TWI675718B - 工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法 - Google Patents

工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法 Download PDF

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周國華
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廖建智
Chien-Chih Liao
王仁傑
Jen-Ji Wang
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Abstract

一種工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法。根據一加工件的重量設定傳動系統的一第一加速度，並以第一加速度驅動工作平台以及加工件。根據加工件的重量計算傳動系統以第一加速度傳動時之一第一彈性變形量。根據傳動系統回授的位置訊號計算傳動系統以第一加速度傳動時之一第一位置誤差量。根據第一彈性變形量及第一位置誤差量計算一動態誤差值。當動態誤差值小於或大於目標誤差值，設定一第二加速度至傳動系統，且重新計算傳動系統以第二加速度傳動時之一第二彈性變形量以及一第二位置誤差量，使動態誤差值收斂至目標誤差值。

Description

工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方 法
本發明是有關於一種工具機的加速度調整方法，且特別是有關於一種工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法。
目前工具機的主要機能包括高速與高精度的切削，隨著控制器發展的日新月異，調整軸向加工參數可使工具機達到高速與高精度的要求。然而，一般工具機廠商於廠內初始調校的參數，在實際運用上會因加工件重量的不同而改變，以致於影響工具機所呈現出來的速度與精度。此外，在得知或估算出加工件重量的前提下，調校人員可透過試誤法調校出工具機在某一工作範圍內的工作參數，然而上述調校方法耗時且需透過調校人員以人工反覆操作多次，影響整體的工作效率。
本發明是有關於一種工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法，可根據該加工件的重量暫時設定一加速度參數，再啟動工具機的操作，以實際計算傳動系統的彈性變形量及回授的位置誤差量。經過多次回授控制之後，系統可自動得知加速度參數與加工件的重量之間的關係，藉以找出最佳化的加速度參數。
根據本發明之一方面，提出一種工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法，適於建立於一工具機中，工具機包括一傳動系統以及一工作平台，此方法包括下列步驟。根據一加工件的重量設定傳動系統的一第一加速度，並以第一加速度驅動工作平台以及加工件。根據加工件的重量計算傳動系統以第一加速度傳動時之一第一彈性變形量。根據傳動系統回授的位置訊號計算傳動系統以第一加速度傳動時之一第一位置誤差量。根據第一彈性變形量及第一位置誤差量計算一動態誤差值，並判斷動態誤差值是否等於一目標誤差值，當動態誤差值小於或大於目標誤差值，設定一第二加速度至傳動系統，且重新計算傳動系統以第二加速度傳動時之一第二彈性變形量以及一第二位置誤差量，使動態誤差值收斂至目標誤差值。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100‧‧‧工具機
102‧‧‧控制器
103‧‧‧上位控制器
110‧‧‧重量估算模組
111‧‧‧加工件的重量
112‧‧‧傳動系統
113‧‧‧現階段加速度
114‧‧‧工作平台
115‧‧‧彈性變形量
116‧‧‧變形量計算模組
117‧‧‧最大位置誤差
118‧‧‧訊號量測模組
119‧‧‧最大動態誤差
120‧‧‧加速度參數設定模組
121‧‧‧下階段加速度
122‧‧‧最佳加速度
D1‧‧‧等加速度時間區域
D2‧‧‧等速度時間區域
Ta‧‧‧等加速度平均電流訊號
Tv‧‧‧等速度平均電流訊號
T0‧‧‧空載電流
T1‧‧‧負載電流
第1圖繪示依照本發明一實施例之工具機的操作系統的示意圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例之工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法的示意圖。
第3A圖繪示工具機的傳動系統的軸向加速度與進給速度的示意圖。
第3B圖繪示根據工具機的空載電流及負載電流估算加工件的重量的示意圖。
第4圖繪示重量估算結果的示意圖。
第5圖繪示重量估算誤差百分比的示意圖。
第6圖繪示工具機經過回授控制找出最佳加速度參數的示意圖。
第7圖繪示根據回授的位置訊號計算最大位置誤差的示意圖。
第8圖繪示加工件重量與加速度的關係的示意圖。
以下提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考所附圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
依照本發明之一實施例，提出一種工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法，可藉軟體、硬體或其組合之方式建立於電腦數值控制(Computer Numerical Control,CNC)工具機中實施，例如是車床、銑床等單軸或多軸加工的工具機，藉以調校出符合加工條件的軸向加速度參數。軸向加速度參數的設定與加工件的重量、馬達電流的回授、進給速度的回授以及位置誤差的回授控制有關，本實施例可透過自動評估加工件的重量，並藉由計算傳動系統的彈性變形量及回授的位置誤差量，找出加速度參數與加工件的重量之間的關係，藉以調校出最符合加工條件的軸向加速度參數。
彈性變形量例如是加工件的負載重量對傳動系統造成的彈性變形，也就是說，工具機負載運轉時對傳動系統的螺桿、螺帽、軸承和聯軸器等造成的彈性變形。一般而言，加工件的負載重量愈高，相對產生的彈性變形量也愈高。
請參照第1圖，依照本發明之一實施例，當一加工件負載特性判斷及加速度調整方法完成建立於一工具機100中後，舉例可包括一重量估算模組110、一傳動系統112、一工作平台114、一變形量計算模組116、一訊號量測模組118以及一加速度參數設定模組120。重量估算模組110用以估算一加工件的重量111。傳動系統112受控於一控制器102，工作平台114設置於傳動系統112上，用以承載加工件，並以傳動系統112驅動。變形量計算模組116用以計算傳動系統112的一彈性變形量115。訊號量 測模組118用以量測傳動系統112的電氣訊號，電氣訊號例如馬達的電流訊號、進給速度、軸向加速度、位置訊號以及位置誤差量等。加速度參數設定模組120用以設定一最佳加速度參數。
請一併參照第1及2圖，本揭露之工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法在建立於工具機100之後，可包括下列步驟S11-S17。在步驟S11中，估算一加工件的重量111。在步驟S12中，根據加工件的重量111設定傳動系統112的一第一加速度，並以第一加速度驅動工作平台114以及加工件。在步驟S13中，根據加工件的重量111計算傳動系統112以第一加速度傳動時之一第一彈性變形量115。在步驟S14中，根據傳動系統112回授的位置訊號計算傳動系統112以第一加速度傳動時之一第一位置誤差量。在步驟S15中，根據第一彈性變形量及第一位置誤差量計算一動態誤差值，並判斷動態誤差值是否等於一目標誤差值。當動態誤差值等於目標誤差值時，則以現階段的加速度做為一最佳化參數。在步驟S16中，當動態誤差值小於或大於目標誤差值時，加速度參數設定模組120設定一第二加速度至傳動系統112。在步驟S17中，傳動系統112以第二加速度驅動工作平台114以及加工件，變形量計算模組116及訊號量測模組118重新計算傳動系統112以第二加速度傳動時之一第二彈性變形量以及一第二位置誤差量，使動態誤差值收斂至目標誤差值。
請參照第1圖，在步驟S11中，重量估算模組110可根據馬達的電流訊號估算加工件的重量111。例如：傳動系統 112在空載的情況下，驅動工作平台114沿著軸向移動一固定距離(例如從A點移動至B點)，接著，傳動系統112在負載加工件的情況下，驅動工作平台114沿著軸向移動一固定距離(例如從A點移動至B點)。分別計算傳動系統112於空載及負載時，馬達的空載電流T0及負載電流T1，以建立加工件的重量111與空載電流T0及負載電流T1的關係。
請參照第3A及3B圖，定義等加速度時間區域D1中的一穩定電流訊號為等加速度平均電流訊號Ta，定義等速度時間區域D2中的一穩定電流訊號為等速度平均電流訊號Tv，利用T=Ta-Tv關係獲得空載電流T0及負載電流T1。將空載電流T0及負載電流T1帶入
Figure TWI675718B_D0001
關係式中，估算加工件的重量111，其中△M為加載前後的重量變化(即加工件的重量111)，A為軸向加速度，p為螺紋節距，K為扭力常數。相關內容說明如下：
傳動系統112的伺服馬達驅動工作平台114產生直線運動時，伺服馬達加速時的扭力(τ)需要克服傳動系統112的慣性(J)、工作平台114直線運動所需要的負載扭矩(Tload)及摩擦扭矩(Tf)，α為角加速度，如下式(1)表示：τ=J×α+Tload+Tf (1)
上述式(1)中負載扭矩(Tload)表示伺服馬達旋轉一圈的扭矩相當於推動工作平台114時產生直線移動一個螺紋節距(pitch)的推力(F)，推力(F)由加工件的重量111與工作平台114的軸向加速度A決定，如下式(2)、(3)表示： Tload×2π=F×pitch (2)
F=△M×A (3)
上述式(1)中，伺服馬達以等速度驅動工作平台114及加工件時，負載扭矩(Tload)為零，角加速度α為零，因此，馬達等速度時的扭力等於摩擦扭矩(Tf)，即τ=Tf。
為了精確得到加工件負載重量(△M)，需確認馬達電氣訊號的穩定度、可信度及可重現性。由於傳動系統112受到伺服馬達瞬間加減速(Jerk)時產生位置誤差(Error)，伺服馬達等加速時伺服迴路接收位置誤差(Error)給予位置補償，補償位置誤差(Error)收斂到零，穩定的電氣訊號定義由位置誤差(Error)等於零之區域作為判斷。因此，在本實施例中，可選擇等加速度時間區域D1中的一穩定電流訊號(即Ta)以及等速度時間區域D2中的一穩定電流訊號(即Tv)來計算空載電流T0及負載電流T1。
由於工作平台114負載前後傳動系統112不變，伺服馬達驅動工作平台114產生直線運動，負載電流(T1)時的力矩減去空載電流(T0)時的力矩造成傳動系統112的慣性(J)及摩擦扭矩(Tf)抵銷，此時，可得到式(1)的關係式K(T1-T0)=△M×
Figure TWI675718B_D0002
，並利用此關係式計算加工件的重量111(△M)。
請參照第4圖及第5圖，以四個標準重量(每塊250公斤)的荷重塊模擬加工件的重量，並根據上述步驟各別量測工作平台114上負載250公斤、500公斤、750公斤、1000公斤時的 空載電流(T0)和負載電流(T1)，以估算加工件的重量111(△M)。得到的加工件的重量估算結果及重量估算誤差百分比如第4圖及第5圖所示，以250公斤荷重塊進行估算，估算結果為258.5公斤、誤差3.4%。以500公斤荷重塊進行估算，估算結果為474.9公斤，以750公斤荷重塊進行估算，估算結果為729.9公斤，以1000公斤荷重塊進行估算，估算結果為973.7公斤，估算誤差均可控制在2%~10%之間。
上述利用馬達空載電流(T0)及負載電流(T1)估算加工件的重量111，可使系統達到自動化流程的需求，減少調校人員反覆調校的時間及負擔，以提高整體的工作效率。但在另一實施例中，估算加工件的重量111不限定以上述的方式，亦可採用磅秤量測加工件的重量111。
請參照第2及6圖，在步驟S12中，控制器102可根據加工件的重量111設定傳動系統112的一第一加速度，即現階段加速度113，並以第一加速度驅動工作平台114以及加工件。在一實施例中，控制器102可根據工具機100的初始加工參數或使用者自訂的參數來設定第一加速度。
之後，在步驟S13中，變形量計算模組116可根據加工件的重量111計算傳動系統112以第一加速度傳動時之一第一彈性變形量，即彈性變形量115(δ)。在步驟S14中，訊號量測模組118可根據傳動系統112回授的位置訊號計算傳動系統112以第一加速度傳動時之一第一位置誤差量，即位置誤差117中最大 者。在步驟S15中，加速度參數設定模組120可根據第一彈性變形量115及第一位置誤差量計算一動態誤差值，即最大動態誤差119，並判斷動態誤差值是否等於一目標誤差值(EG)。
請參照第7圖，位置誤差117會受到加速度影響，當加速度改變時，位置誤差量也會隨之增加，當加速度為零時，位置誤差量會收斂至零。在第7圖中，最大位置誤差為最左側的位置誤差117。
依照一實施例，估算重量(加工件的重量111)、彈性變性量115、最大位置誤差117、最大動態誤差119以及最佳加速度122之間的關係表如下：
如上述關係表所示，彈性變形量115(δ)與最大位置誤差117之和為最大動態誤差119，當最大動態誤差119等於目標誤差值(EG)時，表示現階段加速度113為最佳加速度122。當最大動態誤差119小於或大於目標誤差值(EG)時，表示現階段加速度113並非最佳加速度122，因此必須根據最大動態誤差119 (Error)、現階段加速度(A1)與目標誤差值(EG)關係計算下階段加速度(A2)，其關係式如下
Figure TWI675718B_D0004
。
在步驟S16中，加速度參數設定模組120根據上述的關係式設定一第二加速度至傳動系統112。也就是說，第二加速度與第一加速度之比值等於目標誤差(EG)與動態誤差值的比值。
在步驟S17中，傳動系統112以第二加速度驅動工作平台114以及加工件，並經由重新計算傳動系統112以第二加速度傳動時之彈性變形量115(δ)與最大位置誤差117，以判斷最大動態誤差119是否等於目標誤差值(EG)。若最大動態誤差119仍不等於目標誤差值(EG)時，再經過回授控制，得到下階段加速度121，直到動態誤差值收斂至目標誤差值為止。
請參照第6圖，其繪示工具機100經過回授控制找出最佳化加速度參數的示意圖。變形量計算模組116根據加工件的重量111計算傳動系統112的彈性變形量115(δ)。根據虎克定律與牛頓第二運動定律，傳動系統112的鋼材在工程應用中可視為線彈性材料，其彈性係數為K，傳動系統112受到馬達的加速度的推力，推力與彈性變形量115(δ)呈線性關係，由於推力等於傳動系統112的質量與加速度的乘積，因此，彈性變形量115(δ)與加工件的重量111(△M)的關係式如下：
Figure TWI675718B_D0005
。
在第6圖中，根據上述關係式，將加工件的重量111(△M)輸入至變形量計算模組116中，計算傳動系統112於現階段加速度113下的彈性變形量115(δ)。之後，加速度參數設定模 組120再根據彈性變形量115(δ)與最大位置誤差117之和與目標誤差之差值來決定現階段加速度113是否為最佳加速度122。此外，上位控制器103可將下階段加速度121的參數傳回控制器102的伺服迴路中，下階段加速度121經過電流回授、速度回授及位置回授的運算後變成現階段加速度113，依此循環，直到最大動態誤差119收斂至目標誤差值(EG)為止。
請參照上述關係表，假設目標誤差(EG)等於12μm，根據上述加工件的重量111估算結果(258.5公斤、474.9公斤、729.9公斤、973.7公斤)加速度參數設定模組120調整最佳加速度122，以得到加工件的重量111與最佳加速度122的關係圖，如第8圖所示。此外，根據上述關係表可知，不同加工件重量在目標誤差(EG)，隨著加工件的估算重量越大時，傳動系統112的彈性變形量115越大，最佳加速度122越小。
本發明上述實施例所揭露之工具機及其的加速度控制及調整方法，可根據該加工件的重量暫時設定一加速度參數，再啟動工具機的操作，以實際計算傳動系統的彈性變形量及回授的位置誤差量。經過多次回授控制之後，系統可自動得知加速度參數與加工件的重量之間的關係，藉以找出最佳化的加速度參數。因此，本實施例之控制方法可適用於各種工具機及其控制器的參數調整，達到自動化調整最佳加速度參數的目的。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者， 在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (6)

  1. 一種工具機的加工件負載特性判斷及加速度調整方法，適於建立於一工具機中，該工具機包括一傳動系統以及一工作平台，該方法包括：根據一加工件的重量設定該傳動系統的一第一加速度，並以該第一加速度驅動該工作平台以及該加工件；根據該加工件的重量計算該傳動系統以該第一加速度傳動時之一第一彈性變形量；根據該傳動系統回授的位置訊號計算該傳動系統以該第一加速度傳動時之一第一位置誤差量；以及根據該第一彈性變形量及該第一位置誤差量計算一動態誤差值，並判斷該動態誤差值是否等於一目標誤差值，當該動態誤差值小於或大於該目標誤差值時，設定一第二加速度至該傳動系統，且重新計算該傳動系統以該第二加速度傳動時之一第二彈性變形量以及一第二位置誤差量，使該動態誤差值收斂至該目標誤差值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中設定該第一加速度之前，更包括根據該傳動系統的馬達的電流訊號估算該加工件的重量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中根據等加速度時間區域中的一平均電流訊號以及等速度時間區域中的一平均電流訊號的差值，計算該馬達的空載電流及負載電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中設定該第一加速度之前，更包括以一磅秤量測該加工件的重量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二加速度與該第一加速度之比值等於該目標誤差與該動態誤差值的比值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該加工件的重量與該第一加速度的乘積與該彈性變形量呈線性關係。
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