TWI704434B - 鑽削系統及其方法 - Google Patents

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TWI704434B TW108144073A TW108144073A TWI704434B TW I704434 B TWI704434 B TW I704434B TW 108144073 A TW108144073 A TW 108144073A TW 108144073 A TW108144073 A TW 108144073A TW I704434 B TWI704434 B TW I704434B
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Abstract

一種鑽削系統，包括進刀控制模組、力量控制模組、破孔控制模組、轉換模組與運算單元。進刀控制模組設定進刀力量閥值以及進刀速度閥值，以供運算單元判斷是否滿足第一轉換條件。破孔控制模組設定鑽穿力量閥值以及鑽穿速度閥值，以供運算單元判斷是否滿足第二轉換條件。轉換模組根據第一轉換條件及第二轉換條件的判斷結果，通知改變進刀力量與進給速度。力量控制模組則提供該進刀力量。藉本系統以緩衝鑽削刀具在剛接觸工件與剛鑽穿工件時因為阻抗變化而對工件的衝擊。

Description

鑽削系統及其方法
本發明是有關於一種鑽削系統，且特別是有關於一種複合材料之鑽削系統及其方法。
複合材料具備質輕、高強度等優勢，近年來已大量應用於航太產業與汽車零組件，而產業用複合材料大多由碳纖維、強化聚酯等材料逐層疊成，加工過程常會因為鑽削力過大而使複合材料有脫層(delamination)現象或毛刺(burr)產生。脫層現象不只會降低複合材料的使用壽命，若是應用在飛行載具上，更是有安全性的疑慮，所以如何改善複合材料因加工過程所導致的脫層現象或毛刺產生是一個很重要的課題。
本發明係有關於一種鑽削系統及其方法，以近似人工鑽削的方式控制鑽削力及進給速度，達到進刀衝擊小、鑽削過程力量穩定，以及鑽穿工件的穿透力小的效果。另外，在刀具剛與工件接觸時，鑽削系統還可鑑別工件的材料種類，並依照鑑別的材料選擇適當的鑽削參數進行加工，以消除複合材料脫層或毛刺情形發生。
根據本發明之一實施例之一種鑽削系統，包括進刀控制模組、力量控制模組、破孔控制模組、轉換模組及運算單元。進刀控制模組設定進刀力量閥值以及進刀速度閥值，以供運算單元判斷是否滿足第一轉換條件。破孔控制模組設定鑽穿力量閥值以及鑽穿速度閥值，以供運算單元判斷是否滿足第二轉換條件。轉換模組根據第一轉換條件及第二轉換條件的判斷結果，改變進刀力量與進給速度。力量控制模組則提供進刀力量，並在第一轉換條件滿足下，提供一固定的進刀力量。
根據本發明之一方面，提出一種鑽削方法，包括下列步驟。根據進刀力量閥值以及進刀速度閥值，判斷是否滿足第一轉換條件，若是則提供一固定的進刀力量。再根據鑽穿力量閥值以及鑽穿速度閥值，判斷是否滿足第二轉換條件，若是則改變進刀力量與進給速度。
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：
10:刀具
20:工件
100:鑽削系統
110:加工平台
112:主軸馬達
114:進給模組
116:力感測器
118:阻尼器
120:阻抗控制模組
122:進刀控制模組
124:力量控制模組
126:破孔控制模組
128:材料鑑別模組
130:轉換模組
140:運算單元
150:儲存單元
f1:進刀力量閥值
v1:進刀速度閥值
f2:鑽穿力量閥值
v2:鑽穿速度閥值
A1:進刀點
A2:出刀點
S1:阻抗控制模式
S2:定力鑽削模式
T1:平滑曲線比例切換機制
第1圖繪示依照本發明一實施例的加工平台的示意圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例的鑽削系統與加工平台的連接示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施例的鑽削方法的流程圖。
第4圖繪示依照本發明一實施例的刀具鑽削過程的示意圖。
第5圖繪示第4圖的刀具鑽削過程的力量控制的示意圖。
第6及7圖分別繪示第4圖的刀具鑽削過程的閥值設定的示意圖。
以下係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，提出一種鑽削系統及其方法，可結合阻抗控制與PID力量平滑化控制的方式，將目前模式由阻抗控制模式轉換至定力鑽削模式，以及再由定力鑽削模式轉換至阻抗控制模式，以控制鑽削力或進刀力量及進給速度，達到近似人工鑽削的效果。另外，在一實施例中，當刀具剛與工件接觸時，鑽削系統還可透過機械學習鑑別出工件的材料種類，並依照鑑別結果決定各鑽削參數，使鑽削效果更為顯著，並可抑制複合材料的脫層現象或毛刺發生，以提高工件加工品質。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例的加工平台110的示意圖。在硬體方面，本發明的鑽削系統100連接加工平台110以進行加工，此加工平台110承載主軸馬達112、進給模組114、力感測器116以及阻尼器118。加工平台110並被 固定於機台上或機械手臂(圖未繪示)上進行加工。刀具10設置於主軸馬達112上，刀具10例如是切削刀具、鑽孔刀具、銑刀或搪孔刀等，但不限制。主軸馬達112再設置於進給模組114上，以帶動刀具10旋轉及藉由進給模組114的驅動在一進給速度下作線性移動，對工件20(例如是複合材料)施予一進刀力量以進行加工。此外，力感測器116設置於加工平台110上，用以感測刀具10接觸工件20時的鑽削阻力或反作用力。另外，阻尼器118連接於加工平台110與進給模組114之間，提供一阻尼到主軸馬達112，用以緩衝刀具10剛接觸工件20時與刀具10將鑽穿工件20時的鑽削阻力或反作用力，以減少進刀衝擊。
在一實施例中，進給模組114例如為線性馬達或導螺桿。進給模組114不限定為單軸向進給單元，也可以是多軸向或多自由度進給單元。在一實施例中，進給模組114例如設置於一預壓模組(圖未繪示)上，預壓模組連接加工平台110，以使加工平台110可經由預壓模組施加一預壓力於工件20上。
此外，力感測器116例如為壓力感測器、位移感測器或電流感測器，而位移訊號或電流感測訊號可轉換為力感測訊號而得知目前加工狀態，以供鑽削系統100對應產生一虛擬阻抗，抵消主軸馬達112的震動或工件20的加工震動。阻尼器118例如為油壓缸、彈簧或其組合，但不限制。
請參照第2及3圖，其中第2圖繪示依照本發明一實施例的鑽削系統100與加工平台110的連接示意圖，第3圖繪 示依照本發明一實施例的鑽削方法的流程圖。在控制系統方面，鑽削系統100包括進刀控制模組122、力量控制模組124、破孔控制模組126、材料鑑別模組128、轉換模組130、運算單元140以及儲存單元150。其中，進刀控制模組122、力量控制模組124、破孔控制模組126、材料鑑別模組128及轉換模組130例如以控制電路或可程式化軟體實現，或以一特定應用積體電路(ASIC)實現，或以上述方式各自合併實現，但不限制。此外，運算單元140例如為處理器或電腦，儲存單元150例如為記憶體、硬碟或其他電腦可讀取媒體，但不限制。
當刀具10剛接觸工件20時，為了提高鑽削系統100及加工平台110的穩定度，在一實施例中，透過阻抗控制模組120及力量控制模組124來控制所需的鑽削力或進刀力量及進給速度，以達到近似人工鑽削的效果。以下針對鑽削系統100的阻抗控制模組120及力量控制模組124進一步描述。
請參照第2及3圖，步驟S10，開始進刀。在一實施例中，當刀具10未接觸工件20時，進刀控制模組122等速進給刀具10以執行阻抗控制模式S1(如第3圖的步驟S12)，直到接觸工件20為止。一旦刀具10接觸工件20時，進刀控制模組122因阻抗控制而提供一阻抗(例如是虛擬阻抗)到加工平台110或主軸馬達112，以軟化著陸衝擊，並設定刀具10往工件20進給的一進刀力量閥值f1以及一進刀速度閥值v1，以供運算單元140在接收刀具10當時的鑽削阻力與進給速度後，判斷刀具 10此時是否剛接觸工件20(鑽削阻力是否大於進刀力量閥值f1)，且刀具10剛接觸工件20後的進給速度是否小於進刀速度閥值v1(如第3圖的步驟S16所述的判斷目前模式是否滿足第一轉換條件)。上述的進刀力量閥值f1及進刀速度閥值v1可經由人機介面手動設定或自動設定而儲存於儲存單元150中。也就是說，使用者可根據刀具10的尺寸、種類、加工參數及工件20材料的不同而設定不同的進刀力量閥值f1及不同的進刀速度閥值v1。另外在刀具10未接觸工件20時，進刀控制模組122亦可不提供阻抗或不執行阻抗控制模式而改為加速進給刀具10以節省時間，本發明對此不加以限制。
在一實施例中，當刀具10一旦接觸工件20(鑽削阻力大於進刀力量閥值f1)，且刀具10接觸工件20後的進給速度小於進刀速度閥值v1時，即滿足第一轉換條件(即步驟S16的結果為是)，此時，轉換模組130用以將目前模式(阻抗控制模式S1)轉換至定力鑽削模式S2(如第3圖的步驟S18)。也就是說，通知由力量控制模組124執行定力鑽削模式S2(或改變刀具10的進刀力量與進給速度)，提供一固定的進刀力量使刀具10持續鑽削工件20直到刀具10即將鑽穿工件20為止。若不滿足第一轉換條件(即步驟S16的結果為否)，則重新回到步驟S12，再由進刀控制模組122繼續執行原阻抗控制模式S1。轉換模組130可合併於運算單元140內實施。
接著，請參照第2及3圖，在一實施例中，當刀具 10將鑽穿工件20時，破孔控制模組126用以提供另一阻抗(例如是虛擬阻抗)，以減緩刀具10因為瞬間鑽穿工件20的能量產生變化，並設定刀具10鑽穿工件20的一鑽穿力量閥值f2以及一鑽穿速度閥值v2，以供運算單元140判斷刀具10將鑽穿工件20的鑽削阻力是否小於鑽穿力量閥值f2，且刀具10將鑽穿工件20的進給速度是否大於鑽穿速度閥值v2(如第3圖的步驟S20所述的判斷目前模式是否滿足第二轉換條件)。上述的鑽穿力量閥值f2及鑽穿速度閥值v2可經由人機介面手動設定或自動設定而儲存於儲存單元150中。也就是說，使用者可根據刀具10的尺寸、種類、加工參數及工件20材料的不同而設定不同的鑽穿力量閥值f2及不同的鑽穿速度閥值v2，本發明對此不加以限制。
在一實施例中，當刀具10將鑽穿工件20時的鑽削阻力小於鑽穿力量閥值f2且刀具10將鑽穿工件20的進給速度大於鑽穿速度閥值v2，即滿足第二轉換條件(即步驟S20的結果為是)時，轉換模組130則將目前模式(定力鑽削模式S2)轉換至一新阻抗控制模式(如第3圖的步驟S22)或原阻抗控制模式S1，最後完成鑽穿工件20(如第3圖的步驟S24)。也就是說，通知並改由破孔控制模組126執行阻抗控制模式或改變刀具10的進刀力量與進給速度(如第3圖的步驟S22)。若不滿足第二轉換條件(即步驟S20的結果為否)時，重新回到步驟S18，由力量控制模組124繼續執行定力鑽削模式S2。在一實施例中，力量控制模組124例如包括一比例-積分-微分控制器(PID)以平滑化 該進刀力量隨時間之變化。
由上述的說明可知，轉換模組130可根據第一轉換條件及第二轉換條件，轉換目前所執行的模式，以近似人工鑽削的方式控制鑽削力及進給速度，達到進刀著陸衝擊小、鑽削過程力量穩定、及鑽穿工件20的穿透力小的效果。如第4及5圖所示，刀具10於進刀點A1時，可透過阻抗控制模式S1以軟化進刀著陸衝擊，再透過定力鑽削模式S2控制穩定進給，可使鑽削過程力量穩定，最後，刀具10於出刀點A2時，再切換成阻抗控制模式S1並藉由提供虛擬阻抗減緩能量變化，以使刀具10鑽穿工件20的穿透力變小，不致發生脫層現象。
此外，請參照第6及7圖，當刀具10剛接觸工件20時，進刀控制模組122根據進刀力量閥值f1與進刀速度閥值v1提供鑽削力及進給速度，再將阻抗控制模式S1透過平滑曲線比例切換機制T1轉換至定力鑽削模式S2，以避免轉換狀態切換時所導致鑽削力或進刀力量變化過大的問題。此平滑曲線比例機制T1是由力量控制模組124的比例-積分-微分控制器，將進刀力量隨時間的變化依比例方式加以平滑化，避免進刀力量變化過大造成衝擊與脫層現象。
另外，請參照第4及5圖，當刀具10剛接觸工件20時，會有進給速度減慢、鑽削阻力增加的現象發生，直到刀具10完全進入工件20內時，鑽削阻力大致上維持不變(使用PID力量平滑化控制)，當刀具10將鑽穿工件20時，會有進給速度 增快、鑽削阻力下降的現象發生，因此運算單元140可根據進刀力量閥值f1及進刀速度閥值v1判斷刀具10是否剛接觸工件20，同理並根據鑽穿力量閥值f2與鑽穿速度閥值v2判斷刀具10是否將鑽穿工件20。例如：可根據鑽削阻力減少50%且進給速度增加10%或20%等方式，設定鑽穿力量閥值f2與鑽穿速度閥值v2，但不限制。
請參照第4及5圖，當刀具10剛接觸工件20時，本鑽削系統100可選擇性地增加材料鑑別模組128以鑑定區別工件20的材料種類(如第3圖的步驟S14)，例如，每種複合材料所需的鑽削力或進刀力量皆不同，透過材料鑑別模組128可判斷出正確材料種類，並決定適當的進刀力量等加工參數。其中，材料鑑別模組128可透過類神經網路對工件20材料進行辨識，所輸入之鑽削力訊號可透過傅立葉級數建立三角函數，利用正交cos與sin函數疊加近似，並取出其特徵值輸入到類神經網路中，輸出則為目標進刀力量值。在一實施例中，類神經網路的輸入參數可包含加工參數(例如阻抗)、鑽削力訊號(例如鑽削阻力)與系統狀態(例如進給速度)，輸出為工件20的材料種類與加工參數，訓練類神經網路例如是將先前各種工件20材料的鑽削資料(例如鑽削資料庫)透過機械學習訓練取得。
由傅立葉級數(Fourier series)得知任何函數都可展開為三角級數如下：
Figure 108144073-A0305-02-0013-1
其中，A0,An及Bn為鑽削力係數，三角函數cos與sin在空間上為正交函數。當有足夠的正交基底，即可求出近似的鑽削力訊號，其鑽削力係數為鑽削力訊號的特徵值，以此特徵值作為輸入參數，取代原先一連串的訊號。
由上述的說明可知，鑽削系統100可透過鑑別目前的工件20的材料種類，並依照所鑑別出的工件20材料選擇適當的鑽削參數進行加工，以達到抑制複合材料脫層或毛刺發生。
此外，本實施例的鑽削系統100及其鑽削方法可應用在機械手臂加工系統中，透過阻抗控制及PID力量平滑化控制，機械手臂不會因為加工的反作用力的影響而產生變形或位移，因此可提高機械手臂加工系統的加工精度。
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。
10:刀具
20:工件
100:鑽削系統
110:加工平台
112:主軸馬達
114:進給模組
116:力感測器
118:阻尼器
120:阻抗控制模組
122:進刀控制模組
124:力量控制模組
126:破孔控制模組
128:材料鑑別模組
130:轉換模組
140:運算單元
150:儲存單元
f1:進刀力量閥值
v1:進刀速度閥值
f2:鑽穿力量閥值
v2:鑽穿速度閥值

Claims (11)

  1. 一種鑽削系統，適於連接加工平台，該加工平台設置刀具以加工工件，該鑽削系統包括：進刀控制模組，提供第一阻抗，並設定該刀具的進刀力量閥值以及進刀速度閥值以供判斷是否滿足第一轉換條件，該第一轉換條件為：該刀具的鑽削阻力大於該進刀力量閥值且該刀具的進給速度小於該進刀速度閥值；破孔控制模組，提供第二阻抗，並設定該刀具的鑽穿力量閥值以及鑽穿速度閥值以供判斷是否滿足第二轉換條件，該第二轉換條件為：該刀具的該鑽削阻力小於該鑽穿力量閥值且該刀具的該進給速度大於該鑽穿速度閥值；運算單元，判斷該鑽削阻力與該進給速度是否滿足該第一轉換條件或該第二轉換條件；力量控制模組，提供進刀力量到該刀具，並在該第一轉換條件滿足下，提供一固定的該進刀力量；以及轉換模組，根據對該第一轉換條件或對該第二轉換條件的判斷結果，通知改變該進刀力量與該進給速度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鑽削系統，更包括儲存單元以儲存該進刀力量閥值、該進刀速度閥值、該鑽穿力量閥值以及該鑽穿速度閥值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鑽削系統，更包括材料鑑別模組，根據該第一轉換條件滿足時的該鑽削阻力、該進給速度以及鑽削資料庫，並透過機械學習以鑑定該工件的材料種類。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鑽削系統，其中該運算單元是先判斷滿足該第一轉換條件後，才進行判斷該第二轉換條件是否滿足。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鑽削系統，其中該第一阻抗與該第二阻抗是分別由該進刀控制模組與該破孔控制模組提供到該加工平台。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鑽削系統，其中該加工平台包括力感測器、進給模組以及阻尼器，該力感測器偵測該刀具的該鑽削阻力，該進給模組根據該進給速度以驅動該加工平台，該阻尼器根據該第一阻抗與該第二阻抗以提供對應的阻尼到該加工平台。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之鑽削系統，其中該力量控制模組包括比例-積分-微分控制器(PID)，以比例方式平滑化改變該刀具的該進刀力量隨時間的變化。
  8. 一種鑽削方法，應用於加工平台，該加工平台設置刀具以加工工件，該鑽削方法包括以下步驟：提供第一阻抗，並設定進刀力量閥值以及進刀速度閥值，以供判斷是否滿足第一轉換條件，該第一轉換條件為：該刀具的該鑽 削阻力大於該進刀力量閥值且該刀具的該進給速度小於該進刀速度閥值；提供第二阻抗，並設定鑽穿力量閥值以及鑽穿速度閥值，以供判斷是否滿足一第二轉換條件，該第二轉換條件為：該刀具的該鑽削阻力小於該鑽穿力量閥值且該刀具的該進給速度大於該鑽穿速度閥值；根據該刀具的鑽削阻力與進給速度以判斷是否滿足該第一轉換條件，若是則進行以下步驟；提供該第一阻抗到該加工平台，並改變該刀具的進刀力量為固定值；根據該刀具的該鑽削阻力與該進給速度以判斷是否滿足該第二轉換條件，若是則進行以下步驟；提供該第二阻抗到該加工平台，並改變該刀具的該進刀力量與該進給速度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之鑽削方法，其中在判斷該第一轉換條件滿足之後，再包括根據該鑽削阻力、該進給速度以及鑽削資料庫，並透過機械學習以鑑定該工件的材料種類。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之鑽削方法，其中平滑化改變該刀具的該進刀力量隨時間的變化是根據比例方式。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之鑽削方法，其中該加工平台包括力感測器、進給模組以及阻尼器，該力感測器偵測該刀具的該鑽削阻力，該進給模組根據該進給速度以驅動該加工平 台，該阻尼器根據該第一阻抗與該第二阻抗以提供對應的阻尼到該加工平台。
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