TWI542439B - 切削加工參數估測裝置及其方法 - Google Patents

Description

切削加工參數估測裝置及其方法

本發明係有關於一種切削加工參數估測方法，特別是一種能準確估測切削加工機對特定材質之工件進行切削作業之最佳轉速，並且同時可計算匹配此最佳轉速之最佳切削深度之估測方法。本發明還涉及應用此切削加工參數估測方法之裝置。

CNC車床、銑床等是機械製造加工過程中常用的切削機械，而在切削加工的過程中，若有顫振產生，則會影響到切削的速度、穩定度及材料的移除率。因此，操作人員需要儘可能事先找出能夠避免顫振產生之最佳加工參數(例如：轉速及與其匹配之切削深度)，藉此保證切削穩定度及材料的移除率。一般而言，操作人員通常是根據經驗法則、工具機廠商提供之資料或工具書等等來判定特定材質之工件所需要刀具及刀具主軸轉速等等資訊。然而，由於不同製造商製造出來的刀具及機台均有著不同的特性及其它種種因素，僅憑經驗法則及工具書很難精確地找出適合的加工參數，再者、加工不同工件，其材質、夾持方式等亦影響其加工穩定性。

中華民國專利公開號第200630182號揭露一種電腦輔助切削顫振偵測與抑制系統，此前案利用偵測系統辨識切削訊號是否為高頻訊號且是否位 於一滑順函數之穩定區間內以判斷是否發生顫振，並於偵測系統判定發生顫振時發出警告。

中華民國專利公開號第201131325號揭露一種線上振動偵測調控模組，此前案利用振動偵測調控模組量測加工過程中的各種振動現象及工具機加工時所輸出之負載訊號，並加以分析計算並判斷振動訊號是否超過所設定的額定值，若振動訊號超過額定值則送出控制訊號改變主軸轉速或進給速度以防止加工中產生太大的振動。

中華民國專利公開號第201332708號揭露一種刀具顫振監控方法，此前案係將所量測振動訊號分割成數段，並判斷每段振動訊號間之振幅增長情形是否超過一設定門檻值，並針對該段振動訊號進行快速傅立葉轉換並判斷振動訊號頻率是否為切刃通過頻率，若以上兩種判斷皆同時符合則判定為顫振發生。

上述各前案多為揭露數種偵測顫振的方法，並非在加工前即能提供最佳加工參數，且這些方法或過於繁雜昂貴(例如使用動力計)，不適合應用於一般機台線上檢測的需求，或由於欠缺機台動態特性或切削剛性等訊息，以致效能不彰，也因此無法針對特定的轉速提供最適合的切削深度，故無法有效地提升機台切削的穩定度及材料的移除率。

因此，本專利提出一種切削加工參數估測裝置及方法，能夠有效改善習知技藝過於複雜昂貴、不夠精確及無法提供最佳化加工參數的情況已成為一個刻不容緩的問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的在於提供一種切削加工參數估測裝置及方法，以解決習知技藝複雜昂貴、不夠精確及無法提供最佳化加工參數的問題。

根據本發明之其中一目的，提出一種切削加工參數估測裝置。此裝置可包含訊號感測模組、訊號分析模組及切削狀態估測模組。訊號感測模組可擷取切削加工機以一轉速範圍進行切削作業時產生之第一振動訊號。訊號分析模組可對此振動訊號執行操作模態分析以產生複數個系統動態參數(機台加工時之自然頻率與阻尼)。切削狀態估測模組可以依切削顫振數學模型分析該系統動態參數以計算切削加工機在此轉速範圍內之最佳轉速。

根據本發明之其中一目的，再提出一種切削加工參數估測方法。此方法可包含下列步驟：擷取切削加工機以一轉速範圍進行切削作業時產生之第一振動訊號；對第一振動訊號執行操作模態分析以產生複數個系統動態參數；以及，以切削顫振數學模型分析該些系統動態參數以計算切削加工機在此轉速範圍之最佳轉速。

在一實施例中，訊號感測模組更可擷取切削加工機以最佳轉速並以一切削深度進行切削作業之第二振動訊號，訊號分析模組則可分析第二振動訊號以產生振動特徵訊號，以擷取加工振動頻譜特徵，切削狀態估測模組則可將振動特徵訊號與預設門檻值比對，並重覆調整切削深度，直到振動特徵訊號符合預設門檻值，以取得匹配此最佳轉速之最佳切削深度。

在一實施例中，切削狀態估測模組可依切削顫振數學模型分析該系統動態參數以產生顫振穩定界線圖以計算最佳轉速。

在一實施例中，該些系統動態參數可包含自然頻率與阻尼比。

在一實施例中，切削狀態估測模組可將振動特徵訊號與預設門檻值比 對，若振動特徵訊號超出預設門檻值，切削狀態估測模組則可發出警告訊號。

承上所述，依本發明之切削加工參數估測裝置及其方法，其可具有一或多個下述優點：

(1)本發明之一實施例對擷取之振動訊號進行操作模態分析以獲得複數個系統動態參數，再利用切削顫振數學模型分析該些系統動態參數以計算其顫振穩定界線圖，故可以精確地估測適合切削加工機目前作業之最佳轉速。

(2)本發明之一實施例中不但能夠對擷取之振動訊號進行操作模態分析，以計算適合切削加工機目前作業之最佳轉速，更能夠針對此最佳轉速找出與其匹配的最佳切削深度等最佳加工參數，故可以大幅地增加切削加工機切削的速度、穩定度及材料的移除率。

(3)本發明之一實施例中能夠對擷取切削中之振動訊號進行操作模態分析，因此切削剛性亦包含於此分析模型中，故加工之最佳轉速估測較為精確。

(4)本發明之方法簡單、有效率，操作員不需對機台進行實驗模態測試且不需要使用動力計、衝擊錘等裝置，故成本低，因此能夠滿足一般機台線上檢測的需求。

1‧‧‧切削加工機

11‧‧‧第一振動訊號

12‧‧‧第二振動訊號

2‧‧‧切削加工參數估測裝置

20‧‧‧訊號感測模組

21‧‧‧訊號分析模組

211‧‧‧操作模態分析

212‧‧‧振動訊號特徵分析

2111‧‧‧系統動態參數

2121‧‧‧振動特徵訊號

22‧‧‧切削狀態估測模組

221‧‧‧切削顫振數學模型

222‧‧‧預設門檻值

2211‧‧‧顫振穩定界線圖

S31~S43‧‧‧步驟流程

A‧‧‧最佳轉速

B‧‧‧最佳切削深度

第1圖 係為本發明之切削加工參數估測裝置之第一實施例之第一示意圖。

第2圖 係為本發明之切削加工參數估測裝置之第一實施例之第二示意圖。

第3圖 係為本發明之切削加工參數估測裝置之第一實施例之流程圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之切削加工參數估測裝置及其方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之切削加工參數估測裝置之第一實施例之示意圖。如圖所示，切削加工參數估測裝置2可包含訊號感測模組20、訊號分析模組21及切削狀態估測模組22。

首先，當操作人員利用切削加工機1，如CNC車床、銑床等對特定材質之工件進行切削作業時，操作人員可以根據經驗法則事先選定一個較可能符合此工件材質特性的轉速範圍，並以此轉速範圍進行試切，訊號感測模組20此時則可擷取來自切削加工機1產生的第一振動訊號11。訊號分析模組21則可對第一振動訊號11執行操作模態分析211以產生複數個系統動態參數2111，這些系統動態參數2111可以包含自然頻率與阻尼比等等。切削狀態估測模組22可以利用切削顫振數學模型221分析該些系統動態參數2111以產生顫振穩定界線圖(Stability lobe diagram)2211。因此，透過此顫振穩定界線圖2211可以計算出切削加工機1在此轉速範圍內切削穩定性最大的刀具主軸最佳轉速A。

顫振穩定界線圖2211則如第2圖所示，圖中之橫軸係為切削主軸轉速，縱軸係為切削與機台動剛性比。其中，顫振穩定界線圖2211之上的部份為切削不穩定區，反之在顫振穩定界線圖2211之下的部份則為切削穩定區。

在估測出最佳轉速A後，操作人員則可以將切削加工機1之轉速設定為最佳轉速A，此時，操作人員可以先利用最佳轉速A去設定一較為保守的切削深度去執行切削作業，並利用訊號感測模組20擷取切削加工機1以 最佳轉速A並以此切削深度對工件進行切削作業時產生之第二振動訊號12。

由於當顫振發生或即將發生時，其振動頻譜具有獨特的特徵，例如於刀具主軸轉速頻及其倍頻附近的邊頻成長情形，因此，利用訊號分析模組21可以根據上述振動頻譜特徵藉以判斷是否產生顫振的情況。因此，訊號分析模組21可對第二振動訊號12執行振動訊號特徵分析212以擷取加工振動頻譜特徵以產生振動特徵訊號2121。

切削狀態估測模組22則將振動特徵訊號2121與一預設門檻值222比對，並判定切削是否以達到不穩定的狀態？若否，則表示切削深度尚未到達極限，此時，操作人員可逐步增加切削深度，當振動特徵訊號2121超越此預設門檻值222時，切削狀態估測模組22可發出一個警告訊號以提醒操作人員，而操作人員則可將切削深度略為減少，使振動特徵訊號2121能夠符合此預設門檻值222，如此則可找出最匹配最佳轉速A之最佳切削深度B。由上述可知，透過上述的方式使操作人員在利用切削加工機1對各種不同材質的工件執行切削作業時均可以輕易的找出最佳的加工參數，使用上極為方便及有效。

請參閱第3圖，其係為本發明之切削加工參數估測裝置之第一實施例之流程圖。本實施例包含下列步驟：

S31：選定一較佳的轉速範圍並利用切削加工機去進行試切。

S32：擷取切削加工機之振動訊號。

S33：對振動訊號進行操作模態分析，以獲得系統動態參數。

S34：利用切削顫振數學模型分析系統動態參數。

S35：獲得此轉速範圍中之最佳轉速。

S36：設定切削加工機為此最佳轉速。

S37：以一切削深度進行試切。

S38：擷取切削加工機之振動訊號。

S39：分折振動訊號取得振動特徵訊號。

S40：將振動特徵訊號與一預設門檻值比對，以判斷切削作業是否已達不穩定的狀態？若否，則進入步驟41；若是，則進入到步驟42。

S41：增加切削深度，並回到步驟37。

S42：減少切削深度，並回到步驟37以重新測試此切削深度是否會導致切削失穩？若是，則重新執行步驟42；若否，則進入到步驟43。

S43：獲得最佳切削深度，此時已獲得最佳轉速及最佳切削深度，故最佳加工參數已估測完成。

值得一提的是，一般而言，若欲計算切削加工機之顫振穩定界線圖，需先針對其刀具主軸及刀具進行實驗模態分析(Experimental modal analysis，EMA)或系統鑑別，此過程需要利用衝擊錘或動力計進行量測，且動力計十分昂貴，不符合一般機台線上檢測的需求。另外，執行實驗模態分析也有其限制存在，例如實驗模態分析僅能在系統處於靜態的情況下執行，此時主軸無旋轉，且刀具也沒與工件接觸。亦即實驗模態分析下所獲得之動態模型參數與實際上系統於切削動態下的模態參數並不相同，因此在實際加工過程中也無法達到精確的水準。

然而，本發明於一實施例中以擷取之振動訊號，並進行操作模態分析以獲得複數個系統動態參數，再利用切削顫振數學模型分析該些系統動態參數的方式以獲得其顫振穩定界線圖，這種方式不必利用動力計即可以獲得系統於切削動態下的模態參數，不但簡單成本低且極為精確，可以有效率地獲得切削加工機執行特定作業的最佳轉速。

此外，習知技藝之各項估測方法不但不夠精確，也無法同時準確地估 測適合切削作業的最佳轉速及適合此最佳轉速的最佳切削深度。相反的，本發明在一實施例中，不但能夠利用特殊的估測方式來準確地估測出切削加工機執行特定作業的最佳轉速，還可以利用分析比對切削加工機在此最佳轉速下產生之振動訊號的特徵訊號，藉此來計算出最能夠匹配此最佳轉速之最佳切削深度，以找出最適合的加工參數。

由上述可知，本發明確實可以有效地提高切削速度、穩定度及材料的移除率，故實具進步性之專利要件。

綜上所述，本發明之一實施例提出先對擷取之振動訊號進行操作模態分析以獲得複數個系統動態參數，再利用切削顫振數學模型分析此系統動態參數以計算其顫振穩定界線圖，故可以精確地算出適合切削加工機目前作業之最佳轉速。

又，本發明之一實施例中不但能夠對擷取之振動訊號進行操作模態分析等等運算，以計算適合切削加工機目前作業之最佳轉速，更能夠針對此最佳轉速來找出匹配的最佳切削深度等最佳加工參數，故本發明可以最大化切削加工機的切削速度、穩定度及材料移除率，有效改善了習知技藝的缺點。

除此之外，本發明提出切削加工參數估測方法不但簡單，且不需要動力計即能夠進行量測，故能在不大量提高成本的情況之下達到很的高效率，能夠滿足一般機台線上檢測的需求。

可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本發明之精 神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

S31~S43‧‧‧步驟流程

Claims (10)

1. 一種切削加工參數估測裝置，係包含：一訊號感測模組，係擷取一切削加工機以一轉速範圍進行切削作業時產生之一第一振動訊號；一訊號分析模組，係對該第一振動訊號執行一操作模態分析以產生複數個系統動態參數；以及一切削狀態估測模組，係以一切削顫振數學模型分析該些系統動態參數以計算該切削加工機在該轉速範圍中之一最佳轉速；其中該訊號感測模組更擷取該切削加工機以該最佳轉速並以一切削深度進行切削作業之一第二振動訊號，該訊號分析模組則分析該第二振動訊號以產生一振動特徵訊號，以擷取加工振動頻譜特徵，該切削狀態估測模組則根據該振動特徵訊號調整該切削深度以取得匹配該最佳轉速之一最佳切削深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之切削加工參數估測裝置，其中該切削狀態估測模組係將該振動特徵訊號與一預設門檻值比對，並重覆調整該切削深度，直到該振動特徵訊號符合該預設門檻值，以取得該最佳切削深度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之切削加工參數估測裝置，其中該切削狀態估測模組係以該切削顫振數學模型分析該些系統動態參數以產生一顫振穩定界線圖以計算該最佳轉速。
4. 如申請專利範圍第3項所述之切削加工參數估測裝置，其中該些系統動態參數係包含自然頻率及阻尼比。
5. 如申請專利範圍第3項所述之切削加工參數估測裝置，其中該切削狀態估測模組將該振動特徵訊號與該預設門檻值比對，若該振動特徵訊號超出 該預設門檻值，該切削狀態估測模組則發出一警告訊號。
6. 一種切削加工參數估測方法，係包含下列步驟：擷取一切削加工機以一轉速範圍進行切削作業時產生之一第一振動訊號；對該第一振動訊號執行一操作模態分析以產生複數個系統動態參數；以一切削顫振數學模型分析該些系統動態參數以計算該切削加工機在該轉速範圍中之一最佳轉速；擷取該切削加工機以該最佳轉速並以一切削深度進行切削作業之一第二振動訊號；分析該第二振動訊號以產生一振動特徵訊號以擷取加工振動頻譜特徵；以及根據該振動特徵訊號調整該切削深度，以取得匹配該最佳轉速之一最佳切削深度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之切削加工參數估測方法，更包含下列步驟：將該振動特徵訊號與一預設門檻值比對，藉此重覆調整該切削深度，直到該振動特徵訊號符合該預設門檻值，以取得匹配該最佳切削深度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之切削加工參數估測方法，更包含下列步驟：以該切削顫振數學模型分析該些系統動態參數以產生一顫振穩定界線圖以計算該最佳轉速。
9. 如申請專利範圍第8項所述之切削加工參數估測方法，其中該些系統動態參數係包含自然頻率及阻尼比。
10. 如申請專利範圍第8項所述之切削加工參數估測方法，更包含下列步驟：當該振動特徵訊號超出該預設門檻值時，發出一警告訊號。