TWI811863B - 加工機高解析監控系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之加工機高解析監控系統，提供使用者一種加工機台的即時狀態分析，以進行加工條件的最佳化，並給予即時地回饋，其包含微機電元件及分析裝置，其中微機電元件偵測加工中所發生的振動後，將短時間的振動變化的峰值設為值點，並將值點瞬時傳輸至分析裝置，分析裝置再將各值點繪製成高解析加工波形圖案，並計算各時間段中的數值及整體線性狀況，最後依據加工波形圖案的再現性、振動峰值之整體趨勢線斜率、波形圖案之變形方式及峰谷差值判斷加工的狀態，有別於先前技術的頻域分析，本發明的原理雖然簡單，但具有更佳的泛用性。
Description
本發明為加工製程分析診斷領域，尤其是一種藉由高解析度的時域分析方法，分析加工機之瞬時加工狀態的監控系統及解析方法。
加工機為製造業中，一項不可缺少的機械設備，尤其是對於切割、車削、铣削、研磨及鑽孔等加工動作，更是需要加工機的協助，然而如同所有的機械設備，加工刀具、耗材等，皆有其使用條件以及壽命表現。
傳統上使用者須要持續監控加工機的加工狀態，避免加工變異造成工件受損，或是因為加工機狀態的不同，而生產出品質不同的產品，此種方式需要使用者的長期經驗以及時間，來確保加工品質及生產結果。
在加工監控領域中，觀察加工動作時所產生的震度、晃動或聲音為主流的監控方式，傳統上是借助有經驗的工程師或技師，以其肉眼及聽覺觀察，並依經驗判斷當前的加工狀態，然後須等到耗費一定時間，待該加工工件完成，再取下加工工件，並檢查該工件外觀尺寸表面狀態之後，才能確認此工件之加工品質，因此執行上仰賴人員的經驗，並且造成時間跟材料損失浪費，又無法得到任何數值做為後續參考。
發展至今，加工機的監控已標準化，國際標準化組織提出ISO 10816-3標準，並搭配震動計作為加工機健康評估的判斷依據，然而上述監控方式，主要是藉由長期監測，並以期間內的平均振動值作為判定基準，較適用於大型加工機，但難以適用於現代化地精密加工設備。
現有振動精密加工的監控之技術，大部分捨棄以時域振幅數值變化為判斷基礎，也就是說，在本領域具有通常知識者的認知上，時域分析訊號在一般加工中，表現雜亂無序難以分析，因此難以作為精密加工的監控判斷基礎。
如中華民國第I738935號專利所揭示的先前技術，其即是現代捨棄時域分析之振幅波形圖案的一個範例，該專利提供一種波形解析方法，在收集振幅計的訊號後，立即以快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform，FFT)的方式，將時域訊號轉換為頻域訊號，並觀察特定頻率的訊號變化方式，而達到機控加工機之目的。
然而上述以頻域訊號作為分析的方式，其運算過程較為繁雜，訊號處理時間漫長，頻率的變化也伴隨不同地加工機、加工動作、加工刀具及被加工物的選擇而有所不同，以上條件參數皆會影響頻域訊號的判讀方式，並沒有一個固定地通則。造成現今業界還無法有一簡便的方式解讀加工變化並最佳化。
本案發明人鑑於上述先前技術所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件加工機高解析監控系統及方法，並可即時反饋加工系統，預防檢知加工狀態並分析之。
為解決上述先期技術之問題，本發明提供加工高解析監控分析系統及方法，其目的在於提供較單純之振幅大小，但瞬時高解析度之時域變化量為判斷基礎，快速即時地監控加工機當前加工狀況，破除先前技術認為時域訊號無法判斷精密加工機健康狀態的技術偏見，同時提出一套適用於各種加工機的狀態監控方案。
本發明之加工機高解析監控系統包含慣性裝置及分析裝置，其中慣性裝置又包含微機電元件及通訊元件，而微機電元件更包含慣性單元及處理單元，其中慣性單元係用於安裝於外界加工機上，藉以偵測加工機於加工動作中所產生之振動，並將振動轉換成原始訊號，處理單元則由原始訊號中，挑選單位時間內振幅直最高的峰值為單位時間的值點，然後利用通訊元件傳輸至分析裝置。
其中，分析裝置包含設定介面、波形模組及比對模組，使用者可以透過設定介面設定單位時間，並傳輸給慣性裝置，其中波形模組則係接受各單位時間的值點後，將各值點連接而繪製成加工波形圖案，然後比對模組再將加工波形圖案與標準波形圖案以模糊分析比較的方式，判斷二者之間的相似度，並利用相似度判斷加工機的刀具是否已經耗損，或是加工條件發生變化，例如，被加工之工件的材質是否有偷工減料等變異產生。
其中，標準波形圖案的獲得是將慣性裝置安裝於全新地加工機，並將繪製出來的加工波形圖案當作標準波形圖案。
其中，通訊元件的傳輸週期介於0.02秒至0.25秒，且單位時間介於0.02秒至0.25秒。
本發明還提供一種加工高解析監控方法，其係先設定單位時間，然後利用慣性裝置偵測正在執行加工動作之加工機的振動，而獲得加工機的原始訊號，再將原始訊號中，單位時內的振幅值的峰值設為值點，最後將值點連接而繪製成加工波形圖案。
其中，使用者可以將目前的加工波形圖案與標準工波形圖案比對，並依據二圖案的相似度判斷目前加工的穩定性。
其中，使用者可以依據加工波形圖案的趨勢線斜，判斷加工的穩定性。
其中，使用者可以依據加工波形圖案的峰谷差值，判斷加工的穩定性。
其中，穩定性可以是被加工物之材質特性的均一性。
其中，穩定性可以是加工中切削力及潤滑油的狀態。
其中，穩定性可以是加工刀具的耐久性或耗損率。
其中，加工機包含CNC加工機、機械手臂、搬運裝置、沖床磨床、玻璃切割機、射出成形設備以及光電半導體切割研磨設備。
其中，本發明可應用於CNC加工機之車削、铣削、研磨、鑽孔等加工動作，或是PCB的鑽孔、玻璃切割或晶圓切割研磨等技術。
本發明還提供一種加工刀具挑選方法，包含將刀具分批安裝於加工機，並利用加工高解析監控方法繪製出個刀具的加工波形圖案，然後選擇趨勢線最低的刀具。
本發明還提供另一種加工刀具挑選方法包含：步驟S51：提供時間區間；步驟S52：提供單位時間，且單位時間低於0.1秒；
步驟S53：偵測加工機的振動而產生原始訊號，原始訊號包含複數振幅值；步驟S54：將單位時間內的振幅值的峰值設為單位時間的值點；步驟S55：將各值點依時序繪製成加工波形圖案；步驟S56：每間隔該時間區間，將時間區內的值點設成一組，並統計各組的值點而獲得統計指標；步驟S56：比較各組與其前一組的統計指標，而獲得統計指標的變化值，若變化超過閥值，則判斷加工機的穩定性不佳。
其中，統計指標為為最大值、最小值、平均值、中位數或標準差的其中之一，閥值為15%。
本發明還提供另一種最佳的加工刀具挑選方法，包含將刀具分批安裝於加工機，並利用加工高解析監控方法繪製出個刀具的加工波形圖案及長期趨勢加工波形圖案，然後選擇振幅趨勢較低且波形圖案之峰值最低的刀具，即表示使用該刀具加工，可以得到最低的振動量，也就是有最低的切削阻力，和最好的切削力表現。以此獲得被加工物之表面最細微的切削痕跡，確保加工面的光滑度。
綜上所述，本發明利用傳輸週期介於0.02秒至0.25秒的通訊元件，並設定介於0.02秒至0.25秒的單位時間，獲得高解析度的加工波形圖案，再藉由加工波形圖案的峰谷差值及整體加工振幅趨勢線斜率變化，以及加工波形圖案與標準波形圖案之間的相似度，判斷加工機之加工的狀態，或是挑選合適刀具，甚至可以察覺判斷刀具的耗損狀況，以及被加工物的材料特性及品質，並及時反饋系統告知該變化現象讓使用者即時發覺避免錯誤。
1:慣性裝置
11:微機電元件
111:慣性單元
112:記憶單元
113:處理單元
12:通訊元件
2:分析裝置
21:設定介面
22:波形模組
23:比對模組
3:顯示裝置
4:原始訊號
41:振幅值
42:單位時間
43:值點
5:加工波形圖案
51:X軸趨勢線
52:Y軸趨勢線
53:Y軸趨勢線
6:塊材
71:入刀
72:出刀
81:入刀點
82:出刀點
S21-S24:步驟
S31-S35:步驟
S41-S45:步驟
S51-S57:步驟
圖1 為本發明加工機高解析監控系統的方塊圖；圖2 為本發明之加工高解析監控方法的步驟圖；圖3 為第一種加工刀具挑選方法的步驟圖；圖4 為第一種刀具挑選方法的步驟圖；圖5A 為本發明之第二訊號示意圖；圖5B 為本發明之第二訊號示意圖；圖5C 為本發明之第三訊號示意圖；圖6 為長期趨勢加工波形圖案；圖7A 為前期加工波形圖案；圖7B 為後期加工波形圖案；圖8 為多刀具的加工波形圖案；圖9 為加工程序示意圖；圖10 為加工波形圖案；圖11 為波形比較示意圖。
為利 本領域具有通常知識者了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
請參閱圖1，其係為本發明加工機高解析監控系統的方塊圖。如圖所示，本發明之加工機高解析監控系統包含慣性裝置1、分析裝置2及顯示裝
置3，其中慣性裝置1包含微機電元件11及通訊元件12，其中分析裝置2包含設定介面21、波形模組22及比對模組23。
其中，分析裝置2為電腦，且分析裝置2包含設定介面21、波形模組22及比對模組23，使用者可透過設定介面21調整慣性裝置1的操作參數，尤其是單位時間的設定。
其中，微機電元件11包含慣性單元111、記憶單元112及處理單元113，慣性單元111為加速規，係用於偵測加工機的振動而產生原始訊號，處理單元113為處理器，係用於將單位時間內的振幅值的峰值設為單位時間的值點，然後由通訊元件12以高解析傳輸技術，將值點傳輸給分析裝置2，在一實施例中，通訊元件12為802.11 b/g/n 2.4GHz Wi-Fi藍芽模組。
其中，記憶單元112為記憶體，係用於暫存原始訊號，或是作為離線狀態時的暫存空間。
其中，波形模組22及比對模組23為程式模組，波形模組22係用於將值點依時序繪製成加工波形圖案，比對模組23則係用於判斷加工波形圖案與標準波形圖案之間的相似度，並依據相似度判斷加工機的穩定性。
其中，顯示裝置3則係用於顯示加工波形圖案，以及呈現設定介面21方便使用者操作，使用者亦可透過顯示裝置3觀察加工波形圖案，即時判斷加工機的狀態。
請參閱圖2，其係為本發明之加工高解析監控方法的步驟圖，本發明之加工高解析監控方法包含：步驟S21：提供單位時間，且單位時間低於0.1秒；步驟S22：偵測加工機的振動而產生原始訊號，原始訊號包含複數振幅值；步驟S23：將單位時間內的振幅值的峰值(peak value)設為單位時間的值點；
步驟S24：將各值點依時序繪製成加工波形圖案。
在一實施例中，使用者還可以提供一台全新地加工機，並在加工機上安裝全新地刀具，利用步驟S21-S24，獲得一段時間(例如：三分鐘)的加工波形圖案，並以此加工波形圖案為標準波形圖案。
然後，再以模糊分析比較的方式，即時地判斷加工波形圖案與標準波形圖案的相似度，若判斷二者的相似度未達到標準，則判斷加工機的刀具需要更換，或是被加工物的材料有缺陷，藉此達到監控加工機狀態，並提醒加工業者適時更換刀具或檢查加工物的來材料是否有偷工減料之目的。
在一實施例中，使用者可以藉由觀察加工波形圖案的趨勢線，依據趨勢線的上升斜率判斷安裝於加工機上之刀具的耐久性。
在一實施例中，使用者亦可藉由觀察加工波形圖案的趨勢線，依據峰谷差值的變化判斷安裝於加工之刀具是否即將損壞，並藉以達到預防刀具突發性地斷裂。
請參閱圖3，其係為第一種加工刀具挑選方法的步驟圖，包含：步驟S31：提供複數刀具；步驟S32：將其中一個刀具安裝於加工機；步驟S33：利用步驟S21-S24，獲得加工波形圖案；步驟S34：重複步驟S33，直到獲得所有刀具的加工波形圖案；步驟S35：比較各波形圖案，並選擇趨勢線斜率最低的刀具。
請參閱圖4，其係為第一種刀具挑選方法的步驟圖，包含：步驟S41：提供複數刀具；步驟S42：將其中一個刀具安裝於加工機；步驟S43：利用步驟S21-S24，獲得加工波形圖案；
步驟S44：重複步驟S43，直到獲得所有刀具的加工波形圖案；步驟S45：比較各波形圖，並選擇峰谷差異最低的刀具。
請參閱圖5A至圖5C，其係為本發明之第一至第三訊號示意圖，如圖所示，慣性單元111所偵測之原始訊號4中包含複數振幅值41；在步驟S21中，使用者透過設定介面21設定適當的單位時間長度後，處理單元113將原始訊號4切割成複數個單位時間42；在步驟S22中，處理單元113將單位時間42內振幅值41的峰值設為值點43；在步驟S23中，波形模組22將各值點43連線而形成加工波形圖案5。
請參閱圖6，其係為長期趨勢加工波形圖案，如圖所示，加工波形圖案5有X軸趨勢線51與Y軸趨勢線52，通過觀察可發現，不論是X軸趨勢線51或Y軸趨勢線52的斜率皆大於零，也就是說，加工機的振動會隨著時間而增加，因此，使用者可以藉由觀察趨勢線的斜率而判斷加工機之耗材的耐用性，其中又以觀察加工機刀具的耐用性最為顯著。
請參閱圖7A及7B，其係為前期加工波形圖案及後期加工波形圖案，如圖7A所示，在加工機及其刀具還在全新的狀態時，Y軸趨勢線52的峰谷差值不超過2，然而經過15分鐘的使用後，如圖7B所示，加工機及其刀具有所耗損，因此Y軸趨勢線52的峰谷差值趨近於3，且圖7B的趨勢線比圖7A的趨勢線更顯雜亂，透過上述觀察，使用者可以依據加工波形圖案的峰谷差值及其雜亂度而判斷刀具的耗損率。
進一步說明，使用者可以利用加工高速瞬時監控方法繪製出個刀具的加工波形圖案及長期趨勢圖，然後選擇振幅趨勢較低且波形圖案之峰值最低的刀具，即表示使用該刀具加工，可以得到最低的振動量，也就是有最低的
切削阻力，和最好的切削力表現，以此獲得被加工物之表面最細微的切削痕跡，確保加工面的光滑度。
請參閱圖8，其係為多刀具的加工波形圖案，圖8繪製了六種刀具在同一台加工機上執行同一加工程序，總共歷時16.5分鐘的加工波形圖案，六種刀具分別為WXS刀具、WXS/DE刀具、SD刀具、SDGH刀具、SDGMR刀具及SDG刀具，使用者可藉由比較六種刀具的峰谷差值及趨勢線斜率，而挑選最適合此加工機及加工程序的刀具。
承上之挑選刀具的方法，使用者亦可以提供多種潤滑油或加工參數，仿造步驟S32-S35或步驟S42-S45，而挑選出最恰當地潤滑油或加工參數。
請參閱圖9，其係為加工程序示意圖，如圖所示，加工機持續來回切割塊材6的往復動作，我們可以將切割塊材6的動作分為入刀71及出刀72二個分解步驟。
請參閱圖10，其係為加工波形圖案，如圖所示，隨著加工機的往復動作，加工波形圖案5呈現複數個具規律性的波峰及波谷，其中每一回合中，波谷最深之處即為出刀點82，而在入刀點81之後則為出刀點82，換句話說，加工波形圖案5是一張連續出現入刀點81及出刀點82的規律圖形。
請參閱圖11，其係為波形比較示意圖，如圖所示，若將標準波形圖案及加工波形圖案疊加，則可以藉由比較加工波形圖案與標準波形圖案的相似度，判斷加工機是否依照規律性地出現不同地波峰及波谷，進而判斷加工機的狀態。
在一實施例中，使用者可以將加工波形圖案5中的一個區段設為標準波型圖案，再以模糊分析比較的方式，即時地判斷加工波形圖案與標準波
形圖案的相似度，若判斷二者的相似度未達到標準，則判斷加工機的穩定性未達標準。
其中，穩定性可以是檢驗被加工物之材質特性。
其中，穩定性可以是加工中切削力及潤滑油的狀態。
其中，穩定性可以是加工刀具的耐久性或耗損率。
請參閱圖12，其係為本發明之加工高解析監控方法的步驟圖，本發明之加工高解析監控方法包含：步驟S51：提供時間區間；步驟S52：提供單位時間，且單位時間低於0.1秒；步驟S53：偵測加工機的振動而產生原始訊號，原始訊號包含複數振幅值；步驟S54：將單位時間內的振幅值的峰值設為單位時間的值點；步驟S55：每間隔該時間區間，將時間區內的值點設成一組，並統計各組的值點而獲得統計指標；步驟S56：比較各組與其前一組的統計指標，而獲得統計指標的變化值，步驟S57：觀察變化值，且當變化超過閥值時，判斷加工機的穩定性不佳。
其中，統計指標為為最大值、最小值、平均值、中位數或標準差的其中之一，閥值為15%。
在一實施例中，步驟S21-S24及步驟S51-S57可以同時運行，藉以增加本發明判斷加工機穩定性的能力。
總上所述，本發明之加工機高解析監控系統藉由微機電元件獲得加工機振動的高解析度訊號，並利用具有高解析傳輸速度的通訊元件將訊號快速且即時地傳輸至分析裝置，再由分析裝置會製出高解析度地加工波形圖案，或是對訊號進行統計。
此外，本發明更提供多種加工波形圖案的應用方法，藉由加工波形圖案所提供的高解析度資訊，本領域具有通常知識者可以判斷加工機的狀態、刀具的狀態或是被加工物的品質。
換句話說，本發明提供使用者一種加工機台的即時狀態的分析解決方案，協助使用者進行加工條件的最佳化，並給予即時地回饋，使用者可以依據加工波形圖案的再現性、振動峰值之整體趨勢線斜率、波形圖案之變形方式及峰谷差值判斷加工的狀態。
據上論結，本發明利用加速規之量測的時域訊號，經分析裝置的高解析處理，繪製成可以反應加工機狀態的高解析度加工波形圖案，相較於本領域之先前技術採用的頻域分析還來得簡單、即時、精準且更具泛用性。甚至圖案未來可以採用模糊分析比較或是AI比對的方式做機台加工時候的反饋確認。
除此之外，本領域通常知識者普遍認為，時域訊號雜亂不勘，無法代表加工機的狀態，故本發明之另一目的在於破除技術偏見，提出另一種分析加工機狀態的可行方案。
上列詳細說明係針對本發明之可行實施例之具體說明，惟實施例並非用以限制本創作之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1:慣性裝置
11:微機電元件
111:慣性單元
112:記憶單元
113:處理單元
12:通訊元件
2:分析裝置
21:設定介面
22:波形模組
23:比對模組
3:顯示裝置
Claims (13)
- 一種加工機高解析監控系統，包含：一微機電元件，更包含：一慣性單元，係用於偵測一加工機的振動而產生原始訊號，該原始訊號包含複數振幅值，該慣性單元為一加速規；一處理單元，與該慣性單元連接，係用於將一單位時間內的該振幅值的峰值設為該單位時間的值點；以及一記憶單元，為一記憶體，係用於暫存該原始訊號，或是作為離線狀態時的暫存空間；一分析裝置，與該微機電元件連接，該分析裝置更包含：一設定介面，係用於設定該單位時間，該單位時間低於0.25秒；一波形模組，與該分析裝置連接，係用於將各該值點依時序繪製成加工波形圖案；其中，該微機電元件與該分析裝置之間的傳輸週期低於0.25秒：其中，該振動係因該加工機的加工動作而產生。
- 如請求項1所述之加工機高解析監控系統，更包含一通訊元件，係用於將該微機電元件連接至該分析裝置，並以低於0.25秒的傳輸週期，將該值點傳輸至該分析裝置。
- 如請求項1所述之加工機高解析監控系統，其中該分析裝置更包一比對模組，係用於判斷一標準波形圖案與該加工波形圖案的相似度。
- 如請求項2所述之加工機高解析監控系統，其中該通訊元件的傳輸週期介於0.02秒至0.25秒，且該單位時間介於0.02秒至0.25秒。
- 一種加工機高解析監控方法，其係使用如請求項1至4中任一項所述之加工機高解析監控系統，該加工機高解析監控方法包含：提供一單位時間，且該單位時間低於0.25秒；偵測一加工機的振動而產生原始訊號，該原始訊號包含複數振幅值；將該單位時間內的該振幅值的峰值設為該單位時間的值點；將各該值點依時序繪製成加工波形圖案；其中，該振動係因加工機的加工動作而產生。
- 如請求項5所述之加工機高解析監控方法，其中該單位時間介於0.02秒至0.25秒。
- 如請求項5所述之加工機高解析監控方法，更包含判斷一標準波形圖案與該加工波形圖案的相似度，並以該相似度判斷加工的穩定性。
- 如請求項5所述之加工機高解析監控方法，更包含依據該加工波形圖案的趨勢線斜率，判斷該加工的穩定性。
- 如請求項5所述之加工機高解析監控方法，更包含依據該加工波形圖案的峰谷差值，判斷該加工的穩定性。
- 如請求項7至9中任一項所述之加工機高速高解析監控方法，其中該穩定性為加工刀的耐久性或加工刀的耗損率。
- 如請求項7至9中任一項所述之加工機高速高解析監控方法，其中該穩定性為加工中切削力或潤滑油的狀態。
- 一種加工機高解析監控方法，其係使用如請求項1至4中任一項所述之加工機高解析監控系統，該加工機高解析監控方法包含：提供一時間區間；提供一單位時間，且該單位時間低於0.25秒；偵測一加工機的振動而產生原始訊號，該原始訊號包含複數振幅值；將該單位時間內的該振幅值的峰值設為該單位時間的值點；每間隔該時間區間，統計各該時間區間內的值點，並產生一統計指標；計算各該統計指標與其前一個該統計指標之間的變化率；當該變化率超過一閥值時，判斷該加工機的穩定性異常。
- 如請求項12所述之加工機高解析監控方法，其中該統計指標為最大值、最小值、平均值、中位數或標準差的其中之一。
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