TWI765616B - 具伺服驅動功能的浮動研磨系統 - Google Patents

Abstract

一種具伺服驅動功能的浮動研磨系統包括一浮動研磨裝置及一伺服控制器。浮動研磨裝置具有一固持座、一研磨工具設置於所述固持座內、一姿態感知器用以感知所述研磨工具的姿態並提供一姿態訊號、一位移感測器，用以感測所述研磨工具的位移量並提供一位移訊號、以及至少一伺服馬達，用以帶動所述固持座能沿著一軸心方向轉動。所述伺服控制器包括一浮動接觸力控制器、及一伺服驅動器。本發明針對重力影響提供力矩補償值並依據位移訊號控制伺服馬達，進而控制研磨工具的扭力不受各種姿態下的重力影響。

Description

具伺服驅動功能的浮動研磨系統

本發明涉及一種具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其屬於機械加工技術領域，特別是涉及一種應用於去除工件毛邊並且可自動補償的研磨拋光裝置。

當工件初步製造完成後，還需要加工以去除毛邊、表面研磨、拋光等後加工製程。然而，由於各種工件的外形不一，自動化的難度相當高，相當倚靠人力手持氣動或電動工具加工。此種加工方法效率低，並且品質不穩定。

隨著工業自動化的發展，為了生產效率，已逐漸發展為自動化去除工件毛邊。其中的關鍵是如何自動化調整研磨刀具與工件之間的押附力(pressing force)。

故，如何改良並提升研磨拋光裝置的浮動機構的效果，來克服上述的缺陷，已成為該項技術領域所欲解決的一項課題。

本發明所要解決的技術問題在於，提供一種具伺服驅動功能的浮動研磨系統，可因應各種不平整表面或尺寸變化，提供穩定的研磨力量，並補償各種姿態變化下，重力對輸出力量大小的影響，確保研磨的品質。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其包括一浮動研磨裝置及一伺服控制器。浮動研磨裝置具有一固持座、一研磨工具設置於所述固持座內、一姿態感知器用以感知所述浮動研磨裝置的姿態並提供一姿態訊號、一位移感測器，用以感測所述研磨工具的位移量並提供一位移訊號、以及至少一伺服馬達，用以帶動所述固持座能沿著一軸心方向轉動。所述伺服控制器包括一浮動接觸力控制器、及一伺服驅動器。浮動接觸力控制器接收所述姿態訊號以及所述位移訊號，依據所述姿態訊號後產生一針對重力影響的力矩補償值。伺服驅動器電連接於所述浮動接觸力控制器，依據所述力矩補償值以及所述位移訊號控制所述至少一伺服馬達，所述至少一伺服馬達依據所述力矩補償值以及所述位移訊號帶動所述研磨工具沿著所述軸心方向旋轉，使所述研磨工具輸出的扭力不受各種姿態下的重力影響。

本發明的其中一有益效果在於，本發明的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，伺服控制器能透過姿態感知器配合伺服馬達可以補償重力對於所述研磨工具在不同角度的影響。此外，透過位移感測器配合伺服馬達，可以使所述研磨工具達成零位點的偏移(offset)。藉此，本發明的浮動研磨裝置可以在各種不同的姿態或角度調整研磨工具輸出適合的轉速或力量。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件，但這些元件不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

如圖1、圖2所示，本發明提供一種具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其包括一浮動研磨裝置1a以及一伺服控制器R。浮動研磨裝置1a的細節，可以參考圖5，其具有一固持座10、一研磨工具12設置於所述固持座10內、一姿態感知器S1用以感知所述浮動研磨裝置1a的姿態並提供一姿態訊號、一位移感測器S3用以感測所述研磨工具12的位移量並提供一位移訊號、以及至少一伺服馬達(40、50)用以帶動所述固持座10能沿著一軸心方向轉動。

如圖1所示，伺服控制器R包括一浮動接觸力控制器CC、及一伺服驅動器SD。浮動接觸力控制器CC接收所述姿態訊號以及所述位移訊號，依據所述姿態訊號後產生一針對重力影響的力矩補償值；伺服驅動器SD電連接於所述浮動接觸力控制器CC，依據所述力矩補償值以及所述位移訊號控制所述至少一伺服馬達(40、50)，所述至少一伺服馬達(40、50)依據所述力矩補償值以及所述位移訊號帶動所述研磨工具12沿著所述軸心方向旋轉，使所述研磨工具12輸出的扭力不受各種姿態下的重力影響。

本實施例中，位移感測器S3可以是編碼器(encoder)，編碼器可以是內建於伺服馬達M或外加在伺服馬達M上，伺服控制器R接收其位移量，伺服控制器R再將整合後的所述力矩補償值以及所述位移量傳送至伺服馬達M。

本實施例中，所述伺服控制器R還包括一主軸控制器SC，所述主軸控制器SC電連接於所述浮動接觸力控制器CC並控制所述研磨工具12的轉速。此外，其中所述浮動研磨裝置1a還包括一轉速偵測器S2，所述轉速偵測器S2偵測所述研磨工具12的轉速並且回饋給所述主軸控制器SC。本實施例的研磨工具12可以是電動式或氣動式。若研磨工具12為電動式，主軸控制器SC可以是電氣式主軸控制器，以調整研磨工具12的轉速；研磨工具12也可以是氣動式，主軸控制器SC則可以是電空流量閥(或稱電空比例閥)，以電子方式控制空氣壓力及流量，進而控制氣動式研磨工具12的轉速。

本實施例的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，還可以進一步包括一人工智慧控制器(AI Controller)C1以及一形狀位置感測器S4，所述形狀位置感測器S4靠近所述浮動研磨裝置1a，所述形狀位置感測器S4不僅感測所述研磨工具12的位置，更是用以感測被加工物L的外觀，並傳送給所述人工智慧控制器C1，經過人工智慧控制器C1的判斷後，所述人工智慧控制器C1給予所述浮動接觸力控制器CC命令，依據所述形狀位置感測器S4的資訊而控制所述浮動研磨裝置1a，以改變接觸力大小或F-T profile。舉例而言，所述形狀位置感測器S4可以是一影像擷像裝置，更具體的說，可以是一攝影機。然而，本發明不限制於此，形狀位置感測器S4可以是其他種類，例如光學方式…等。

補充說明，如圖2所示，本實施例可以供操作人員依不同的待研磨工件，先依據研磨工具轉速及浮動接觸力等參數，搭配「接觸觸發」、「位移量觸發」等條件，套用預設或自訂的F-T 曲線(profile)。

本實施例的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，還可以進一步包括一機器人控制器RC，所述機器人控制器RC電連接於所述人工智慧控制器C1，依據形狀位置感測器S4所回饋的狀況，以相對應地調整所述浮動研磨裝置1a的位置及角度。機器人控制器RC可以用以控制六軸機械手臂，進而移動所述浮動研磨裝置1a。

如圖5所示，關於浮動研磨裝置1a，以下具體舉例說明其內部機構。浮動研磨裝置1a包括一固持座10、一研磨工具12、一姿態感知器S1、一位移感測器S3、一內框架20、一外框架30、至少一伺服馬達。本實施例中包括一第一伺服馬達40及一第二伺服馬達50。

研磨工具12設置於固持座10內，所述固持座10位於所述內框架20內。第一樞軸11固定連接於所述固持座10，並且第一樞軸11能轉動地連接所述內框架20。藉此，固持座10能沿著第一樞軸11相對於內框架20轉動。第一樞軸11垂直於所述研磨工具12的軸心方向。研磨工具12可以是氣壓式或電動式。其中電動式研磨工具的轉速是可調整的。

本實施例中，固持座10與研磨工具12設置於內框架20內，研磨工具12的第一樞軸11可動地設置於所述內框架20。換句話說，研磨工具12可沿著第一樞軸11在內框架20內轉動，以調整研磨工具12的角度。內框架20可以設有一對第一軸承22以支撐第一樞軸11。

姿態感知器S1用以感知所述浮動研磨裝置1a的姿態，並發出一姿態訊號，所述姿態訊號經過解算後以獲得一針對重力影響的力矩補償值。姿態感知器S1可以設置於研磨工具12或浮動研磨裝置1a的任何位置。位移感測器S3用以感測所述研磨工具12沿著所述第一樞軸11的位移量。

第一伺服馬達40設置於所述內框架20。在本實施例，第一伺服馬達40是固定地設置於所述內框架20。第一伺服馬達40能依據所述力矩補償值以及位移量帶動所述研磨工具12沿著所述第一樞軸11旋轉，使所述研磨工具12輸出的扭力不受各種姿態下的重力影響。

本實施例的第一伺服馬達40帶動所述研磨工具12的方式可以是間接驅動，具體的說，第一伺服馬達40與第一樞軸11之間設有一第一齒輪組G1。第一齒輪組G1傳遞所述第一伺服馬達40的力量至所述第一樞軸11。具體的說，第一齒輪組G1具有一連接於所述第一樞軸11的第一被動齒輪112、及一連接於所述第一伺服馬達40的第一主動齒輪42。具體的說，第一主動齒輪42連接於第一伺服馬達40的第一旋轉軸41。第一被動齒輪112嚙合於所述第一主動齒輪42。其中第一樞軸11延伸至內框架20的外側，第一伺服馬達40設置於內框架20的外側且相鄰於第一樞軸11。第一伺服馬達40可以是旋轉伺服馬達，其轉軸方向平行於第一樞軸11。

內框架20設置於所述外框架30內，內框架20具有一第二樞軸21，第二樞軸21垂直於所述第一樞軸11；所述內框架20的所述第二樞軸21可轉動地設置於所述外框架30，從而所述內框架20能相對應於所述外框架30轉動。換句話說，內框架20可沿著第二樞軸21在外框架30內轉動，以使內框架20偏轉到不同的角度。同時，帶動研磨工具12沿著第二樞軸21產生另一軸向上的偏轉。其中外框架30可以設有一對第二軸承32以支撐第二樞軸21。

第二伺服馬達50設置於所述外框架30，本實施例的第二伺服馬達50帶動內框架20的方式在於，其中第二伺服馬達50與第二樞軸21之間設有一第二齒輪組G2，所述第二齒輪組G2傳遞所述第二伺服馬達50的力量至所述第二樞軸21。具體的說，其中第二齒輪組G2具有一連接於第二樞軸21的第二被動齒輪212、及一連接於第二伺服馬達50的第二主動齒輪52。具體的說，第二主動齒輪52連接於第二伺服馬達50的第二旋轉軸51。所述第二被動齒輪212嚙合於所述第二主動齒輪52。其中第二樞軸21延伸至外框架30的外側，第二伺服馬達50設置於外框架30的外側且相鄰於第二樞軸21。第二伺服馬達50可以是旋轉伺服馬達，其轉軸方向平行於第二樞軸21。透過上述的機構，本發明的浮動研磨裝置1a，可以依據所述力矩補償值以及位移量帶動所述研磨工具12沿著所述第二樞軸21旋轉，從而使所述研磨工具12輸出的扭力不受各種姿態下的重力影響。

如圖3所示，以下說明浮動研磨裝置的重力補償的示意圖。浮動研磨裝置1a可以具有一外殼H，浮動研磨裝置1a的元件收容於外殼H內，姿態感知器S1(Orientation Sensor)可以設置於外殼H，以感知所述浮動研磨裝置1a（特別是研磨工具12）的姿態。藉由姿態感知器S1，本實施例可以感知研磨工具12的姿態並補償重力的影響。姿態感知器S1例如可以是九軸模組，包括三軸陀螺儀、三軸加速度以及三軸磁場，藉以感測航向角(YAW)、橫滾角(ROLL)、以及俯仰角(PITCH)。然而，本發明並不限制於此。此外，姿態感知器S1也可以配置無線模組，例如藍牙®，以無線的方式發射所述姿態訊號。

如圖3所示，本實施例的重力補償舉例說明如下，假設姿態感知器S1偵測出研磨工具12的傾斜角為θ。研磨工具12的接觸力為FN，研磨轉動件12施力點至旋轉中心CR沿著軸向的距離為L1；研磨工具12的浮動質量為Mg，浮動質心CM至旋轉中心CR的距離為L2。本實施例可以提供一扭力指令(Torque Command) Tc的公式如下：

Tc=FN* L1 + Mg * cosθ* L2

如圖4所示，本實施例中，所述研磨工具12設有位移感測器S3，以感測所述研磨工具12沿著樞軸的位移量。位移感測器S3可以是與樞軸同軸安裝的旋轉編碼器(rotary encoder)，旋轉編碼器是將旋轉位置或旋轉量轉換成類比或數位訊號的設備，可以裝設在研磨工具12的旋轉軸附近。但本發明並不限制於此。位移感測器S3也可以是其他類型的感測器，例如可以是雷射位移感測器、超音波位移感測器、光波位移感測器、或三軸加速度感測器。此外，位移感測器S3也可以配置無線模組，以無線的方式發射所述位移訊號。藉由位移感測器S3，伺服控制器R可以依據預設或自訂的F-T 曲線(profile)提供扭力指令Tc 作為力矩補償值。

請再參閱圖1所示，其中所述浮動研磨裝置1a還可以包括一指示器101，依據位移訊號與一預設位移量的比較值，透過指示器101輸出一指示訊號。例如當研磨工具12被偵測出的位移量大於一預設位移量時，即可以透過指示器101發出一指示訊號，例如指示燈，以發出紅光。當研磨工具12被偵測出的位移量小於一預設位移量時，發出指示訊器給指示器101，例如指示燈，以發出綠光。然而，本發明不限制於上述的，具伺服驅動功能的浮動研磨系統還可以包括一顯示裝置60，以接收所述指示訊號，並依據所述指示訊號顯示所述研磨工具12的目前狀態。

補充說明，上述本實施例的浮動研磨裝置1a為雙轉軸，然而本發明不限制於此。配合某些應用，本發明的浮動研磨裝置也可以是單轉軸。例如，只包括研磨工具12、姿態感知器S1、位移感測器S3、內框架20、及第一伺服馬達40。也就是只有一個伺服馬達。

如圖6所示，為本發明第二實施例的浮動研磨裝置1b的剖視示意圖。本實施例與上述實施例的差異在於，浮動研磨裝置1b為直接驅動型，其中本實施例省略上述的齒輪組。換句話說，本發明的伺服馬達可以是以不同的方式以驅動研磨工具12。具體的說，其中所述第一伺服馬達40具有第一驅動件43，所述第一驅動件43連接於所述研磨工具12。此實施例的第一伺服馬達40可以是直線馬達，或旋轉馬達配合線性傳動機構。例如，直線馬達的驅動件可以是滾珠螺桿軸，滾珠螺桿軸直接連接於研磨工具12，滾珠螺桿軸可產生直線運動，即可帶動研磨工具12沿著第一樞軸11產生相對於內框架20的轉動。或者，第一驅動件43也可以是線性傳動機構，旋轉馬達的轉動量透過線性傳動機構以產生線性位移，也可以帶動研磨工具12產生相對於內框架20的轉動。

相同的，本發明也可以省略第二齒輪組。第二伺服馬達50具有第二驅動件53，所述第二驅動件53連接於所述內框架20。第二伺服馬達50可以是直線馬達，或旋轉馬達配合線性傳動機構。第二驅動件53可以是滾珠螺桿軸或線性傳動機構。

本發明的其中一有益效果在於，本發明的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，伺服控制器R能透過姿態感知器配合伺服馬達可以補償重力對於所述研磨工具在不同角度的影響。此外，透過位移感測器配合伺服馬達，可以使所述研磨工具達成零位點的偏移(offset)。藉此，本發明的浮動研磨裝置可以在各種不同的姿態或角度調整研磨工具輸出適合的轉速或力量。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

1a，1b:浮動研磨裝置 10:固持座 101:指示器 11:第一樞軸 112:第一被動齒輪 12:研磨工具 20:內框架 21:第二樞軸 212:第二被動齒輪 22:第一軸承 30:外框架 32:第二軸承 40:第一伺服馬達 41:第一旋轉軸 42:第一主動齒輪 43:第一驅動件 50:第二伺服馬達 51:第二旋轉軸 52:第二主動齒輪 53:第二驅動件 60:顯示裝置 G1:第一齒輪組 G2:第二齒輪組 θ:傾斜角 Mg:浮動質量 FN:接觸力 CR:旋轉中心 CM:浮動質心 L1、L2:距離 Tc、-Tc:扭力指令 H:外殼 M:伺服馬達 L:被加工物 R:伺服控制器 C1:人工智慧控制器 RC:機器人控制器 CC:浮動接觸力控制器 SD:伺服驅動器 SC:主軸控制器 S1:姿態感知器 S2:轉速偵測器 S3:位移感測器 S4:形狀/位置感測器

圖1為本發明的具伺服驅動功能的浮動研磨系統的方塊圖。

圖2為本發明的具伺服驅動功能的浮動研磨系統的控制迴路圖。

圖3為本發明的浮動研磨裝置的重力補償的示意圖。

圖4為本發明的浮動研磨裝置的位移感知的示意圖。

圖5為本發明第一實施例的浮動研磨裝置的剖視示意圖。

圖6為本發明第二實施例的浮動研磨裝置的剖視示意圖。

1a:浮動研磨裝置

12:研磨工具

101:指示器

60:顯示裝置

H:外殼

M:伺服馬達

R:伺服控制器

C1:人工智慧控制器

RC:機器人控制器

CC:浮動接觸力控制器

SD:伺服驅動器

SC:主軸控制器

S1:姿態感知器

S2:轉速偵測器

S3:位移感測器

S4:形狀/位置感測器

L:被加工物

Claims (10)

1. 一種具伺服驅動功能的浮動研磨系統，包括：一浮動研磨裝置，具有一固持座；一研磨工具，設置於所述固持座內；一姿態感知器，用以感知所述浮動研磨裝置的姿態，並提供一姿態訊號；一位移感測器，用以感測所述研磨工具的位移量，並提供一位移訊號；以及至少一伺服馬達，用以帶動所述固持座能沿著一軸心方向轉動；一伺服控制器，包括：一浮動接觸力控制器，接收所述姿態訊號以及所述位移訊號，依據所述姿態訊號產生一針對重力影響的力矩補償值；以及一伺服驅動器，電連接於所述浮動接觸力控制器，依據所述力矩補償值以及所述位移訊號控制所述至少一伺服馬達，所述至少一伺服馬達依據所述力矩補償值以及所述位移訊號帶動所述研磨工具沿著所述軸心方向旋轉，使所述研磨工具輸出的扭力不受各種姿態下的重力影響；一人工智慧控制器；以及一形狀位置感測器，所述形狀位置感測器靠近所述浮動研磨裝置，所述形狀位置感測器感測所述研磨工具的位置以及被加工物的外觀，並傳送給所述人工智慧控制器，經過所述人工智慧控制器判斷後，給予所述浮動接觸力控制器命令，依據所述形狀位置感測器的資訊而控制所述浮動研磨裝置，以改 變接觸力。
2. 如請求項1所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其中所述伺服控制器還包括一主軸控制器，所述主軸控制器電連接於所述浮動接觸力控制器並控制所述研磨工具的轉速；其中所述浮動研磨裝置還包括一轉速偵測器，所述轉速偵測器偵測所述研磨工具的轉速並且回饋給所述主軸控制器。
3. 如請求項1所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，還包括一機器人控制器，所述機器人控制器電連接於所述人工智慧控制器，以相對應地調整所述浮動研磨裝置的位置及角度。
4. 如請求項1所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，所述形狀位置感測器為一影像擷像裝置。
5. 如請求項1所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其中所述研磨工具還包括一指示器，依據所述位移訊號與一預設位移量的比較值，透過所述指示器輸出一指示訊號。
6. 如請求項5所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，還包括一顯示裝置，以接收所述指示訊號，並依據所述指示訊號顯示所述研磨工具的目前狀態。
7. 如請求項1所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其中所述浮動研磨裝置具有一內框架、一第一伺服馬達、及一第一樞軸，所述固持座位於所述內框架內，所述第一樞軸固定連接於所述固持座，並且所述第一樞軸能轉動地連接所述內框架，從而所述固持座能沿著所述第一樞軸相對於所述內框架轉動，其中所述第一樞軸垂直於所述研磨工具的軸心方向，所述第一伺服馬達設置於所述內框架，所述第一伺服馬達的驅動所述固持座沿著所述第一樞軸轉動。
8. 如請求項7所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，還包括一外框架、及一第二伺服馬達，其中所述內框架設置於所述外框架內，所述內框架具有一第二樞軸，所述第二樞軸垂直於所述第一樞軸；所述內框架的所述第二樞軸可轉動地設置於所述外框架，從而所述內框架能相對應於所述外框架轉動；所述第二伺服馬達設置於所述外框架，依據所述力矩補償值以及所述位移訊號帶動所述研磨工具沿著所述第二樞軸旋轉，使所述研磨工具輸出的扭力不受各種姿態下的重力影響。
9. 如請求項8所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其中所述浮動研磨裝置還包括一第一齒輪組及一第二齒輪組，所述第一齒輪組設置所述第一伺服馬達與所述第一樞軸之間，並且傳遞所述第一伺服馬達的力量至所述第一樞軸；其中所述第二齒輪組設置於所述第二伺服馬達與所述第二樞軸之間，所述第二齒輪組傳遞所述第二伺服馬達的力量至所述第二樞軸。
10. 如請求項8所述的具伺服驅動功能的浮動研磨系統，其中所述第一伺服馬達具有第一驅動件，所述第一驅動件連接於所述研磨工具，以驅動所述研磨工具；其中所述第二伺服馬達具有第二驅動件，所述第二驅動件連接於所述內框架，以驅動所述內框架。

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