TWI690693B - 用以量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法及超音波振動量測模組 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用以量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法，其包含：將至少二壓電材料裝設於旋轉物件上；當使用旋轉物件進行加工時，施加一電能於至少二壓電材料其中之一，使至少二壓電材料其中之一驅動該旋轉物件以產生一超音波振動；以及利用一感測器接收並量測至少二壓電材料其中之另一於加工期間因超音波振動所產生之一電流，藉此推算旋轉物件於加工期間實質具有之超音波振動頻率。

Description

用以量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法及超音波振動量測模組

本發明係關於一種量測超音波振動的方法及模組；更詳細而言，係關於一種用以量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法及模組。

隨著科技的進步，越來越多產品採用自動化生產，這使得精密加工機械成為不可或缺的要角，當中又以CNC（Computer Numerical Control；電腦數值控制）工具機最為一般人所熟知，其便係利用刀具精準定位、旋轉以切削及研磨原料使之成型。

為因應加工物件的材質差異及加工品質之要求，有些CNC工具機可於加工過程產生超音波振動，以更輕易地加工高硬度及脆性材料，同時藉此延長刀具之使用壽命。

一般而言，可施加超音波振動之工具機能預先設定期望搭載之超音波振動頻率，但在作動時，其刀具所實際輸出之超音波振動仍會因刀具的重量、密度、或是加工物件的材質、加工方式及加工路徑等因素而有所變化。

不同刀具擁有不同的最佳超音波振動工作頻率，倘若能於加工過程中使刀具始終處於最佳的超音波振動範圍，便能夠有效延長刀具的使用壽命且同時提高被加工物件的加工品質，因此如何於加工過程中監控刀具實際輸出的超音波振動、同時進行相應的調整，便成為眾多廠商欲達成之目標。

實務上，鑒於一般用以量測振動頻率之感測器皆需透過實體的電線迴路來進行訊號的接收，一旦將此類電線迴路安裝於不斷旋轉的刀具上，其便會因為旋轉絞斷而無法使用。又，雖有部分廠商嘗試著於工具機機體或加工物件等不會旋轉的部位放置感測器以取代會旋轉的刀具，從而間接地測量刀具之超音波振動，但因放置位置與刀具有段距離，故測得之超音波振動數值與刀具之實際振動頻率仍存有誤差。再者，有廠商雖提出可採用光學方式進行檢測，但其僅適用於刀具尚未切削料件前所具有之超音波振動頻率，一旦刀具開始進行切削作業，刀具於作業時所產生之廢料、或是作動期間所噴塗之冷卻液，都將嚴重影響光學檢測之正確性，故此種方式亦無法獲得刀具於實際作動所輸出的超音波振動。

有鑑於此，如何提供一種量測超音波振動的方法及模組以改善上述缺失，乃為業界待解決的問題。

本發明之一目的在於提供一種量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法。

為達上述目的，本發明所提出之量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法，包含下列步驟：（a）將至少二壓電材料裝設於旋轉物件上；（b）當使用旋轉物件進行加工時，施加一電能於至少二壓電材料其中之一，使至少二壓電材料其中之一驅動旋轉物件以產生一超音波振動；以及（c）利用一感測器接收並量測至少二壓電材料其中之另一於加工期間因超音波振動所產生之一電流，藉此推算旋轉物件於加工期間實質具有之超音波振動頻率。

本發明之又一目的在於提供一種超音波振動量測模組，其可量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動。超音波振動量測模組包含至少二壓電材料及一感測器。至少二壓電材料設置於旋轉物件上，且至少二壓電材料其中之一係於加工期間驅動旋轉物件以產生一超音波振動。感測器用以接收並量測至少二壓電材料其中之另一於加工期間因超音波振動所產生之一電流，使該電流可用以推算該旋轉物件於加工期間實質具有之超音波振動頻率。

為達上述目的，本發明所提出之量測方法及模組中，至少二壓電材料係為一第一壓電材料及一第二壓電材料，第一壓電材料用以驅動旋轉物件以產生該超音波振動，且第二壓電材料適可因超音波振動而產生電流。

為達上述目的，本發明所提出之量測方法及模組中，旋轉物件係為一電腦數值控制（Computer Numerical Control；CNC）工具機之刀柄或夾頭。

為達上述目的，本發明所提出之量測方法及模組中，感測器係藉由電磁感應原理，以非接觸方式獲得電流。

為達上述目的，本發明所提出之量測方法及模組中，感測器係與至少二壓電材料其中之另一電性連接以獲得電流。

為讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以較佳之實施例配合所附圖式進行詳細說明。

如第1圖所示，本發明係關於一種量測一旋轉物件110於加工期間所具有之超音波振動的方法，其可包含下列步驟。

如步驟S1所示，將至少二壓電材料120裝設於旋轉物件110上。接著，如步驟S2所示，當使用旋轉物件110進行加工時，施加一電能E於至少二壓電材料120其中之一，使該至少二壓電材料其中之一驅動旋轉物件110以產生一超音波振動V。最後，如步驟S3所示，利用一感測器130接收並量測至少二壓電材料120其中之另一於加工期間因該超音波振動V所產生之一電流I，藉此推算旋轉物件110於加工期間實質具有之超音波振動頻率F。

實際操作上，本發明之量測對象通常係為一旋轉物件。以下說明將以CNC工具機作為示例，但不以此作為限制。詳細而言，旋轉物件110可係為CNC工具機之刀柄或夾頭，其於運作時可夾設一銑刀，使銑刀旋轉以切削及研磨待加工之物件。

為方便理解，將同時輔以可執行此量測方法之超音波振動量測模組進行說明。如第2圖之電路示意圖所示，首先，為避免電線直接連接旋轉物件110而旋繞打結、絞斷，於一較佳實施例中，乃是使至少二壓電材料120包含一第一壓電材料122及一第二壓電材料124，且第一壓電材料122及第二壓電材料124分別設置於旋轉物件110之一下側及一上側。

如第2圖所示，本發明之超音波振動量測模組更包含一第一接收端142、一第一發送端144、一第二發送端152及一第二接受端154。第一接收端142與第二發送端152同樣設置於旋轉物件110之一下側及一上側，且分別與第一壓電材料122及第二壓電材料124電性連接；第一發送端144與第二接受端154則皆以非接觸方式設置於旋轉物件110之外圍，使第一發送端144對應於第一接收端142設置，且第二接受端154對應於第二發送端152設置。

如第3圖所示，當使位於左下方之第一發送端144的電路導通後，具有（交流）電能E的第一發送端144便可藉由電磁感應原理以非接觸方式使位在旋轉物件110上的第一接收端142產生一第一感應電流I1，接著使第一感應電流I1通過第一壓電材料122產生形變，從而驅動旋轉物件110產生一超音波振動V。

當旋轉物件110產生超音波振動V的同時，位於旋轉物件110上側的第二壓電材料124則相應地產生形變而輸出一電流I於第二發送端152。此時，對應於第二發送端152設置之第二接受端154便可同樣藉由電磁感應原理產生一第二感應電流I2於第二接受端154內，並透過與第二接受端154電性連接之感測器130來讀取及記錄第二感應電流I2。

如此一來，便可利用第二感應電流I2透過適當的換算得出第二壓電材料124因形變所輸出之電流I的數值，從而推導出旋轉物件110於加工期間實質具有之超音波振動頻率F。適以，後續使用者便可將此實質具有之超音波振動頻率F作為依據，藉此調整初始輸入的電能E以將旋轉物件110之超音波振動維持在最佳工作頻率，從而延長旋轉物件110之使用壽命並提升加工品質與效率。

上述實施例之感測器130雖係藉由電磁感應原理以非接觸方式進行電流I之量測，然於其他實施態樣時，亦可使感測器130以例如電刷結構與第二壓電材料124電性連接來進行電流I之量測。如此一來，即便第二壓電材料124會隨著旋轉物件110進行旋轉，該電刷結構也不會出現電線迴路因旋轉而絞斷之問題。

需說明的是，第2圖所示之超音波量測模組僅用以例示一較佳實施態樣，但並非用此作為限制。換言之，本發明之超音波量測模組更可具有二組以上之壓電材料，以更方便的因應旋轉物件之替換或加工物件的不同而隨時調整工具機之最佳超音波振動頻率。

綜合上述，本發明之量測方法或模組，可藉由至少二壓電材料之設置，直接量測到工具機所具有之旋轉物件在加工期間實質具有之超音波振動頻率。如此一來，將可供使用者更方便且精確地維持工具機於加工時之超音波振動，藉此提升或維持加工品質，同時有效延長旋轉物件（於CNC工具機中係刀柄或夾頭）之壽命。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

S1、S2、S3:步驟 110:旋轉物件 120:壓電材料 122:第一壓電材料 124:第二壓電材料 130:感測器 142:第一接收端 144:第一發送端 152:第二發送端 154:第二接受端 I:電流 I1:第一感應電流 I2:第二感應電流 E:電能 V:超音波振動 F:實質具有之超音波振動頻率

第1圖為本發明之用以量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法之步驟圖； 第2圖為本發明之超音波振動量測模組設置於旋轉物件時之電路示意圖；以及 第3圖為第2圖之超音波振動量測模組於加工期間之電路示意圖。

110:旋轉物件

120:壓電材料

122:第一壓電材料

124:第二壓電材料

130:感測器

142:第一接收端

144:第一發送端

152:第二發送端

154:第二接受端

I:電流

I1:第一感應電流

I2:第二感應電流

E:電能

V:超音波振動

Claims (10)

1. 一種用以量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動的方法，包含下列步驟： 將至少二壓電材料裝設於該旋轉物件上； 當使用該旋轉物件進行加工時，施加一電能於該至少二壓電材料其中之一，使該至少二壓電材料其中之一驅動該旋轉物件以產生一超音波振動；以及 利用一感測器接收並量測該至少二壓電材料其中之另一於加工期間因該超音波振動所產生之一電流，藉此推算該旋轉物件於加工期間實質具有之超音波振動頻率。
2. 如請求項1所述之方法，其中該至少二壓電材料係為一第一壓電材料及一第二壓電材料，該第一壓電材料用以驅動該旋轉物件以產生該超音波振動，且該第二壓電材料適可因該超音波振動而產生該電流。
3. 如請求項1所述之方法，其中該旋轉物件係為一電腦數值控制（Computer Numerical Control；CNC）工具機之刀柄或夾頭。
4. 如請求項1所述之方法，其中該感測器係藉由電磁感應原理，以非接觸方式獲得該電流。
5. 如請求項1所述之方法，其中該感測器係與該至少二壓電材料其中之另一電性連接以獲得該電流。
6. 一種超音波振動量測模組，係用以量測一旋轉物件於加工期間所具有之超音波振動，包含： 至少二壓電材料，設置於該旋轉物件上，且該至少二壓電材料其中之一係於加工期間驅動該旋轉物件以產生一超音波振動；以及 一感測器，用以接收並量測該至少二壓電材料其中之另一於加工期間因該超音波振動所產生之一電流； 其中，該電流適可用以推算該旋轉物件於加工期間實質具有之超音波振動頻率。
7. 如請求項6所述之超音波振動量測模組，其中該至少二壓電材料係為一第一壓電材料及一第二壓電材料，該第一壓電材料用以驅動該旋轉物件以產生該超音波振動，且該第二壓電材料適可因該超音波振動而產生該電流。
8. 如請求項6所述之超音波振動量測模組，其中該旋轉物件係為一電腦數值控制工具機之刀柄或夾頭。
9. 如請求項6所述之超音波振動量測模組，其中該感測器係藉由電磁感應原理，以非接觸方式獲得該電流。
10. 如請求項6所述之超音波振動量測模組，其中該感測器係與該至少二壓電材料其中之另一電性連接以獲得該電流。

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