TWI472402B - Tool flutter monitoring method - Google Patents

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Description

刀具顫振監控方法
一種監控方法，特別是指一種刀具顫振監控方法。
切削顫振的形成，主要原因係為自激性振動所造成，可視為切削不穩定的現象，其可分為再生性顫振(Regenerative Chatter)、振態結構藕合型顫振(Mode Coupling Chatter)、摩擦型顫振(Friction Chatter)。其中，以再生型顫振最為常見。現今高速切削雖然可有效地提昇十數倍以上的材料移除(Material Removal Rate，MRR)，但另一方面卻也極易使整個切削動態進入不穩定狀態而產生顫振，造成切削精度、加工表面粗糙度急速惡化，甚至連帶影響刀具及機器的壽命。因此，在發揮機器高效率切削性能的同時，亦需要能夠有效地抑制顫振的發生。因此，如何提供一種刀具切削顫振監控方法，以避免顫振的產生及抑制顫振，實為目前學界及業界上重要課題。
雖然目前有許多避免刀具顫振之方法提出，然而，其通常使用運算複雜且速度較慢之小波轉換訊號分析法，效果較差而常常無法即時修正刀具顫振之問題。
本發明之主要目的，旨在提供一種刀具顫振監控方法，其可即時監控刀具，並於刀具產生顫振時提高主軸轉速，以減緩或避免刀具顫振之情況持續發生，得以提昇加工精度、製程良率及製程優化之目的。此外，於監控中避免使用計算複雜的訊號轉換分析方法，改採訊號變化特徵分析法及快速傅立葉轉換法來進行訊號分析，並針對切削顫振制定診斷法則，以提高切削異常診斷效率與可靠度。
為達上述目的，本發明之刀具顫振監控方法，其係包含下列步驟：擷取一切削振動加速度訊號；於每一間隔預設時間周期內取出該切削振動加速度訊號；對每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號進行分割，以將每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號分割成複數段；判斷每一該複數對之切削振動加速度訊號之增量倍數是否大於一門檻值；對每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號進行一快速傅立葉轉換；對完成快速傅立葉轉換之該切削振動加速度訊號計算其振動頻率；判斷該切削振動加速度訊號之振動頻率是否為一切刃通過頻率之倍頻；若該切削振動加速度訊號之增量倍數大於門檻值，且該切削振動加速度訊號之振動頻率為該切刃通過頻率之倍頻，則提高一刀具主軸之轉速。
其中，每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度係分成4段及6段。
其中，該切刃通過頻率係由下列等式所決定： S為主軸轉速，為主軸旋轉頻率，N為銑刀刀數。
其中，該切削振動加速度訊號增量倍數之門檻值係為穩態切削時之2.5至3倍。
其中，該間隔預設時間周期係為1秒
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第1圖所示，其係為本發明刀具顫振監控方法較佳實施例所對應之系統方塊圖。圖中，該刀具顫振監控方法所使用之系統包含一機台端11、一振動訊號擷取模組12及一近端系統電腦13。
該機台端11包括一可程式邏輯控制器程式111(Programmable Logic Controller，PLC)、一電腦數值(Computer Numerical Control，CNC)控制器112及一電腦數值加工器具113。
該振動訊號擷取模組12包括一振動加速規121、一訊號放大器122、一訊號擷取盒123及一資 料擷取卡(DAQ)124。
該近端系統電腦13則包括一切削顫振監控模組131。
當機台開始執行切削時，系統透過該振動訊號擷取模組12擷取一切削振動訊號並進行處理，再傳送至該近端系統電腦13以進行訊號分析，同時所擷取到之該電腦數值控制器112之一即時資訊傳送至該近端系統電腦13。其中，該近端系統電腦13包括該切削顫振監控模組131，當該近端系統電腦13診斷出異常狀態時，則主動傳送一切削異常控制命令132至該電腦數值控制器112。
當該電腦數值控制器112接收到該切削異常控制命令時，則啟動該可程式邏輯控制器111以改善切削異常。此外，診斷資訊及控制結果亦儲存至一遠端中央監控平台(圖未示)，以供製程優化輔助系統進行參數優化分析並提出參數調整建議，避免後續加工再次發生異常。
請參閱第2圖所示，其係為本發明刀具顫振監控方法較佳實施例之步驟流程圖。圖中，該刀具顫振監控方法包含下列步驟：S11：擷取一切削振動加速度訊號；S12：於每一間隔預設時間周期內取出該切削振動加速度訊號；S13：對每一間隔預設時間周期內之該切削振動 加速度訊號進行分割，以將每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號分割成複數段；S14：判斷每一該複數段之切削振動加速度訊號之增量倍數是否大於一門檻值；S15：對每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號進行一快速傅立葉轉換；S16：對完成快速傅立葉轉換之該切削振動加速度訊號計算振動頻率；S17：判斷該切削振動佳速度訊號之振動頻率是否為一切刃通過頻率之倍頻；S18：若該切削振動加速度訊號之增量倍數大於門檻值，且該切削振動加速度訊號之振動頻率為該切刃通過頻率之倍頻，則提高一刀具主軸之轉速。
當切削顫振發生時，透過該振動加速規擷取訊號，則一般具有下列特性：
a：振動加速度訊號有發散之趨勢。
因切削過程不穩定，能量不斷輸入至切削系統，造成切削系統形成一負阻尼現象而導致劇烈的振動。請參照第3圖及第4圖，其分別為穩態切削訊號示意圖及顫振切削訊號示意圖。透過此兩張圖之比較，第3圖於穩態切削過程中，振動訊號趨勢呈現平穩的狀態，而第4圖顯示於第4秒及第5秒之間，振動訊號有發散現象，且於顫振發生初期，振動於0至1秒甚至是0至0.5秒產生瞬間放大的 現象。此外，顫振形成之時其振動加速度的放大現象至少為穩態切削時之2至3倍以上。
b：振動頻率會落在切刃通過頻率之倍頻附近。
切刃通過頻率係指刀刃與工件接觸時產生之振動頻率： 其中，S為主軸轉速(rpm)，N為銑刀刀數。
當顫振發生之時，因為其自激振動，切削產生之振動頻率會如共振之特性落於切刃通過頻率之倍頻附近，如第5圖所示，其係為一主軸轉速8000rpm，銑刀刀數為4，並透過快速傅立葉轉換之顫振頻域圖。藉由式(1-1)與(1-2)，可得知此條件下之切刃通過頻率為533.33(Hz)，並觀察圖5，可發現於第4至5秒鐘內，此顫振現象之振動頻率主要落於2133.32(Hz)附近，為切刃通過頻率之4倍頻。
觀察(a)的特性，將每秒之加速度訊號取正方向做解析，將1秒內之訊號分割成數個段落，觀察段落與段落之間的振幅增量是否超過關鍵門檻值。若振幅增量超過門檻值，則此訊號符合顫振時振動佳速度訊號有發散趨勢之特性。
一般分別針對一般顫振及較激烈之顫振，將訊分割成4個段落以及6個段落兩種，如第6圖，其顯示一般顫振發生時振動加速度之發散示意圖。振 動加速度之振幅發散情形會於1秒內放大至穩態切削時之2.5倍，甚至更高。此處將訊號分割為4個段落。若加速度振幅放大至穩態之2.5倍，則每一個段落需較前一段落有一定之增量才可達成，此增量稱為顫振關鍵門檻值。
假設每一等份之最大振幅會是前一等份之X倍且穩態切削之振動量為1，發散後之振動量為2.5、將訊號分為4等份來判斷的話，X可由式(1-3)與(1-4)求得為1.254。
X4=2.5 (1-3)
X=1.254 (1-4)
由上述計算可得之，將訊號分作4個段落來判斷，每段落之最大振幅必須為前一等份之1.254倍，發散條件才能成立。為由保守與方便，顫振關鍵門檻值定為1.2。
請參閱第7圖，其顯示當激烈顫振發生時振動加速度之發散示意圖。當於較激烈的顫振情形下，振動加速度之振幅會於0.5秒內放大至穩態時之2.5倍，甚至更高。不同於一般顫振，此處將每秒的訊號分割為6個段落，以三個段落為一組，如圖x所表示之A、B、C、D，觀察於0.5秒之內，加速度值是否會放大至2.5倍以上。
假設每一等份之最大振幅為前一等份之X倍，且穩態切削之振動量為1，發散後之振動量為2.5， 因此每組內以分成3個段落來判斷的畫，X可由式(1-5)及(1-6)求得為1.375。
X3=2.5 (1-5)
X=1.375 (1-6)
由上述計算可以得知，將訊號分做6個段落來判斷，於A、B、C、D四組時間內，每段落之最大振幅必須為前一等份之1.357倍，其發散之條件才能成立。為求保守與方便，在此直接將顫振關鍵門檻值定為1.35。
透過(b)之特性，利用顫振發生之時振動頻率會為切刃通過頻率之倍頻附近的特性，只要知道CNC工具機的主軸轉速以及加工用的銑刀刀數，便可求得切刃通過頻率。再透過FFT快速傅立葉轉換解析切削振動訊號，比對解析出的振動頻率與切刀通過頻率之關係。若振動頻率為切刃通過頻率之倍頻，則可判斷此訊號符合顫振特性。
總結上述資訊，本發明刀具顫振監控方法可歸納為下列各點：(1)規劃該訊號擷取模組利用該振動加速規，以五倍切刃通過頻率之取樣頻率擷取該切削振動訊號，每次取樣時間長度為一秒，再將取出之每秒訊號作至少四段以及六段細分割；(2)比較分割後每段落之最大振動佳速度增大趨勢(2.5~3倍以上)。切削顫振多半形成於0.5秒至1 秒鐘內，其振動加速度值可增大為穩態切削時之2.5~3倍以上；(3)確認振動訊號是否為刀刃通過頻率之倍頻；以及(4)若滿足上述的二項檢驗門檻，則系統判斷產生切削顫振，並持續送出提高主軸轉速10%之指令至該電腦數值控制器，直到顫振消失為止。
此外，因為所擷取之振動加速度訊號來源除了切削振動之外，於刀刃與工件未有切削接觸時亦可能擷取到切削以外之振動訊號，例如進行快速定位時所產生的振動、主軸停止轉動時所產生之振動等。這些非因切削因素引起的振動，容易造成在診斷上的誤判，使切削異常監控系統無法應用於複雜的切削應用上。因該電腦數值控制器112可擷取一控制器內資訊，如NC碼114，其為該CNC控制器所執行之NC指令，以判斷當下機台作動情形，進而解決上述問題，而所對應之NC碼114請參照表一。
綜上所述，本發明刀具顫振監控方法，其功效在於採用訊號變化特徵分析比對，及快速傅立葉轉換來進行即時切效振動訊號分析，並依切削異常的特性制定診斷法則，以提高切削異常診斷效率與可靠度。
此外，本發明刀具顫振監控方法，亦撰寫程式來擷取電腦數值控制器內執行中的NC碼和機台狀態，作為診斷輔助資料以避免誤判，提升系統診斷穩定性。
唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應 涵蓋於本發明之專利範圍內。
綜上所述，本發明之刀具顫振監控方法，係具有專利之發明性，及對產業的利用價值；申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起發明專利之申請。
11‧‧‧機台端
111‧‧‧可程式邏輯控制器程式
112‧‧‧電腦數值控制器
113‧‧‧電腦數值加工器具
12‧‧‧振動訊號擷取模組
121‧‧‧振動加速規
122‧‧‧訊號放大器
123‧‧‧訊號擷取盒
124‧‧‧資料擷取卡
13‧‧‧近端系統電腦
131‧‧‧切削顫振監控模組
132‧‧‧切削異常控制命令
S11~S18‧‧‧步驟流程
第1圖，為本發明刀具顫振監控方法較佳實施例所對應之系統方塊圖。
第2圖，為本發明刀具顫振監控方法較佳實施例之圖步驟流程圖。
第3圖，為刀具穩態切削訊號示意圖。
第4圖，為刀具顫振狀態切削訊號示意圖。
第5圖，為一主軸轉速8000rpm，銑刀刀數為4，並透過快速傅立葉轉換之顫振頻域圖。
第6圖，為顯示發生一般顫振時振動加速度之發散示意圖。
第7圖，為顯示發生激烈顫振發生時振動加速度之發散示意圖。
S11~S18‧‧‧步驟流程

Claims (9)

  1. 一種刀具顫振監控方法，包含：擷取一切削振動加速度訊號；於每一間隔預設時間周期內取出該切削振動加速度訊號；對每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號進行分割，以將每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號同時至少分割成4段及6段，當分割成4段時，係對應一般顫振狀態，當分割成6段時，係對應激烈顫振狀態；判斷每一該複數段之切削振動加速度訊號之增量倍數是否大於一門檻值；對每一間隔預設時間周期內之該切削振動加速度訊號進行一快速傅立葉轉換；對完成快速傅立葉轉換之該切削振動加速度訊號計算振動頻率；判斷該切削振動加速度訊號之振動頻率是否為一切刃通過頻率之倍頻，其中該切刃通過頻率係由一主軸轉速S及一铣刀刀數N所決定；及若該切削振動加速度訊號之增量倍數大於門檻值，且該切削振動加速度訊號之振動頻率為該切刃通過頻率之倍頻，則提高一刀具主軸之轉速。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之刀具顫振監控方法，其中，當分割成4段時，其顫振關鍵門檻值為1.2，當 分割成6段時，其顫振關鍵門檻值為1.35。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之刀具顫振監控方法，其中，該切刃通過頻率係由下列等式所決定： 其中，為一主軸旋轉頻率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之刀具顫振監控方法，其中，該切削振動加速度訊號之增量倍數門檻值係為當刀具位於一穩態切削狀態時之2.5至3倍。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之刀具顫振監控方法，其中，該間隔預設時間周期係為1秒。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之刀具顫振監控方法，其中，該刀具主軸之轉速係提高10%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之刀具顫振監控方法，其中，該切削振動加速度訊號係由一振動訊號擷取模組所擷取，該振動訊號擷取模組包括一振動加速規、一訊號放大器、一訊號擷取盒及一資料擷取卡。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之刀具顫振監控方法，其中，當該振動訊號擷取模組更比對一NC碼，以判斷是否擷取一非因切削所產生之振動訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之刀具顫振監控方法，其中，該NC碼係由刀具進行快速進給定位或刀具之主軸停止時的狀態所產生。
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