TWI457196B - 可即時監測工作狀態之工具機主軸結構 - Google Patents

Description

可即時監測工作狀態之工具機主軸結構

本發明係有關一種工具機部件，特別是一種具有工作狀態檢測裝置之工具機主軸結構。

工具機(Machines tools)又稱為「工作母機」，為製造各種機器及加工設備的機械，工具機依其功能可分為金屬切削工具機及金屬成型工具機兩大類，前者包括有車床、鑽床、銑床、磨床、鉋床等；後者則包括有沖床、剪床等。工具機係由若干零組件所構成，其中採旋轉切削運動的鑽床、銑床、磨床、鉋床等工具機，影響加工品質良窳的關鍵零組件係為工具機主軸(Machine tool spindle)，因此工具機製造廠商對於工具機主軸精度的要求都相當嚴格。

而在工具機加工過程中，被加工工件的材料特性、切削液的添加情況等實際的加工情況都將會直接影響加工品質。在早期，對於工具機主軸工作狀態的檢測，都是在加工完成後才實際的良測工件，若完成後之工作無法達到精密度要求，方才對工具機主軸進行調整或維修，但損失卻已產生。為了解決此一問題，遂有工具機廠商在工具機主軸外部安裝如加速度計、溫度計或應變計等各種檢測裝置，以量測加工過程中之振動情形、溫度變化或是加工輸 出扭矩等工作參數。然而在加工過程中，刀具附近有切削廢料或是切削液飛濺，各種檢測裝置無法裝設在刀具的附近，使得檢測裝置所量測到的工作參數並無法真實的反應刀具之工作狀態，對於加工狀態的即時監控或是加工品質的改善助益並不大。

為了改善工具機主軸之檢測裝置無法反應真實刀具工作狀態的問題，如美國第7289873號專利案揭露了一種切削工具機用感應系統(以下稱873案)，873案所揭露之切削工具機用感應系統主要係在工具機內設有電源供應單元，以供應工具機內至少一個的感應晶片所需電能，至少一個的感應晶片可以量測工具機的力矩、噪音等工作狀態，並且透過資料傳輸單元以無線傳輸的方式將資料傳遞至工具機外部的接收單元。873案將感應晶片設置於工具機的內部，以獲得較為接近實際工作狀態之工作參數，並且透過無線傳輸的方式即時地傳遞至外部的接收單元獲得訊息。詳觀873案，873案感應晶片、微處理器及資料傳輸單元係透過電源供應單元來供應所需之電能，而電源供應單元係採用感應線圈的方式來產生電能，亦即在工具機主軸旋轉時，磁場的相對變化產生電能。873案之電源供應單元係為解決在工具機內部無法直接設置電源線的方式而採用感應線圈設計，然因873案的感應線圈與感 應晶片及資料傳輸單元相當靠近，電源供應單元所產生之磁場亦將直接干擾感應晶片或是資料傳輸單元，使得感應晶片無法獲得正確之數據或是影響資料的無線傳輸。

習知工具機主軸的工作狀態量測的方式，如將檢測裝置設置於工具機主軸的外部，其所獲得之工作參數並無法真實的反應刀具之工作狀態；如將檢測裝置設置於工具機主軸的內部，由於所需電能係透過感應線圈產生，然感應線圈所產生之磁場將直接干擾量測或無線傳輸的進行，因此習知工具機主軸都仍無法即時且正確之工作參數。有鑑於此，本發明提出了一種可降低影響真實工作參數量測之工具機主軸結構。

根據本發明所揭露可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其包括有一主軸本體、一旋轉心軸、一刀具座及一內部檢測裝置，其中刀具座係以可拆卸組合的關係設置於旋轉心軸，旋轉心軸具有一腔室，而內部檢測裝置係設置於腔室內，內部檢測裝置包含有分離的控制基板及檢測基板，控制機板上設有電池並設置於旋轉心軸上，檢測基板則直接設置於刀具座背面的旋轉中心上，檢測基板上具有複數個檢測晶片，檢測基板並透過連接排線與控制基板電性連接，藉由檢測晶片設置於刀具座上，可以精確地量測加工過程中的各種工作參數，而控制機板上設有一無線傳輸模組，以將檢測晶片所量測到的各種工作參數傳遞至 一外部資訊裝置，以即時的反饋加工刀具之工作狀態。

根據本發明所揭露可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中內部檢測裝置分成控制機板及檢測晶片兩個部分，檢測晶片係直接設置於刀具座背面的旋轉中心上，裝設於工具座上之加工刀具之工作狀態可以直接反應於刀具座上並由檢測晶片所量測，並且不受刀具座離心力影響，進而取得加工刀具精確之工作參數，並且於控制機板上設置供應電能的電池，使得檢測晶片或是無線傳輸模組不會受到磁場的干擾，將工作參數透過無線的方式傳遞至外部資訊裝置，可以即時的反饋真實之工作狀態，為將檢測裝置應用於工具機主軸內部之最佳設計。

有關本發明之詳細特徵與實作，茲配合圖示在實施方式中詳細說明如下，其內容足以使任何熟習相關技術者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容及圖式，任何熟習相關技術者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

根據本發明所揭露可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，係用以量測工具機主軸在加工過程中如溫度、振動量、扭矩等工作參數，並由一外部資訊裝置來接收工作參數並進行數據顯示或分析，即時地反饋一加工刀具之工作狀態供操作者參考，以獲得良好之加工品質。

其中本發明所揭露之工具機係指採用旋轉切削運動的鑽床、銑床、磨床或鉋床等加工母機，工具機主軸依其動力源方式可分為齒輪動力傳遞、皮帶動力傳遞、直結動力傳遞或馬達內藏等方式。工具機主軸所使用之軸承可分為滾動承軸、液靜壓軸承、氣靜壓軸承或磁浮軸承等。加工刀具則為鑽頭、銑刀、砂輪或鉋刀等。在以下的實施例中，工具機主軸動力源方式、所採用之軸承及加工刀具種類皆屬於習知技術，故不再多做贅述，亦即根據本發明所揭露具有工作狀態檢測裝置之工具機主軸結構皆可應用於上述動力源方式或軸承。

請參閱「第1、2圖」所示，根據本發明所揭露可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其包括有一主軸本體11、一旋轉心軸12、一刀具座13及一內部檢測裝置20。

主軸本體11係裝設於工具機(圖中未示)上，旋轉心軸12透過氣靜壓軸承而以可旋轉之關係設置於主軸本體11，並由一動力源(圖中未示)帶動進行旋轉運動。旋轉心軸12供刀具座13組合的一端設有一腔室121，並於腔室121週緣設有複數個螺絲孔122。

刀具座13係用以供一如鑽頭、銑刀、砂輪或鉋刀等加工刀具30裝設，於刀具座13具有複數個對應螺絲孔122的穿孔131，刀具座13的背面為一結合面132。刀具 座13可以複數顆螺絲40穿過穿孔131而旋入旋轉心軸12的螺絲孔122，以將刀具座13組合於旋轉心軸12，並與旋轉心軸12一併地進行旋轉運動。旋開螺絲40，刀具座13可自旋轉心軸12折卸下。

內部檢測裝置20包含有一控制基板21及一檢測基板22，控制基板21與檢測基板22各為一印刷電路板並具有電子零組件及電路迴路。其中控制基板21上至少包含有一微處理器211、一無線傳輸模組212、一訊號連接器213及一電池214，檢測基板22上至少包含有複數個檢測晶片221及一訊號連接器222。

如「第4圖」所示，其中控制基板21係設置於旋轉心軸12的端面且位於腔室121內，微處理器211負責內部檢測裝置20所有訊號處理與命令。無線傳輸模組212可為採用無線射頻傳輸技術(Radio frequency，RF)或是藍芽無線傳輸技術(Bluetooth)進行無線訊號傳輸，電池214可為鎳氫電池、鋰離子電池等可重複充放電之二次電池，亦可為燃料電池，以供應內部檢測裝置20所有電子零組件所需之電能。

如「第5圖」所示，其中檢測基板22係設置於刀具座13的結合面132，並且是位在刀具座13的旋轉中心上，複數個檢測晶片221可為加速度計221a、溫度計221b或 應變計221c，以分別量測加工過程中之振動情形、溫度變化或是加工輸出扭矩等工作參數。

另外，控制基板21與檢測基板22藉由一傳輸排線23連接各別之訊號連接器213、222，使控制基板21與檢測基板22構成電性連接，以將檢測基板22上之檢測晶片221所量測之工作參數傳遞至控制基板21。

請參閱「第3圖」所示，根據本發明所揭露可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，內部檢測裝置20係裝設於旋轉心軸12之腔室121內，特別是內部檢測裝置20分別設置控制基板21與檢測基板22，檢測基板22係設置於刀具座13的結合面132，並且是位在刀具座13的旋轉中心上，如用以量測振動情形之加速度計221a係設置於旋轉中心上，可以避免刀具座13旋轉時之離心力影響加速度計221a之量測。而溫度計221b則可直接貼覆接觸結合面132，以正確的取得加工刀具30的工作溫度。應變計221c則離旋轉中心一距離，將可量測正確之加工輸出扭矩。

經由各檢測晶片221所量測之各工作參數透過傳輸排線23傳遞至控制基板21，控制基板21之微處理器211將各工作參數透過無線傳輸模組212向外傳遞至一外部資訊裝置50，由外部資訊裝置50來接收工作參數並進行 數據顯示或分析，以即時地反饋加工刀具30之工作狀態供操作者參考，進而根據實際之工作狀態而對加工刀具30進行調整，以獲得良好之加工品質。

根據本發明所揭露可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，藉由電池214來供應內部檢測裝置20所需之電能，即不會對檢測晶片221產生任何之干擾，而當電能耗盡時，亦可拆卸刀具座13進行更換或充電。又，內部檢測裝置20分別設置控制基板21與檢測基板22，使檢測基板22上之檢測晶片221可以設在最鄰近加工刀具30的位置，以獲得最精確之加工刀具30之工作參數，而且將加速度計221a設置於刀具座13之旋轉中心，使得旋轉過程中所產生之離心力對於加速度計221a之影響降到最低，精確並即時地反饋加工刀具30之工作狀態，為將檢測裝置應用於工具機主軸內部之最佳設計。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧主軸本體

12‧‧‧旋轉心軸

121‧‧‧腔室

122‧‧‧螺絲孔

13‧‧‧刀具座

131‧‧‧穿孔

132‧‧‧結合面

20‧‧‧內部檢測裝置

21‧‧‧控制基板

211‧‧‧微處理器

212‧‧‧無線傳輸模組

213‧‧‧訊號連接器

214‧‧‧電池

22‧‧‧檢測基板

221‧‧‧檢測晶片

221a‧‧‧加速度計

221b‧‧‧溫度計

221c‧‧‧應變計

222‧‧‧訊號連接器

23‧‧‧傳輸排線

30‧‧‧加工刀具

40‧‧‧螺絲

50‧‧‧外部資訊裝置

第1圖為本發明之結構示意圖；第2圖為本發明之剖面結構示意圖； 第3圖為本發明之應用例示意圖；第4圖為本發明中控制基板示意圖；及第5圖為本發明中檢測基板示意圖。

11‧‧‧主軸本體

12‧‧‧旋轉心軸

121‧‧‧腔室

122‧‧‧螺絲孔

13‧‧‧刀具座

131‧‧‧穿孔

132‧‧‧結合面

20‧‧‧內部檢測裝置

21‧‧‧控制基板

211‧‧‧微處理器

212‧‧‧無線傳輸模組

213‧‧‧訊號連接器

214‧‧‧電池

22‧‧‧檢測基板

221‧‧‧檢測晶片

221a‧‧‧加速度計

221b‧‧‧溫度計

221c‧‧‧應變計

222‧‧‧訊號連接器

23‧‧‧傳輸排線

30‧‧‧加工刀具

40‧‧‧螺絲

Claims (20)

1. 一種可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其包括有：一主軸本體，該主軸本體具有一腔室；一刀具座，該刀具座組合於該主軸本體；及一內部檢測裝置，該內部檢測裝置設置於該腔室內，並且該內部檢測裝置包含有一控制基板及一檢測基板，該控制基板設置於該主軸本體，該檢測基板設置於該刀具座，該控制基板與該檢測基板以一傳輸排線構成電性連接。
2. 如請求項1所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該主軸本體設有複數個螺絲孔，該刀具座上設有複數個對應該螺絲孔之穿孔，該刀具座以複數支螺絲穿過該穿孔而旋入於該螺絲孔，使該刀具座結合於該主軸本體。
3. 如請求項1所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該控制基板至少包含有一微處理器、一無線傳輸模組、一訊號連接器及一電池。
4. 如請求項3所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該控制基板係設置於該主軸本體之一旋轉新軸的端面且位於該腔室內。
5. 如請求項3所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該微處理器負責該內部檢測裝置所有訊號處理與命令。
6. 如請求項3所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該無線傳輸模組可為採用無線射頻傳輸技術或是藍芽無線傳輸技術進行無線訊號傳輸。
7. 如請求項3所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該電池可為可為鎳氫電池、鋰離子電池等可重複充放電之二次電池，供應該內部檢測裝置所有電子零組件所需之電能。
8. 如請求項3所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該電池可為燃料電池，供應該內部檢測裝置所有電子零組件所需之電能。
9. 如請求項1所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該檢測基板係設置於該刀具座之結合面。
10. 如請求項9所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該檢測基板位於該刀具座之旋轉中心。
11. 如請求項10所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該檢測基板至少包含有複數個檢測晶片及一訊號連接器。
12. 如請求項11所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結 構，其中該複數個檢測晶片中之一為加速度計。
13. 如請求項12所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該加速度計係設置於該刀具座之旋轉中心。
14. 如請求項11所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該複數個檢測晶片中之一為溫度計。
15. 如請求項14所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該溫度計直接貼覆接觸該刀具座之結合面上。
16. 如請求項11所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該複數個檢測晶片中之一為應變計。
17. 如請求項16所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該應變計離該刀具座之旋轉中心一距離。
18. 如請求項11所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中各該檢測晶片所量測之各工作參數透過該傳輸排線傳遞至該控制基板，該控制基板將各工作參數向外傳遞至一外部資訊裝置，由該外部資訊裝置來接收各工作參數並進行數據顯示或分析。
19. 如請求項18所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中該各工作參數直接反饋設置於該刀具座上之加工刀具之工作狀態。
20. 如請求項19所述可即時監測工作狀態之工具機主軸結構，其中根據反饋之該加工刀具之工作狀態，可對該 加工刀具進行調整。