TWI637169B - 刀具狀態檢測系統及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種刀具狀態檢測系統，其包含：一感測器擷取刀具切削過程之一聲音訊號；以及一控制器與感測器訊號連結且接收聲音訊號，控制器根據聲音訊號判斷一加工區間，於加工區間內將聲音訊號以一頻率分布判斷出一刀具聲源訊號，並根據刀具聲源訊號及一刀具聲源時間波形分析為一刀具聲壓值，其中，將刀具聲壓值與一檢測基準值比對，加工區間與一基準區間比對，判斷刀具聲壓值及加工區間是否符合檢測基準值及基準區間。
Description
本發明係關於一種檢測系統及其方法，尤指一種刀具狀態檢測系統及其方法。
在金屬切削工藝中，切削刀具的狀態是影響產品品質與生產成本的主要關鍵，當切削刀具狀態不良（例如磨損、刀口破裂）則需更換切削刀具。然而，過早更換切削刀具會造成成本上的浪費，當切削刀具狀態嚴重不良時才更換則會造成產品不良的缺失。
再者，中華民國專利第I419761號，揭示一種加工機刀具狀態偵測方法及其裝置，其準備一具麥克風陣列組、訊號處理組及監控組的偵測裝置，將該麥克風陣列組裝設於一加工機平台上以偵測刀具的加工訊號，該訊號處理組係與該麥克風陣列組電性連接且設有一電腦，該電腦係設有一空間濾波模組、一訊號轉換模組、一特徵選取模組及一辨識模組，該電腦係將所偵測到的聲音訊號進行訊號的處理與呈現，並將辨識後的特徵值訊號輸出，讓使用者即時得知該刀具的狀態。
然而，須將麥克風陣列組設在加工機平台上，並且先找出刀具之切削方向，以及排除與切削無關之加工訊號，而且麥克風陣列模組與電腦連結之間，需要加裝擷取卡，才能夠將麥克風陣列組之每一支麥克風所擷取道刀具的加工訊號傳送至電腦中，於擷取加工訊號之程序過於複雜，而且須設置多支麥克風及擷取卡，其架設成本過高。
再著，電腦需要將刀具之加工訊號使用WINER濾波器做Beamforming （總加），目的找出切削方向，並利用延遲率波加總目的，提升切削刀具訊雜比（signal to Nosie ratio），將加工訊號提升放大後，必須再利用小波轉換、傅立葉轉換、快速傅立葉轉換。依照頻率分布情形做特徵提取，接著，透過人工智慧之運算方法（如類神經網路、模糊），才能識別刀具狀態。
換言之，電腦需將加工訊號經過多重運算、過濾、放大等運算步驟，才能取得刀具之特徵以辨識刀具狀態，於運算流程與判斷流程上，相對複雜且耗時，而且若是麥克風陣列組擺放位置不佳，或是加工環境干擾過多，則會容易影響加工訊號及辨識結果，於刀具檢測上，容易受到拘束以及影響檢測結果之準確度。
因此，如何改善上述缺點，以更為簡易且準確之判斷方式，得知刀具狀態，以確保加工品質及加工良率，有待相關業者解決之。
為解決上述課題，本發明提供一種刀具狀態檢測系統及其方法，藉由擷取刀具切削過程之聲音訊號，利用聲音訊號建立刀具之判斷指標，當刀具之判斷指標出現異常時，便能夠判斷刀具狀況，藉此，省略判斷及計算流程，便能夠精準掌握刀具情形。
本發明之一項實施例提供一種刀具狀態檢測系統，其包含：一感測器，其用以擷取刀具切削過程之一聲音訊號；以及一控制器，其與感測器訊號連結且接收聲音訊號，控制器具有一分析模組、一轉換模組、一特徵模組及一判斷模組，分析模組根據聲音訊號判斷一加工區間，於加工區間內將聲音訊號以一頻率分布判斷出一刀具聲源訊號，轉換模組將刀具聲源訊號轉化出一刀具聲源時間波形，特徵模組根據刀具聲源訊號及刀具聲源時間波形分析為一刀具聲壓值，其中，判斷模組將刀具聲壓值與一檢測基準值比對，及將加工區間與一基準區間比對，判斷刀具聲壓值及加工區間是否符合檢測基準值及基準區間。
藉由上述，本發明實施例能達成之功效，藉由感測器擷取刀具切削過程之聲音訊號，控制器將聲音訊號析直接建立刀具狀態指標，並且於指標產生變化時，即可直接判斷刀具狀態，藉此，省去過多訊號分析計算流程，更有效且快速準確判斷刀具狀態。
再者，本發明係利用一個感測器便能夠擷取所需訊號，相較於習知檢測裝置更為簡單，不佔據加工空間，而且成本相對較低。
本發明另一實施例提供一種刀具狀態檢測方法，包含下列步驟：擷取刀具切削過程產生之一聲音訊號；根據聲音訊號判斷出一加工區間，於加工區間內將聲音訊號以一頻率分布判斷出一刀具聲源訊號；根據刀具聲源訊號分析出一刀具聲源時間波形；根據刀具聲源訊號及刀具聲源時間波形分析出一刀具聲壓值；以及刀具聲壓值與一檢測基準值比對，加工區間與一基準區間比對，判斷刀具聲壓值及加工區間是否符合檢測基準值及基準區間，當刀具聲壓值及加工區間不符合檢測基準值及基準區間，發出一異常訊號。
藉由上述，本發明能達成之功效，藉由將刀具切削過程之聲音訊號，直接建立刀具狀態指標，並且於指標產生變化時，即可直接判斷刀具狀態，藉此，省去過多訊號分析計算流程，更有效且快速準確判斷刀具狀態。
再者，本發明能夠即時地檢測切削過程刀具狀態，而無需停止生產線，也不需根據不同機台的切削刀具作參數調整，若發生異常時，亦能夠時時發出異常訊號提醒加工人員。
為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。
請參閱圖1至圖5所示，本發明提供一種刀具狀態檢測系統100，其包含：
一感測器10，其用以擷取加工機之刀具1於切削過程之一聲音訊號，於本發明實施例中，感測器10係聲壓麥克風，感測器10之數量係1個，其架設正對於刀具1方向，其中，感測器10之取樣頻率至少25000HZ以上，表示感測器10每一秒鐘至少取樣25000次，而取樣頻率能夠依照加工類型或需求作調整。再者，聲音訊號係聲紋，擷取之聲音訊號含有多種聲音源組成，每種聲音源之聲紋皆不同，每種聲音源之頻率強度亦不相同。
一控制器20，其與感測器10訊號連結，其訊號連結方式係有線訊號連結或無線訊號連結。控制器20用以接收聲音訊號，控制器20具有一分析模組21，分析模組21根據聲音訊號判斷一加工區間T，加工區間T為聲音訊號出現時間及消失時間之時間差，由於刀具1於切削過程中，非一直與加工件有接觸，因此，刀具1與加工件接觸時為聲音訊號之出現時間，以及刀具1沒有與加工件接觸時為聲音訊號之消失時間。
於本發明實施例中，分析模組21設有門檻範圍，當聲音訊號一直處於門檻範圍以內，而於某一時間點，聲音訊號超出門檻範圍以外，則表示聲音訊號之出現時間，而當聲音訊號於某一時間點，再次處於門檻範圍以內時，則表示聲音訊號之消失時間，因此，將聲音訊號之消失時間減去出現時間，便能夠取得加工區間T。
再者，分析模組21於加工區間T內，將聲音訊號以一頻率分布判斷出一刀具聲源訊號，其中，頻率分布係將加工區間T分為複數加工時間點，每一加工時間點具有複數頻率區間，分析模組21由加工區間T內擷取出具有相同且連續出現之各頻率區間，例如：加工區間T係0秒到10秒，加工時間點為每0.1秒，其中，加工時間點為第0.1秒時發生之頻率區間有100、300及500HZ的頻率，加工時間點為第0.3秒發生之頻率區間有200、400及800HZ的頻率，加工時間點為第0.4秒發生之頻率區間有100、300及500HZ的頻率，加工時間點為第1秒發生之頻率區間有200、400及800HZ的頻率，則第0.1秒及第0.4秒視為同一聲源發出的聲音，第0.3秒及第1秒視為同一聲源發出的聲音。由於刀具1於切削過程中，各種聲音源所組成之聲音訊號會一直存在，因此，利用同一時間是否發生有相同各頻率區間，以判斷出刀具聲源訊號，藉此，不受環境聲音干擾影響，能夠省去過濾及放大之運算方式，以快速且準確判斷出聲音源為刀具1。
控制器20具有與分析模組21訊號連結之一轉換模組22，轉換模組22將刀具聲源訊號，基於頻域諧波小波轉換分析出刀具聲源時間波形，因此，本發明利用頻域小波轉換作時間-頻率分析(Time-frequency transform)，能夠依照所需調整刀具聲源時間波形之解析度。
控制器20具有與轉換模組22訊號連結之一特徵模組23，特徵模組23根據刀具聲源訊號及刀具聲源時間波形分析為一刀具聲壓值A，其中，特徵模組23將刀具聲源時間波形區隔為複數轉換時間T1，特徵模組23根據刀具聲源訊號及各轉換時間T1，利用均方根取得刀具聲壓值A，其中，於本發明實施例中，各轉換時間T1為0.1秒，以每0.1秒計算出刀具聲壓值A之最小值，以作為刀具1於切削過程之特徵態樣，如圖4所示。
控制器20具有與特徵模組23訊號連結之一判斷模組24，判斷模組24用以將刀具聲壓值A與一檢測基準值B作比對，以及將加工區間T與一基準區間T2作比對，判斷刀具聲壓值A及加工區間T是否符合檢測基準值B及基準區間T2，如圖4所示，刀具聲壓值A及加工區間T皆符合檢測基準值B及基準區間T2，則判斷結果為正常；如圖5所示，若是刀具聲壓值A小於檢測基準值B，或是加工區間T大於或小於基準區間T2，便發出一異常訊號，提醒加工人員，作刀具1之更換動作，以確保加工件之加工精度及良率。例如：當刀具1呈崩刀狀態時，便無法正確與加工件接觸，因此，刀具聲壓值A便會小於檢測基準值B；另外，當刀具1呈崩刀狀態時，便無法正確與加工件接觸，因此，刀具1之加工時間會拉長，加工區間T便會大於基準區間T2。
檢測基準值B利用刀具1於初始切削過程，感測器10擷取之聲音訊號，經由控制器20之分析模組21、轉換模組22及特徵模組23所分析取得之刀具聲壓值A，建立為檢測基準值B，並儲存於判斷模組24，而後每次刀具1切削過程所計算得到之刀具聲壓值A，便能夠與檢測基準值作比對判斷。
再者，於本發明實施例中，基準區間T2係將刀具1初始切削複數次，其中，刀具1初始之切削次數為5至15次，其切削次數能夠依照所需作調整；由感測器10擷取每次刀具1切削過程之聲音訊號，分析模組21根據每次之聲音訊號判斷出每次之加工區間T，並將每次之加工區間T平均取得基準區間T2。
由於，每種加工機所使用之刀具1皆不相同，每次切削時間長度以及每把刀具1之切削狀態也不相同，因此，以每把刀具1之初始切削過程，依照刀具1特性建立專屬之檢測基準值B及基準區間T2，以專屬於每把刀具1之檢測基準值B及基準區間T2作為異常問題之判斷標準，相較於直接設定比較值來得更加精準，並且有效找出異常處。
藉由前述之刀具狀態檢測系統100，本發明另一實施例提供一種刀具狀態檢測方法，包含下列步驟：
擷取步驟S1：擷取刀具1切削過程產生之聲音訊號，於本發明實施例中，將感測器10架設正對於刀具1之方向，並由感測器10擷取刀具1切削過程產生之聲音訊號，將感測器10與控制器20訊號連結，而感測器10將聲音訊號傳送至控制器20。
判斷步驟S2：根據聲音訊號判斷出加工區間T，於本發明實施例中，控制器20之分析模組21設有門檻範圍，當聲音訊號一直處於門檻範圍以內，而於某一時間點，聲音訊號超出門檻範圍以外，則表示聲音訊號之出現時間，而當聲音訊號於某一時間點，再次處於門檻範圍以內時，則表示聲音訊號之消失時間，因此，分析模組21根據聲音訊號之出現時間及消失時間差，取得加工區間T。
確認聲源步驟S3：於加工區間T內將聲音訊號以頻率分布判斷出刀具聲源訊號，其中，於本發明實施例中，頻率分布係將加工區間T分為複數加工時間點，每一加工時間點具有複數頻率區間，分析模組21由加工區間T內擷取出具有相同且連續出現之各頻率區間，因此，能夠由加工區間T，找出符合聲音源為刀具1之刀具聲源訊號。
轉換步驟S4：根據刀具聲源訊號基於頻域諧波小波轉換分析出刀具聲源時間波形，其中，於本發明實施例中，控制器20之轉換模組22將刀具聲源訊號，基於頻域諧波小波轉換分析出刀具聲源時間波形，因此，本發明利用頻域小波轉換作時間-頻率分析(Time-frequency transform)，能夠依照所需調整刀具聲源時間波形之解析度。
特徵步驟S5：根據刀具聲源訊號及刀具聲源時間波形分析出刀具聲壓值A，其中，於本發明實施例中，特徵模組23將刀具聲源時間波形區隔為複數轉換時間T1，特徵模組23根據刀具聲源訊號及各轉換時間T1，利用均方根取得刀具聲壓值A，其中，於本發明實施例中，各轉換時間T1為0.1秒，以每0.1秒計算出刀具聲壓值A之最小值，以作為刀具1切削過程之特徵態樣。
建立基準步驟S6：利用刀具1初始切削過程之聲音訊號分析建立檢測基準值B以及基準區間T2，其中，刀具1初始切削過程指的是，每次裝設新的刀具1時，確認刀具1是否正常之測試切削過程，因此，於本發明實施例中，將刀具1初始切削複數次，經過擷取步驟S1，利用感測器10擷取每次之聲音訊號並傳送至控制器20，接著，經由判斷步驟S2，利用控制器20之分析模組21根據每次之聲音訊號判斷出每次之加工區間T，將每次之加工區間T平均取得基準區間T2，其中，刀具1初始切削次數為5至15次，其初始切削次數能夠依照所需作調整。
另外，透過確認聲源步驟S3、轉換步驟S4及特徵步驟S5，將每次之聲音訊號經過進行轉換分析為刀具聲壓值A，將每次取得之刀具聲壓值A利用常態分布方式建立為檢測基準值B，並將檢測基準值B儲存於判斷模組24，以作為初始切削而後，刀具1每次切削過程之檢測標準。藉此，以每把刀具1之初始切削過程，依照刀具1特性建立專屬之檢測基準值B及基準區間T2，以專屬於每把刀具1之檢測基準值B及基準區間T2作為異常問題之判斷標準，相較於直接設定比較值來得更加精準，並且有效找出異常處。
比對步驟S7：將刀具聲壓值A與檢測基準值B比對，以及將加工區間T與基準區間T2比對，判斷刀具聲壓值A及加工區間T是否符合檢測基準值T及基準區間T2，當刀具聲壓值A及加工區間T不符合檢測基準值A及基準區間T2，發出異常訊號。其中，於本發明實施例中，控制器20之判斷模組24將刀具聲壓值A與檢測基準值B作比對，以及將加工區間T與基準區間T2作比對，若是刀具聲壓值A小於檢測基準值B，表示切削刀具1因磨損而形狀改變，未完全切割到加工件，致使加工件的振動程度變小，故檢測到的聲音訊號之刀具聲壓值A也一併降低；另外，加工區間T大於或小於基準區間T2，例如：當加工區間T大於基準區間T2，表示切削刀具1因磨損而形狀改變，未完全切割到加工件，因此刀具1之切削過程拉長，令檢測到之加工區間T大於基準區間T2。因此，不符合檢測基準值A及基準區間T2便發出異常訊號，提醒加工人員，作刀具1之更換作業，以確保加工件之加工精度及良率。
藉由上述，本發明能達成之功效，藉由將刀具1切削過程之聲音訊號，直接建立刀具1之狀態指標，並且於指標產生變化時，即可直接判斷刀具1之狀態，藉此，省去過多訊號分析計算流程，更有效且快速準確判斷刀具1之狀態。
再者，本發明係利用一個感測器10便能夠擷取所需訊號，藉此，以簡易之檢測系統，便能夠快速準確得知刀具1的狀態，而且不佔據加工空間。
另外，本發明之刀具狀態檢測系統100及其方法，能夠即時地檢測切削過程刀具1之狀態，無需停止生產線，也不需根據不同加工機的切削刀具1作參數調整，若發生異常時，亦能夠時時發出異常訊號提醒加工人員，以確保加工品質及良率。
以上所舉實施例僅用以說明本發明而已，非用以限制本發明之範圍。舉凡不違本發明精神所從事的種種修改或變化，俱屬本發明意欲保護之範疇。
1‧‧‧刀具
100‧‧‧刀具狀態檢測系統
10‧‧‧感測器
20‧‧‧控制器
21‧‧‧分析模組
22‧‧‧轉換模組
23‧‧‧特徵模組
24‧‧‧判斷模組
A‧‧‧刀具聲壓值
B‧‧‧檢測基準值B
T‧‧‧加工區間
T1‧‧‧轉換時間
T2‧‧‧基準區間
S1‧‧‧擷取步驟
S2‧‧‧判斷步驟
S3‧‧‧確認聲源步驟
S4‧‧‧轉換步驟
S5‧‧‧特徵步驟
S6‧‧‧建立基準步驟
S7‧‧‧比對步驟
100‧‧‧刀具狀態檢測系統
10‧‧‧感測器
20‧‧‧控制器
21‧‧‧分析模組
22‧‧‧轉換模組
23‧‧‧特徵模組
24‧‧‧判斷模組
A‧‧‧刀具聲壓值
B‧‧‧檢測基準值B
T‧‧‧加工區間
T1‧‧‧轉換時間
T2‧‧‧基準區間
S1‧‧‧擷取步驟
S2‧‧‧判斷步驟
S3‧‧‧確認聲源步驟
S4‧‧‧轉換步驟
S5‧‧‧特徵步驟
S6‧‧‧建立基準步驟
S7‧‧‧比對步驟
圖1係本發明系統架構示意圖。 圖2係本發明實施例架設示意圖。 圖3係本發明聲音訊號之波形示意圖。 圖4係本發明之比對示意圖(一)，表示刀具聲壓值及加工區間符合檢測基準值及基準區間。 圖5係本發明之比對示意圖(二)，表示刀具聲壓值及加工區間不符合檢測基準值及基準區間。
Claims (9)
- 一種刀具狀態檢測系統，其包含：一感測器，其用以擷取刀具切削過程之一聲音訊號；以及一控制器，其與該感測器訊號連結且接收該聲音訊號，該控制器具有一分析模組、一轉換模組、一特徵模組及一判斷模組，該分析模組根據該聲音訊號判斷一加工區間，於該加工區間內將該聲音訊號以一頻率分布將該加工區間分為複數加工時間點，每一加工時間點具有複數頻率區間，由該加工區間內擷取出具有相同且連續出現之各該頻率區間，所述之頻率區間判斷出一刀具聲音訊號，該轉換模組將該刀具聲源訊號轉化出一刀具聲源時間波形，該特徵模組根據該刀具聲源訊號及該刀具聲源時間波形分析為一刀具聲壓值，其中，該判斷模組將該刀具聲壓值與一檢測基準值比對，及將該加工區間與一基準區間比對，判斷該刀具聲壓值及該加工區間是否符合該檢測基準值及該基準區間。
- 如請求項1所述之刀具狀態檢測系統，其中，該轉換模組將該刀具聲源訊號，基於頻域諧波小波轉換分析出該刀具聲源時間波形。
- 如請求項1所述之刀具狀態檢測系統，其中，該特徵模組將該刀具聲源時間波形區隔為複數轉換時間，該特徵模組根據該刀具聲源訊號及各該轉換時間，利用均方根取得該刀具聲壓值。
- 如請求項1所述之刀具狀態檢測系統，其中，該加工區間為該聲音訊號出現時間及消失時間之時間差。
- 一種刀具狀態檢測方法，包含下列步驟：擷取刀具切削過程產生之一聲音訊號；根據該聲音訊號判斷出一加工區間，於該加工區間內將該聲音訊號以一頻率分布將該加工區間分為複數加工時間點，每一加工時間點具有複數頻率區間，由該加工區間內擷取出具有相同且連續出現之各該頻率區間，所述之頻率區間判斷出一刀具聲音訊號；根據該刀具聲源訊號分析出一刀具聲源時間波形；根據該刀具聲源訊號及該刀具聲源時間波形分析出一刀具聲壓值；以及該刀具聲壓值與一檢測基準值比對，該加工區間與一基準區間比對，判斷該刀具聲壓值及該加工區間是否符合該檢測基準值及該基準區間，當該刀具聲壓值及該加工區間不符合該檢測基準值及該基準區間，發出一異常訊號。
- 如請求項5所述之刀具狀態檢測方法，其中，利用刀具初始切削過程之該聲音訊號分析建立該檢測基準值以及該基準區間。
- 如請求項6所述之刀具狀態檢測方法，其中，將刀具初始切削複數次，以取得每次之該聲音訊號，根據每次之該聲音訊號判斷出每次之該加工區間，將每次之該加工區間平均取得該基準區間，以及將每次之該聲音訊號進行轉換分析為該刀具聲壓值，以建立為該檢測基準值。
- 如請求項5所述之刀具狀態檢測方法，其中，該刀具聲源訊號基於頻域諧波小波轉換分析出該刀具聲源時間波形。
- 如請求項5所述之刀具狀態檢測方法，其中，該刀具聲源時間波形區隔為複數轉換時間，該刀具聲源訊號及各該轉換時間利用均方根取得該刀具聲壓值。
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