TWI567515B - 刀具磨損率監控系統 - Google Patents

Description

刀具磨損率監控系統

本發明是有關於一種監測系統，且特別是有關於一種刀具磨損率監控系統。

一般加工機主要可用來對工件進行切削加工。為了實現自動化與連續加工的目的，一般加工機通常配備有容納刀具的刀庫以及換刀機構。藉此，加工機可依照加工編程來進行換刀動作、以及控制刀具進行切削動作，進而達到連續加工的目的。

然而，隨著刀具的使用時間及工作量增加，刀具會產生磨損。若持續使用受磨損的刀具，會導致工件在加工的過程中產生缺陷，嚴重時甚至可能導致整個工件或刀具毀損，而耗費大量重工時間與製作成本。

因此，本發明之一目的是在提供一種刀具磨損率監控系統，其可擷取刀具影像，並根據刀具影像來計算刀具磨損率，以進一步控制加工機依據刀具之磨損狀況來進行對應之動作。

根據本發明之上述目的，提出一種刀具磨損率監控系統。此刀具磨損率監控系統適用於一加工機，其中加工機具有主軸，且主軸設有刀具。刀具磨損率監控系統包含攝影設備、監測模組以及操作與顯示模組。攝影設備配置以取得刀具的複數個刀刃邊緣影像。其中，刀刃邊緣影像包含至少一初始影像以及至少一用畢影像。監測模組電性連接攝影設備。監測模組包含資料庫、控制單元以及磨損率計算單元。資料庫配置以接收並儲存至少一初始影像。控制單元配置以操控攝影設備，並控制加工機上之刀具或攝影設備移動或旋轉至一拍攝位置。磨損率計算單元配置以根據用畢影像與資料庫中的初始影像，計算出刀具磨損率。操作與顯示模組主要是配置以接收並顯示刀刃邊緣影像以及刀具磨損率之資訊。操作與顯示模組電性連接攝影設備以及監測模組。其中，操作與顯示模組包含操作裝置與顯示裝置。操作裝置係配置以設定攝影設備以及監測模組之操作參數。顯示裝置係配置以顯示攝影設備所擷取之刀刃邊緣影像以及監測模組所輸出之資訊。

依據本發明之一實施例，上述之監測模組更包含影像處理單元以及初始影像選擇單元。影像處理單元主要是配置以取得每一個刀刃邊緣影像的輪廓面積。初始影像選擇單元配置以從這些輪廓面積中選擇面積最大的至少一者定義為初始影像，並將初始影像及對應初始影像之拍攝位置儲存於資料庫中。其中，初始影像的選擇數量係依據刀具所具有的刀刃數量而決定。

依據本發明之另一實施例，上述之其中該磨損率計算單元係透過一計算方式計算該刀具磨損率，該計算方式為Q=[(A_s-A_i)/A_s]x100%，其中，Q代表刀具磨損率，A_s代表該至少一初始影像之一初始輪廓面積，以及A_i代表該至少一用畢影像之一用畢輪廓面積；其中該初始輪廓面積與該用畢輪廓面積係由該影像處理單元所擷取。

依據本發明之又一實施例，上述之刀具之初始影像與用畢影像均在拍攝位置拍攝。而且，初始影像與用畢影像的拍攝數量相同。

依據本發明之再一實施例，上述之拍攝位置係根據主軸之相位角、主軸之進給位置及/或攝影設備的進給位置所決定。

依據本發明之再一實施例，上述之監測模組更包含判定單元。此判定單元用以將刀具磨損率與預設容許值作比對。

依據本發明之再一實施例，上述之監測模組更包含一判定單元，且此判定單元用以將刀具磨損率分別與容許上限值及容許下限值作比對。若刀具磨損率係介於容許下限值與容許上限值之間時，判定單元則傳送第一控制訊號至控制單元，以使控制單元進一步操控加工機選擇刀庫中之備用刀具以備用。若刀具磨損率超過容許上限值時，判定單元則傳送第二控制訊號至控制單元，以使控制單元進一步操控加工機在下一次使用刀具之前停機。

依據本發明之再一實施例，上述之刀庫中已無 備用刀具時，控制單元則會產生提醒訊號，並傳送至顯示裝置。

由上述可知，本發明之刀具磨損率監控系統係透過影像比對的方式來計算使用後之刀具相對於刀具在未使用前的磨損率，並可根據刀具磨損率來進一步控制加工機進行對應之動作。藉此，可避免過度磨損之刀具因再次使用而破壞工件，進而可提升加工品質。

再者，本發明之刀具磨損率監控系統係在刀具返回刀庫之前進行影像擷取，而在加工機繼續換刀動作的過程中進行磨損率之運算，故不會影響加工機本身之加工流程，進而可維持加工機之加工效率。

此外，本發明在建立新刀具的初始影像時，係透過比較刀刃邊緣影像之輪廓面積，來判斷刀具之刀刃部的所在位置，並可同時建立初始影像之拍攝位置及數量作為基準。因此，在建立新刀具之初始影像後，用畢刀具影像的拍攝位置及數量可對應初始影像的拍攝位置及數量。也就是說，在刀具用畢後，攝影設備僅需依據初始影像拍攝位置擷取用畢刀具之刀刃部的影像，進而可縮短刀具磨損率的計算時間。

100‧‧‧刀具磨損率監控系統

200‧‧‧加工機

201‧‧‧主軸

203‧‧‧刀具

300‧‧‧攝影設備

400‧‧‧監測模組

401‧‧‧影像處理單元

402‧‧‧初始影像選擇單元

403‧‧‧資料庫

404‧‧‧磨損率計算單元

405‧‧‧判定單元

406‧‧‧控制單元

500‧‧‧操作與顯示模組

501‧‧‧操作裝置

502‧‧‧顯示裝置

P1‧‧‧刀具初始影像建立流程

P11‧‧‧步驟

P12‧‧‧步驟

P13‧‧‧步驟

P14‧‧‧步驟

P2‧‧‧刀具磨損率監測流程

P21‧‧‧步驟

P22‧‧‧步驟

P23‧‧‧步驟

P24‧‧‧步驟

P25‧‧‧步驟

P26‧‧‧步驟

P27‧‧‧步驟

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中： 〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施方式之一種刀具磨損率監控系統之裝置示意圖；〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式之一種刀具初始影像建立之流程示意圖；以及〔圖3〕係繪示依照本發明之一實施方式之一種刀具磨損率監測之流程示意圖。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施方式之一種刀具磨損率監控系統之裝置示意圖。如圖1所示，一般的加工機200主要具有主軸201，且主軸201上設有刀具203。本實施方式之刀具磨損率監控系統100可架設在加工機200上，並可用來擷取加工機200中之刀具203的影像，並根據刀具影像來計算刀具磨損率，以進一步控制加工機200依據刀具203之磨損狀況來進行對應之動作。

請繼續參照圖1，在本實施例中，刀具磨損率監控系統100主要包含攝影設備300、監測模組400、及操作與顯示模組500。其中，操作與顯示模組500電性連接攝影設備300及監測模組400，且操作與顯示模組500包含操作裝置501以及顯示裝置502。操作裝置501主要是配置以設定攝影設備300及監測模組400之操作參數。顯示裝置502則是配置以顯示攝影設備300所擷取之影像以及監測模組400所輸出之資訊。

請繼續參照圖1，攝影設備300主要是配置以拍 攝並取得刀具203的複數個刀刃邊緣影像，其中這些刀刃邊緣影像可由顯示裝置502來顯示。在本實施例中，刀刃邊緣影像包含至少一初始影像以及至少一用畢影像。其中，初始影像係指新刀具203在未使用的狀態下所拍攝之基準影像，用畢影像係指同一把刀具203於完成加工任務後，在進入刀庫之前所拍攝之影像。也就是說，攝影設備300在新刀具203使用前以及刀具203使用後均會拍攝影像，以作為監測模組400計算刀具磨損率之依據。欲陳明者，前述所指的刀刃邊緣影像係由攝影設備300從垂直於刀具203之刀刃邊緣的方向進行取像，故可明確區分所取得的影像中之刀具203與背景。

在一實施例中，攝影設備300並不需要直接接觸刀具203，而是與刀具203保持一段距離，藉此可避免刀具203與攝影設備300碰撞。此外，攝影設備300的架設位置亦可根據加工機200的類型而定。舉例而言，若加工機200為主軸移動式加工機，攝影設備300則可設置在一預設定點，再透過控制加工機200之主軸201移動的方式來將主軸201連同刀具203移動至攝影設備300的拍攝範圍內。在另一例子中，若加工機200為工作台移動式加工機，則攝影設備300可設置在加工機200上之機台進給裝置上，進而可透過機台進給裝置控制攝影設備300與主軸201之相對位置，來將主軸201連同刀具203移動至攝影設備300的拍攝範圍內。在本實施例中，攝影設備300與刀具203的相對位置係根據刀具203之長度、刀徑及攝影焦距來調整。

請繼續參照圖1，監測模組400訊號連接攝影設備300以及操作與顯示模組500，且監測模組400主要包含影像處理單元401、初始影像選擇單元402、資料庫403、磨損率計算單元404、判定單元405及控制單元406。在本實施例中，控制單元406主要是配置以操控攝影設備300，並控制加工機200上之刀具203或攝影設備300移動或旋轉至拍攝位置。在一例子中，拍攝位置係根據主軸201之相位角、主軸進給位置或攝影設備進給位置所決定。也就是說，操作人員可根據不同的刀具203種類，透過操作裝置501來選擇或設定主軸201之相位角、主軸進給位置及/或攝影設備進給位置，以決定拍攝位置。或者，控制單元406亦可自動根據拍攝位置的預設值來控制加工機200上之刀具203或攝影設備300移動或旋轉至拍攝位置。

如圖1所示，監測模組400中的影像處理單元401主要是配置以取得每一個刀刃邊緣影像的輪廓面積。進一步而言，影像處理單元401可先依據從刀刃邊緣影像來繪製刀刃邊緣輪廓，接著再依據刀刃邊緣輪廓來計算輪廓面積。初始影像選擇單元402訊號連接影像處理單元401以及資料庫403。在影像處理單元401取得這些輪廓面積後，初始影像選擇單元402則可從這些輪廓面積中選出一個或多個具有最大面積的刀刃邊緣影像，並將此或此些具有最大輪廓面積的刀刃邊緣影像定義為初始影像，並將初始影像及對應初始影像的拍攝位置儲存於資料庫403中。其中，所定義的初始影像所具有的輪廓面積為初始輪廓面積。

要特別說明的是，選擇具有最大輪廓面積的刀刃邊緣影像定義為初始影像的原因在於，對於任何刀具而言，不管其所具有刀刃部的數量或位置為何，只要刀具之刀刃部正對攝影設備300時所取得的刀刃邊緣影像即可具有最大輪廓面積。因此，透過尋找具有最大輪廓面積的刀刃邊緣影像之方式，除了可使攝影設備300清楚拍攝到刀刃部正對攝影設備300時之影像外，亦可進一步取得刀刃部正對攝影設備300時之拍攝位置(也就是主軸的所在相位角、主軸進給位置及/或攝影設備的進給位置)。在一實施例中，初始影像的選擇數量係依據刀具203所具有的刀刃數量而決定。

請繼續參照圖1，磨損率計算單元404主要是配置以根據用畢影像與資料庫403中的初始影像，計算出刀具磨損率。進一步而言，在刀具203使用結束後於返回刀庫之前，攝影設備300可再次對刀具拍攝影像，以作為用畢影像而傳輸至監測模組400中。要特別說明的是，刀具203之用畢影像的拍攝位置與拍攝數量係與其初始影像的拍攝位置與數量相對應。也就是說，刀具203的用畢影像與初始影像所拍攝的位置與數量均相同。

在一實施例中，監測模組400在接收到刀具203之用畢影像後，影像處理單元401可進一步擷取用畢影像之用畢輪廓面積。磨損率計算單元404可進一步根據用畢影像之用畢輪廓面積以及初始影像之初始輪廓面積，並透過一計算方式來計算刀具磨損率。在本實施例中，計算方式為Q=[(A_s-A_i)/A_s]x100%。其中，Q代表刀具磨損率，A_s代 表初始輪廓面積，以及A_i代表用畢輪廓面積。在一實施例中，在磨損率計算單元404計算出刀具磨損率後，顯示裝置502可進一步顯示刀具磨損率之相關資訊。欲陳明者，磨損率計算單元404在計算刀具磨損率的同時，加工機200可同步進行換刀動作，以將用畢之刀具更換為下一把刀具。

在一實施例中，操作人員可透過操作裝置501來設定一預設容許值。在磨損率計算單元404計算出刀具磨損率後，判定單元405可進一步比對所計算出之刀具磨損率與預設容許值。若判定單元405判定刀具磨損率大於預設容許值時，則傳送一控制訊號至控制單元406，以使控制單元406進一步操控加工機200進行對應之動作，例如呼叫備用刀具或是停機處理。

進一步而言，操作人員可透操作裝置501來設定刀具磨損之一容許上限值及一容許下限值。在磨損率計算單元404計算出刀具磨損率後，判定單元405可進一步將刀具磨損率分別與容許上限值及容許下限值作比對。若判定單元405判定刀具磨損率介於容許下限值與容許上限值之間時，判定單元405則傳送第一控制訊號至控制單元406，以使控制單元406操控加工機200選擇其刀庫中之備用刀具，以供後續使用。在一實施例中，若加工機200之刀庫中已無備用刀具時，控制單元406則會產生提醒訊號，並傳送至顯示裝置502，以提醒操作人員注意。另一方面，若判定單元405判定刀具磨損率超過容許上限值時，判定單元405則傳送第二控制訊號至控制單元406，以使控制單元操控加工機 200在下一次使用同一把刀具203之前停機。欲陳明者，容許上限值與容許下限值可根據刀具203之壽命、刀具203之結構特性或其他使用需求不同而設定。

欲陳明者，以上實施例係以一個刀具為例作說明，並非用以限制本發明。在實際使用狀況中，加工機中可設有多把不同種類及/或相同種類之刀具，且在刀具初次使用前均可透過本發明之刀具磨損率監控系統來建立多個不同把刀具之初始影像資訊。同樣地，在每一把刀具使用完畢且於換刀之前，本發明之刀具磨損率監控系統則會進一步拍攝與擷取使用完畢之刀具影像，並將使用完畢之刀具影像與同一把刀具之初始影像作比對，以達到即時監控刀具之使用狀況之目的，進而確保加工機之加工品質。

以下進一步說明本發明之刀具磨損率監控系統100的運作流程。請同時參照圖1及圖2，其中圖2係繪示依照本發明之一實施方式之一種刀具初始影像建立之流程示意圖。如圖2所示，在刀具初始影像建立流程P1中，首先進行步驟P11，以進行新刀具之刀刃邊緣影像攝影。在新刀具203在初次使用之前，可先透過本發明之刀具磨損率監控系統100的攝影設備300來取得刀刃邊緣影像。在本實施例中，控制單元406可先控制主軸201將刀具203分別轉至不同相位角，以控制攝影設備300來取得刀具203位於不同相位角的刀刃邊緣影像，並傳送至影像處理單元401。舉例而言，若設定刀具203每旋轉1度，攝影設備300就拍攝1張刀刃邊緣影像，則攝影設備300共會取得360張刀具203之刀 刃邊緣影像。當然，刀刃邊緣影像的拍攝數量可依據刀具之刀刃數、形狀等不同需求而定。

在取得新刀具之刀刃邊緣影像攝影後，接著進行步驟P12，以處理刀刃邊緣影像，並取得輪廓面積。在影像處理單元401取得這些輪廓面積後，接著進行步驟P13，以透過初始影像選擇單元402從這些輪廓面積中選出一個或多個具有最大面積的刀刃邊緣影像，並將此或此些具有最大輪廓面積的刀刃邊緣影像定義為初始影像(基準影像)。其中，這些初始影像的輪廓面積即為初始輪廓面積。

請繼續參照圖1及圖2，在初始影像選擇單元402定義完初始影像後，接著進行步驟P14，以建立對應各個初始影像的拍攝位置(拍攝基準)，例如刀具203位於初始影像的拍攝位置時之主軸相位角，進而可提供監測模組400進行後續之影像處理、運算與控制動作。

另請同時參照圖1及圖3，其中圖3係繪示依照本發明之一實施方式之一種刀具磨損率之監測之流程示意圖。如圖3所示，在刀具磨損率監測流程P2中，首先進行步驟P21，以進行用畢刀具203之刀刃邊緣影像攝影。在刀具203使用完畢待進入刀庫之前，可先透過攝影設備300來取得用畢刀具203之影像。在本實施例中，控制單元406可控制主軸201旋轉到對應同一把刀具203之初始影像的拍攝位置，並操控攝影設備300取得刀具203之用畢影像，並傳送至影像處理單元401。

在取得用畢刀具203之影像攝影後，接著進行 步驟P22，以處理用畢影像，並取得用畢輪廓面積。在影像處理單元401取得用畢輪廓面積後，接著進行步驟P23，以透過在磨損率計算單元404根據一計算方式來計算刀具磨損率。此計算方式為Q=[(A_s-A_i)/A_s]x100%。其中，Q代表刀具磨損率，A_s代表初始輪廓面積，以及A_i代表用畢輪廓面積。

請繼續參照圖1及圖3，在磨損率計算單元404計算出刀具磨損率後，接著進行步驟P24，以透過判定單元405來判定刀具磨損率。在本流程中，若判定單元405判定刀具磨損率小於容許下限值時，則進行步驟P25，以透過監測模組400記錄此刀具磨損率，且控制單元406暫時不作任何控制動作。

若判定單元405判定刀具磨損率介於容許下限值與容許上限值之間時，則進行步驟P26，以呼叫備用刀具。在步驟P26中，判定單元405傳送第一控制訊號至控制單元406，以使控制單元406進一步操控加工機200選擇其刀庫中之備用刀具以備用。另一方面，若判定單元405判定刀具磨損率超過容許上限值時，則進行步驟P27，以控制加工機200停機。在流程P27中，判定單元405傳送第二控制訊號至控制單元406，以使控制單元406進一步操控加工機200在下一次使用同一把刀具203之前停機。

由上述本發明實施方式可知，本發明之刀具磨損率監控系統係透過影像比對的方式來計算使用後之刀具相對於刀具在未使用前的磨損率，並可根據刀具磨損率來進 一步控制加工機進行對應之動作。藉此，可避免過度磨損之刀具因再次使用而破壞工件，進而可提升加工品質。

再者，本發明之刀具磨損率監控系統係在刀具返回刀庫之前進行影像擷取，而在加工機繼續換刀動作的過程中進行磨損率之運算，故不會影響加工機本身之加工流程，進而可維持加工機之加工效率。

此外，本發明在建立新刀具的初始影像時，係透過比較刀刃邊緣影像之輪廓面積，來判斷刀具之刀刃部的所在位置，並可同時建立初始影像之拍攝位置及數量作為基準。因此，在建立新刀具之初始影像後，用畢刀具影像的拍攝位置及數量可對應初始影像的拍攝位置及數量。也就是說，在刀具用畢後，攝影設備僅需依據初始影像拍攝位置擷取用畢刀具之刀刃部的影像，進而可縮短刀具磨損率的計算時間。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧刀具磨損率監控系統

200‧‧‧加工機

201‧‧‧主軸

203‧‧‧刀具

300‧‧‧攝影設備

400‧‧‧監測模組

401‧‧‧影像處理單元

402‧‧‧初始影像選擇單元

403‧‧‧資料庫

404‧‧‧磨損率計算單元

405‧‧‧判定單元

406‧‧‧控制單元

500‧‧‧操作與顯示模組

501‧‧‧操作裝置

502‧‧‧顯示裝置

Claims (8)

1. 一種刀具磨損率監控系統，適用於一加工機，其中該加工機具有一主軸，且該主軸設有一刀具，其中該刀具磨損率監控系統包含：一攝影設備，配置以取得該刀具的複數個刀刃邊緣影像，其中該些刀刃邊緣影像包含至少一初始影像以及至少一用畢影像；一監測模組，電性連接該攝影設備，該監測模組包含：一影像處理單元，配置以取得每一該些刀刃邊緣影像的一輪廓面積；以及一初始影像選擇單元，配置以從該些輪廓面積中選擇面積最大的至少一者定義為該至少一初始影像；一資料庫，配置以接收並儲存該至少一初始影像；一控制單元，配置以操控該攝影設備，並控制該加工機上之該刀具或該攝影設備移動或旋轉至一拍攝位置，其中該刀具之該至少一初始影像與該至少一用畢影像均在該拍攝位置拍攝，且該拍攝位置係根據該主軸之一相位角、一主軸進給位置及/或一攝影設備進給位置所決定；以及一磨損率計算單元，配置以根據該至少一用畢影像與該資料庫中的該至少一初始影像，計算出一刀具磨損率；以及一操作與顯示模組，電性連接該攝影設備以及該監測 模組，其中該操作與顯示模組包含：一操作裝置，配置以設定該攝影設備以及該監測模組之操作參數；以及一顯示裝置，配置以顯示該攝影設備所擷取之該些刀刃邊緣影像以及該監測模組所輸出之資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之刀具磨損率監控系統，其中該至少一初始影像以及對應該初始影像之該拍攝位置儲存於該資料庫中，其中該至少一初始影像的選擇數量係依據該至少一刀具所具有的刀刃數量而決定。
3. 如申請專利範圍第2項所述之刀具磨損率監控系統，其中該磨損率計算單元係透過一計算方式計算該刀具磨損率，該計算方式為：Q=[(A_s-A_i)/A_s]x100%，其中，Q代表刀具磨損率，A_s代表該至少一初始影像之一初始輪廓面積，以及A_i代表該至少一用畢影像之一用畢輪廓面積；以及其中該初始輪廓面積與該用畢輪廓面積係由該影像處理單元所擷取。
4. 如申請專利範圍第1項所述之刀具磨損率監控系統，其中該至少一初始影像與該至少一用畢影像的拍攝數量相同。
5. 如申請專利範圍第1項所述之刀具磨損率監控系統，其中該監測模組更包含一判定單元，該判定單元用以將該刀具磨損率與一預設容許值作比對。
6. 如申請專利範圍第1項所述之刀具磨損率監控系統，其中該監測模組更包含一判定單元，該判定單元用以將該刀具磨損率分別與一容許上限值及一容許下限值作比對；若該刀具磨損率係介於該容許下限值與該容許上限值之間時，該判定單元則傳送一第一控制訊號至該控制單元，以使該控制單元操控該加工機選擇一刀庫中之一備用刀具，以供後續使用；以及若該刀具磨損率超過該容許上限值時，該判定單元則傳送一第二控制訊號至該控制單元，以使該控制單元操控該加工機在下一次使用該刀具之前停機。
7. 如申請專利範圍第6項所述之刀具磨損率監控系統，其中若該刀庫中已無備用刀具時，該控制單元則會產生一提醒訊號，並傳送至該顯示裝置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之刀具磨損率監控系統，其中該刀具為一新刀具；以及 該控制單元更配置以控制該主軸將該新刀具轉至複數個不同之相位角，以進一步控制該攝影設備來取得該新刀具分別位於該些相位角之刀刃邊緣影像，並傳送至該監測模組中之一影像處理單元。