TWI649648B

TWI649648B - 加工機熱補償控制系統及其方法

Info

Publication number: TWI649648B
Application number: TW106142613A
Authority: TW
Inventors: 馬勝銘; 彭達仁; 林勇志; 陳建宏; 陳科翰; 蘇信綜
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-02-01
Also published as: US20190171176A1; TW201925937A; US10481575B2

Abstract

一種加工機熱補償控制系統，用於具有刀具、驅動器的加工機，此系統具有刀長量測器、溫度量測器、工件量測器與控制器。驅動器連接刀具依據控制信號驅動刀具以對工件加工。刀長量測器用以偵測刀具的刀長。溫度量測器用以偵測刀具或驅動器的量測溫度。工件量測器用於量測被加工的工件的加工誤差。控制器電性連接驅動器、刀長量測器、溫度量測器與工件量測器，依據加工指令、溫度補償模型、刀長與量測溫度產生控制信號，並依據加工誤差決定是否修正溫度補償模型。

Description

加工機熱補償控制系統及其方法

本揭露係關於一種加工機及其控制方法，特別是關於一種加工機熱補償控制系統及其方法。

一般工廠加裝的精度檢測工具，如刀長量測器等，此方式只限於非加工時的檢測，無法於加工狀態下且長時間的精度維持，長時間加工若要穩定需建立補償系統將熱變形抑制。

此外，關於加工機的控制器，加掛熱補償功能需要多購買控制卡、輸入輸出卡、增加記憶體與修改介面，硬體完備後還需將機台鈑金介面移除後實行建模技術，最終分析出最佳參考溫度位置與補償方程式，此建模流程通常耗時一週以上，且熱補模型不能輕易更改，若遇到需更換機台關鍵零主件(主軸、油冷機等)時，原先機台熱補模型需重新修模，若變動過大，則須重新建模。

由於熱補償過程繁瑣複雜，且為一開放迴路(open loop)，隨著加工機台出機後隨年限之折舊與零件精度摩耗，種種因素將造成熱補償模型失準，此問題無法即時修正，要到最後透過量測工件結果才能得知補償失真，無法收斂的結果將導致加工誤差，造成時間與金錢上的損失。

有鑑於上述問題，本揭露旨在提出一種加工機熱補償控制系統及其方法，將刀具轉速整合於溫度補償模型，並提供即時修正溫度補償模型的機制，避免長期使用後溫度補償模型失準。

依據本揭露一實施例的加工機熱補償控制系統，適於對加工機進行熱補償，所述加工機具有刀具與用於驅動刀具或工件的驅動器，所述系統具有刀長量測器、溫度量測器、工件量測器與控制器。驅動器連接刀具以依據控制信號驅動刀具以對工件加工。刀長量測器用以偵測刀具的刀長。溫度量測器用以偵測刀具或驅動器的量測溫度。工件量測器用於量測被加工的工件的加工誤差。控制器電性連接驅動器、刀長量測器、溫度量測器與工件量測器，依據加工指令、溫度補償模型、刀長與量測溫度產生控制信號，並依據加工誤差決定是否修正溫度補償模型。

依據本揭露一實施例的加工機熱補償方法，包括下列步驟：偵測刀具的刀長。偵測刀具或驅動器的量測溫度。依據加工指令、溫度補償模型、刀長與量測溫度產生控制信號。依據控制信號驅動刀具以對工件加工。量測被加工的工件的加工誤差。並依據加工誤差決定是否修正溫度補償模型。

綜上所述，依據本揭露一實施例的加工機熱補償控制系統及其方法，藉由將轉速列入溫度補償模型的考量，並且對於工件進行了線上量測，因此可以即時地修正溫度補償模型，避免模型失準所造成的影響大幅降低加工良率的機率。

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揭露之精神與原理，並且提供本揭露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揭露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揭露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揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。

請參照圖1，其係依據本揭露一實施例的加工機熱補償控制系統架構示意圖。如圖1所示，依據本揭露一實施例具有熱補償控制系統的加工機1000具有刀具1100、驅動器1200、刀長量測器1300、溫度量測器1400、工件量測器1500與控制器1600。

驅動器1200連接刀具1100以依據控制信號驅動刀具1100以對工件2000加工。具體來說，驅動器1200以一轉軸連接於刀具1100。加工機1000例如為多軸加工能力的加工機。而驅動器1200依據控制信號，以所要求的轉速使刀具1100轉動。此外，此處的驅動器1200係廣義的驅動器，例如具有依據控制信號控制刀具以所要求的進給率移動的能力，或是具有依據控制信號移動床台1210，以使工件2000移動，以達到所要求的進給率的能力。具體來說，加工機1000的驅動器1200例如具有多個馬達(包括一般馬達及/或步進馬達)。

刀長量測器1300又稱為對刀儀，用以偵測刀具1100的長度。具體來說，刀長量測器1300可以用接觸式偵測刀長，或是以投影式偵測刀長，或以雷射定位偵測刀長。本揭露並不加以限定其實作方式。

溫度量測器1400用以偵測刀具1100或驅動器1200的量測溫度。於一實施例中，溫度量測器1400例如為(非接觸式)紅外線溫度量測裝置，以對於刀具1100或是驅動器1200的特定元件量測其溫度，以得到量測溫度。於另一實施例中，溫度量測器1400例如被裝設於驅動器1200的特定元件上，以接觸式的方式取得量測溫度。

具體來說，當驅動器1200的特定元件(例如轉軸或軸承)溫度上升時，會造成特定軸向上的誤差，或是造成進給率的改變。然而，不同種類的加工機，主要造成熱誤差的元件可能不同，因此，針對不同的加工機，需要取得的量測溫度的特定元件不同。所屬領域具有通常知識者當能依照其需求以及加工機的型號，選擇量測驅動器的特定元件。

工件量測器1500用於量測被加工的工件的加工誤差。具體來說，工件量測器1500例如具有內建的或外接的儲存媒介，儲存媒介中儲存有工件2000被加工完成後應有的各項預設參數甚或預設二維模型或預設三維模型。所謂預設參數例如在設計中預設工件2000的外表面應有的空間座標集合。工件量測器1500例如以紅外線掃描的方式，取得加工完成的工件2000的各項量測參數。於一實施例中，工件量測器1500並且直接比對這些量測參數與預設參數來產生加工誤差統計結果。於另一實施例中，工件量測器1500以量測參數建立一個二維量測模型或是三維量測模型，並且將所建立的量測模型與所儲存的預設模型進行比對，以得到加工誤差統計結果。

控制器1600電性連接驅動器1200、刀長量測器1300、溫度量測器1400與工件量測器1500。控制器1600依據加工指令、溫度補償模型、刀長與量測溫度產生控制信號，並依據加工誤差決定是否修正溫度補償模型。

具體來說，溫度補償模型係事先建立或是依據加工機以往的加工結果訓練得到的。在建立溫度補償模型時，控制器1600先以刀長量測器1300取得的刀長，對於轉速誤差進行補正。具體來說，某些刀具隨著轉速的提升，使得在與轉軸軸向正交的方向上的刀長與預設的刀長不同，因此先以刀長與轉速來建立轉速補償模型。

接著，控制器1600取得刀具1100或驅動器1200的量測溫度與軸向誤差。於一實施例中，此處係實際對工件進行加工，並以工件量測器1500對工件進行量測以得到軸向誤差。然而，於另一實施例中，控制器1600係額外裝設測距裝置，並控制驅動器1200使刀具1100以特定轉速空轉，以測距裝置取得刀具1100在(驅動器1200的轉軸)軸向上的誤差。

接著，控制器1600依據量測溫度與變形量(軸向誤差及/或刀長造成的誤差)得出溫度補償模型。具體來說，訓練溫度補償模型的方式例如有迴歸分析、人工類神經網路、有限元素分析與動態誤差分析等方式。

以下以迴歸分析(multiple regression analysis)的方式舉例說明：

首先把原本單一預測變數擴大成多個預測變數，複迴歸模型及其假設如下：

，

其中：

Y表示必須加以預測的誤差修正因子。於一實施例中，Y為三維座標系的原點補償量。表示獨立變數(自變數)，換句話說，於本揭露此實施例中，例如為所量到的轉速、量測溫度。表示模型參數，稱為截距，稱為迴歸係數。為隨機誤差，通常例如為無可避免的製作公差。

並將模型以矩陣方式表達: ，，，

於是溫度補償模型表示為。

若要評估誤差修正因子Y與眾多自變數(量測到的轉速、一個或多個溫度)之間關係的強弱，解釋如下：

其中，表示與之差總平方和(Total Sum of Squares)，代表總變異。

表示迴歸平方和(Sum of Squares due to Regression)，代表在總變異中由迴歸解釋的部分。

表示殘差平方和(Sum of Squares for Error)，代表在總變異中無法解釋的部分。

換句話說，經過適當的調校各個迴歸係數，則能最小化殘差平方和SSE，藉以得到適當的誤差修正因子Y(也就是座標系的原點補償量)。並使得無可避免的製作公差(如後述的誤差標準差)最小化。

於一實施例中，人工類神經網路的運作方式如下，以下以輻狀基底函數(radial basis function, RBF)類神經網路舉例說明：

首先，RBF類神經網路中具有m個隱藏神經元(邏輯上來說，就是m個計算子)，並且取得n個輸入值(m與n均為正整數，且通常大於1)，例如轉速、量測溫度等參數，並且給出輸出值如下：

其中y為輸出值，具體來說也就是估計的加工誤差，w _j為第j個隱藏神經元的權重，R()為輻狀基底函數，例如是高斯函數、多項二次倒函數、多項二次函數或其它適合的函數，X為n個輸入值的集合，C _j為第j個隱藏神經元的中心點。經過適當的訓練與調整，可以得到較佳的w _j與C _j，從而得到準確的加工誤差估計值，也就能得到應有的原點補償量。

於一實施例中，控制器1600依據溫度補償模型、刀長與量測溫度，產生誤差補償指令，並依據加工指令與誤差補償指令產生控制信號。具體來說，加工指令例如給定了對於轉速、進給率與特定座標。而誤差補償指令例如對於座標系進行調整。舉例來說，誤差補償指令是一個座標補償值，因此加工指令中的特定座標會被這個座標補償值修正。這樣實際上就等同於修正了加工機1000的座標系原點。

於一實施例中，控制器1600更從加工指令取得轉速指令(加工指令所給定的轉速)，並於產生誤差補償指令時，更依據轉速指令來調整誤差補償指令。具體來說，如同先前敘述，在建立溫度補償模型的時候，刀具的轉速實際上也會與誤差有關聯，因此於本實施例中，控制器1600進一步將轉速指令輸入溫度補償模型來得到補償指令(座標補償值)。

於另一實施例中，由於轉速指令不見得等於實際上的轉速，而某些加工機的驅動器更具有量測轉速的裝置，因此在這類型的加工機中，控制器從驅動器取得刀具的轉速值，並於產生誤差補償指令時，係依據轉速值而非轉速指令。此外，於再一實施例中，轉速指令與實際上轉速值的差異是跟溫度有關係的，並且也會造成加工誤差，因此與此實施例中，在產生誤差補償指令時，係將轉速指令與轉速值一併列入考量。

於一實施例中，控制器1600依據加工誤差決定是否修正溫度補償模型時，係判斷加工誤差是否屬於一第一誤差範圍，當該加工誤差不屬於第一誤差範圍時，控制器1600決定修正溫度補償模型。舉例來說，加工誤差的資料中有單一工件2000被加工之後，由工件量測器1500量測到的多筆誤差值。控制器1600計算這些誤差值的分佈。並請參照圖2A、圖2B與圖3A、圖3B，其中圖2A與圖2B係需要修正溫度補償模型的狀況的加工數據分佈，而圖3A與圖3B則係修正後可以接受的加工數據分佈。其中，圖2A與圖3A的縱軸為量測到的誤差量，而橫軸為所量測的工件的件數(第幾件)。而圖2B與圖3B的橫軸為加工的誤差量，而縱軸為對應於此加工誤差的工件件數(總量)。以圖2A與圖2B舉例來說，可以容許的誤差例如應為0.004毫米±0.002毫米。如圖2B所示，此例中的誤差值的分佈中心偏離目標(0.004毫米)的程度達到-0.0021毫米，因此控制器1600判斷應該要修正溫度補償模型。而以圖3A與圖3B舉例來說，所述加工誤差落於可容許範圍內，因此控制器1600判斷為不需修正溫度補償模型。

於一實施例中，控制器1600更具有儲存媒介(未繪示)，控制器1600將每次工件2000加工後的加工誤差寫入儲存媒介為多筆歷史誤差。並且控制器1600係依據歷史誤差中， N筆最新的歷史誤差決定是否修正溫度補償模型，其中N為大於1的正整數。具體來說，N例如為20。也就是控制器1600使用最近的20筆歷史誤差來決定是否要修正溫度補償模型。

具體來說，每一筆歷史誤差例如包含有100個資料點，每一個資料點定義了工件在特定的(被選定要量測誤差的點)座標的加工誤差值。於一實際狀況中，雖然在一個工件的100個資料點所呈現的誤差值分佈符合規範，但是在最近20筆歷史誤差的資料中，所有第45個資料點所呈現的誤差值分佈仍然可能不符合規範。此時，控制器1600判斷要修正溫度補償模型。

於一實施例中，控制器1600計算此N筆最新的歷史誤差之中每筆歷史誤差的第k個資料點的誤差平均值，並判斷誤差平均值是否屬於第二誤差範圍，當誤差平均值不屬於第二誤差範圍時，控制器1600決定修正溫度補償模型。此處的第二誤差範圍例如規範可以容許的最大誤差例如為±0.06毫米，而可以容許的誤差值分佈中心例如為不超過±0.025毫米。

於另一實施例中，控制器1600計算此N筆最新的歷史誤差的誤差標準差，並判斷誤差標準差是否大於容許值，當誤差標準差大於容許值時，控制器1600決定修正溫度補償模型。誤差的標準差可以對應於加工機1000的加工公差，因此當加工公差大於容許值的時候，控制器1600判斷應該要修正溫度補償模型。此處的誤差標準差並不限於是最新一筆加工誤差中的100個資料點的誤差標準差或是最近20筆歷史誤差的資料中的特定資料點(例如第45個資料點)的誤差標準差。

於再一實施例中，當控制器1600決定修正溫度補償模型時，控制器1600依據誤差標準差修正溫度補償模型。於又一實施例中，當控制器1600決定修正溫度補償模型時，控制器1600更依據誤差平均值修正溫度補償模型。

上述實施例中，刀長量測器1300、溫度量測器1400與工件量測器1500均電性連接於控制器1600。換句話說，上述實施例中例如是將溫度補償模型實作在控制器1600的運算邏輯中。上述實施例並要求加工機1000本身要內建有適當的刀長量測器1300、溫度量測器1400與工件量測器1500。然而，於另一實施例中，現有的加工機亦可以經過適當的改裝而實作上述的功能。具體來說，請參照圖4，其係依據本揭露另一實施例的加工機熱補償控制系統架構圖。圖4的加工機1000’與圖1的加工機1000的差異在於，加工機1000’的刀長量測器1300、溫度量測器1400與工件量測器1500係電性連接於計算機1700。計算機1700依據溫度補償模型、刀長與量測溫度，產生誤差補償指令。而控制器1600接收誤差補償指令，依據誤差補償指令與加工指令產生控制信號。此外，計算機1700並依據加工誤差決定是否修正溫度補償模型。換句話說，有關於溫度補償模型的建立、修正與依據溫度補償模型來產生誤差補償指令係由計算機1700來運行，加工機1000’的控制器1600僅需要依據誤差補償指令與加工指令產生控制信號。因此，傳統的加工機經過適當的加裝刀長量測器、溫度量測器與工件量測器後，也可以實作本揭露的技術。

因此，依據本揭露一實施例的加工機熱補償方法，請參照圖5。其中，加工機熱補償方法具體包括步驟S1100，建立溫度補償模型。而從步驟S1200以後為加工機的控制方法。其中步驟S1100包括了：步驟S1110，以刀長量測器線上補正轉速誤差。步驟S1120，取得刀具1100或驅動器1200的量測溫度與軸向誤差。步驟S1130，依據量測溫度與變形量(包括軸向誤差與轉速造成的誤差)得出溫度補償模型。而步驟S1200包括了：步驟S1210，偵測刀具1100的刀長。步驟S1220，偵測刀具1100或驅動器1200的量測溫度。步驟S1230，依據加工指令、溫度補償模型、刀長與量測溫度產生控制信號。接著於步驟S1300中，依據控制信號驅動刀具1100以對工件2000加工。步驟S1400中，量測工件2000的加工誤差。當工件2000被加工完成，或是加工的流程中有暫停的時間，則執行步驟S1500，依據加工誤差決定是否修正溫度補償模型。舉例來說，當工件2000被整體加工完成則進行加工誤差的量測。此外，當工件2000的某個部位被加工完畢，需要以加工機的其他機械手臂來加裝額外元件，此時，先前被切削加工的部位的形狀已經不會改變，且於加裝額外元件之後可能難以量測到切削加工的誤差，因此於加裝額外元件之前，以工件量測器1500來量測被切削加工的部分的加工誤差。如果判斷不需要修正溫度補償模型，則回到步驟S1210進行後續加工或是下一個工件的加工。如果判斷需要修正溫度補償模型，則如步驟S1600所示，修正溫度補償模型。並於修正完成後，回到步驟S1210。

為了理解本揭露實際解決了現有技術的問題，請參照圖6與圖7，其中圖6係現有技術的加工結果示意圖，而圖7係依據本揭露一實施例的加工機溫度補償後的加工結果示意圖。請參照圖6，其中縱軸為誤差量，而橫軸標記了在不同時間區間中使用的刀具轉速。曲線C1係習知技術中，不使用溫度補償的結果，而曲線C2係習知技術中，使用溫度補償的結果。如圖6所示，雖然經過了溫度補償可以得到誤差量降低的結果，然而在不同的轉速切換時，仍有明顯的段差的問題。而如圖7所示，曲線C3係以本揭露所實作的加工機的加工結果。由圖7的曲線C3與圖6的曲線C1/曲線C2比較，可以得知依據本揭露所實作的加工機除了大幅度地降低了誤差量，也明顯的降低了轉速變動時的段差。

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

1000、1000’‧‧‧加工機

1100‧‧‧刀具

1200‧‧‧驅動器

1210‧‧‧床台

1300‧‧‧刀長量測器

1400‧‧‧溫度量測器

1500‧‧‧工件量測器

1600‧‧‧控制器

1700‧‧‧計算機

2000‧‧‧工件

C1~C3‧‧‧曲線

S1100~S1600‧‧‧步驟

圖1係依據本揭露一實施例的加工機熱補償控制系統架構示意圖。圖2A與圖2B係圖1實施例溫度補償模型修正前的加工數據分佈。圖3A與圖3B係圖1實施例溫度補償模型修正後的加工數據分佈。圖4係依據本揭露另一實施例的加工機熱補償控制系統架構示意圖。圖5係依據圖1與圖4實施例的加工機熱補償方法流程圖。圖6係現有技術的加工結果量測示意圖。圖7係依據圖1與圖4實施例的加工機溫度補償後的加工結果量測示意圖。

Claims

一種加工機熱補償控制系統，該加工機具有一刀具與用於驅動該刀具或一工件的一驅動器，所述系統包括：一刀長量測器，用以偵測該刀具的一刀長；一溫度量測器，用以偵測該刀具或該驅動器的一量測溫度；一工件量測器，用以量測該工件的一加工誤差；以及一控制器，電性連接該驅動器、該刀長量測器、該溫度量測器與該工件量測器，該控制器從一加工指令取得一轉速指令，依據該轉速指令、一溫度補償模型、該刀長與該量測溫度產生一誤差補償指令，並依據該加工指令與該誤差補償指令產生一控制信號以控制該驅動器；或者該控制器從該驅動器取得一轉速值，依據該轉速值、該溫度補償模型、該刀長與該量測溫度產生該誤差補償指令，並依據該加工指令與該誤差補償指令產生該控制信號以控制該驅動器；其中，該控制器更依據該加工誤差決定是否修正該溫度補償模型。
如請求項1的加工機熱補償控制系統，其中該控制器依據該加工誤差決定是否修正該溫度補償模型時，係判斷該加工誤差是否屬於一第一誤差範圍，當該加工誤差不屬於該第一誤差範圍時，該控制器決定修正該溫度補償模型。
如請求項1的加工機熱補償控制系統，其中該控制器更具有一儲存媒介，該控制器將該加工誤差寫入該儲存媒介為多筆歷史誤差，並且該控制器係依據該些歷史誤差中，N筆最新的歷史誤差決定是否修正該溫度補償模型，其中N為大於1的正整數。
如請求項3的加工機熱補償控制系統，其中該控制器計算該N筆最新的歷史誤差的一誤差平均值，並判斷該誤差平均值是否屬於一第二誤差範圍，當該誤差平均值不屬於該第二誤差範圍時，該控制器決定修正該溫度補償模型。
如請求項3的加工機熱補償控制系統，其中該控制器更計算該N筆最新的歷史誤差的一誤差標準差，並判斷該誤差標準差是否大於一容許值，當該誤差標準差大於該容許值時，該控制器決定修正該溫度補償模型。
如請求項5的加工機熱補償控制系統，其中當該控制器決定修正該溫度補償模型時，該控制器依據該誤差標準差修正該溫度補償模型。
如請求項4或6的加工機熱補償控制系統，其中當該控制器決定修正該溫度補償模型時，該控制器更依據該誤差平均值修正該溫度補償模型。
一種加工機熱補償方法，適於具有一刀具與一驅動器的一加工機，所述方法包括以下步驟：偵測該刀具的一刀長；偵測該刀具或該驅動器的一量測溫度；從一加工指令取得一轉速指令，依據該轉速指令、一溫度補償模型、該刀長與該量測溫度產生一誤差補償指令，並依據該加工指令與該誤差補償指令產生一控制信號；或者取得一轉速值，依據該轉速值、該溫度補償模型、該刀長與該量測溫度產生該誤差補償指令，並依據該加工指令與該誤差補償指令產生該控制信號；依據該控制信號驅動該刀具以對一工件加工；量測該工件的一加工誤差；以及依據該加工誤差決定是否修正該溫度補償模型。
如請求項8的加工機熱補償方法，其中依據該加工誤差決定是否修正該溫度補償模型的步驟，係判斷該加工誤差是否屬於一第一誤差範圍，當該加工誤差不屬於該第一誤差範圍時，決定修正該溫度補償模型。
如請求項8的加工機熱補償方法，其中於依據該加工誤差決定是否修正該溫度補償模型的步驟中，包括：多次記錄該加工誤差以得到多筆歷史誤差；以及依據該些歷史誤差中，N筆最新的歷史誤差決定是否修正該溫度補償模型，其中N為大於1的正整數。
如請求項10的加工機熱補償方法，其中於依據該N筆最新的歷史誤差決定是否修正該溫度補償模型的步驟中包括：計算該N筆最新的歷史誤差的一誤差平均值；判斷該誤差平均值是否屬於一第二誤差範圍；以及當該誤差平均值不屬於該第二誤差範圍時，決定修正該溫度補償模型。
如請求項10的加工機熱補償方法，其中於依據該N筆最新的歷史誤差決定是否修正該溫度補償模型的步驟中包括：計算該N筆最新的歷史誤差的一誤差標準差；判斷該誤差標準差是否大於一容許值；以及當該誤差標準差大於該容許值時，決定修正該溫度補償模型。
如請求項12的加工機熱補償方法，其中當決定修正該溫度補償模型時，更包括依據該誤差標準差修正該溫度補償模型。
如請求項11或13的加工機熱補償方法，其中當決定修正該溫度補償模型時，更包括依據該誤差平均值修正該溫度補償模型。