TWI593502B - 刀具檢測裝置及其刀具檢測方法 - Google Patents

Description

刀具檢測裝置及其刀具檢測方法

本發明係關於一種刀具檢測裝置及其刀具檢測方法，特別是一種即時線上檢測的刀具檢測裝置及其刀具檢測方法。

工具機用以加工各式零組件，隨用途不同又分為車床、銑床、鑽床等。在各種應用領域例如國防、航太、汽車等產業，工具機更是不可或缺。實務上，工具機具有種多因素考量會影響加工件的品質好壞，其中刀具更會直接影響加工件的精度、紋路與光澤等品質要求。而且，刀具在加工的過程中不預期的損傷對工件品質的影響更難以防範。

一般來說，目前檢測刀具的方法多為離線式的檢測方法，亦即在加工前後以影像或雷射等模組，確認刀具在加工後是否有破損。但這樣的方法無法及時的監控加工過程及提高加工效率。而目前線上的刀具檢測方式，往往需要外加感測器或相應的部件，或者需要很多的資料參數，甚至於需要設置額外的資料庫。上述方法不但增加了設備成本，使用上也不方便，對於生產廠商來說更是沉重的負擔。

本發明在於提供一種刀具檢測裝置及其刀具檢測方法，藉由分析工具機任一或多軸馬達負載的變化狀況，來判斷刀具是否適合繼續使用，以解決過去刀具檢測方法成效不佳的問題。

本發明所揭露的一種刀具檢測裝置，適用於具有刀軸之工具機。刀軸用以裝設並驅動刀具以進行切削。刀具檢測裝置包括擷取模組與分析模組。擷取模組電性連接刀軸，分析模組電性連接擷取模組。擷取模組用以擷取刀軸的負載信號。分析模組用以自負載信號擷取並動態產生一連串的特徵負載圖樣，標準負載圖樣可由動態產生的特徵圖樣中被決定出來，並將最新的特徵負載圖樣比對標準負載圖樣，以及時產生判斷結果。其中，當比對的特徵負載圖樣與標準負載圖樣的差異大於預設標準時，分析模組即判斷刀具不符合標準或不適合繼續使用。

本發明揭露了一種刀具檢測方法，適用於具有刀軸之工具機。刀軸用以裝設並驅動刀具以進行切削，刀具檢測方法包括接收刀軸的負載信號。再依據負載信號動態產生特徵負載圖樣。並且，將最新的特徵負載圖樣比對標準負載圖樣，以產生判斷結果。然後，當特徵負載圖樣與標準負載圖樣的差異大於預設標準時，判斷刀具不符合標準或不適合繼續使用。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請一併參照圖1與圖2A，圖1係為根據本發明一實施例中所繪示之刀具檢測裝置的功能方塊圖，圖2A係為根據本發明一實施例中所繪示刀具切削工件的示意圖。刀具檢測裝置3電性連接刀具驅動裝置1。刀具檢測裝置3具有擷取模組32與分析模組34，擷取模組32電性連接分析模組34。刀具驅動裝置1具有刀具12與刀軸16。刀軸16連接刀具12。擷取模組32電性連接刀軸16。分析模組34電性連接擷取模組32。刀具驅動裝置1例如為一工具機，刀軸16例如為工具機的主軸。事實上，在其他的實施例中，刀具檢測裝置1還具有進給軸或旋轉軸。

刀具12通常具有至少一刀刃，以下係以刀具12具有刀刃122a~122e進行說明，但實際上刀具12所包含的刀刃數並不以此為限，亦不限制刀刃的材質以及形狀。刀刃122a~122e例如環繞刀軸16，且刀刃122a~122e係等距離地彼此間隔，但並不以此為限。在圖2A所對應的實施例中，刀具12係可拆卸地設置於刀軸16的一端，刀軸16例如具有不連續面以連動刀具旋轉，但均不以此為限。亦即，使用者可以對應工件2所需，而置換具有任意形式之刀刃的刀具12。換句話說，本揭露所揭示之刀具檢測裝置1及刀具檢測方法係適用於具有任意形式之刀刃的刀具12，而不以圖式所繪示者為限制。

刀軸16受驅動而使刀具12的刀刃122a~122e旋轉以切削工件2。在一實施例中，刀軸16例如受一馬達(未圖示)所驅動，刀軸16係連接於馬達的旋轉軸以受馬達驅動而帶動刀刃122a~122e繞方向S旋轉。此外，刀具12更可受刀具驅動裝置1的驅動而沿方向F移動以切削工件2。刀軸16依據其受力負載而產生負載信號。負載信號例如為刀具12的振幅、刀具12的轉速、轉動頻率或馬達的驅動電流等，但不以此為限。且於實務上，刀具12更可受刀具驅動裝置1的驅動而沿其他方向移動而不僅限於方向F。

詳細來說，當刀刃122a~122e轉動切削到工件2時，刀軸16會承受刀刃122a~122e切削工件2時的反作用力，進而影響到刀具12的振幅、刀具12的轉速、轉動頻率或馬達的驅動電流，從而反應在負載信號上。此外，當刀具12的類型或刀刃數不同時，負載信號也會具有對應的波形。例如，即使刀刃數相同，由於標準刀具與刀刃破損的刀具的刀刃狀況並不相同，因此所產生負載信號也會具有相應的特徵，後續將以圖2B~圖2D進行詳述。

擷取模組32用以自刀軸16取得所述的負載信號，並提供給分析模組34進行分析處理。分析模組34用以依據負載信號擷取出一特徵負載圖樣，並將特徵負載圖樣比對一標準負載圖樣，以產生一判斷結果。而於另一實施例中，擷取模組32除了自刀軸16取得負載信號之外，更自負載信號中擷取得特徵負載圖樣，以供分析模組34進行如前述的分析處理，以產生一判斷結果。其中，當特徵負載圖樣與標準負載圖樣的差異大於預設的標準時，分析模組34判斷刀具12不符合標準，也即表示刀具12可能已失去精度或損壞。

需注意的是，當刀具檢測裝置1更包含進給軸或旋轉軸時，刀具檢測裝置1更可依據刀軸16、進給軸與旋轉軸的至少其中之一來產生負載信號。然在此為求敘述簡明，僅以刀軸16進行敘述，惟所屬技術領域具有通常知識者經詳閱本說明書後當可推得如何以刀軸、進給軸與旋轉軸的至少其中之一來實行後續所述的刀具檢測裝置與方法。

請接著參照圖2B以說明當刀具12為標準刀具時的情形，圖2B係為根據本發明一實施例中以標準刀具切削工件時對應的負載信號的示意圖。在圖2B中，縱軸係為負載，橫軸係為時間。同樣地。當刀刃122a~122e切削到工件2時，刀軸16會承受刀刃122a~122e切削工件2時的反作用力，而使得負載信號具有多個峰值。因此，每一峰值會對應到刀刃122a~122e的其中之一，而使得各峰值分別隱含著刀刃122a~122e的相關資訊。

在圖2B所對應的實施例中，刀具12係為一標準刀具，亦即刀刃122a~122e的狀況皆佳，因此刀刃122a~122e在切削時係均勻受力，各峰值接近，動態產生的負載圖樣即為每一刀刃的切削負載。而圖2B更示意的是，刀具12原本為標準刀具，但在使用過程中刀刃122c突然斷刃或其他因素，致使負載信號突然變異。

請一併參照圖2C以對分析模組34如何判斷刀具12是否符合標準進行說明，圖2C係為根據本發明圖2B中所繪示負載信號的頻譜示意圖。在圖2C中，縱軸係為強度，橫軸係為頻率。分析模組34係依據負載信號產生對應的頻譜。其中，分析模組34例如以快速傅立葉轉換（fast fourier transform, FFT）產生對應的頻譜，但在此並不限制係依據何種演算法自負載信號轉換得出頻譜，且為求敘述簡明，圖2C中係已省略掉不相關的細節以示意重點，而非繪製真實的頻譜。如圖2C所示，此頻譜具有低頻峰值P1與高頻峰值P2。其中低頻峰值P1對應於刀具12的轉動頻率f1，而高頻峰值P2對應於刀具12的切削頻率f2。其中，切削頻率f2高於轉動頻率f1。

於實務上，切削頻率f2大致上為轉動頻率f1的倍頻。至於切削頻率f2與轉動頻率f1之間的倍數關係則關連於刀具12的刀刃數以及各刀刃的損壞狀況，峰值對應之頻率於加工過程中動態產生，且與刀具轉速成正比。可以理解的是，當刀具12為標準刀具時，也就是刀具12的刀刃122a~122e狀況皆佳時，低頻峰值P1並不明顯，而切削負載的資訊將呈現在高頻峰值P2的強度上。因此在本實施例中，分析模組34先判斷出此時的切削頻率f2作為一參考頻率，並依據切削頻率f2推算得一參考週期TAn。接著，分析模組34依據參考週期TAn的長度，自圖2B所示的負載信號擷取出特徵負載圖樣An。在此實施例中，特徵負載圖樣A的長度係相同於參考週期TAn。但實際上，分析模組34可更依據參考週期TAn以及其他資訊算出另一個適宜的時間長度，並據以擷取出特徵負載圖樣An。而於實務上，分析模組34可依據負載信號的波峰、波谷、其他信號上的特徵或是時間上的特徵作為特徵負載圖樣An的起點。在此並不限制如何擷取出特徵負載圖樣An。

分析模組34再將特徵負載圖樣An比對於一標準負載圖樣。標準負載圖樣例如是自如第2B圖所示的負載信號中擷取一段時間長度同為標準參考週期TAn的負載信號，且此段負載信號的時間先於特徵負載圖樣An前。在一實施例中，標準負載圖樣可以是前一次擷取得的特徵負載圖樣An，也就是如圖2B所示的負載圖樣An-1作為標準負載圖樣。在另一實施例中，分析模組34更同時藉由負載圖樣An-1、An-2作為標準負載圖樣，以對特徵負載圖樣An進行比對。例如將特徵負載圖樣An分別比對於負載圖樣An-1、An-2以形成多個比對結果，再綜合多個比對結果來判斷刀具12是否符合標準。或是，先依據負載圖樣An-1、An-2產生一個更為適當的比對樣本，再將負載圖樣An比對於此比對樣本以判斷刀具12是否符合標準。而在更一實施例中，標準負載圖樣係擷取自以另一標準刀具切削工件2的負載信號，以確保標準負載圖樣的可靠度。

在前述實施例中，由於每次取到的參考週期可能有所差異，因此在一實施例中，於比對前會先對特徵負載圖樣An或標準負載圖樣至少其中之一進行時間上或振幅上的正規化，以提升比對兩者的精確度。更詳細地來說，由於刀具12在進行切削時會受到工件2的反作用力，因而影響到刀具12的轉動速度，進而影響到負載信號。因此，每次由負載信號判斷出的轉動頻率f2不一定會相同。換句話說，特徵負載圖樣A和標準負載圖樣所包含的取樣點數不見得會相同。因此需要對至少其中之一進行正規化，以進行公平的比對。於實務上例如可用濾波器進行內插或外插以增減取樣點數，然此係為所屬技術領域具有通常識者可依實際所需自行設計，在此並不加以限制。同樣的道理，負載信號的振幅也會受到刀具12進行切削過程中的各種因素影響。因此，所屬技術領域具有通常識者可依實際所需正規化特徵負載圖樣An的振幅，以精確比對特徵負載圖樣An與標準負載圖樣。

而在進行比對的時候，分析模組34積分特徵負載圖樣An與標準負載圖樣的各對應取樣點的差值而形成一特徵值。當特徵值大於一預設閾值時，分析模組34判斷刀具不符合標準。或者在另一種作法中，分析模組34依據特徵負載圖樣A與標準負載圖樣的各取樣點計算出一差異比例，並比對差異比例於另一預設閾值。前述係為舉例示範，所屬技術領域具有通常知識者當可依據實際信號而採用適宜的判斷準則，凡是採用比對當前一特徵信號圖樣於一標準信號圖樣的判斷方法者皆屬本發明之範疇。

請再接著參照圖2D與圖2E，圖2D係為根據本發明一實施例中以非標準刀具切削工件時對應的負載信號的示意圖，圖2E係為根據本發明圖2D中所繪示負載信號對應之頻譜的示意圖。在圖2D與圖2E所對應的實施例中，刀具12係為非標準刀具。更詳細地來說，在圖2D與圖2E所對應的實施例中，由於每個刀刃122a~122e的鋒利程度不一，或是因為刀刃122a~122e卡屑甚至斷刃，刀刃122a~122e所對應的負載信號峰值大小並不一致。其中，負載圖樣可從刀刃122a~122e的切削變化動態產生，亦即刀具一迴轉的週期時間。

如圖2D所示，在圖2D最右邊的時間區間中，刀刃122a~122e的其中之一發生如上述之毀損的情況，因此各峰値的大小各有程度不一的增減。以下係以刀刃122c為例進行說明。刀刃122c對應的峰値明顯變小，暗示著刀刃122c可能已經斷刃，而其下一個峰値對應的刀刃122d則在此時承受較大的切削力，因此刀刃122d對應的峰値則有所提升。藉由類似圖2D的負載示意圖，使用者可以進行類似於前述的解讀，而判斷刀刃的狀況。前述情境僅為舉例示範，並不以此為限。

分析模組34係依據如圖2D的負載信號產生如圖2E的頻譜。如圖2E所示，此頻譜同樣具有低頻峰值P1與高頻峰值P2。其中低頻峰值P1對應於刀具12的轉動頻率f1，而高頻峰值P2對應於刀具12的切削頻率f2。其中，切削頻率f2高於轉動頻率f1。而與先前敘述不同的是，當刀具12為非標準刀具時，也就是刀具12的刀刃122a~122e狀況不一時，高頻峰值P2並不明顯，而切削負載的資訊將呈現在低頻峰值P1的強度上。因此在本實施例中，分析模組34先判斷出此時的轉動頻率f1作為一參考頻率，並依據轉動頻率f1推算得一參考週期TBn。接著，分析模組34依據參考週期TBn的長度，自圖2D所示的負載信號擷取出特徵負載圖樣Bn。

如圖2B~圖2D所示，參考週期TAn、TBn的長度會隨著刀具12的刀刃數不同或者各刀刃損壞情況而有所變化。例如在圖2B、圖2C的實施例中，分析模組34推算得的參考週期TAn即與在圖2D、圖2E的實施例中參考週期TBn有所不同，且依據參考週期TAn取得的特徵負載圖樣An，也與依據參考週期TBn取得的特徵負載圖樣Bn有所不同，例如在時間長度上，或所包含的峰値數量並不相同。然而，以特徵負載圖樣TBn進行後續分析的相關細節係如類似於前述以特徵負載圖樣TAn進行分析的方式，所屬技術領域具有通常知識者經詳閱本說明書後當可依此類推，於此則不再贅述。

延續上述發想，本發明還提供了一種刀具檢測方法。請參照圖3，圖3係為根據本發明一實施例中所繪示之刀具檢測方法的流程圖。刀具檢測方法適用於具有刀軸之工具機，刀軸用以裝設並驅動刀具以進行切削。在刀具檢測方法的步驟S301中，依據刀軸的負載產生負載信號。接著在步驟S303中，依據負載信號產生特徵負載圖樣。並且在步驟S305中，將特徵負載圖樣比對標準負載圖樣。然後在步驟S307中，當特徵負載圖樣與標準負載圖樣的差異大於預設標準時，判斷刀具不符合標準。

綜合以上所述，本發明所提供之刀具檢測裝置及其刀具檢測方法藉由偵測主軸、旋轉軸或進給軸上的負載來判斷刀具的各刀刃之受力狀況或者磨損狀況，從而判斷出刀具是否堪用。藉此，刀具檢測裝置及其刀具檢測方法得以即時線上地檢測刀具狀況，而不必如目前只能在加工前後檢測刀具，提升了加工效率並降低了加工成本。此外，本發明所提供之刀具檢測裝置及其刀具檢測方法亦不需如目前離線式刀具檢測方法需要額外的感測器或部件即能進行檢測，不管是對使用者或者工具機廠而言都提升了方便性，並降低了設備成本，且減輕了維護的負擔。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1　刀具驅動裝置 12　刀具 122a~122e　刀刃 16　刀軸 2　工件 3　刀具檢測裝置 32　擷取模組 34　分析模組 An、Bn　特徵負載圖樣 An-1、An-2、Bn-1、Bn-2　負載圖樣 f1　轉動頻率 f2　切削頻率 F、S　方向 TAn、TAn-1、TAn-2、TBn、TBn-1、TBn-2　參考週期 P1　低頻峰值 P2　高頻峰值 S301~S307      步驟

圖1係為根據本發明一實施例中所繪示之刀具檢測裝置的功能方塊圖。 圖2A係為根據本發明一實施例中所繪示刀具切削工件的示意圖。    圖2B係為根據本發明一實施例中以標準刀具切削工件時對應的負載信號的示意圖。 圖2C係為根據本發明圖2B中所繪示負載信號的頻譜示意圖。 圖2D係為根據本發明一實施例中以非標準刀具切削工件時對應的負載信號的示意圖。 圖2E係為根據本發明圖2D中所繪示負載信號對應之頻譜的示意圖。 圖3係為根據本發明一實施例中所繪示之刀具檢測方法的流程圖。

無

Claims (13)

1. 一種刀具檢測裝置，適用於具有一刀軸之工具機，該刀軸用以裝設並驅動一刀具以進行切削，該刀具檢測裝置包括：一擷取模組，用以擷取該刀軸的一負載信號；以及一分析模組，電性連接該擷取模組，用以接收該負載信號及擷取出一特徵負載圖樣，並將該特徵負載圖樣比對一標準負載圖樣，以產生一判斷結果；其中該分析模組係積分該特徵負載圖樣與該標準負載圖樣的多數對應取樣點的差值而產生一特徵值，並比對於一預設閾值，以產生該判斷結果。
2. 如請求項1所述之刀具檢測裝置，其中該分析模組自該負載信號判斷出一參考頻率，並依據該參考頻率推算出一參考週期，更依據該參考週期自該負載信號擷取出該特徵負載圖樣，該特徵負載圖樣的時間長度等於該參考週期。
3. 如請求項2所述之刀具檢測裝置，其中該負載信號的頻譜包含一高頻峰值與一低頻峰值，該高頻峰值對應於一切削頻率，該低頻峰值對應於一轉動頻率，當該高頻峰值大於該低頻峰值時，該分析模組定義該切削頻率為該參考頻率，當該低頻峰值大於該高頻峰值時，該分析模組定義該轉動頻率為該參考頻率。
4. 如請求項2所述之刀具檢測裝置，其中該分析模組更依據該標準負載圖樣正規化該特徵負載圖樣的時間長度或振幅。
5. 如請求項1所述之刀具檢測裝置，其中該負載信號係為該刀具的振幅、該刀具的轉速、轉動頻率或一馬達的驅動電流。
6. 如請求項1所述之刀具檢測裝置，其中該標準負載圖樣係擷取自該負載信號，且該標準負載圖樣所對應的時間係先於該特徵負載圖樣所對應的時間。
7. 如請求項1所述之刀具檢測裝置，其中該標準負載圖樣係擷取自一標準刀具進行切削時的負載信號。
8. 一種刀具檢測方法，適用於具有一刀軸之工具機，該刀軸用以裝設並驅動一刀具以進行切削，該刀具檢測方法包括：接收該刀軸的一負載信號；依據該負載信號產生一特徵負載圖樣；以及將該特徵負載圖樣比對一標準負載圖樣，以產生一判斷結果；其中在將該特徵負載圖樣比對該標準負載圖樣的步驟中，更積分該特徵負載圖樣與該標準負載圖樣的對應取樣點的差異以形成一特徵值，並比對於一預設閥值，以產生該判斷結果。
9. 如請求項8所述之刀具檢測方法，在接收該負載信號之後更包含：自該負載信號判斷出一參考頻率；依據該參考頻率推算出一參考週期；以及依據該參考週期自該負載信號擷取出該特徵負載圖樣，該特徵負載圖樣的時間長度等於該參考週期。
10. 如請求項8所述之刀具檢測方法，更包含依據該標準負載圖樣正規化該特徵負載圖樣的時間長度或振幅。
11. 如請求項8所述之刀具檢測方法，其中該負載信號係為該刀具的振幅、轉速、轉動頻率或該刀軸之一馬達的驅動電流。
12. 如請求項8所述之刀具檢測方法，其中該標準負載圖樣係擷取自該負載信號，且該標準負載圖樣所對應的時間係先於該特徵負載圖樣所對應的時間。
13. 如請求項8所述之刀具檢測方法，其中該標準負載圖樣係擷取自一標準刀具受驅動進行切削時的負載信號。