位移資訊

進行加速規座標對齊程序74，以產生對齊於工件端座標系的第二轉換後位移資訊

。值得一提的是，工件6的位置本來就是基於工件端座標系來進行描述，因此於本實施例中，控制單元10可以在二次積分程序73後直接輸出所述第二位移資訊

，而不需再執行加速規座標對齊程序74。

接著，控制單元10將第一轉換後位移資訊

與第二轉換後位移資訊

進行相減，以產生工具末端41與工件端3間的初步相對位移量

，再通過高通濾波器75或是帶通濾波器對初步相對位移量

進行過濾，以產生高頻相對位移量

。

最後，控制單元10將所述低頻位置向量

與高頻相對位移量

進行相加，以產生工具末端41與工件端3間的相對位移量

。

於圖9的實施例中，相對位移量

的高頻部分是基於兩個加速規輸出的加速度訊號所取得的，而低頻部分是從馬達12的馬達位置資訊來取得。因此，可以有效避免因加速規的低頻偏壓以及馬達12馬達位置資訊無法預估傳動末端不可預期的振動所造成的問題。

續請同時參閱圖1、圖2、圖4及圖10，其中圖10為本發明的訊號混合流程圖的第三具體實施例。

於圖10的實施例中，控制單元10對馬達位置資訊進行機構座標對齊程序81，以產生基於工件端座標系來描述工具末端41的座標值的位置向量

。另一方面，控制單元10

控制單元10對加速規5輸出的加速度訊號進行二次積分程序82，以產生對應基於工具端座標系來描述工具末端41的位置的位移資訊

。並且，控制單元10對位移資訊

進行加速規座標對齊程序83，以產生基於工件端座標系來描述工具末端41的位置的轉換後位移資訊

。

本實施例中，控制單元10接著將所述轉換後位移資訊

與位置向量

相減，以產生混合向量

。接著，控制單元10再通過高通濾波器84或帶通濾波器對混合向量

進行過濾，以產生高頻混合向量

。最後，控制單元10將高頻混合向量

與所述位置向量

(即，位置向量

)進行相加，以產生工具末端41與工件端3間的相對位移量

。

與圖8及圖9的實施例相似，圖10中的相對位移量

的高頻部分是從加速規5輸出的加速度訊號來取得，低頻部分是從馬達12的馬達位置資訊來取得。因此，同樣可以避免因加速規5的低頻偏壓以及馬達12的馬達位置資訊無法預估傳動末端不可預期的振動所造成的問題。

並且，與圖9的實施例相似，當加工機1上設置有多個加速規時，加工機1同樣可依據圖10所示的計算方式來計算出工具末端41與工件端3間的相對位移量

，故於此不再贅述。

通過本發明的技術方案，控制單元可以藉由馬達以及加速規的輸出訊號來準確地計算工具末端相對於工件端的相對位移量，並且這個相對位移量包含了工具末端進行正常運作的預期性位移以及受到振動影響所產生的非預期性位移。據此，本發明可以達到線上即時監控加工狀態以及線下追蹤加工品質的有益功效。

以上所述僅為本發明之較佳具體實例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之範圍內，合予陳明。

1:加工機 10:控制單元 101:時間對齊模組 102:加速規座標對齊模組 103:機構座標對齊模組 104:訊號混合模組 11:驅動單元 12、13:馬達 2:工具端 3:工件端 4:工具 41:工具末端 5:加速規 6:工件 71、81:機構座標對齊程序 72:低通濾波器 73、82:二次積分程序 74、83:加速規座標對齊程序 75、84:高通濾波器 91:工具端座標系 92:工件端座標系 93:加速規座標系 94:大地座標系 95:第二加速規座標系 M1、M2:相對位移量 V1:第一向量 V2:第二向量 V3:第三向量 S10~S24:判斷步驟 S220~S224:混合步驟

圖1為本發明的加工機的示意圖的第一具體實施例。

圖2為本發明的加工機的方塊圖的第一具體實施例。

圖3A為相對位移量的示意圖的第一具體實施例。

圖3B為相對位移量的示意圖的第二具體實施例。

圖4為本發明的判斷方法的流程圖的第一具體實施例。

圖5為本發明的座標對齊示意圖的第一具體實施例。

圖6為本發明的座標對齊示意圖的第二具體實施例。

圖7為本發明的訊號混合流程圖的第一具體實施例。

圖8為本發明的訊號混合流程圖的第一具體實施例。

圖9為本發明的訊號混合流程圖的第二具體實施例。

圖10為本發明的訊號混合流程圖的第三具體實施例。

S10^~S24:判斷步驟

Claims

一種加工機的加工異常判斷方法，應用於一加工機，該加工機具有一工具端及相對的一工件端，該工具端設置一工具，該工件端放置一工件，該工具具有用以對該工件進行加工的一工具末端，該方法包括： a)由一加速規取得一加速度訊號，其中該加速規設置於該工具端上並使用一加速規座標系，該加速度訊號對應至該工具末端的一真實加速度值； b)對該加速度訊號進行一二次積分程序以產生一位移資訊； c)執行一加速規座標對齊處理以將該位移資訊從該加速規座標系轉換至該工件端使用的一工件端座標系上，並產生一轉換後位移資訊； d)取得一馬達位置資訊，其中該馬達位置資訊與用來控制該工具端的至少一馬達相關，並且對應至該工具末端於一工具端座標系上的一座標值； e)對該馬達位置資訊進行一順向運動學處理，以獲得該工具末端相對於該工件端座標系的一位置向量； f)結合該轉換後位移資訊及該位置向量，以產生該工具末端與該工件端間的一相對位移量；及 g)基於該相對位移量判斷該加工機是否出現加工異常。
如請求項1所述的加工異常判斷方法，其中該步驟f)包括： f11)取得該轉換後位移資訊； f12)取得該位置向量； f13)基於一第一權重值對該轉換後位移資訊進行處理，並基於一第二權重值對該位置向量進行處理，其中該第一權重值的高頻部分大於低頻部分，該第二權重值的低頻部分大於高頻部分；及 f14)結合處理後的該轉換後位移資訊及處理後的該位置向量，以產生該相對位移量。
如請求項1所述的加工異常判斷方法，其中該步驟f)包括： f21)取得該轉換後位移資訊，並通過一高通濾波器對該轉換後位移資訊進行過濾，以產生一高頻位移資訊； f22)取得該位置向量，並通過一低通濾波器對該位置向量進行過濾，以產生一低頻位置向量；及 f23)結合該高頻位移資訊及該低頻位置向量以產生該相對位移量。
如請求項1所述的加工異常判斷方法，其中該步驟f)包括： f31)取得該轉換後位移資訊及該位置向量 f32)將該轉換後位移資訊與該位置向量進行相減，以產生一混合向量； f33)通過一高通濾波器對該混合向量進行過濾，以產生一高頻混合向量；及 f34)結合該高頻混合向量及該位置向量以產生該相對位移量。
如請求項1所述的加工異常判斷方法，其中該加工機包括設置於該工件端上的一第二加速規，該第二加速規使用一第二加速規座標系，並且該步驟f)之前還包括： f01)由該第二加速規取得第二加速度訊號，該第二加速度訊號對應至該工件端的一真實加速度值； f02)對該第二加速度訊號進行該二次積分程序以產生一第二位移資訊；及 f03)執行該加速規座標對齊處理以將該第二位移資訊從該第二加速規座標系轉換至該工件端座標系上，並產生一第二轉換後位移資訊；其中，該步驟f)是結合該轉換後位移資訊、該位置向量以及該第二轉換後位移資訊，以產生該相對位移量。
一種加工機，包括：一工件端，用以放置一工件，並且使用一工件端座標系；一工具端，用以設置一工具，該工具具有用來對該工件進行加工的一工具末端，並且使用一工具端座標系；至少一馬達，連接該工具端，受控制進行轉動以帶動該工具移動，並產生一馬達位置資訊，其中該馬達位置資訊對應至該工具末端於該工具端座標系上的一座標值；一加速規，設置於該工具端上，使用一加速規座標系，偵測該工具末端的一真實加速度值並產生一加速度訊號；一驅動單元，連接該至少一馬達及該加速規，用以控制該至少一馬達，並接收該馬達位置資訊及該加速度訊號；及一控制單元，連接該驅動單元，該控制單元被配置為對該加速度訊號進行一二次積分程序以產生一位移資訊，並執行一加速規座標對齊處理以將該位移資訊從該加速規座標系轉換至該工件端座標系上，以產生一轉換後位移資訊，並且該控制單元被配置為對該馬達位置資訊進行一順向運動學處理，以獲得該工具末端相對於該工件端座標系的一位置向量；其中，該控制單元被配置為結合該轉換後位移資訊及該位置向量，以產生該工具末端與該工件端間的一相對位移量，並且基於該相對位移量判斷該加工機是否出現加工異常。
如請求項6所述的加工機，其中該加速規座標對齊程序是基於該工件端座標系對該位移資訊執行一尤拉角轉換程序，以產生該轉換後位移資訊，該順向運動學處理是基於該工件端座標系來使用一DH表對該馬達位置資訊進行計算，以產生該位置向量。
如請求項6所述的加工機，其中該控制單元被配置為通過一高通濾波器對該轉換後位移資訊進行過濾以產生一高頻位移資訊，通過低通濾波器對該位置向量進行過濾以產生一低頻位置向量，並且再結合該高頻位移資訊及該低頻位置向量以產生該相對位移量。
如請求項6所述的加工機，其中該控制單元被配置為將該轉換後位移資訊與該位置向量進行相減以產生一混合向量，通過一高通濾波器對該混合向量進行過濾以產生一高頻混合向量，並且再結合該高頻混合向量及該位置向量以產生該相對位移量。
如請求項6所述的加工機，其中更包括：一第二加速規，設置於該工件端上，使用一第二加速規座標系，偵測該工件端的一真實加速度值並產生一第二加速度訊號；其中，該控制單元被配置為對該第二加速度訊號進行該二次積分程序以產生一第二位移資訊，並執行該加速規座標對齊處理以將該第二位移資訊從該第二加速規座標系轉換至該工件端座標系上，並產生一第二轉換後位移資訊；其中，該控制單元被配置為結合該轉換後位移資訊、該位置向量以及該第二轉換後位移資訊，以產生該相對位移量。