TWI607825B - 自動化加工程式切削力優化系統及方法 - Google Patents

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Description

自動化加工程式切削力優化系統及方法
本揭露有關於一種自動化加工程式切削力優化系統及方法，尤指一種與工具機控制器連線並擷取控制器輸出之座標資訊所形成之座標集合，對該座標集合進行座標值擴增或壓縮以組成刀具路徑，並進行切削力學分析及優化，以提升製程效率，同時解決因切削力過大所造成刀具毀損問題之自動化加工程式切削力優化系統及方法。
加工時間以及加工成本是加工廠競爭力的關鍵因子，此二因子直接影響工廠接單能力以及產品毛利率，因此如何選用適合的切削條件以提高產能一直是此產業的重點議題。
傳統上多以CNC(電腦數值控制，Computer Numerical Control)工具機進行加工，其NC(數值控制，Numerical Control)加工程式之設計方式是透過工程師使用加工輔助軟體(CAD、CAM)規劃刀具路徑，但由於加工程式(G碼，G code)包含不同控制器所定義之巨集指令，多無法精準地表示工件的幾何構型，而上述加工輔助軟體系統對現存加工程式解譯為刀具路徑(Tool path)的支援度亦不足，故真實刀具路徑取得困難，因此加工程式 不易進行刀具路徑之切削力診斷。工程師缺乏科學方法調整切削條件，只能憑經驗調整，為了降低加工時間，多使用較為極端的切削條件而造成刀具斷裂毀損、工件損耗與成本上升，或是為了保護工件、刀具等，使用保守的切削條件，造成加工效率不佳。換言之，於加工端的工程師無法改變原NC程式碼，只能根據原NC程式碼進行加工路徑規劃及調整。
請參閱圖1所示，根據習知NC程式碼切削一具有三個角91~93及三邊94~96之三角形孔洞90為例，其中，實線代表傳統方法所擷取的實際加工路徑(角91~93應是呈現圓弧型)，虛線則代表本揭露之一方法所擷取的實際加工路徑，原點為一G碼單節。
以其中一邊96而言，例如一習知刀具路徑檔範例如下：
「FEDRAT/200
$$O0102N12
GOTO/-9.6,-5.372,-19.853
GOTO/-9.6,-5.372,-19.96
$$O0102N13
GOTO/-9.567,-5.43,-20
GOTO/-7.153,-9.61,-20
GOTO/-7.113,-9.679,-20」
其中，「GOTO/-9.6,-5.372,-19.96」代表點98之座標。「GOTO/-9.567,-5.43,-20」代表點99之座標。由於習知座標集合擷取方法未能取得終點97之座標，若以此集合組成之刀具路徑，將導致轉角路徑錯誤，刀具會由點98歪斜至點99，而非至點97。
再以其中一角91而言，例如一習知刀具路徑範例如下：
「FEDRAT/200
$$O0102N14
GOTO/-6.961,-9.622,-20
GOTO/-2.712,-7.169,-20
GOTO/-2.527,-7.062,-20
GOTO/6.341,-1.942,-20
$$O0102N15」
其中，「GOTO/-6.961,-9.622,-20」、「GOTO/-2.712,-7.169,-20」、「GOTO/-2.527,-7.062,-20」、「GOTO/6.341,-1.942,-20」分別代表點911~914之座標。亦即，根據習知之座標集合擷取方法，其刀具是以複數個尖形路徑切削該角91，由於無曲線擬合，因此所切削出的角91實際上是由許多尖角所構成，無法正確呈現平滑的圓弧形；角92、93亦同理。
因此，如何能有一種擷取刀具路徑，進行座標值擴增或壓縮以組成刀具路徑修改資訊，並進行切削力學分析及優化，以提升製程效率，同時解決切削力過大所造成刀具毀損問題之「自動化加工程式切削力優化系統及方法」，乃是相關技術領域所亟需解決之課題。
於一實施例中，本揭露提出一種自動化加工程式切削力優化系統，包括：一刀具路徑擷取單元，用以擷取一控制器輸出之座標資訊，產生一座標集合，對該座標集合之座標值進行修改，以產生一刀具路徑；以及 一加工程式優化單元，用以根據該刀具路徑之座標值與刀具、工件及工具機特徵等資訊，分析切削力並修改加工進給率，產生一優化加工程式。
於另一實施例中，本揭露提出一種自動化加工程式切削力優化方法，適用於一自動化加工程式切削力優化系統，包括步驟：擷取一控制器所輸出之座標資訊，產生一座標集合，並對該座標集合之座標值進行修改，產生刀具路徑；根據該刀具路徑之座標值與刀具、工件及工具機特徵等資訊，分析切削力並修改加工進給率，產生一優化加工程式。
100‧‧‧自動化加工程式切削力優化系統
10‧‧‧刀具路徑擷取單元
11‧‧‧擷取模組
12‧‧‧擴增或壓縮模組
20‧‧‧加工程式優化單元
21‧‧‧切削力學計算模組
22‧‧‧加工進給率規劃模組
23‧‧‧加工程式生成模組
30‧‧‧儲存單元
40‧‧‧資訊單元
41‧‧‧刀具單元
42‧‧‧工件單元
43‧‧‧工具機特徵擷取單元
50‧‧‧工具機
51‧‧‧控制器
300‧‧‧自動化加工程式切削力優化方法
302、304‧‧‧步驟
500‧‧‧取得單節終點之方法
501~506‧‧‧步驟
700‧‧‧增加曲線點刀具路徑之方法
701~706‧‧‧步驟
90‧‧‧三角形孔洞
91~93‧‧‧角
94~96‧‧‧邊
97~99、911~914‧‧‧點
圖1為習知刀具路徑擷取方法之切削路徑示意圖。
圖2為本揭露之自動化加工程式切削力優化系統之實施例架構圖。
圖3為本揭露之自動化加工程式切削力優化方法之實施例流程圖。
圖4為本揭露為擴增單節終點之一實施例示意圖。
圖5為本揭露為取得單節終點之方法之流程圖。
圖6為本揭露為擴增圓弧之一實施例示意圖。
圖7為本揭露為增加曲線點刀具路徑之方法之流程圖。
圖2所示是一種自動化加工程式切削力優化系統100，主要包含刀具路徑擷取單元10及加工程式優化單元20。自動化加工程式切削力優化系統電性100連接於控制器51，該控制器51用以執行一加工程式，且控制器51依據該加工程式控制工具機50驅動刀 具以對工件進行加工。
刀具路徑擷取單元10用以擷取控制器51於實際加工或試車測試中所輸出之座標資訊，由此座標資訊而產生一座標集合，並對此座標集合中之多數座標值進行座標數量之擴增或壓縮等修改，以形成一刀具路徑。刀具路徑意指刀具所行經之多數座標值之組合。其中，工具機50例如為具有任意軸數的工具機或數值控制工具機。加工程式例如為NC程式碼，而NC程式碼可儲存於工具機50的控制器51中，例如中控裝置或數值控制器，用以控制工具機之運動，然上述僅為舉例示範但不以此為限，且不限制刀具的樣式。
刀具路徑擷取單元10包括擷取模組11及擴增或壓縮模組12。擷取模組11用以擷取該座標集合，此座標集合包括多數座標值，此多數座標值又可分成多數單節，每一單節包括行號、加工進給率、主軸轉速等。擴增或壓縮模組12用以對該座標集合之多數座標值進行數量擴增或壓縮等修改，以形成一刀具路徑。擴增或壓縮模組12是利用每一單節進行路徑幾何形狀之辨識，以進行座標值數量之擴增或壓縮，其中該路徑幾何形狀，包括直線與圓弧。刀具路徑擷取單元10並電性連接於儲存單元30，用以儲存刀具路徑。
加工程式優化單元20用以根據刀具路徑之多數座標值與刀具、工件及工具機特徵等資訊，綜合分析切削力並修改其中之加工進給率之設定，以產生一優化後之加工程式。加工程式優化單元20舉例包括切削力學計算模組21、加工進給率規劃模組22及加工程式生成模組23。切削力學計算模組21用以根據刀具路徑之 座標值與刀具、工件及工具機特徵等資訊，分析其中之切削力；加工進給率規劃模組22用以根據切削力修改加工進給率；加工程式生成模組23再用以將修改後之加工進給率加入刀具路徑，產生優化後之NC加工程式。加工程式優化單元20電性連接工具機50之控制器51，可將優化後之NC加工程式傳送至工具機50之控制器51或儲存。
加工程式優化單元20電性連接於資訊單元40，於資訊單元40儲存有刀具資訊、工件資訊及工具機特徵等資訊。資訊單元40包括刀具單元41、工件單元42及工具機特徵擷取單元43。刀具單元41用以處理刀具幾何資料並儲存為刀具資訊；工件單元42用以處理工件幾何資料和工件材料並儲存為工件資訊；工具機特徵擷取單元43用以取得工具機之特徵資料並儲存為工具機特徵資訊，包括最大加速度、行程極限等。加工程式優化單元20於分析刀具路徑之切削力時，可綜合上述刀具資訊、工件資訊及工具機特徵資訊以進行綜合分析。
請參閱圖2及圖3所示，藉由圖2所示之自動化加工程式切削力優化系統100，本揭露之自動化加工程式切削力優化方法之實施例流程300，其包含：
步驟302：擷取由控制器加工程式輸出的多數座標值所組成之座標集合及多數單節，並對座標集合進行數量擴增或壓縮以產生刀具路徑。該刀具路徑之產生方法是利用單節結合座標集合，該單節包括行號、主軸轉速、加工進給率等，且可利用工件幾何及工件座標系將刀具路徑自動平移到工件加工位置上，及可利用加 工程式行號或可辨識單節之資訊結合座標集合，計算斜率、方向向量，以進行曲線擴增或直線壓縮，亦可利用加工程式行號或可辨識單節位置之資訊，結合G碼及座標集合，進行曲線擴增或直線壓縮。或者，該刀具路徑之產生方法是利用單節結合座標集合，進行曲線擴增或直線壓縮，該加工程式單節包括剩餘座標、預讀座標等。
步驟304：分析切削力並修改加工進給率，產生一優化加工程式。由加工程式優化單元20根據刀具路徑之座標值，分析刀具路徑之切削力並修改其中之加工進給率，產生一優化後之NC加工程式並傳送至工具機50執行或儲存。於此步驟中，刀具路徑擷取單元10將暫存的刀具路徑轉為所需格式後儲存並傳送到切削力學計算模組21，同時刀具單元41、工件單元42及工具機特徵擷取單元43也輸入各項資訊到切削力學計算模組21，由切削力學計算模組21根據刀具路徑、刀具特徵及工件幾何分析切削力，其中該刀具特徵包括工件幾何、刀具幾何、刀具材料等。再由加工進給率規劃模組22根據切削力學計算結果，以修改加工進給率；再由加工程式生成模組23根據該加工進給率，產生優化後之NC加工程式，而加工程式生成模組23是將優化之進給速率加入原加工程式中以產生一優化加工程式，該優化後之加工程式並不修改原加工路徑。
請參閱圖4所示擴增單節終點之一實施例。以圖1的其中一邊96而言，採用本揭露之方法可將刀具路徑修改如下：
「FEDRAT/200
$$O0102N12
GOTO/-9.6,-5.372,-19.853
GOTO/-9.6,-5.372,-19.96
$$EndPoint$$O0102N12GOTO/-9.6,-5.372,-20
$$O0102N13
GOTO/-9.567,-5.43,-20
GOTO/-7.153,-9.61,-20
GOTO/-7.113,-9.679,-20
$$EndPoint$$O0102N13GOTO/-7.1,-9.702,-20」
由於可判斷出單節終點，因此刀具可由點98行進至終點97(座標值為-9.6,-5.372,-20)，可避免圖1所示因轉角路徑錯誤而導致刀具由點98歪斜至點99之狀況。
請參閱圖5所示，關於如何取得一單節終點之方法，可利用如下所示流程500，然不限於此：步驟501：開始，輸入擷取座標資訊；步驟502：計算點位或預讀點並暫存；步驟503：判斷單節是否結束？即該點位或預讀點相同於前一暫存點？若是，則繼續步驟504；若否，則到步驟506；步驟504：該點位或預讀點即為終點並輸出；步驟505：更新暫存點；步驟506：結束。
歸納上述步驟501~506，刀具路徑擷取單元10收到座標資訊後輸入此判斷邏輯，舉例可利用預讀功能讀取座標值或剩餘長度，或直接取得終點座標值以擴增本單節所能擷取之點位，確保 取得本單節之終點位置，而一單節之終點即是下一單節之起點。
請參閱圖6所示擴增圓弧之一實施例。以圖1的其中一角91而言，採用本揭露之方法後，可將刀具路徑修改如下：
「$$O0102N14
GOTO/-6.961,-9.622,-20
GOTO/-6.776,-9.515,-20
GOTO/-6.592,-9.409,-20
GOTO/-6.407,-9.302,-20
GOTO/-6.222,-9.195,-20
GOTO/-5.991,-9.062,-20
GOTO/-5.668,-8.875,-20
GOTO/-5.483,-8.769,-20
GOTO/-5.298,-8.662,-20
GOTO/-5.114,-8.555,-20
GOTO/-4.929,-8.449,-20
GOTO/-4.559,-8.235,-20
GOTO/-4.559,-8.235,-20」
由於擴增單節終點以取得單節終點，亦即增加曲線點刀具路徑，相較於習知刀具路徑擷取之方法，利用本揭露之方法將原本僅擷取4點擴增為更多所需之點數，因此能得到一較為平滑的圓弧形角。
請參閱圖7所示，關於如何增加曲線點刀具路徑點位座標數量之方法，可利用如下所示流程700，然不限於此：步驟701：開始，輸入擷取座標資訊； 步驟702：計算單節起點與終點；步驟703：計算起點與終點之間任連續三點位之二斜率，其中任二點位成一直線，一直線具有一斜率；步驟704：判斷是否為圓弧？若是(二斜率不相同)，則執行步驟705；若否(二斜率相同，例如為直線)，則進行步驟706；步驟705：增加曲線點刀具路徑之點位或座標數量；步驟706：結束。
歸納上述步驟701~706，增加曲線點刀具路徑之方法為，由起點至終點之間，任相連續之第一點與第二點決定一直線，若第三點不在此直線上，則以曲線擬合即增加點位之數量。同理若第三點在該直線上，則判斷此三點為一直線，但第三點可能是一暫存之終點，並可由第四點來確定。
綜上所述，本揭露提供之自動化加工程式切削力優化系統及方法，其擷取刀具路徑之多數座標值，導入切削力學計算作為加工程式設計依據，透過通訊控制器，蒐集機械座標值、加工進給率、程式行號，並配合刀具路徑擷取擴增技術，對加工程式單節特徵，擴增路徑擷取點位，組成刀具路徑資訊。再對此路徑進行切削力學分析及加工進給率優化，因此可優化生產效率、提升製程效率、提高加工精度，並同時解決切削力過大所造成刀具毀損之問題。此外，本揭露適用於各種提供通訊模組之控制器及現有加工程式、省時(背景執行，無需占用機台)，可降低刀具路徑取得不易及路徑失真等問題。
值得強調說明的是，本揭露提供之自動化加工程式切削力優化系統及方法所取得的是座標集合及單節，經過組合修改成刀具 路徑(Tool path/APT)，優化後再轉為加工程式(G code/NC)，而後再傳送回控制器執行。其中一主要原因在於切削力學須使用刀具路徑(Tool Path)，習知技術的困難就在於加工程式與刀具路徑之間的轉換，而本揭露提供之自動化加工程式切削力優化系統及方法便能夠克服此一困難。
惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本揭露之特點及功效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，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。
100‧‧‧自動化加工程式切削力優化系統
10‧‧‧刀具路徑擷取單元
11‧‧‧擷取模組
12‧‧‧擴增或壓縮模組
20‧‧‧加工程式優化單元
21‧‧‧切削力學計算模組
22‧‧‧加工進給率規劃模組
23‧‧‧加工程式生成模組
30‧‧‧儲存單元
40‧‧‧資訊單元
41‧‧‧刀具單元
42‧‧‧工件單元
43‧‧‧工具機特徵擷取單元
50‧‧‧工具機
51‧‧‧控制器

Claims (11)

  1. 一種自動化加工程式切削力優化系統，包括：一刀具路徑擷取單元，用以擷取一控制器所輸出之座標資訊，產生一座標集合，並對該座標集合之座標值進行修改，以產生一刀具路徑；以及一加工程式優化單元，其包括：一切削力學計算模組，用以根據該刀具路徑之座標值與一刀具資訊、一工件資訊及一工具機特徵資訊，以分析切削力；一加工進給率規劃模組，用以根據該切削力修改加工進給率；一加工程式生成模組，用以將該修改後之加工進給率加入該刀具路徑，以產生一優化加工程式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之自動化加工程式切削力優化系統，其中該刀具路徑擷取單元包括：一擷取模組，用以擷取該座標集合之座標值和多數單節，每一該單節至少包括加工進給率與主軸轉速；以及一擴增或壓縮模組，用以對該座標集合之座標值進行修改。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之自動化加工程式切削力優化系統，其中該擴增或壓縮模組是根據該單節之路徑幾何形狀，其中該路徑幾何形狀包括直線與圓弧。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之自動化加工程式切削力優化系統，其中若該路徑幾何形狀為直線，則該擴增或壓縮模組減少該座標集合之座標數量；若該路徑幾何形狀為圓弧，則該擴增或壓縮模組增加該座標集合之座標數量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之自動化加工程式切削力優化系統，其中該加工程式優化單元電性連接於一資訊單元，該資訊單元儲存該刀具資訊、該工件資訊及該工具機特徵資訊。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之自動化加工程式切削力優化系統，其中該資訊單元包括：一刀具單元，用以處理刀具幾何資料並儲存為該刀具資訊；一工件單元，用以處理工件幾何資料和工件材料並儲存為該工件資訊；以及一工具機特徵擷取單元，用以取得該工具機之特徵資料並儲存為該工具機特徵資訊。
  7. 一種自動化加工程式切削力優化方法，包括以下步驟：擷取一控制器所輸出之座標資訊，產生一座標集合，並對該座標集合之座標值進行修改，以產生一刀具路徑；備置一加工程式優化單元，該加工程式優化單元包括一切削力學計算模組、一加工進給率規劃模組及一加工程式生成模組；由該切削力學計算模組根據該刀具路徑之座標值與一刀具資訊、一工件資訊及一工具機特徵資訊，以分析切削力；由該加工進給率規劃模組根據該切削力修改加工進給率；由該加工程式生成模組將該修改後之加工進給率加入該刀具路徑，以產生一優化加工程式。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之自動化加工程式切削力優化方法，其中該座標集合包括多數單節，每一該單節至少包括加工 進給率與主軸轉速。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之自動化加工程式切削力優化方法，其中對該座標集合之座標值進行修改之步驟是根據該單節之路徑幾何形狀，若該路徑幾何形狀為直線，則減少該座標集合之座標數量；若該路徑幾何形狀為圓弧，則增加該座標集合之座標數量。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之自動化加工程式切削力優化方法，其中決定該單節之終點包括：計算一點位或一預讀點，判斷該單節是否結束，若是，則該點位或該預讀點為一終點。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之自動化加工程式切削力優化方法，其中增加該座標集合之座標數量包括：計算該終點之前任連續三點位之二斜率，若該二斜率不相同，則增加該座標集合之座標數量。
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