TWI797888B - 工具機熱補償系統 - Google Patents

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Abstract

一種工具機熱補償系統，包括熱補償監控裝置及雲端運算裝置。熱補償監控裝置接收並依據工件的多個溫度訊號與對應的加工誤差數據，以建立或更新熱補償資料庫。雲端運算裝置提供熱補償模型，並依據這些溫度訊號之特徵與加工誤差數據，取得熱補償值以決定是否修正熱補償模型或進行熱補償作業。

Description

工具機熱補償系統
本揭露是有關於一種工具機的加工熱補償系統，可連線應用於位於不同地區之工具機進行熱補償作業。
近年來，隨著工具機的日新月異、產品精度的需求提升，然而工具機廠的生產與販售區域的不同，會導致工具機的精度因為環境溫度差異、加工時間長短等而有所降低，熱補償技術則可解決此問題，因此大多數工具機廠以熱補償為主要發展趨勢。
熱補償技術通常在工具機進行加工生產前即會進行建模作業，但當工具機販售至不同經緯度地區時，補償精度會因當地氣候差異而失真，也就是同一套熱補償工具與數值無法適用於不同地區。因此，如何提供一種工具機熱補償系統來改善上述所遭遇到的問題，將是業界所要解決之課題。
本揭露提供一種工具機熱補償系統，能即時進行線上熱補償，且可持續修正建立完成的類神經網路熱補償模型，解決機台販售至各地區時必須使用特定儀器、設備及聘請專人遠赴當地進行建模之問題。
本揭露之一實施例提供一種工具機熱補償系統，適用於連接至少一工具機以加工工件。工具機熱補償系統包括熱補償監控裝置以及雲端運算裝置。熱補償監控裝置接收並依據工件的多個溫度訊號，與同時間點的對應加工誤差數據，以建立或更新熱補償資料庫。雲端運算裝置提供一熱補償模型，並接收及依據溫度訊號之特徵與加工誤差數據，產生熱補償值以決定是否修正熱補償模型或進行熱補償作業。
為讓本揭露能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下結合附圖和實施例，對本揭露的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本揭露的技術方案，而不能以此限制本揭露的保護範圍。
需說明的是，在各個實施例的說明中，所謂的「第一」、「第二」係用以描述不同的元件，這些元件並不因為此類稱謂而受到限制。此外，為了說明上的便利和明確，圖式中各元件的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，且各元件的尺寸並未完全為其實際的尺寸，並非用以限定本揭露可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本揭露所能產生之功效及所能達成之目的下，均仍應落在本揭露所揭示之技術內容涵蓋之範圍內。
第1圖為本揭露的工具機熱補償系統的架構示意圖。請參閱第1圖，本實施例的工具機熱補償系統100，適用於訊號連接不同地區之工具機及或控制器，如第1圖顯示，例如本地區或近端的工具機52，及或其他地區或遠端的多數工具機50，然，本揭露不以此為限。工具機熱補償系統100例如包括一熱補償監控裝置120以及一雲端運算裝置130，並且連接一溫度感測裝置110與若干量測裝置(未圖示)。溫度感測裝置110可能裝設於本地區工具機52之旁，用以量測工具機52於加工一工件時，該工件的多個不同時間點的溫度訊號，溫度感測裝置110例如是溫度感測器、熱影像儀等可以量測與記錄工件溫升狀態之感測器，以感測工件於某些或連續時間點的溫度值。此外，同時再透過例如千分錶、位移器等接觸式或非接觸式的量測裝置，以量測工件的加工精度、熱變形量等誤差數據EA，這些誤差數據EA將連同溫度訊號被傳輸到熱補償監控裝置120。
在本實施例中，熱補償監控裝置120例如是一部電腦，可能設置於近端或裝設於各地區工具機50,52之旁，第1圖所示及以下說明是以設置於近端為例，其與溫度感測裝置110及量測裝置訊號連接，包括一訊號處理單元121、儲存單元與通訊單元(未圖示)以接收並擷取多個溫度訊號的特徵，並依據所接收的對應誤差數據以建立一熱補償資料庫122，此資料庫122除記錄溫度特徵、誤差數據外，還記錄本地區工具機52的識別資料，例如機型、所在地區等資料。
雲端運算裝置130則例如是一部電腦，設置於遠端，包括處理單元、儲存單元與通訊單元(未圖示)，與熱補償監控裝置120訊號連接，或可能與熱補償監控裝置120合併為單一電腦設備而設置於近端，用以接收溫度特徵、誤差數據EA並參照熱補償資料庫122的所有資料，以建立、應用或修正一熱補償模型MA及產出熱補償值，並將此熱補償值回傳至熱補償監控裝置120，再經由控制器52A而到工具機52進行調校。其他地區工具機50只要機型、加工作業與環境溫度等條件符合下，亦可接收相同熱補償值。以上所述之通訊單元可能是有線或無線模式之雙向通訊單元。
在此架構之下，工具機熱補償系統100能依據單一地區現場加工狀況來即時進行所有地區同型工具機的熱補償作業，且可持續修正已建立的熱補償模型MA，以解決機台販售至各地區時必須使用特定儀器、設備及聘請專人進行現場調校之問題。
在一實施例中，熱補償監控裝置120再包括一使用者介面124。以顯示各項訊息及提供使用者下達指令以進行溫度訊號與誤差數據之接收與處理，及啟動建立或更新熱補償資料庫122，並開啟與雲端運算裝置130之通訊連接。
舉例而言，本揭露的工具機熱補償系統100所進行的熱補償實施流程如第2圖所示，步驟S11，接收溫度訊號，溫度感測裝置110接收工具機52於加工時工件的多個不同時間點的溫度訊號。接著，步驟S12，擷取溫度特徵，訊號處理單元121接收溫度訊號後並使用訊號處理的方法降低雜訊，擷取溫度訊號中之溫度特徵。步驟S13，量測誤差數據，以量測裝置於不同時間點量測工件加工尺寸的誤差數據EA，例如對一建模用工件進行切割的第一刀(時間點為0)作為量測基準，其與其他時間點所切割的第二刀及以後的位置，相減計算得到誤差數據EA。藉由不斷地擷取加工過程中不同時間點的溫度特徵，並量測對應時間點的誤差數據EA，以建立或更新到熱補償資料庫122中，如步驟S14。
接著，步驟S15，建立、應用或修正熱補償模型，雲端運算裝置130以各不同時間點的溫度特徵作為輸入值，以對應各不同時間點的誤差數據作為輸出值，舉例以類神經網路演算法建立熱補償模型MA，亦即本揭露是以機器學習計算來建立熱補償模型MA，但不以此為限。
在一實施例中，本揭露熱補償模型MA建立的方式為：
Figure 02_image001
(1)； 其中數學式(1)：Xi為量測建模用工件於加工時的溫度訊號，y為量測誤差，fk為轉移函數或遞移函數，Wi為向量，b為偏置值，其為一常數。其中在fk、Wi與b為已知下，輸入Xi後所得出的y值即是熱補償值。
在一實施例中，步驟S15還包括透過雲端運算方式，修正熱補償模型MA。雲端運算裝置130依據熱補償模型MA中溫度訊號特徵以運算出對應之熱補償值，與建模用工件於第一刀切割時的加工精度做比較，來調校或修正已建立的熱補償模型MA為最新的熱補償模型MA。
由此可知，本揭露是以時間長短與建模用工件之熱伸長量或加工精度的關聯性，建立熱補償模型MA，並使用類神經網路進行修正，得以持續地更新熱補償模型MA以產出更精準的熱補償值。
在一實施例中，修正熱補償模型MA舉例亦可同樣透過數學式(1)，由雲端運算方式結合建模用工件誤差量測進行，如此可增加熱補償模型MA的數據量以持續改善加工精度。
接著，步驟S16，計算熱補償值，雲端運算裝置130接收建模用工件於不同時間點的溫度訊號特徵、誤差數據及對照熱補償資料庫122之資料後，依據熱補償模型MA以運算出對應之一熱補償值。接著步驟S17，判斷此熱補償值是否超過一預定閥值，若判斷為是，表示誤差過大，必須回到步驟15進行模型修正及重新計算，反之，若判斷為否，表示此時熱補償值未超過閥值，則可正常進行後續的熱補償作業，如步驟S18，見第1圖所示，在一實施例中，可將閥值設定為各工具機控制器的最小控制精度，例如1微米(μm)，經由熱補償模型MA計算後的熱補償值若未超過閥值時，可藉由雲端運算裝置130自動進行運算後，再經由近端的控制器52A或遠端控制器50等，分別對各地區的工具機52,50傳送熱補償值以供調校作業，以穩定地持續監控工件的加工精度。其中其他地區的工具機50可能已具備CNC控制器或PLC系統時，則熱補償值則可直接傳輸熱補償值到該工具機進行補償。
綜上所述，本揭露的工具機熱補償系統能依據各地區現場加工狀況即時進行熱補償，且可持續修正已完成的熱補償模型，解決機台販售至各地區時必須使用特定儀器、設備及聘請專人現場進行熱建模之不便問題。
再者，本揭露是以時間長短與建模用工件之熱伸長量或加工精度的關聯性，建立熱補償模型，並使用類神經網路進行修正，得以持續性地更新熱補償模型以產出更精準的熱補償值。
此外，經由熱補償模型計算後的熱補償值未超過預定閥值時，可藉由雲端運算裝置自動進行運算並進行熱補償作業，以穩定地監控各地區工具機的加工精度，具備發明專利之條件。
雖然本揭露的一些實施例已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何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，當可作些許之更動與潤飾，故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。
50:工具機/控制器 52:工具機 52A:控制器 100:工具機熱補償系統 110:溫度感測裝置 120:熱補償監控裝置 121:訊號處理單元 122:熱補償資料庫 124:使用者介面 130:雲端運算裝置 EA:誤差數據 MA:熱補償模型 S11~S18:步驟
第1圖為本揭露的工具機熱補償系統的架構示意圖。 第2圖為本揭露的工具機熱補償系統的實施流程圖。
50:工具機/控制器
52:本地區或近端工具機
52A:控制器
100:工具機熱補償系統
110:溫度感測裝置
120:熱補償監控裝置
121:訊號處理單元
122:熱補償資料庫
124:使用者介面
130:雲端運算裝置
EA:誤差數據
MA:熱補償模型

Claims (10)

  1. 一種工具機熱補償系統，適用於一工具機以加工一工件，該工具機熱補償系統包括：一熱補償監控裝置，用以接收該工件於不同時間點的溫度訊號，並擷取對應的多個溫度特徵，再依據該工件多個對應的誤差數據以建立或更新一熱補償資料庫；以及一雲端運算裝置，提供一熱補償模型，並依據該些溫度特徵與對應的該些誤差數據，以計算取得一熱補償值，並依據該熱補償值與一預定的閥值，以決定修正該熱補償模型或進行一熱補償作業，其中該閥值是該工具機的控制器的最小控制精度。
  2. 如請求項1所述的工具機熱補償系統，其中該些溫度訊號是由一溫度感測裝置所量測而得。
  3. 如請求項1所述的工具機熱補償系統，其中該熱補償值若大於該閥值時，則進行修正該熱補償模型，否則進行該熱補償作業。
  4. 如請求項1所述的工具機熱補償系統，其中該熱補償作業是將該熱補償值傳輸到該工具機。
  5. 如請求項1所述的工具機熱補償系統，其中該些誤差數據是由一量測裝置所量測而得。
  6. 如請求項1所述的工具機熱補償系統，其中該熱補償資料庫再記錄該工具機的識別資料。
  7. 如請求項1所述的工具機熱補償系統，其中該雲端運算裝置依據該些溫度特徵與對應的該些誤差數據，以一類神經網路演算法建立該熱補償模型。
  8. 如請求項7所述的工具機熱補償系統，其中該雲端運算裝置以該類神經網路演算法修正該熱補償模型。
  9. 如請求項1所述的工具機熱補償系統，其中該雲端運算裝置是以一通訊單元訊號連接該熱補償監控裝置。
  10. 如請求項9所述的工具機熱補償系統，其中該雲端運算裝置是以該通訊單元訊號連接多數其他工具機。
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