TWI645933B - 確認刀具位置之方法與工具機系統 - Google Patents

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Abstract

一種確認刀具位置之方法，包括以下步驟：藉由位置運算單元，依據刀庫中複數個刀套位置，訓練並取得刀套位置之訓練姿態資料與訓練訊號強度資料；位置運算單元發送呼叫刀具指令，使複數個刀具中之目標刀具移動至換刀位置，再包括：取得目標刀具的姿態資料與訊號強度資料；依據目標刀具之姿態資料與訊號強度資料，位置運算單元比對各訓練姿態資料與各訓練訊號強度資料，以確認目標刀具之目標刀套位置；轉動刀庫，使目標刀具由目標刀套位置移動至換刀位置。此外，一種工具機系統亦被提出。

Description

確認刀具位置之方法與工具機系統
本發明是有關於一種確認刀具位置之方法與使用此方法的工具機系統。
傳統數控工具機刀庫的作用不僅是存放加工過程中所需要的刀具，還負責把下一工序所要使用的刀具移送至換刀位置。數控工具機刀庫與自動換刀裝置中，常因人為放置錯誤刀具或者刀庫刀號與程式設定不符等紊亂現象而造成機台故障。現有技術是於換刀點設置讀取器，於換刀時透過讀取器讀取刀具上的晶片，以判斷使用的刀具是否正確。然而，現有技術中的讀取器在判斷刀具並未使用正確之後，仍需要透過人工作業進行復位或置換正確的刀具，不僅費時費力，並且，操作人員需要了解加工程式作動、結構特點與控制機理以外，尚須熟悉換刀的動作等流程，故透過人工作業復位或置換正確的刀具，需要一定操作基礎的操作人員才能執行操作。
因此，如何能夠簡單且有效地確認刀具的正確性來避免上述所遭遇到的問題，是業界目前極需解決的問題。
本發明提供一種確認刀具位置之方法與工具機系統，能輕易得知並確認刀具之位置，藉此解決刀庫亂刀之問題，並可確認即將使用的刀具是否正確。
本發明的一實施例提出一種確認刀具位置之方法，包括以下步驟：藉由一位置運算單元，依據一刀庫中複數個刀套位置，訓練並取得各刀套位置之一訓練姿態資料與一訓練訊號強度資料；位置運算單元發送一呼叫刀具指令，使複數個刀具中的一目標刀具移動至一換刀位置，包括：取得目標刀具的一姿態資料與一訊號強度資料；依據目標刀具之姿態資料與訊號強度資料，位置運算單元比對各訓練姿態資料與各訓練訊號強度資料，以確認目標刀具之一目標刀套位置；轉動刀庫，使目標刀具由目標刀套位置移動至換刀位置。
本發明的一實施例提出一種工具機系統，包括一位置運算單元、一刀庫以及一設備控制單元。位置運算單元包含一訊號收發模組以及一資料運算模組，訊號收發模組連接於資料運算模組。刀庫具有複數個刀套位置，各刀套位置具有一刀具，各刀具以無線訊號連接位置運算單元。設備控制單元連接於刀庫與位置運算單元，設備控制單元包含一加工程式，位置運算單元發送一呼叫刀具指令至設備控制單元，以更新加工程式，刀庫依據加工程式執行，刀庫依據呼叫刀具指令是將各刀具中的一目標刀具移動至一換刀位置，再包括：訊號收發模組接收目標刀具產生的慣性感測座標與無線訊號，並傳輸至資料運算模組，以產生目標刀具之姿態資料與訊號強度資料；資料運算模組依據目標刀具之姿態資料與訊號強度資 料，比對複數個訓練姿態資料與複數個訓練訊號強度資料，以確認目標刀具之一目標刀套位置；轉動刀庫，使目標刀具由目標刀套位置移動至換刀位置。
基於上述，在本發明的確認刀具位置之方法與工具機系統中，操作員僅須了解目前需要哪個刀具去進行加工，不需要了解刀具對應的置放位置，故即便各個刀具是任意地置放於刀庫內部，仍可透過刀具本身回授之姿態資料與訊號強度資料，得以隨時得知刀具位置或即將使用之刀具是否正確。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧工具機系統
1‧‧‧位置運算單元
11‧‧‧訊號收發模組
12‧‧‧資料運算模組
2‧‧‧資料庫單元
3‧‧‧設備控制單元
4‧‧‧機械設備
5‧‧‧刀具
51‧‧‧慣性感測元件
52‧‧‧無線傳輸模組
53‧‧‧天線模組
54‧‧‧電源模組
6‧‧‧刀庫
61‧‧‧刀套位置
7‧‧‧換刀臂
S10‧‧‧確認刀具位置之方法
S110~S130‧‧‧步驟
S122~S126‧‧‧步驟
S132~S136‧‧‧步驟
圖1為本發明一實施例之工具機系統的示意圖。
圖2為本發明之刀具的示意圖。
圖3為本發明之位置運算單元的示意圖。
圖4為本發明之確認刀具位置之方法的流程圖。
圖5為圖4中呼叫刀具命令的流程圖。
圖6為圖4中自動換刀命令的流程圖。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。
請參閱圖1，本實施例之工具機系統10包括一位置運算單元1、一資料庫單元2、一設備控制單元3、一機械設備4、複數個刀具5、一刀庫6以及一換刀臂7。機械設備4可為銑床、鑽床、車床或鋸床等機械加工製造設備，且機械設備4可裝配有或連接於刀庫6與換刀臂7，刀庫6具有複數個刀套位置61，每一刀套位置61可裝有一刀具5，刀具5例如為銑刀、鑽頭、車刀、鋸片等應對機械設備4之刀具。設備控制單元3可為個人電腦(Personal Computer，PC)或可程式控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等控制單元。設備控制單元3中儲存有加工程式，機械設備4依據加工程式去作動，使得機械設備4之主軸上的刀具5對工件加工，又或者，刀庫6依據加工程式執行換刀，轉動刀庫6將下一工序所要使用的之刀具5轉動至換刀位置，透過換刀臂7從主軸取下前一工序使用之刀具5並替換成下一工序所要使用的之刀具5，而前一工序使用之刀具5則被換刀臂7移動並存放至刀庫6中相對應的刀套位置61。
在本實施例中，刀具5如圖2所示，刀具5包含一慣性感測元件51、一無線傳輸模組52、一天線模組53以及一電源模組54。慣性感測元件51例如為一陀螺儀(gyroscope)，其可感測刀具5之姿態而產生相對應的三維慣性感測座標。慣性感測元件51連接於無線傳輸模組52，在本實施例中，無線傳輸模組52具有無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)，其可利用紫蜂(Zigbee)來實現無線傳輸的功能，然本發明不對此加以限制，在另一實施例中，無線傳輸模組亦可利用藍牙(Bluetooth)、無線保真技術(Wi-Fi)或近場通訊(Near Field Communication，NFC)來實現無線傳輸的功能。天線模組53連接無線傳輸模組52，天線模組53包含依據無線傳輸模組52的型態 而對應配置天線。上述慣性感測元件51、無線傳輸模組52以及天線模組53分別連接至電源模組54，電源模組54能提供電力至慣性感測元件51、無線傳輸模組52以及天線模組53，在一實施例中，電源模組54可包含充電電池，可使得電源模組54可作為一無線充電裝置。
請復參閱圖1，位置運算單元1可透過硬體(例如微控制器、指向性無線基地台)、軟體(例如處理器執行之程式指令)或其組合來實現，位置運算單元1利用有線或無線方式連接於設備控制單元3。詳細而言，請參閱圖3，位置運算單元1包含一訊號收發模組11以及一資料運算模組12，其中訊號收發模組11連接於資料運算模組12，位置運算單元1透過訊號收發模組11可傳輸程式指令給設備控制單元3，以更新加工程式，資料運算模組12可為一微控制器(Microcontroller，MCU)，其作為資料運算之用。另一方面，刀庫6以無線訊號連接位置運算單元1，即是位置運算單元1是以無線訊號連接各刀具5，藉由慣性感測元件51以感測所有刀具5之姿態而產生的三維慣性感測座標，並藉由無線傳輸模組52以傳輸慣性感測座標至位置運算單元1中的訊號收發模組11，以產生刀具5之姿態資料，訊號收發模組11將姿態資料傳輸至資料運算模組12。此外，資料運算模組12依據刀具5發送的無線訊號之接收信號強度(RSSI)值，以產生刀具5之訊號強度資料，透過訊號強度資料可以決定每一個刀具5相對於位置運算單元1之相對距離。
資料庫單元2耦接於位置運算單元1，資料庫單元2可透過硬體(例如積體電路)、軟體(例如處理器執行之程式指令)或其組合來實現。在本實施例中，資料庫單元2可為一雲端伺服器，位置運算單元1可透過訊號收發模組11來與資料庫單元2進行雲端資料傳輸。在另一實施例中，位置運 算單元1可包含資料庫單元2，而可作為位置運算單元1內部的資料庫。本實施例之資料庫單元2存取刀具之刀具資料、姿態資料與訊號強度資料，刀具資料包含刀具號碼、網路位址、刀具長度、刀具直徑、刀具磨耗或刀具壽命。在本實施例中，位置運算單元1中的訊號收發模組11可將資料庫單元2的刀具資料、姿態資料與訊號強度資料傳輸至資料運算模組12，另一方面，若有更新刀具5的刀具資料、姿態資料與訊號強度資料，可透過位置運算單元1中的訊號收發模組11傳輸並更新刀具之刀具資料、姿態資料與訊號強度資料至資料庫單元2。
在本實施例中，在上述的工具機系統10的配置之下，如圖4所示並配合參閱圖1至圖3，本發明的確認刀具位置之方法S10包括以下步驟S110至步驟S130。於步驟S110中，藉由一位置運算單元1，依據一刀庫6中複數個刀套位置61，訓練並取得各刀套位置61之一訓練姿態資料與一訓練訊號強度資料。在本實施例中，位置運算單元1可透過訊號收發模組11來接收刀具5之刀具資訊，進而透過訊號收發模組11來與資料庫單元2進行雲端資料傳輸，來存取刀具5之刀具資料至資料庫單元2，刀具資料包含刀具號碼、網路位址、刀具長度、刀具直徑、刀具磨耗或刀具壽命。接著，置放一個刀具5於刀庫6，刀具5如圖2所述具有慣性感測元件51與無線傳輸模組52。在本實施例中，資料運算模組12包含一訓練程式，位置運算單元1執行訓練程式時，位置運算單元1是藉由訊號收發模組11傳輸至設備控制單元3，透過設備控制單元3發送訓練程式至機械設備4，以旋轉刀庫6來進行學習訓練，資料運算模組12依據各刀套位置61中相對應刀具5之姿態所傳輸的三維慣性感測座標，並藉由無線傳輸模組52回授慣性感測座標至位置運算 單元1中的訊號收發模組11，以產生各刀套位置61之訓練姿態資料，與此同時，資料運算模組12依據各刀套位置61相對應之刀具5內發送的無線訊號之接收信號強度值，以產生刀庫6中各刀套位置61之訓練訊號強度資料，訊號收發模組11將各刀套位置61之訓練姿態資料與訓練訊號強度資料傳輸至資料運算模組12。另一方面，訊號收發模組11亦將各刀套位置61之訓練姿態資料與訓練訊號強度資料傳輸並儲存至資料庫單元2。
經由步驟S110取得各刀套位置61之訓練姿態資料與訓練訊號強度資料之後，於步驟S120中，位置運算單元1發送一呼叫刀具指令至設備控制單元3，以更新加工程式，刀庫6依據加工程式執行，刀庫6依據呼叫刀具指令使複數個刀具5中一目標刀具移動至一換刀位置。需說明的是，呼叫刀具指令意思是加工程式中的T指令，T碼又稱為刀具機能，刀具機能是以T後面接2位數字代碼組成，這數字代碼代表下一工序所要使用的之刀具編碼(即目標刀具)。詳細而言，請參閱圖5，呼叫刀具指令的步驟S120包括以下步驟S122至步驟S126。於步驟S122中，取得目標刀具的一姿態資料與一訊號強度資料。首先，如前所述，若此時要呼喚某一目標刀具，由於每個刀具5內具有慣性感測元件51與無線傳輸模組52，位置運算單元1中的訊號收發模組11接收目標刀具產生之無線訊號，並傳輸至資料運算模組12，資料運算模組12依據目標刀具發送的無線訊號之接收信號強度值，以產生目標刀具之訊號強度資料。由於訊號強度資料可以決定該目標刀具相對於位置運算單元1之相對距離，故位置運算單元1可依據目標刀具的訊號強度資料，以判斷目標刀具是否位於刀庫6中。接著，當目標刀具位於刀庫6時，慣性感測元件51感測目標刀具之姿態，訊號收發模組11接收目標刀具產生 的三維慣性感測座標，並傳輸至資料運算模組12，資料運算模組12依據三維慣性感測座標，以產生初始姿態資料。接著，轉動刀庫6來改變目標刀具之姿態，取得目標刀具之一移動姿態資料。詳細而言，依據刀庫6之型式，設備控制單元3命令刀庫6旋轉一個單位格數，來改變目標刀具之姿態。舉例而言，當刀庫6為一圓型刀庫時，設定刀庫6被移動1格，刀具5便會改變其姿態。在另一實施例中，當刀庫6為方型刀庫或矩形刀庫時，由於刀庫6在某一些移動行程，例如水平或上下之移動，是不會讓刀具5改變其姿態，只有在刀庫6具有轉角處時，可以讓刀具5改變其姿態，故設定刀庫6被移動K+1格，K為方型刀庫或矩形刀庫之長寬高最大值。藉由上述取得目標刀具之移動姿態以後，位置運算單元1中的資料運算模組12依據移動姿態資料與初始姿態資料之差異以取得姿態資料。
此外，位置運算單元1發送呼叫刀具指令時，藉由訊號收發模組11以提取資料庫單元2中的各訓練訊號強度資料與各訓練姿態資料至資料運算模組12。接著，於步驟S124，資料運算模組12依據目標刀具之姿態資料與訊號強度資料，比對各訓練姿態資料與各訓練訊號強度資料，以確認目標刀具之一目標刀套位置。因此，本實施例透過步驟S110，訓練並取得各刀套位置61之訓練姿態資料與訓練訊號強度資料，若欲確認目標刀具之目標刀套位置，各刀套位置61之訓練姿態資料與訓練訊號強度資料可供比對目標刀具當時所提供的姿態資料與訊號強度資料，以確認目標刀具位於刀庫6中的哪個刀套位置61中。在此方式之下，操作員僅須了解目前需要哪個刀具5去進行加工，不需要了解該刀具5對應的置放位置，不同於習用技術中的固定刀號方式，故即便各個刀具5是任意地置放於刀庫6內部， 仍可根據本發明所提出的確認刀具位置之方法S10，透過於刀具5本身可回授之姿態資料與訊號強度資料，得以隨時得知刀具位置。
於步驟S124確認目標刀具的目標刀套位置後，位置運算單元1中的資料運算模組12可計算由目標刀套位置至換刀位置的距離與刀庫6所需移動格數。接著，於步驟S126，轉動刀庫6，使目標刀具由目標刀套位置移動至換刀位置。因此，由於本發明可預先釐清刀具5所在位置，並將刀具5移送至換刀位置，故不需將刀庫6轉動至換刀位置才進行確認，故可節省整體加工時間。
請復參閱圖1，於步驟S120使得目標刀具移動至換刀位置之後，於步驟S130，位置運算單元1發送一自動換刀指令至設備控制單元3，以更新加工程式，刀庫6依據加工程式執行，刀庫6依據自動換刀指令使目標刀具由該換刀位置移動至一機械設備4之一主軸。需說明的是，自動換刀指令意思是加工程式中的M06指令。詳細而言，請參閱圖6，自動換刀指令的步驟S130包括以下步驟S132至步驟S136。於步驟S132中，依據目標刀具被移動而改變目標刀具之姿態，取得目標刀具的一換刀姿態資料。在本實施例中，換刀臂7先從主軸取下前一工序使用之刀具5並存放至刀庫6中相對應的刀庫位置61。此外，換刀臂7將目標刀具移動並裝設至主軸，與此同時，依據目標刀具被移動而改變目標刀具之姿態，取得目標刀具的一換刀姿態資料。在另一實施例中，於目標刀具裝設至主軸後，使主軸上的目標刀具朝某軸向移動，亦可改變目標刀具之姿態。於步驟S134中，刀具5中的無線傳輸模組52回傳並更新換刀姿態資料與目標刀具內發送的無線訊號至位置運算單元1中的訊號收發模組11。於步驟S136中，位置運算單元1中的資料 運算模組12依據資料庫單元2中各刀具資料，以比對目標刀具之刀具資料是否符合呼叫刀具指令。在此方法之下，由於目前刀庫6或機械設備4之主軸上只有目標刀具被移動而晃動以產生姿態上的變化，故可在加工前藉由目標刀具回授其換刀姿態資料，位置運算單元1進一步再對目標刀具進行確認是否符合呼叫換刀指令所需的刀具。此外，亦可透過目標刀具回授的換刀姿態資料，來比對資料庫單元2中存取的姿態資料，進一步可以調整並補償目標刀具的姿態。
綜上所述，在本發明的確認刀具位置之方法與刀具加工系統中，操作員僅須了解目前需要哪個刀具去進行加工，不需要了解刀具對應的置放位置，故即便各個刀具是任意地置放於刀庫內部，仍可透過刀具本身回授之姿態資料與訊號強度資料，得以隨時得知刀具位置或即將使用之刀具是否正確。
再者，由於本發明可預先釐清刀具所在位置，並將刀具移送至換刀位置，故不需將刀庫轉動至換刀位置才進行確認，故可節省整體加工時間。
此外，於自動換刀指令中，由於刀庫或機械設備之主軸上只有目標刀具被移動而晃動以產生姿態上的變化，故可在加工前藉由目標刀具回授其換刀姿態資料，位置運算單元進一步再對目標刀具進行確認是否符合呼叫換刀指令所需的刀具。另外，亦可透過目標刀具回授的換刀姿態資料，來比對資料庫單元中存取的姿態資料，進一步可以調整並補償目標刀具的姿態。
以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手 段的較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施的範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (8)

  1. 一種確認刀具位置之方法，包括以下步驟：藉由一位置運算單元，依據一刀庫中複數個刀套位置，訓練並取得各該刀套位置之一訓練姿態資料與一訓練訊號強度資料，所述訓練並取得各該刀套位置之該訓練訊號強度資料的步驟，更包括：依據各該刀套位置相對應之一刀具內發送的無線訊號之接收信號強度值，以產生各該刀套位置之該訓練訊號強度資料；以及該位置運算單元發送一呼叫刀具指令，使該複數個刀具中一目標刀具移動至一換刀位置，包括：取得該目標刀具的一姿態資料與一訊號強度資料；依據該目標刀具之該姿態資料與該訊號強度資料，該位置運算單元比對各該訓練姿態資料與各該訓練訊號強度資料，以確認該目標刀具之一目標刀套位置；及轉動該刀庫，使該目標刀具由該目標刀套位置移動至該換刀位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之確認刀具位置之方法，其中所述取得該目標刀具的該姿態資料與該訊號強度資料的步驟，更包括：依據該目標刀具發送的無線訊號之接收信號強度值，以產生該目標刀具之該訊號強度資料；依據該目標刀具的該訊號強度資料，以判斷該目標刀具是否位於該刀庫中；當該目標刀具位於該刀庫時，依據該目標刀具之姿態所傳輸的慣性感測座標，以產生一初始姿態資料；轉動該刀庫以改變該目標刀具之姿態，取得該目標刀具之一移動姿態資料；以及依據該移動姿態資料與該初始姿態資料之差異以取得該姿態資料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之確認刀具位置之方法，更包括：該位置運算單元發送一自動換刀指令，使該目標刀具由該換刀位置移動至一機械設備之一主軸，包括：依據該目標刀具被移動而改變該目標刀具之姿態，取得該目標刀具的一換刀姿態資料；回傳並更新該換刀姿態資料與該目標刀具內發送的該訊號強度資料至該位置運算單元；以及該位置運算單元比對該目標刀具之一刀具資料是否符合該呼叫刀具指令。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之確認刀具位置之方法，更包括：存取各該刀具之該刀具資料，該刀具資料包含刀具號碼、網路位址、刀具長度、刀具直徑、刀具磨耗或刀具壽命。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之確認刀具位置之方法，其中所述訓練並取得各該刀套位置之該訓練姿態資料的步驟，更包括：轉動該刀庫，依據各該刀套位置中相對應該刀具之姿態所傳輸的慣性感測座標，以產生各該刀套位置之該訓練姿態資料。
  6. 一種工具機系統，包括：一位置運算單元，包含一訊號收發模組以及一資料運算模組，其中該訊號收發模組連接於該資料運算模組；一刀庫，具有複數個刀套位置，各該刀套位置具有一刀具，各該刀具以無線訊號連接該位置運算單元；一資料庫單元，耦接於該位置運算單元；其中該資料運算模組包含一訓練程式，該位置運算單元執行該訓練程式時，該資料運算模組依據各該刀套位置相對應之該刀具內發送的無線訊號之接收信號強度值，以產生各該刀套位置之一訓練訊號強度資料，且該資料運算模組依據各該刀具位於相對應之該刀套位置之姿態所發送的慣性感測座標，以產生各該刀套位置之一訓練姿態資料，藉由該訊號收發模組以將各該訓練訊號強度資料與各該訓練姿態資料存取至該資料庫單元；以及一設備控制單元，連接該刀庫與該位置運算單元，該設備控制單元儲存一加工程式，其中該位置運算單元發送一呼叫刀具指令至該設備控制單元，以更新該加工程式，其中該位置運算單元發送該呼叫刀具指令時，藉由該訊號收發模組以提取該資料庫單元中的各該訓練訊號強度資料與各該訓練姿態資料至該資料運算模組；該刀庫依據該加工程式執行，該刀庫依據該呼叫刀具指令將各該刀具中一目標刀具移動至一換刀位置，包括：該訊號收發模組接收該目標刀具產生的慣性感測座標與無線訊號，並傳輸至該資料運算模組，以產生該目標刀具之該姿態資料與該訊號強度資料；該資料運算模組依據該目標刀具之該姿態資料與該訊號強度資料，比對該複數個訓練姿態資料與該複數個訓練訊號強度資料，以確認該目標刀具之一目標刀套位置；及轉動該刀庫，使該目標刀具由該目標刀套位置移動至該換刀位置。
  7. 申請專利範圍第6項所述之工具機系統，其中該訊號收發模組接收各該刀具之一刀具資料、各該姿態資料與各該訊號強度資料，該訊號收發模組傳輸各該刀具之該刀具資料、各該姿態資料與各該訊號強度資料至該資料庫單元，該資料庫單元存取各該刀具之刀具資料、各該姿態資料與各該訊號強度資料，該刀具資料包含刀具號碼、網路位址、刀具長度、刀具直徑、刀具磨耗或刀具壽命。
  8. 申請專利範圍第7項所述之工具機系統，其中該位置運算單元發送一自動換刀指令至該設備控制單元，以更新該加工程式，該刀庫依據該加工程式執行，該刀庫依據該自動換刀指令將該目標刀具由該換刀位置移動至一機械設備之一主軸，包括：依據該目標刀具被移動而改變該目標刀具之姿態，取得該目標刀具的一換刀姿態資料；回傳並更新該換刀姿態資料與該目標刀具內發送的無線訊號至該位置運算單元；以及該位置運算單元依據該資料庫單元中各該刀具資料，以比對該目標刀具之該刀具資料是否符合該呼叫刀具指令。
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