TWI564110B - 回授控制數値加工機及其方法 - Google Patents

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TWI564110B TW103140187A TW103140187A TWI564110B TW I564110 B TWI564110 B TW I564110B TW 103140187 A TW103140187 A TW 103140187A TW 103140187 A TW103140187 A TW 103140187A TW I564110 B TWI564110 B TW I564110B
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羅佐良
林錦德
梁碩芃
彭達仁
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財團法人工業技術研究院
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Description

回授控制數值加工機及其方法
本揭露係關於一種回授控制數值加工機及其方法，特別是指一種可顫震迴避之回授控制數值加工機及其方法。
現有技術之回授控制數值加工機在處理主軸之顫震迴避(chatter avoidance)上，大都只能以離線方式與數值控制程式，對該主軸之加工品質或加工程序進行全域優化，但仍需於該主軸加工工件之過程中隨時進行監測以處理該主軸之顫震現象。
而且，現有技術僅能對單一主軸執行顫震迴避，或在該主軸發生顫震時停止運轉該回授控制數值加工機。因此，現有技術難以用於具有複數主軸之回授控制數值加工機上，或者當該些主軸之至少一者於發生顫震時，使其他未發生顫震之主軸持續不斷地加工該工件。
另外，雖然現有技術中有部分採用麥克風(或麥克風陣列)，但其通常用於噪音偵測上，且該麥克風只能支援或應用於單一主軸。
若該麥克風(或麥克風陣列)應用於複數主軸上，當該 些主軸之至少一者發生顫震時，現有技術亦只能以停機作為應變之道，且需花費不少時間以排除該主軸之顫震現象，因而無法於該些主軸之加工過程中即時迴避該顫震現象，也無法有效地縮短該些主軸對該工件之加工步序。
因此，如何克服上述習知技術的問題，實已成目前亟欲解決的課題。
本揭露係提供一種回授控制數值加工機及其方法，其能同時對複數主軸進行顫震監測，並即時迴避顫震現象。
本揭露之回授控制數值加工機包括：至少二主軸，係用於加工工件；聲音頻率偵測模組，係偵測該些主軸於加工該工件時之聲音頻率；至少二主軸位置偵測模組，係分別對應該些主軸，並偵測該些主軸於加工該工件時之位置資訊；以及控制模組，係分別連接該聲音頻率偵測模組與該些主軸位置偵測模組以取得該些主軸之聲音頻率及位置資訊，俾由該控制模組依據該些主軸之聲音頻率監控該些主軸之至少一者是否發生顫震，以依據該些主軸之位置資訊對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
本揭露之回授控制數值加工方法係包括：以聲音頻率偵測模組偵測至少二主軸於加工工件時之聲音頻率；以至少二主軸位置偵測模組偵測該些主軸於加工該工件時之位置資訊；以及以控制模組自該聲音頻率偵測模組與該些主軸位置偵測模組中取得該些主軸之聲音頻率及位置資訊，以使該控制模組依據該些主軸之聲音頻率監控該些主軸之 至少一者是否發生顫震，俾依據該些主軸之位置資訊令該控制模組對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
由上述內容可知，本揭露之回授控制數值加工機及其方法中，主要是以聲音頻率偵測模組偵測至少二主軸於加工工件時之聲音頻率，並以至少二主軸位置偵測模組偵測該些主軸之位置資訊，再依據該聲音頻率監控該些主軸之至少一者是否發生顫震，且依據該位置資訊對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
藉此，本揭露能同時對複數主軸執行顫震監測，並於該些主軸對工件加工時即時排除與迴避顫震現象，亦無須停止該回授控制數值加工機而持續運轉之，從而使未發生顫震之主軸能持續不斷地加工該工件以提升加工效率，且有效地縮短該些主軸對該工件之加工步序。
1‧‧‧回授控制數值加工機
10‧‧‧主軸
11‧‧‧工件
12‧‧‧聲音頻率偵測模組
121、131‧‧‧麥克風
13‧‧‧主軸位置偵測模組
132‧‧‧麥克風陣列
133‧‧‧位置資訊
14‧‧‧控制模組
141‧‧‧信號轉換單元
142‧‧‧顫震辨識單元
143‧‧‧主軸辨識單元
144‧‧‧顫震迴避決策單元
145‧‧‧數值控制單元
145a、145b、145n‧‧‧工作程式分段
146、151‧‧‧聲音頻率
147‧‧‧聲音強度
15‧‧‧顫震頻率擷取模組
16‧‧‧信號控制單元
S21至S29‧‧‧步驟
第1圖係繪示本揭露之回授控制數值加工機之方塊示意圖；第2圖係繪示本揭露之主軸位置偵測模組所偵測之位置資訊分別連結至數值控制單元之複數工作程式分段之方塊示意圖；以及第3圖係繪示本揭露之回授控制數值加工方法之流程示意圖。
以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地 了解本揭露之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
第1圖係繪示本揭露之回授控制數值加工機1之方塊示意圖，第2圖係繪示本揭露之主軸位置偵測模組13所偵測之位置資訊133分別連結至數值控制單元145之複數工作程式分段(segment)145a至145n之方塊示意圖。
如第1圖與第2圖所示，回授控制數值加工機1係包括至少二主軸10、一聲音頻率偵測模組12、至少二主軸位置偵測模組13以及一控制模組14。
該至少二主軸10可為二或三以上之主軸，且該至少二主軸位置偵測模組13可為二或三以上之主軸位置偵測模組。而該控制模組14係作為顫震核心(chatter kernel)，並可為軟體之控制程式或處理程式等，亦可為硬體之控制元件、控制器、控制晶片、處理器或微電腦等。
該些主軸10係用於加工至少一工件11。該聲音頻率偵測模組12係偵測該些主軸10於加工該工件11時之聲音頻率或聲音頻段，且該聲音頻率偵測模組12可為麥克風121等聲音偵測元件或聲音接收元件。
該些主軸位置偵測模組13係分別對應該些主軸10，並偵測該些主軸10於加工該工件11時之位置資訊133。該位置資訊133可為該些主軸10之一維、二維或三維之空間座標，並可為該些主軸10之相對位置或絕對位置。該些主軸位置偵測模組13可為複數麥克風131所組成之麥克風陣列132，亦可為其他的位置偵測元件，且每一主軸位置偵測模組13 可具有至少一(如二)麥克風131。
該控制模組14係分別透過有線信號、無線信號或電性信號連接該聲音頻率偵測模組12與該些主軸位置偵測模組13以取得該些主軸10之聲音頻率146及位置資訊133，俾由該控制模組14依據該些主軸10之聲音頻率146監控該些主軸10之至少一者是否發生顫震，以依據該些主軸10之位置資訊133對已發生顫震之主軸10執行顫震迴避。
該控制模組14可具有信號轉換單元141，以藉由該信號轉換單元141將該些主軸10之聲音頻率146及位置資訊133之類比信號轉換為數位信號，且該信號轉換單元141可為類比數位轉換程式或類比數位轉換器。
該控制模組14可具有顫震辨識單元142，以藉由該顫震辨識單元142判斷該些主軸10之聲音頻率146是否為預定之聲音頻率或聲音頻段，且該預定之聲音頻率或聲音頻段可例如為500Hz(赫茲)、1200Hz或1900Hz等。
若該些主軸10之至少一者之聲音頻率146為該預定之聲音頻率或聲音頻段，則該顫震辨識單元142判定該些主軸10之至少一者已發生顫震。反之，若該些主軸10之聲音頻率146均非為該預定之聲音頻率151或聲音頻段，則該顫震辨識單元142判定該些主軸10未發生顫震。
該控制模組14可具有主軸辨識單元143，以藉由該主軸辨識單元143辨識該些主軸10之聲音強度147之差異值，並依據該聲音強度147之差異值對應至該些主軸10之位置資訊133，進而自該些主軸10中分辨出已發生顫震之主軸10。
舉例而言，如第1圖所示，假設左右兩邊之二主軸位置偵測模組13分別偵測左右兩邊之二主軸10，每一主軸位置偵測模組13均具有二麥克風131，且四麥克風131所偵測之二主軸10之聲音強度147由左至右分別為聲音強度M1、聲音強度M2、聲音強度M3及聲音強度M4，則可依據下列公式計算四麥克風131之聲音強度147之差異值，並自該些主軸10中分辨出已發生顫震之主軸10。
其中，M表示由左至右之四麥克風131之聲音強度M1至M4之平均值，ML表示左邊二麥克風131之聲音強度M1與M2之平均值減去該平均值M，MR表示右邊二麥克風131之聲音強度M3與M4之平均值減去該平均值M。
因此，若該平均值ML大於該平均值MR，則表示已發生顫震之主軸10應為左邊之主軸10。反之，若該平均值MR大於該平均值ML，則表示已發生顫震之主軸10應為右邊之主軸10。又，若該平均值ML等於該平均值MR，則可能表示未監控該些主軸10是否發生顫震、或者該些主軸10未發生顫震、抑或者左右兩邊之主軸10同時發生顫震。
該控制模組14可具有顫震迴避決策單元144，以藉由該顫震迴避決策單元144決定已發生顫震之主軸10之顫震迴避模式，且該顫震迴避模式可為調整已發生顫震之主軸10之轉速、進給率(feedrate)或切削深度(cut depth)等。
該控制模組14可具有數值控制單元145(如數值控制程式)，且該數值控制單元145可具有或不具有複數工作程式分段145a至145n，以藉由該數值控制單元145或該些工作程式分段145a至145n調整已發生顫震之主軸10之顫震迴避模式，例如該主軸10之轉速、進給率或切削深度等。
該回授控制數值加工機1可包括顫震頻率擷取模組15，且該顫震頻率擷取模組15係依據頻率響應函數(Frequency Response Function,FRF)或預切削(pre-cut)方式，以取得使該些主軸10發生顫震之聲音頻率151或聲音頻段之初始值。
該頻率響應函數係採用靜態分析，以供建構工具結構模型(tool structure model)，並可應用於該回授控制數值加工機1上。而且，該頻率響應函數能建立該些主軸10之切削深度相對於轉速之安全區域(safe zone)，並能取得使該些主軸10發生顫震之聲音頻率151或聲音頻段之初始值。
又，該預切削方式係採用試錯法(try-and-error method)，以供該些主軸10先行嘗試切削該工件11，進而取得使該些主軸10發生顫震之聲音頻率151或聲音頻段之初始值。
該回授控制數值加工機1可包括至少一(如二)信號控制單元16，且該控制模組14係透過該信號控制單元16對已發生顫震之主軸10執行顫震迴避。該信號控制單元16可為信號控制線、有線網路或無線網路等。
此外，第2圖係將該些主軸位置偵測模組13所偵測之位 置資訊133連結至數值控制單元145，且該數值控制單元145可具有或不具有複數工作程式分段。
假設該數值控制單元145具有N個工作程式分段，例如工作程式分段145a、工作程式分段145b至工作程式分段145n，且該些工作程式分段145a至145n中設有該些主軸10之機械座標，則可將該些主軸10正在加工該工件11時之當下位置資訊133連結至該些工作程式分段145a至145n中正在執行之工作程式分段之機械座標，以便該控制模組14能更精確地判斷已發生顫震之主軸10及其位置資訊133與機械座標。
同時，該些工作程式分段145a至145n可供分批上載，以調整已發生顫震之主軸10之顫震迴避模式，例如該主軸10之轉速、進給率或切削深度等，進而達到即時優化該些主軸10對該工件11之加工品質及加工程序。
第3圖係繪示本揭露之回授控制數值加工方法之流程示意圖，請一併參閱上述第1圖與第2圖。本揭露之回授控制數值加工方法主要包括下列步驟：
在步驟S21中，先置入工件11至具有至少二主軸10之回授控制數值加工機1中，以供該二主軸10準備加工該工件11，且該至少二主軸10可為二或三以上之主軸。接著，進至步驟S22。
在步驟S22中，依據頻率響應函數或預切削方式，並以顫震頻率擷取模組151取得使該些主軸10發生顫震之聲音頻率151或聲音頻段之初始值。
該頻率響應函數係採用靜態分析，以供建構工具結構模型，並可應用於該回授控制數值加工機1上。而且，該頻率響應函數能建立該些主軸10之切削深度相對於轉速之安全區域，並能取得使該些主軸10發生顫震之聲音頻率151或聲音頻段之初始值。又，該預切削方式係採用試錯法，以供該些主軸10先行嘗試切削該工件11，進而取得使該些主軸10發生顫震之聲音頻率151或聲音頻段之初始值。接著，進至步驟S23。
在步驟S23中，提供數值控制單元145(如數值控制程式)或其複數工作程式分段145a至145n之至少一者以控制該些主軸10，使該些主軸10先依據預定之加工順序加工該工件11。
該些工作程式分段145a至145n可供分批上載，以調整已發生顫震之主軸10之顫震迴避模式，例如該主軸10之轉速、進給率或切削深度等。接著，進至步驟S24。
在步驟S24中，可依據該些主軸10對該工件11之加工狀況或顫震現象，並自該些工作程式分段145a至145n中擷取或更新較佳(或適當)的工作程式分段以控制該些主軸10之轉速、進給率或切削深度等。接著，進至步驟S25。
在步驟S25中，以控制模組14判斷是否該工件11是否已加工完成？若是，則進至步驟S26。若否，則進至步驟S27。
在步驟S26中，結束該工件11之加工程序。
在步驟S27中，以聲音頻率偵測模組12偵測該些主軸10於加工該工件11時之聲音頻率146或聲音頻段，亦可同時以 至少二主軸位置偵測模組13偵測該些主軸10於加工該工件11時之位置資訊133。
該聲音頻率偵測模組12可為一麥克風121等聲音偵測元件或聲音接收元件。該些主軸位置偵測模組13可為複數麥克風131所組成之麥克風陣列132，亦可為其他的位置偵測元件，每一主軸位置偵測模組13可具有至少一(如二)麥克風131。該位置資訊133可為該些主軸10之一維、二維或三維之空間座標，並可為該些主軸10之相對位置或絕對位置。
接著，以該控制模組14之顫震辨識單元142自該聲音頻率偵測模組12中取得該些主軸10於加工該工件11時之聲音頻率146，以依據該些主軸10之聲音頻率146監控該些主軸10是否發生顫震。同時，以該控制模組14之主軸辨識單元143自該些主軸位置偵測模組13中取得該些主軸10於加工該工件11時之位置資訊133。
另外，可以該控制模組14之信號轉換單元141將該些主軸10之聲音頻率146及位置資訊133之類比信號轉換為數位信號，且該信號轉換單元141可為類比數位轉換程式或類比數位轉換器。接著，進至步驟S28。
在步驟S28中，依據該些主軸10之聲音頻率146，並以該顫震辨識單元142判斷該些主軸10之至少一者是否發生顫震？若是，則進至步驟S29。若否，則返回步驟S24。
詳言之，該顫震辨識單元142係判斷該些主軸10之至少一者之聲音頻率146是否為該顫震頻率擷取模組151取得之 聲音頻率151或聲音頻段，且該預定之聲音頻率或聲音頻段可例如為500Hz、1200Hz或1900Hz等。若是，則判定該些主軸10之至少一者已發生顫震；若否，則判定該些主軸10未發生顫震。
舉例而言，如第1圖所示，假設左右兩邊之二主軸位置偵測模組13分別偵測左右兩邊之二主軸10，每一主軸位置偵測模組13均具有二麥克風131，且四麥克風131所偵測之二主軸10之聲音強度147由左至右分別為聲音強度M1、聲音強度M2、聲音強度M3及聲音強度M4，則可依據下列公式計算四麥克風131之聲音強度147之差異值，並自該些主軸10中分辨出已發生顫震之主軸10。
其中，M表示由左至右之四麥克風131之聲音強度M1至M4之平均值，ML表示左邊二麥克風131之聲音強度M1與M2之平均值減去該平均值M，MR表示右邊二麥克風131之聲音強度M3與M4之平均值減去該平均值M。
因此，若該平均值ML大於該平均值MR，則表示已發生顫震之主軸10應為左邊之主軸10。反之，若該平均值MR大於該平均值ML，則表示已發生顫震之主軸10應為右邊之主軸10。又，若該平均值ML等於該平均值MR，則可能表示未監控該些主軸10是否發生顫震、或者該些主軸10未發生顫震、抑或者左右兩邊之主軸10同時發生顫震。
在步驟S29中，依據該些主軸10之位置資訊133，以該控制模組14之顫震迴避決策單元144對已發生顫震之主軸10執行顫震迴避。接著，返回步驟S23。
具體而言，在步驟S29中，該主軸辨識單元143可辨識該些主軸10之聲音強度147之差異值，並依據該聲音強度147之差異值對應至該些主軸10之位置資訊133，進而自該些主軸10中分辨出已發生顫震之主軸10。
而且，該顫震迴避決策單元144可決定已發生顫震之主軸10之顫震迴避模式，例如調整該主軸10之轉速、進給率或切削深度等，並透過至少一(如二)信號控制單元16對已發生顫震之主軸10執行顫震迴避。該信號控制單元16可為信號控制線、有線網路或無線網路等。
因此，當返回步驟S23時，依據該顫震迴避決策單元144決定之顫震迴避模式，該控制模組14可提供該顫震迴避模式所對應的工作程式分段145a至145n其中至少一者，並透過該信號控制單元16對已發生顫震之主軸10執行顫震迴避以調整該主軸10之轉速、進給率或切削深度等，進而達到即時優化該些主軸10對該工件11之加工品質及加工程序。
由上述內容可知，本揭露之回授控制數值加工機及其方法中，主要是以聲音頻率偵測模組偵測至少二主軸於加工工件時之聲音頻率，並以至少二主軸位置偵測模組偵測該些主軸之位置資訊，俾依據該聲音頻率監控該些主軸之至少一者是否發生顫震，以依據該位置資訊對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
藉此，本揭露能同時對複數主軸執行顫震監測，並於該些主軸對工件加工時即時排除與迴避顫震現象，亦無須停止該回授控制數值加工機而持續運轉之，從而使未發生顫震之主軸能持續不斷地加工該工件以提升加工效率，且有效地縮短該些主軸對該工件之加工步序。
同時，本揭露之複數工作程式分段可提供複數顫震迴避模式，以供調整已發生顫震之主軸之轉速、進給率或切削深度等，進而達到即時優化該些主軸對該工件之加工品質及加工程序。
上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理、特點及其功效，並非用以限制本揭露之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本揭露之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。
1‧‧‧回授控制數值加工機
10‧‧‧主軸
11‧‧‧工件
12‧‧‧聲音頻率偵測模組
121‧‧‧麥克風
13‧‧‧主軸位置偵測模組
131‧‧‧麥克風
14‧‧‧控制模組
141‧‧‧信號轉換單元
142‧‧‧顫震辨識單元
143‧‧‧主軸辨識單元
144‧‧‧顫震迴避決策單元
145‧‧‧數值控制單元
146‧‧‧聲音頻率
147‧‧‧聲音強度
15‧‧‧顫震頻率擷取模組
151‧‧‧聲音頻率
16‧‧‧信號控制單元

Claims (20)

  1. 一種回授控制數值加工機，其包括：至少二主軸，係用於加工工件；聲音頻率偵測模組，係偵測該至少二主軸於加工該工件時之聲音頻率；至少二主軸位置偵測模組，係分別對應該至少二主軸，並偵測該至少二主軸於加工該工件時之位置資訊；以及控制模組，係分別連接該聲音頻率偵測模組與該至少二主軸位置偵測模組以取得該至少二主軸之聲音頻率及位置資訊，俾由該控制模組依據該至少二主軸之聲音頻率監控該至少二主軸之至少一者是否發生顫震，以依據該至少二主軸之位置資訊對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，其中，該聲音頻率偵測模組係為第一麥克風，且該至少二主軸位置偵測模組為複數第二麥克風所組成之麥克風陣列。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，其中，該控制模組係具有信號轉換單元，以藉由該信號轉換單元將該至少二主軸之聲音頻率及位置資訊之類比信號轉換為數位信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，其中，該控制模組係具有顫震辨識單元，以藉由該顫 震辨識單元判斷該至少二主軸之聲音頻率是否為預定之聲音頻率或聲音頻段，若是，則該顫震辨識單元判定該至少二主軸之至少一者已發生顫震。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，其中，該控制模組係具有主軸辨識單元，以藉由該主軸辨識單元辨識該至少二主軸之聲音強度之差異值，並依據該聲音強度之差異值對應至該至少二主軸之位置資訊，進而自該至少二主軸中分辨出已發生顫震之主軸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，其中，該控制模組係具有顫震迴避決策單元，以藉由該顫震迴避決策單元決定已發生顫震之主軸之顫震迴避模式。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，其中，該控制模組係具有數值控制單元，以藉由該數值控制單元調整已發生顫震之主軸之顫震迴避模式。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之回授控制數值加工機，其中，該數值控制單元係具有複數工作程式分段，且該些工作程式分段係供分批上載，以調整已發生顫震之主軸之轉速、進給率或切削深度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，更包括顫震頻率擷取模組，係依據頻率響應函數或預切削方式取得使該至少二主軸發生顫震之聲音頻率或聲音頻段之初始值。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之回授控制數值加工機，更包括至少一信號控制單元，且該控制模組係透過該控制信號單元對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
  11. 一種回授控制數值加工方法，其包括：以聲音頻率偵測模組偵測至少二主軸於加工工件時之聲音頻率；以至少二主軸位置偵測模組偵測該至少二主軸於加工該工件時之位置資訊；以及以控制模組自該聲音頻率偵測模組與該至少二主軸位置偵測模組中取得該至少二主軸之聲音頻率及位置資訊，以使該控制模組依據該至少二主軸之聲音頻率監控該至少二主軸之至少一者是否發生顫震，俾依據該至少二主軸之位置資訊令該控制模組對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，其中，該聲音頻率偵測模組係為一麥克風，且該至少二主軸位置偵測模組為複數麥克風所組成之麥克風陣列。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，更包括將該至少二主軸之聲音頻率及位置資訊之類比信號轉換為數位信號。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，更包括判斷該至少二主軸之聲音頻率是否為預定之聲音頻率或聲音頻段，若是則判定該至少二主軸之 至少一者已發生顫震。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，更包括辨識該至少二主軸之聲音強度之差異值，並依據該至少二主軸之位置資訊與聲音強度之差異值自該至少二主軸中分辨出已發生顫震之主軸。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，更包括以顫震迴避決策單元決定已發生顫震之主軸之顫震迴避模式。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，更包括以數值控制單元調整已發生顫震之主軸之顫震迴避模式。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之回授控制數值加工方法，該數值控制單元係具有複數工作程式分段，且該些工作程式分段係供分批上載，以調整已發生顫震之主軸之轉速、進給率或切削深度。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，更包括依據頻率響應函數或預切削方式取得使該至少二主軸發生顫震之聲音頻率或聲音頻段之初始值。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之回授控制數值加工方法，更包括透過至少一信號控制單元對已發生顫震之主軸執行顫震迴避。
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