TWI817855B

TWI817855B - 刀具加工負載監控方法

Info

Publication number: TWI817855B
Application number: TW111145855A
Authority: TW
Inventors: 何銘浚
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-10-01

Abstract

一種刀具加工負載監控方法，包括以下步驟：收集驅動器於刀具切削時不同時間區段的負載資訊；依據負載資訊尋找並計算相對應於切削時等速區段之閥值；以及依據等速區段之閥值，提供判斷是否對刀具執行處置。

Description

刀具加工負載監控方法

本發明是有關於一種刀具加工負載監控方法。

在機械加工設備中，主軸電機的負載和進給電機的負載會發生變化，導致負載發生變化的原因可能有刀具磨損、主軸箱內如軸承損壞或鬆動、冷卻或潤滑不足，由於諸多因素的影響負載變大導致設備處於超負荷運行，其結果往往會導致如刀具斷裂破損。

工具機包含了控制器、驅動器與機構，驅動器可擷取馬達電流並轉換成負載資訊，切削時刀具磨耗造成伺服軸及主軸的負載增加。於加工切削時，不同切削速度、深度以及機台的狀態，會影響軸向的負載數值，因此，如何監控刀具加工避免刀具斷裂破損，將是業界所要解決之課題。

本揭露實施例提供一種刀具加工負載監控方法，建立軸向切削時負載的監控功能，提醒使用者刀具磨耗程度，降低因刀具斷裂破損造成的撞機，及避免生產力降低之問題，增加刀具監控狀態的強健性。

本揭露實施例的刀具加工負載監控方法，包括以下步驟：收集工具機之驅動器於刀具切削時不同時間區段的負載資訊；依據負載資訊尋找並計算相對應於切削時等速區段之閥值；以及依據等速區段之閥值，提供判斷是否對刀具執行處置。

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。

50:工具機

52:馬達

54:刀具

60:電腦

110:驅動器

120:控制器

AL:警告

D1:馬達電流

D2:負載資訊

P1:學習流程

P2:監控流程

K1:加速區段

K2,KN,KK:等速區段

K3:減速區段

S100:刀具加工負載監控方法

S110~S130:步驟

V1,V11:上閥值

V2,V12:下閥值

V2N:線段

VA1:加速區段上閥值

VA2:加速區段下閥值

VC1:等速區段上閥值

VC2:等速區段下閥值

VD1:減速區段上閥值

VD2:減速區段下閥值

第1圖為本揭露刀具加工負載監控方法的實施架構圖。

第2圖為本揭露刀具加工負載監控方法的流程圖。

第3A圖為本揭露學習流程一實施例的示意圖。

第3B圖為本揭露學習流程另一實施例的示意圖。

第3C圖為本揭露監控流程一實施例的示意圖。

下文列舉實施例並配合附圖來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍。此外，附圖僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，在下述說明中相同的元件將以相同的符號標示來說明。

關於本揭露中所提到「包括」、「包含」、「具有」等的用語均為開放性的用語，也就是指「包含但不限於」。

在各個實施例的說明中，當以「第一」、「第二」等的用語來說明元件時，僅用於將這些元件彼此區分，並不限制這些元件的順序或重要性。

在各個實施例的說明中，所謂的「耦接」或「連接」，其可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而「耦接」或「連接」還可指二或多個元件相互操作或動作。

第1圖為本揭露刀具加工負載監控方法的實施架構圖。請參閱第1圖，本揭露刀具加工負載監控方法例如為一電子電路且安裝於工具機50之控制器120中單獨運行，或是，例如為一程式且安裝於電腦60中，經由處理器(未圖示)執行後連接控制器120協同運行，程式中的指令由控制器120經驅動器110、馬達52以操控刀具54執行加工動作，程式中每一列即稱為一個單節(block)。工具機50包括馬達52、刀具54，其中馬達52驅動刀具54進行加工，而馬達52則受控於驅動器110及控制器120。控制器120依據程式的單節指令，依序執行程式進行加工。馬達52連接驅動器110，驅動器110用以擷取馬達電流D1並轉換成一負載資訊D2，驅動器110連接控制器120，並將負載資訊D2傳輸至控制器120，電腦60則自控制器120接收相關資訊。

第2圖為本揭露刀具加工負載監控方法的流程圖。請參閱第1圖與第2圖，本揭露刀具加工負載監控方法S100是經由控制器120單獨運行，或經由控制器120與電腦60協同運行，包括以下步驟S110至步驟S130，需說明的是，步驟S110至步驟S120是為一學習流程P1，步驟S130依據步驟S110與步驟S120學習流程P1之結果，藉此進行監控流程P2。

進行步驟S110，收集驅動器110於刀具54切削時不同時間區段的負載資訊D2，此時於切削或加工之時間區段中，刀具54可能發生已接觸或未接觸工件。

步驟S110包括以下步驟：判斷是否開始加工：若否，結束加工；若判斷為開始加工。接著，判斷是否為新的單節：若否，則繼續判斷是否為切削指令；若判斷為新的單節，則初始化上極值、下極值、以及累積時間等變數，其中上極值、下極值係為依據負載資訊D2而得到，累積時間係為切削加工所累積的時間。接著，判斷是否為切削指令，其中控制器120讀取單節可判斷是否為切削指令：若否，則回到判斷是否開始加工之步驟；若判斷為切削指令，接著，持續更新切削加工狀態時的累積時間。接著，判斷是否為切削時一等速區段；一般情況下，於等速區段中，刀具54即表示已接觸工件。

在一實施例中，判斷是否為切削時等速區段之步驟，例如為判斷累積時間是否大於加減速區段之時間，即此時加工過程中所累積的時間大於加速區段、減速區段，使得此時不為加速區段、減速區段，而可被判定為等速區段，其中能依據運動狀態或回授速度去判斷是否為加速訊號、等速訊號、以及減速訊號；一般情況下，於加速區段或減速區中，刀具54則即表示未接觸工件。

在一實施例中，判斷是否為切削時等速區段之步驟，例如為控制器120收到負載資訊D2為一等速訊號，即可判定為等速區段。

在一實施例中，判斷是否為切削時等速區段之步驟，例如為判斷負載資訊D2內的加速度值是否小於最小設定值，其中依據一速度值或一位置值來計算負載資訊D2內的加速度值，控制器120內有預設加速度值，若負載資訊D2內的加速度值小於預設加速度值，即設定該區段被認定為等速區段。

若判斷不是切削時等速區段，即為加速區段或減速區段等非等速區段，則回到判斷是否開始加工之步驟。若判斷為切削時等速區段，則讀取負載資訊D2，其中驅動器110用以擷取馬達電流D1並轉換成負載資訊D2。接著，進行步驟S120，依據負載資訊D2尋找並計算相對應於切削時等速區段之閥值，其中閥值包括一上閥值與一下閥值。

若判斷為等速區段，首先，讀取軸向負載訊號；接著，平均化(RMS)軸向負載訊號以得到負載資訊D2，其中平均化係指將此次軸向負載訊號與前一次軸向負載訊號，透過平方平均法(均方根)或其他訊號演算進行計算，此處之負載訊號例如是馬達之負載百分比值或電流值。

接著，判斷負載資訊D2是否大於一上極值，若判斷負載資訊大於上極值，則更新上極值之數值以及一上閥值，其中上閥值為更新後的上極值乘上一第一比例值，並繼續判斷負載資訊是否小於一下極值。

若判斷為否(負載資訊不大於上極值)，或者更新完上閥值後，接著判斷負載資訊D2是否小於一下極值，若判斷為否，則回到判斷是否開始加工之步驟；若判斷負載資訊D2小於下極值，則更新下極值之數值以及一下閥值，其中下閥值為更新後的下極值乘上一第二比例值。

需說明的是，第一比例值、第二比例值等比例值係根據工具機之狀態而調整，來維持監控之穩定度。

透過在監控流程P2之前的學習流程P1，以獲得等速區段之閥值。如第3A圖所示，等速區段KK中得到的上閥值V1、下閥值V2。

由此可知，本揭露係擷取等速區段之負載資訊，藉此避免運動狀態不同產生負載的變化時，如馬達52加速、減速等問題干擾，進而得以避免因此降低判斷後續閥值的準確度。

然而，本揭露不對此加以限制，在其他實施例中，如第3B圖所示，依據加速區段K1、等速區段K2、減速區段K3，分別得到一加速區段上閥值VA1與一加速區段下閥值VA2、一等速區段上閥值VC1與一等速區段下閥值VC2、一減速區段上閥值VD1與一減速區段下閥值VD2。由此可知，本揭露進一步還可將一單節區分為加速區段K1、等速區段K2、減速區段K3，透過速度值或位置值計算加速度值，當小於加速度值便判定為等速區段，並且，加速區段K1、等速區段K2、減速區段K3分別有各自的上、下比例值、以及對應的上、下閥值，因此，可依據監控程度不同將單一單節生成加速區段K1、等速區段K2、減速區段K3之六個檢測閥值。

請復參閱第2圖，進行步驟S130，依據等速區段之閥值，判斷是否對刀具54執行處置，藉此檢測刀具54。依據不同運動狀態之切削區段的閥值不同，而有相對應之處置。

於監控流程P2中，一實施例判斷流程如下：判斷是否開始加工：若否，結束加工；若判斷為開始加工。接著，判斷是否為新的單節，若否，則繼續判斷是否為切削指令；若判斷為新的單節，則初始化上極值、下極值、累積時間、以及維持時間，其中維持時間可透過參數設定，一組判斷閥值會有一組維持時間，或者所有判斷閥值共用相同的維持時間。

接著，判斷是否為切削指令：若否，則回到判斷是否開始加工之步驟；若判斷為切削指令，接著，持續更新切削加工狀態時的累積時間。接著，判斷是否為切削時一等速區段：若判斷為否，則回到判斷是否開始加工之步驟；若判斷為切削時等速區段，則讀取負載資訊。藉此避免運動狀態不同產生負載的變化時，如馬達52加減速等問題干擾，進而得以避免因此降低判斷閥值的準確度。如第3C圖所示，監控等速區段KN，判斷是否會超過上閥值V11或下閥值V12。

判斷為否，即非等速區段，則回到判斷是否開始加工之步驟；若判斷為等速區段，接著，讀取軸向負載訊號；接著，平均化(RMS)軸向負載訊號以得到負載資訊；接著，判斷負載資訊是否大於一上閥值：若否，則將維持時間之計數器初始化；反之，若判斷負載資訊大於一上閥值，執行處置。由於負載資訊超過上閥值，此部分是由於負載資訊之數值增加，判斷可能為刀具鈍化之情況，故建議需要換刀具54。並且，累加維持時間計數。接著，判斷計數器之累加是否超過維持時間：若否，則將維持時間之計數器初始化；反之，計數器之累加超過維持時間，如第3C圖所示的線段V2N，表示超過維持時間，則需要發布警告AL。工具機50可能出現異常，但仍繼續加工，而管理者若發現異常，可更換刀具54。

綜合上述，刀具加工負載監控方法，建立軸向切削時負載的監控功能，提醒使用者刀具磨耗程度，降低因刀具斷裂破損造成的撞機，及避免生產力降低之問題，增加刀具監控狀態的強健性。

再者，本揭露係擷取等速區段之負載資訊，藉此避免運動狀態不同產生負載的變化時，如馬達加速、減速等問題干擾，進而得以避免因此降低判斷後續閥值的準確度。

S100:刀具加工負載監控方法

S110~S130:步驟

P1:學習流程

P2:監控流程

Claims

一種刀具加工負載監控方法，經由一電腦讀取後且連接一工具機之一控制器以執行以下步驟：收集該工具機之一驅動器於一刀具切削時不同時間區段的一負載資訊，其中所述收集該工具機之該驅動器於該刀具切削時不同時間區段的該負載資訊的步驟，包括以下步驟：判斷是否為切削時該等速區段；若為該等速區段，則讀取該負載資訊；依據該負載資訊尋找並計算相對應於切削時一等速區段之一閥值；以及依據該等速區段之該閥值，提供判斷是否對該刀具執行一處置。
如請求項1所述的刀具加工負載監控方法，其中所述判斷是否為切削時該等速區段的步驟，包括以下步驟：判斷於加工過程中一累積時間是否大於加速區段或減速區段之時間；若否，則判定為該等速區段。
如請求項1所述的刀具加工負載監控方法，其中所述判斷是否為切削時該等速區段的步驟，包括以下步驟：該負載資訊為一等速訊號。
如請求項1所述的刀具加工負載監控方法，其中所述判斷是否為切削時該等速區段的步驟，包括以下步驟：判斷該負載資訊之一加速度值是否小於一預設加速度值；若是，則該負載資訊之該加速度值之區段被判定為該等速區段。
如請求項4所述的刀具加工負載監控方法，其中所述判斷該負載資訊之該加速度值是否小於該預設加速度值的步驟，包括以下步驟：依據一速度值或一位置值來計算該加速度值。
如請求項1所述的刀具加工負載監控方法，其中所述依據該負載資訊尋找並計算相對應於切削時該等速區段之該閥值的步驟，包括以下步驟：判斷該負載資訊是否大於一上極值；以及若判斷該負載資訊大於該上極值，則更新該上極值之數值以及一上閥值，其中該閥值包括該上閥值與一下閥值，該上閥值為更新後的該上極值乘上一第一比例值。
如請求項6所述的刀具加工負載監控方法，其中所述若判斷該負載資訊不大於該上極值，或者更新該上閥值後的步驟之後，包括以下步驟：判斷該負載資訊是否小於一下極值；以及若判斷該負載資訊小於該下極值，則更新該下極值之數值以及一下閥值，其中該下閥值為更新後的該下極值乘上一第二比例值。
如請求項1所述的刀具加工負載監控方法，其中所述判斷是否為切削時該等速區段的步驟，包括以下步驟：依據一加速區段、該等速區段、一減速區段，分別得到一加速區段上閥值與一加速區段下閥值、一等速區段上閥值與一等速區段下閥值、一減速區段上閥值與一減速區段下閥值。