TWI557523B - Method and system of collision protection for machine tool - Google Patents

Description

工具機防撞保護方法及其系統

本發明是有關於一種防撞保護方法及其系統，特別是指一種工具機防撞保護方法及其系統。

由近幾年的國際工具機展所呈現的技術趨勢來看，除了針對加工精度、速度與產能不斷地尋求提升外，工具機的大腦一控制器的智能化儼然成為工具機產業下一波競爭重點。因為在高速化、複合化的訴求下，使得像是五軸綜合加工機，及車銑複合加工機等多加工軸數、機台功能複合的工具機不斷推出。所以，在面對多軸複合化工具機複雜的運動模式，以及繁複的加工流程，必須藉由諸多軟硬體來輔助該控制器，才能安全且高效率地操作該工具機。其中，防止機台發生干涉或碰撞，是目前該控制器在智能化上相當重要的發展方向。

然而，現有工具機防撞保護方法大多如中華民國發明專利公開第TW 201445268號所揭示，藉由監控軸向負載以作為判斷碰撞發生的手段。亦即由該控制器監控至少一驅動器的負載電流是否已達到一限定值，而判斷碰撞發生，並由該控制器停止對該驅動器的控制，以避免該驅 動器所帶動的一加工刀具或一加工平台繼續承受撞擊。不過，該方法對於碰撞的撞擊力道難以量化與掌控，不論力量是大到足以使該工具機產生機械結構變形的撞擊，或是小到因為一工件對該加工刀具產生的干擾，都可能使該控制器判斷發生碰撞而停止該驅動器，而造成加工流程的中斷。另外，由於該加工平台所受到的撞擊力，會經由與該驅動器連接的一軸向傳動機構，而回饋到該驅動器，造成該限定值需要進行繁複的機構分析與參數校正，而不易進行設定。

因此，本發明之目的，即在提供一種能簡易地判斷碰撞發生，並降低干擾造成誤判的工具機防撞保護系統。

於是，本發明工具機防撞保護系統，適用於輸出一警示信號至一工具機。該工具機包括一可輸出一控制信號的控制器，及至少一可根據該控制信號，而在一預定時間後移動至一目標位置的移動件。該工具機防撞保護系統包含一量測單元、一預測單元，及一干涉判定單元。

該量測單元探知該移動件的一實際位置。

該預測單元預測該移動件在該預定時間後的預估位置。

該干涉判定單元包括一邏輯模組，及一判斷模組。在該預定時間後，該邏輯模組比較該實際位置及該預估位置分別相對於該目標位置的差值大小，並輸出一相關 於該比較結果的落後次數。該判斷模組根據該落後次數，並與一門檻值比較。若該落後次數大於該門檻值，則判斷發生干涉，並輸出該警示信號。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種工具機防撞保護方法。

於是，本發明工具機防撞保護方法，適用於輸出一警示信號至一工具機。該工具機包括一可輸出一控制信號的控制器，及至少一可根據該控制信號移動的移動件。該工具機防撞保護方法包含下列步驟：

(A)獲得該移動件目前的一實際位置與該控制信號。

(B)依據該實際位置、該控制信號，及一預先儲存相關於該工具機的控制響應參數，計算出該移動件在一預定時間後的一預估位置與一目標位置。

(C)經過該預定時間後，獲得該移動件移動到目前的該實際位置，再比較該實際位置與先前所預測的該預估位置，二者分別相對於該目標位置的一差值大小。

(D)根據該等差值關係，並依一判定法則進行次數記錄，以作為一落後次數。

(E)驗證該落後次數是否大於一門檻值。若是，則輸出該警示信號；若否，則回到該步驟(A)。

本發明之功效在於：藉由預測該預估位置，並比較該實際位置與該預估位置，二者分別相對於該目標位置的差值大小，不僅能簡易地對該移動件進行碰撞檢測， 並且依該門檻值來調整判斷碰撞的靈敏度，以降低誤判情況的產生，維持該工具機的加工效率。

1‧‧‧量測單元

2‧‧‧預測單元

21‧‧‧誤差模組

22‧‧‧回授模組

3‧‧‧干涉判定單元

31‧‧‧邏輯模組

32‧‧‧判斷模組

4‧‧‧工具機

41‧‧‧控制器

42‧‧‧移動件

421‧‧‧治具台

422‧‧‧動柱

423‧‧‧加工頭

43‧‧‧線極

5‧‧‧工件

61‧‧‧步驟

62‧‧‧步驟

621‧‧‧步驟

622‧‧‧步驟

623‧‧‧步驟

63‧‧‧步驟

631‧‧‧步驟

632‧‧‧步驟

64‧‧‧步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本發明工具機防撞保護系統之一實施例，並可輸出一警示信號至一工具機；圖2是一示意圖，說明該工具機透過一線極對一工件加工，並且藉由該實施例中一量測單元量測一移動件；及圖3是一流程圖，說明本發明工具機防撞保護方法的一實施例。

參閱圖1與圖2，本發明工具機防撞保護系統的一實施例，適用於輸出一警示信號至一工具機4。

該工具機4以一線切割機為例，並包括一控制器41、三移動件42，及一線極43。該控制器41用以對該等移動件42個別地輸出一控制信號，而使每一移動件42根據該控制信號，在一預定時間後，可正向或反向地移動至一目標位置。其中，該等移動件42分別為一可沿X軸方向移動的治具台421、一可沿Y軸方向移動的動柱422，及一裝設於該動柱422上，並可沿U軸及V軸方向移動，且供該線極43裝設的加工頭423。一工件5安置於該治具台421上，並由該動柱422帶動該加工頭423，以牽動該線極 43相對於該治具台421移動，而使該線極43對該工件5進行加工。要說明的是，本實施例是對該動柱422作碰撞偵測為例，因此，後述的該移動件42是指該動柱422。

參閱圖1，該工具機防撞保護系統包含一量測單元1、一預測單元2，及一干涉判定單元3。

該量測單元1是用來探知該移動件42的一實際位置。該量測單元1可為一光學尺，或是藉由帶動該移動件42的伺服馬達的脈波回授等方式得知該移動件42的實際位置。

該預測單元2包括一誤差模組21，及一回授模組22。該誤差模組21用於運算該目標位置與該實際位置之間的差值，以輸出一相關於該差值的誤差信號。該回授模組22接收該誤差信號，並與該控制信號，及一預先儲存相關於該移動件42的控制響應參數進行回授運算，以獲得相關於該運算結果的該預估位置。要說明的是，該回授模組22可藉由一預測控制器-如PID(比例-積分-微分)控制器，或灰色預測(Gray Prediction)控制器-預估該移動件42在該預定時間後的位置。其中，該預測控制器透過該移動件42的控制響應參數建立出一系統模型，並將該控制信號與該誤差信號輸入該系統模型內，便可獲得在該預定時間後的預估位置。

該干涉判定單元3包括一邏輯模組31，及一判斷模組32。該邏輯模組31在該預定時間後比較目前的該實際位置，以及先前所預測的該預估位置，二者分別相對於 該目標位置的差值大小，並輸出一相關於該比較結果的落後次數。其中，當該實際位置相對於該目標位置的差值，大於該預估位置相對於該目標位置的差值與一容忍誤差的總和時，表示該移動件42有受到一阻力，致使該實際位置落後於該預估位置已經超過該容忍誤差，則該邏輯模組31對該落後次數進行累加。相反地，則該邏輯模組31將該落後次數歸零。同時，該判斷模組32會根據該落後次數，並與一門檻值比較。若該落後次數大於該門檻值，則判斷發生碰撞，並輸出該警示信號。要說明的是，為何該干涉判定單元3不在超過該容忍誤差的當下，立即作出受到碰撞的判斷，並且輸出該警示信號？這是因為在加工過程中，難免會發生人為或機械暫時性的碰觸。一般來說，此類碰觸所產生的位置落後很快會被該控制器41回授補正，而不影響到後續加工。因此，本系統藉由該門檻值來調整判斷碰撞的靈敏度，有效地避免產生過多的誤判情況，而造成該工具機4加工效率的下降。同樣地，若該實際位置落後於該預估位置已經小於該容忍誤差，則表示該控制器41已經對該移動件42的位置進行回授補正，碰撞的因素已經被排除，所以該邏輯模組31將該落後次數歸零，以避免持續累積的該落後次數造成誤判。

舉例來說，若該控制器41對該移動件42輸出該控制信號，使該移動件42在該預定時間為10毫秒(ms)後，由目前的位置沿Y軸正向位移10單位長度，而到該目標位置。另外，該預測單元2所獲得的該預估位置為目 前的位置沿Y軸正向位移8單位長度。在經過10毫秒後，該移動件42可能因為伺服系統造成的延遲，或是真正受到撞擊的干擾，而使目前的位置只有正向位移5單位長度。因此，該邏輯模組31比較目前的該實際位置-5單位長度，以及先前所預測的該預估位置-8單位長度，二者分別相對於該目標位置-10單位長度的差值大小。並且，在該容忍誤差為1單位長度的情況下，該判斷模組32根據該比較結果-兩者差值相差3單位長度-已經超過該容忍誤差，而對該落後次數進行累加，並且根據該落後次數與該門檻值比較。若該落後次數大於該門檻值，則判斷發生干涉，並輸出該警示信號。要說明的是，在此過程中，假設該門檻值為5次，表示要連續發生該比較結果超過該容忍誤差達到6次，即在60毫秒-以該預定時間10毫秒作為週期計算-內，該控制器41都無法將該移動件42的位置誤差回授補正至該容忍誤差內。因此，該移動件42受到撞擊的機率很高，所以要輸出該警示信號。

值得一提的是，該門檻值的設定是相關於該控制器41對該移動件42的回授響應，以及該預定時間。例如，回授響應越快的控制器41，該預定時間可以越短，以進行更精確地控制，而使得該判斷模組32在每單位時間內，進行判斷的次數增加。因此，若是以絕對次數作為該門檻值，將可能對於回授響應越快的移動件42增加誤判發生碰撞的機會。所以，該門檻值常以百分比表示，如5%，表示以每單位時間內判斷次數的比例來推算該門檻值。以該 預定時間為10毫秒來說明，每單位時間1秒內可判斷100次，取5%，則為5次；若該預定時間為5毫秒時，則單位時間內可判斷200次，取5%，即10次。兩者所給予的控制補正時間均為50毫秒。因此，若在50毫秒的時間內，該控制器41還未能將落後位置控制補正，該判斷模組32才會判斷已發生撞擊，所以能降低誤判，而更準確地檢測出發生碰撞。

最後，當該工具機4的控制器41接收到該警示信號後，便立即對該移動件42輸出停止移動的控制信號，並發出警告聲響或閃爍警示燈，以提醒操作者發生碰撞情況。值得一提的是，本系統能應用到該工具機4的各軸向移動件42進行碰撞檢測，並且獲得干涉該等移動件42移動的方向，以本例結果為Y軸正向受到干涉。因此，該控制器41可以只針對發生碰撞的該移動件42輸出相反於發生干涉移動的方向-即Y軸反向-的控制信號，以退出障礙物阻擋或干涉發生的區域，不僅可避免該工具機向前再次受到碰撞，並且協助操作者盡速排除碰撞，以恢復加工程序。

綜上所述，可以歸納出一種工具機防撞保護方法，適用輸出該警示信號於上述的工具機4。該工具機防撞保護方法之一實施例的流程圖如圖3所示，並配合圖1參閱。該工具機防撞保護方法包含下列步驟。

步驟61：初始化設定，包括將該落後次數歸零，以及設定該預定時間及該門檻值。

步驟62：比較該實際位置與先前所預測的該預估位置，二者分別相對於該目標位置的該差值大小。其中，步驟621是獲得該移動件42目前的實際位置與該控制信號；並由步驟622依據該實際位置、該控制信號，及該預先儲存相關於該工具機的控制響應參數，計算出該移動件42在該預定時間後的該預估位置與該目標位置；最後，步驟623是在經過該預定時間後，獲得該移動件42移動到目前的該實際位置，再比較出該等差值的大小。

步驟63：根據該等差值關係，決定該落後次數。其中，若是該實際位置相對於該目標位置的差值，大於該預估位置相對於該目標位置的差值與一容忍誤差的總和，則進入步驟631，對該落後次數進行累加；反之，則進入步驟632，將該落後次數歸零，並回到該步驟621。

步驟64：驗證該落後次數是否大於一門檻值。若是，則輸出該警示信號；若否，則回到該步驟621。

經由以上的說明，可將本發明工具機防撞保護方法及其系統的優點歸納如下：

一、藉由該門檻值來調整判斷碰撞的靈敏度，以及該邏輯模組31判斷該阻力排除，而將該落後次數歸零，均能有效地降低誤判情況的產生，以維持該工具機4加工效率。

二、透過對該工具機4的各軸向移動件42進行碰撞檢測，而確切地獲得干涉該等移動件42移動的方向，使該控制器41能獨立地對該等移動件42輸出停止的該控 制信號，不僅避免該工具機再次受到碰撞，而且協助操作者盡速排除碰撞，以恢復加工程序。

三、由於目前的數控(Numerical Control，NC)工具機已經具備有該量測單元1，和相似於該預測單元2的回授架構，僅需將本系統的干涉判定單元3邏輯對應地建立於該工具機的控制器，並進行初始化設定，即可建構出防撞保護系統，不僅建構成本近乎為零，而且該預定時間及該門檻值等參數的設定也更直覺、簡易。

綜上所述，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧量測單元

2‧‧‧預測單元

21‧‧‧誤差模組

22‧‧‧回授模組

3‧‧‧干涉判定單元

31‧‧‧邏輯模組

32‧‧‧判斷模組

4‧‧‧工具機

41‧‧‧控制器

42‧‧‧移動件

Claims (8)

1. 一種工具機防撞保護系統，適用於輸出一警示信號至一工具機，該工具機包括一可輸出一控制信號的控制器，及至少一可根據該控制信號，而在一預定時間後移動至一目標位置的移動件，該系統包含：一量測單元，探知該移動件的一實際位置；一預測單元，預測該移動件在該預定時間後的預估位置；及一干涉判定單元，包括一邏輯模組，及一判斷模組，在該預定時間後，該邏輯模組比較該實際位置及該預估位置分別相對於該目標位置的差值大小，並輸出一相關於該比較結果的落後次數，該判斷模組根據該落後次數，並與一門檻值比較，若該落後次數大於該門檻值，則判斷發生干涉，並輸出該警示信號。
2. 如請求項1所述的工具機防撞保護系統，其中，若該實際位置相對於該目標位置的差值，大於該預估位置相對於該目標位置的差值與一容忍誤差的總和，則該邏輯模組對該落後次數進行累加，反之，則該邏輯模組將該落後次數歸零。
3. 如請求項1所述的工具機防撞保護系統，其中，該預測單元包括一誤差模組，及一回授模組，該誤差模組用於運算該目標位置與該實際位置之間的差值，以輸出一相關於該差值的誤差信號，該回授模組接收該誤差信號，並與該控制信號，及一預先儲存相關於該工具機的控制 響應參數進行回授運算，以獲得相關於該運算結果的該預估位置。
4. 如請求項1所述的工具機防撞保護系統，其中，該量測單元為一裝設於該工具機上的光學尺。
5. 一種工具機防撞保護方法，適用於輸出一警示信號至一工具機，該工具機包括一可輸出一控制信號的控制器，及至少一可根據該控制信號移動的移動件，該方法包含下列步驟：(A)獲得該移動件目前的一實際位置與該控制信號；(B)依據該實際位置、該控制信號，及一預先儲存相關於該工具機的控制響應參數，計算出該移動件在一預定時間後的一預估位置與一目標位置；(C)經過該預定時間後，獲得該移動件移動到目前的該實際位置，再比較該實際位置與先前所預測的該預估位置，二者分別相對於該目標位置的一差值大小；(D)根據該等差值關係，並依一判定法則進行次數記錄，以作為一落後次數；及(E)驗證該落後次數是否大於一門檻值，若是，則輸出該警示信號，若否，則回到該步驟(A)。
6. 如請求項5所述的工具機防撞保護方法，其中，在該步驟(D)中，該判定法則是比較該實際位置相對於該目標位置的差值，是否大於該預估位置相對於該目標位置的差值與一容忍誤差的總和，若是，則對該落後次數進行 累加，若否，則將該落後次數歸零，並直接回到該步驟(A)。
7. 如請求項5所述的工具機防撞保護方法，其中，在該步驟(B)中，先計算該目標位置與該實際位置之間的一誤差值，再根據該誤差值與該控制響應參數進行回授運算，計算出該移動件在該預定時間後的該預估位置，以及，根據目前的該控制信號與該控制響應參數進行回授運算，計算出該移動件在該預定時間後的該目標位置。
8. 如請求項5所述的工具機防撞保護方法，其中，還包含一在該步驟(A)前的步驟(F)，該步驟(F)是將該落後次數歸零，並設定該預定時間及該門檻值。