TWI766489B - 用於工具機的加工監控方法及加工監控系統 - Google Patents

用於工具機的加工監控方法及加工監控系統 Download PDF

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Abstract

一種用於工具機的加工監控方法及加工監控系統，以加工一工件。加工監控方法包括以下步驟。首先，偵測工具機之主軸的振動訊號。接著，取得振動訊號的振動特徵值。之後，判斷振動特徵值是否超過門檻條件，門檻條件係經過訓練模型根據工件之預定表面品質所決定。若振動特徵值超過門檻條件，調整工具機的加工參數。

Description

用於工具機的加工監控方法及加工監控系統
本揭露是有關於一種加工監控方法及加工監控系統，且特別是有關於一種用於工具機的加工監控方法及加工監控系統。
以往在利用工具機進行加工時，為了確保工件的表面品質，加工者往往需要花費大量時間進行加工參數測試，但此方式十分仰賴加工者的經驗。再者，對於少樣多量的短鏈供應鏈來說，因零組件款式多，每當生產一款工件就必須重新打樣及測試參數，使得生產時常無法趕上接單速度。
有鑑於此，需要一種能夠在不影響工件預定表面品質的條件下，隨時監控工具機之加工情況，以對應調整加工參數的方式。
本揭露係有關於一種用於工具機的加工監控方法及加工監控系統，可解決前述問題。
根據本揭露之一方面，提出一種用於工具機的加工監控方法，以加工工件。加工監控方法包括以下步驟。首先，偵測工具機之主軸的振動訊號。接著，取得振動訊號的振動特徵值。之後，判斷振動特徵值是否超過門檻條件，門檻條件係經過訓練模型根據工件之預定表面品質所決定。若振動特徵值超過門檻條件，調整工具機的加工參數。
根據本揭露之另一方面，提出一種加工監控系統。加工監控系統包括工具機、振動訊號感測單元、訊號處理單元、監控單元以及加工參數調整單元。工具機包括主軸。振動訊號感測單元用於偵測工具機之主軸的振動訊號。訊號處理單元用於取得振動訊號的振動特徵值。監控單元用於判斷振動特徵值是否超過門檻條件，其中門檻條件係經過訓練模型根據工件之預定表面品質所決定。加工參數調整單元用於當振動特徵值超過門檻條件，調整工具機的加工參數。
為了對本揭露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:加工監控系統
110:工具機
112:主軸
114:工件台
120:振動訊號感測單元
130:訊號處理單元
140:監控單元
150:加工參數調整單元
160:工具機控制裝置
S100:加工監控方法
S110,S120,S130,S140,S150,S160,S161,S162,S163,S164,S165,S166,S167:步驟
S200:切削品質資料庫建立方法
S210：S220,S230,S231,S232,S233,S234,S235,S236,S237,S240,S250:步驟
A,B,C,D:切削倍頻
E:頻率
F,H,P:點
MD:訓練模型
Ra:表面粗糙度
Va,Vb,Vc,Vd:樣本振動值
Vcc:額外樣本振動值
WP:工件
WPs:樣本件
WPt:測試件
Z1:加工初期區間
Z2:參數調整區間
Z3:接續加工區間
第1圖是根據本揭露一實施例之加工監控系統的簡化示意 圖；第2圖是根據本揭露一實施例之加工監控方法的流程圖；第3圖是根據本揭露一實施例之切削品質資料庫建立方法的流程圖；第4圖是取得樣本振動訊號的樣本振動特徵值之步驟的一實施方式；第5A圖是樣本振動訊號的波形示意圖；第5B圖是樣本頻域訊號的波形示意圖；第6圖是調整工具機的加工參數之步驟的一實施方式；第7圖是主軸轉速與測試振動特徵值的關係圖；第8A圖是使用工具機對工件進行加工的切削振動訊號的波形示意圖，顯示未開啟本揭露一實施例之加工監控系統的情形；第8B圖是使用工具機對工件進行加工的切削振動訊號的波形示意圖，顯示開啟本揭露一實施例之加工監控系統的情形；及第8C圖是在參數調整區間進行調整加工參數之步驟而得的主軸轉速與測試振動特徵值的關係圖。
以下將詳述本揭露的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本揭露還可以廣泛地施行在其 他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本揭露的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本揭露有較完整的瞭解，提供了許多特定細節及實施範例；然而，這些特定細節及實施範例不應視為本揭露的限制。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本揭露不必要之限制。
請參照第1圖，其是根據本揭露一實施例之加工監控系統100的簡化示意圖。加工監控系統100包括工具機110、振動訊號感測單元120、訊號處理單元130、監控單元140、加工參數調整單元150及工具機控制裝置160。實施例中，工具機110包括主軸112及工件台114，在主軸112的鼻端可裝設刀具(未標示)，工具機控制裝置160耦接於工具機110，以控制工具機110對工件台114上的工件WP進行加工。實施例中是以銑床為範例說明，但本揭露的工具機110不以此為限。
振動訊號感測單元120耦接於工具機110的主軸112，用於偵測主軸112的振動訊號，例如但不限於是加速規、位移計、麥克風等可量測振動狀態的感測器。訊號處理單元130耦接於振動訊號感測單元120，用於接收振動訊號感測單元120所偵測的振動訊號，並對振動訊號進行訊號處理。監控單元140耦接於訊號處理單元130、加工參數調整單元150及工具機控制裝置160，用於對經訊號處理單元130處理過後的訊號進行監控，以隨時掌握工具機110之加工情況。如判斷目前的加工情 況符合預期，則令工具機控制裝置160繼續進行加工，工具機控制裝置160可基於數值控制碼來控制工具機110。一旦加工條件不佳而可能影響到工件WP的表面品質，即立刻命令加工參數調整單元150進行加工參數的調整，且工具機控制裝置160的數值控制碼可讀取儲存在暫存區中調整過後的加工參數來控制工具機110，以確保工件WP符合所期待的表面品質。
第2圖是根據本揭露一實施例之加工監控方法S100的流程圖。請參照第1圖和第2圖，在步驟S110，首先以一訓練模型MD根據工件WP之預定表面品質決定一門檻條件。此門檻條件係作為監控單元140在監控工具機110之加工情況的標準，如果加工情況都符合門檻條件，則代表經加工後的工件WP之表面品質符合所期待的預定值。在一些實施例中，所述預定表面品質係與工件WP的表面粗糙度相關，表面粗糙度可以但不限於是中心線平均粗糙度(Ra)，或是十點平均粗糙度(Rz)。
於此，訓練模型MD可依據工件WP之預定表面品質產生門檻條件。訓練模型MD可經由機器學習演算法(如神經網路)進行訓練而建構。在訓練模型MD的訓練過程中，訓練模型MD利用一切削品質資料庫來進行訓練。當訓練完成後，使用者即可將工件WP之預定表面品質輸入訓練模型MD，訓練模型MD便會輸出相應的門檻條件供監控單元140監控工具機110之加工情況。
第3圖是根據本揭露一實施例之切削品質資料庫建立方法S200的流程圖。請參照第1圖和第3圖，在步驟S210，工具機110以一加工條件對樣本件WPs進行加工。加工條件可包括工具機110之主軸轉速及/或進給速度。
接著，在步驟S220，振動訊號感測單元120偵測工具機110之主軸112的樣本振動訊號。然後在步驟S230，訊號處理單元130取得樣本振動訊號的樣本振動特徵值VT。一般來說，振動訊號感測單元120所偵測的樣本振動訊號(原始振動訊號)包含許多和切削無關的雜訊，因此需透過訊號處理單元130進行樣本振動特徵值VT的提取，以獲得和切削有關的樣本切削振動訊號。其中，樣本振動特徵值VT代表工具機110在進行加工時和加工區域有關的振動，而非來自於非加工區域的外界振動。
進一步地說，請同時參照第1圖、第4圖、第5A圖和第5B圖，其中第4圖是取得樣本振動訊號的樣本振動特徵值VT之步驟S230的一實施方式，第5A圖是樣本振動訊號的波形示意圖，第5B圖是樣本頻域訊號的波形示意圖。如第5A圖所示，樣本振動訊號包含許多和切削無關的雜訊，因此需對此訊號進行處理。
在步驟S231，訊號處理單元130以一樣本取樣頻率擷取樣本振動訊號的樣本時域訊號。舉例來說，訊號處理單元130可以10000次/秒的樣本取樣頻率進行振動值的取樣，以 取得樣本時域訊號。接著，如步驟S232，訊號處理單元130將樣本時域訊號利用傅立葉轉換而轉換為樣本頻域訊號。舉例來說，如第5B圖所示，其顯示樣本時域訊號的其中一取樣區間對應的樣本頻域訊號。
接下來，在步驟S233，訊號處理單元130取得樣本頻域訊號中至少n倍頻下的至少一樣本振動值，其中n為1以上之整數。舉例來說，如第5B圖所示，通常在1倍頻(切削倍頻A)下的波形會有最大的振動幅度(對應樣本振動值Va)，而後隨著倍頻數的增加，振動幅度會逐漸減小。於本實施例中，可取得至少4倍頻，於切削倍頻B處對應樣本振動值Vb，於切削倍頻C處對應樣本振動值Vc，於切削倍頻D處對應樣本振動值Vd。
接著，在步驟S234，訊號處理單元130計算至少一樣本振動值的樣本振動總和Vch。舉例來說，如第5B圖所示，樣本振動總和Vch=Va+Vb+Vc+Vd。
接著，在步驟S235，訊號處理單元130判斷在至少n倍頻以外是否還存在一額外樣本振動值Vcc，且此額外樣本振動值Vcc大於1倍頻的樣本振動值Va。若是，則執行步驟S236；若否，則執行步驟S237。
舉例來說，如第5B圖所示，在倍頻以外的頻率E還存在大於樣本振動值Va的額外樣本振動值Vcc，於頻率E下的振動可能起因於工具機110處於非穩態切削而產生的顫振現 象。因此，在計算樣本振動特徵值VT時，需將額外樣本振動值Vcc一併列入考量。如步驟S236，樣本振動特徵值VT即等於樣本振動總和Vch及額外樣本振動值Vcc之和。相反地，若無出現此額外樣本振動值Vcc，則如步驟S237，以樣本振動總和Vch作為樣本振動特徵值VT即可。
再回到第1圖和第3圖，在得到樣本振動特徵值VT後，進行量測樣本件WPs在所述加工條件下的樣本表面品質之步驟S240。之後，在步驟S250，切削品質資料庫記錄前述加工條件、以及對應加工條件下的樣本振動特徵值VT及樣本表面品質。
請參照第1圖和第2圖，當決定了門檻條件後，執行步驟S120，工具機110對工件WP進行加工。接著，在步驟S130，振動訊號感測單元120偵測工具機110之主軸112的振動訊號。而後，在步驟S140，訊號處理單元130取得振動訊號的振動特徵值。其中，步驟S140中，振動特徵值的取得方式如前方的步驟S230之一實施方式所述，進行振動特徵值的提取，以獲得和切削有關的切削振動訊號。亦即：以一取樣頻率擷取振動訊號的時域訊號；將時域訊號轉換為頻域訊號；取得頻域訊號中至少n倍頻下的至少一振動值，其中n為1以上之整數；計算至少一振動值的振動總和；以及判斷在至少n倍頻以外是否還存在一額外振動值，且此額外振動值大於1倍頻的振動值。若存在額外振動值，則以振動總和與額外振動值之和作為 振動特徵值；若不存在額外振動值，則以振動總和作為振動特徵值。於此不再舉例說明。
接著，在步驟S150，監控單元140判斷振動特徵值是否超過步驟S110所決定的門檻條件。若未超過，表示以目前的加工參數進行加工的工件WP之表面品質能夠符合所期待的預定值，則回到步驟S120，監控單元140指示工具機控制裝置160以目前的加工參數繼續對工件WP進行加工。若超過門檻條件，則表示目前的加工參數無法讓工件WP之表面品質符合所期待的預定值，則進行步驟S160，監控單元140命令加工參數調整單元150調整工具機110的加工參數。一實施例中，在進行加工參數調整時，監控單元140可命令工具機控制裝置160暫停工具機110對工件WP進行加工，接著令工具機控制裝置160控制工件台114旋轉，以轉而對一測試件WPt進行試加工的測試，進而找出適合的加工參數。
在一實施例中，調整工具機110的加工參數之步驟S160包括取得工具機110之一最佳化主軸轉速，最佳化主軸轉速的取得方式如第6圖所示，其是調整工具機110的加工參數之步驟S160的一實施方式。請參照第1圖和第6圖，在步驟S161，首先，加工參數調整單元150設定一轉速區間，包括在一主軸轉速初始值及一主軸轉速最終值之間的任何轉速值。
接著，加工參數調整單元150命令工具機控制裝置160在轉速區間內以不同的主軸轉速遞迴地執行步驟S162至步驟S166，直到完成所有的轉速測試為止。
詳細地說，在步驟S162，加工參數調整單元150先選擇一預定主軸轉速，命令工具機控制裝置160以此預定主軸轉速對測試件WPt進行試加工。
在步驟S163，振動訊號感測單元120偵測工具機110之主軸112的測試振動訊號。接著，在步驟S164，訊號處理單元130取得測試振動訊號的測試振動特徵值。其中，步驟S164中，測試振動特徵值的取得方式如前方的步驟S230之一實施方式所述，進行測試振動特徵值的提取，以獲得和切削有關的切削振動訊號，於此不再贅述。然後，如步驟S165所示，若尚未完成所有轉速測試，則如步驟S166所示，加工參數調整單元150改變主軸轉速，並依此主軸轉速繼續執行步驟S162。反之，若完成在轉速區間內的測試，則執行步驟S167，加工參數調整單元150根據試加工結果，選擇合適的主軸轉速。
於此，加工參數調整單元150可根據試加工結果，對主軸轉速與測試振動特徵值進行排序，以獲得最佳化的主軸轉速。如第7圖所示，其是主軸轉速與測試振動特徵值的關係圖。根據試加工結果，在點F的主軸轉速條件下具有最小的測試振動特徵值。因此，加工參數調整單元150將點F的主軸轉速視為最佳化的主軸轉速，並依此更新加工參數，及命令工具機 控制裝置160依照更新的加工參數對工件WP回到先前的暫停點接續加工。
當然，調整工具機110的加工參數之步驟S160並不以上面的實施例為限。舉例來說，加工參數調整單元150不一定要尋找最佳化的主軸轉速，只要以此主軸轉速的加工條件下所加工的工件WP符合其預定表面品質，都可視為合適的主軸轉速。
以下將參照第8A圖、第8B圖和第8B圖之範例，以切削一不鏽鋼手機殼為例說明上述內容。
第8A圖顯示未開啟本揭露一實施例之加工監控系統100的情形，其是使用工具機110對工件WP進行加工的切削振動訊號的波形示意圖。於此，切削振動訊號的波形可根據如前方的步驟S140取得的振動特徵值所獲得，以顯示與切削有關的切削振動訊號。本實施例中，工件WP的預定表面品質(表面粗糙度Ra)為0.8μm，經由訓練模型MD決定對應的門檻條件為0.91g，其中g為重力加速度值。如第8A圖所示，當振動特徵值未超過0.91g時，工件WP所量測的表面粗糙度Ra符合期待的0.8μm。一旦振動特徵值超過0.91g時，工件WP所量測的表面粗糙度Ra便不符合期待值。
第8B圖是使用工具機110對工件WP進行加工的切削振動訊號的波形示意圖，顯示開啟本揭露一實施例之加工監控系統100的情形。第8C圖是在參數調整區間進行調整加工 參數之步驟而得的主軸轉速與測試振動特徵值的關係圖。請參照第8B圖，在加工初期區間Z1，監控單元140判斷振動特徵值在點P時已超過門檻條件，便命令加工參數調整單元150進行加工參數的調整。在參數調整區間Z2，加工參數調整單元150進行5組的試切削測試，進而獲得5組的主軸轉速與測試振動特徵值的對應關係，如第8C圖所示。而於第8C圖中，在點H的主軸轉速條件下具有最小的測試振動特徵值。因此，加工參數調整單元150將點H的主軸轉速視為最佳化的主軸轉速，並依照最佳化的主軸轉速調整加工參數。請參照第8B圖，接著，加工參數調整單元150令工具機控制裝置160接續加工。在接續加工區間Z3，工件WP所量測的表面粗糙度Ra均符合期待值。
綜上所述，根據本揭露所提供的用於工具機的加工監控方法及加工監控系統，係依據工件的預定表面品質制定門檻條件。如此，即使工具機處於穩態切削的情形，也可以對不符預期的加工參數進行調整，避免工具機在穩態切削下工件的表面品質仍有可能不符預期的情況發生。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S100:加工監控方法
S110,S120,S130,S140,S150,S160:步驟

Claims (9)

  1. 一種用於一工具機的加工監控方法，以加工一工件，該加工監控方法包括：偵測該工具機之主軸的一振動訊號；取得該振動訊號的一振動特徵值，包括：以一取樣頻率擷取該振動訊號的一時域訊號；將該時域訊號轉換為一頻域訊號；取得該頻域訊號中至少n倍頻下的至少一振動值，其中n為1以上之整數；計算該至少一振動值的一振動總和；及判斷在該至少n倍頻以外是否還存在一額外振動值，且該額外振動值大於1倍頻的振動值；其中若存在該額外振動值，則以該振動總和與該額外振動值之和作為該振動特徵值；若不存在該額外振動值，則以該振動總和作為該振動特徵值；判斷該振動特徵值是否超過一門檻條件，該門檻條件係經過一訓練模型根據該工件之一預定表面品質所決定；以及若該振動特徵值超過該門檻條件，調整該工具機的一加工參數。
  2. 如請求項1所述之加工監控方法，其中該預定表面品質與該工件的一表面粗糙度相關。
  3. 如請求項1所述之加工監控方法，其中該訓練模型係以一切削品質資料庫經由機器學習演算法進行訓練，該切削品質資料庫的建立包括以下步驟：偵測該工具機以一加工條件對一樣本件進行加工之主軸的一樣本振動訊號；取得該樣本振動訊號的一樣本振動特徵值；量測該樣本件在該加工條件下的一樣本表面品質；以及記錄該加工條件以及對應該加工條件下的該樣本振動特徵值及該樣本表面品質。
  4. 如請求項3所述之加工監控方法，其中取得該樣本振動訊號的該樣本振動特徵值的步驟包括：以一樣本取樣頻率擷取該樣本振動訊號的一樣本時域訊號；將該樣本時域訊號轉換為一樣本頻域訊號；取得該樣本頻域訊號中至少n倍頻下的至少一樣本振動值，其中n為1以上之整數；計算該至少一樣本振動值的一樣本振動總和；以及判斷在該至少n倍頻以外是否還存在一額外樣本振動值，且該額外樣本振動值大於1倍頻的樣本振動值； 若存在該額外樣本振動值，則以該樣本振動總和與該額外樣本振動值之和作為該樣本振動特徵值；若不存在該額外樣本振動值，則以該樣本振動總和作為該樣本振動特徵值。
  5. 如請求項3所述之加工監控方法，其中該加工條件包括該工具機之主軸轉速及進給速度。
  6. 如請求項1所述之加工監控方法，其中調整該工具機的該加工參數的步驟包括取得該工具機之一最佳化主軸轉速。
  7. 如請求項6所述之加工監控方法，其中取得該工具機之該最佳化主軸轉速的步驟包括：設定一轉速區間；在該轉速區間內，以不同的主軸轉速遞迴地執行以下步驟：偵測該工具機以一預定主軸轉速對一測試件進行試加工之主軸的一測試振動訊號；及取得該測試振動訊號的一測試振動特徵值；以及將對應於最小的該測試振動特徵值的該預定主軸轉速作為該最佳化主軸轉速。
  8. 一種用於一工具機的加工監控系統，該工具機包括一主軸，該加工監控系統包括：一振動訊號感測單元，用於偵測該工具機之該主軸的一振動訊號；一訊號處理單元，用於：以一取樣頻率擷取該振動訊號的一時域訊號；將該時域訊號轉換為一頻域訊號；取得該頻域訊號中至少n倍頻下的至少一振動值，其中n為1以上之整數；計算該至少一振動值的一振動總和；及判斷在該至少n倍頻以外是否還存在一額外振動值，且該額外振動值大於1倍頻的振動值；其中若存在該額外振動值，則以該振動總和與該額外振動值之和作為該振動訊號的一振動特徵值；若不存在該額外振動值，則以該振動總和作為該振動訊號的該振動特徵值；一監控單元，用於判斷該振動特徵值是否超過一門檻條件，其中該門檻條件係經過一訓練模型根據該工件之一預定表面品質所決定；以及一加工參數調整單元，用於當該振動特徵值超過該門檻條件，調整該工具機的一加工參數。
  9. 如請求項8所述之加工監控系統，其中該預定表面品質與該工件的一表面粗糙度相關。
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