TWM449055U

TWM449055U - 工具機主軸動平衡運算裝置

Info

Publication number: TWM449055U
Application number: TW101219731U
Authority: TW
Inventors: De-Hua Yang
Original assignee: Goodway Machine Corp
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-03-21

Description

工具機主軸動平衡運算裝置

本創作係一種動平衡運算裝置，尤指一種具有快速、高解析度與高靈敏度的動平衡運算裝置。

現有的工具機概可分為車床、銑床以及將車床與銑床結合的車銑複合機，其中的車床主要是針對圓柱型的對稱工件進行加工，然而車銑複合機的發展令現有需經由車床與銑床分別加工的複數工序可於單一複合機台上實現，使得加工的工件不再侷限於圓柱型的對稱工件。

但是車銑複合機的主軸在加工非圓柱型的不對稱工件時，相較於對稱工件會產生較大的主軸不平衡量，主要是因為不對稱工件在高速旋轉加工時會有質量不平衡的問題，若無法有效克服高速旋轉產生之質量不平衡的問題，會造成切削刀具受損、工件不良率增加的問題，甚至損壞工具機的主軸結構；因此現有高階車銑複合機多具有自動量測功能，藉以克服高速旋轉產生之質量不平衡的問題，但是使用自動量測功能需要搭配昂貴的訊號解析與運算設備以進行即時分析，而會造成機台成本增加以及無法普及的問題。

如前揭所述，現有工具機主軸於高速加工不對稱工件時會產生質量不平衡的問題，搭配昂貴的訊號解析與運算設備進行即時分析可消除質量不平衡的問題，但卻有價格高昂與無法普及的問題，因此本創作主要目的在提供一工具機主軸動平衡運算裝置，利用高解析度與高靈敏度的感測器與不平衡量的相位偵測電路，計算主軸所需動平衡的量值與相位，解決不對稱工件在主軸高速旋轉時產生質量不平衡以及設備複雜與價格高昂的問題。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述工具機主軸動平衡運算裝置係與一工具機的控制器連接，並包括有：一訊號處理電路，其具有一主軸振動訊號輸入端、一主軸參考訊號輸入端、一主軸不平衡量大小輸出端與一主軸不平衡量相位輸出端，該訊號處理電路包含有一濾波模組、一RMS檢測單元、一弦波轉方波單元與一轉阻緩衝單元，濾波模組的輸入端是連接至主軸振動訊號輸入端，轉阻緩衝單元的輸入端是連接至主軸參考訊號輸入端，濾波模組的輸出端是分別與RMS檢測單元以及弦波轉方波單元電連接，RMS檢測單元的輸出端是連接至主軸不平衡量大小輸出端，弦波轉方波單元與轉阻緩衝單元的輸出端是同時連接至主軸不平衡量相位輸出端；二感測器，其包含有一加速度規與一磁性感測器，該加速度規是與主軸振動訊號輸入端電連接，該磁性感測器是與主軸參考訊號輸入端電連接。

利用前述元件組成的工具機主軸動平衡運算裝置，可由工具機之主軸上的加速度規量測主軸振動訊號，並由磁性感測器定位主軸的原點(又稱主軸原點參考訊號)，由加速度規量測取得主軸振動訊號並經濾波模組處理後得到同轉速下之弦波共振訊號，將此共振訊號分別經由RMS檢測單元將弦波轉換成一輸出穩定直流的電壓，再輸出至主軸不平衡量大小輸出端，其電壓的高低與弦波的振幅大小成正比，即可得到主軸振動量的大小；又主軸原點參考訊號是一電流脈衝訊號，其經轉阻緩衝單元轉換成一脈衝電壓，前述的共振訊號另經由弦波轉方波單元轉換為脈波訊號，將此脈波訊號與脈衝電壓結合，即可得到主軸不平衡量相位，意即主軸振動發生點的相位訊號。

工具機的控制器接收前述之主軸振動量的大小與主軸振動發生點的相位訊號後，可計算得到主軸所需動平衡的量值與相位，產生對應的動平衡控制訊號，解決不對稱工件在主軸高速旋轉時產生質量不平衡的問題，又訊號處理電路具有結構簡單的特點，不需搭配昂貴的訊號解析與運算設備以進行即時分析，解決機台成本增加的問題。

關於本創作的一較佳實施例，請參閱圖1所示，係於一工具機的主軸11上裝設有數個感測器，本實施例中包括一加速度規21與一磁性感測器22，該等感測器分別連接至一訊號處理電路30，又該訊號處理電路30分別與一CPLD處理器40以及工具機的一控制器12電連接。

請參閱圖2所示，該訊號處理電路30具有一主軸振動訊號輸入端301、一主軸參考訊號輸入端302、一主軸不平衡量大小輸出端303與一主軸不平衡量相位輸出端304，該訊號處理電路30包含有一濾波模組31、一RMS檢測單元32、一弦波轉方波單元33與一轉阻緩衝單元34；該濾波模組31包含有一類比高通濾波單元311、一類比低通濾波單元312與一數位帶通濾波單元313，其中，類比高通濾波單元311、類比低通濾波單元312與數位帶通濾波單元313是依序串接，且類比高通濾波單元311的輸入端是濾波模組31的輸入端，數位帶通濾波單元313的輸出端是濾波模組31的輸出端，該類比高通濾波單元311與類比低通濾波單元312是用以濾除高頻雜訊與低頻干擾，數位帶通濾波單元313則可找出伴隨主軸不平衡量所產生的簡諧訊號，且濾波模組31的輸入端是連接至主軸振動訊號輸入端301，轉阻緩衝單元34的輸入端是連接至主軸參考訊號輸入端302，濾波模組31的輸出端是分別與RMS檢測單元32以及弦波轉方波單元33電連接，RMS檢測單元32的輸出端是連接至主軸不平衡量大小輸出端303，弦波轉方波單元33與轉阻緩衝單元34的輸出端是同時連接至主軸不平衡量相位輸出端304，其將前述之簡諧訊號轉換為脈衝與弦波有效值，分別提供給後端CPLD處理器40作相位判斷和控制器12之不平衡量值訊號。

請配合參閱圖3所示，訊號處理電路30的二訊號輸入端分別連接加速度規21與磁性感測器22，該加速度規21先經一降電壓單元35降低輸入電壓後，再送至濾波模組31中類比高通濾波單元311與類比低通濾波單元312以及數位帶通濾波單元313；該磁性感測器22是與轉阻緩衝單元34電連接；其中，CPLD處理器40的輸入端是分別連接至轉阻緩衝單元34與弦波轉方波單元33，又CPLD處理器40的輸出端是與控制器12電連接。

由工具機之主軸11上的加速度規21量測主軸振動訊號，並由磁性感測器22定位主軸的原點(又稱主軸原點參考訊號)，由加速度規21量測取得主軸振動訊號並經濾波模組31處理後得到同轉速下之弦波共振訊號，將此共振訊號分別經由RMS檢測單元32將弦波轉換成一輸出穩定直流的電壓，再輸出至主軸不平衡量大小輸出端，其電壓的高低與弦波的振幅大小成正比，即可得到主軸振動量的大小；又主軸原點參考訊號是一電流脈衝訊號，其經轉阻緩衝單元34轉換成一脈衝電壓；前述之共振訊號另經由弦波轉方波單元33轉換為脈波訊號，將此脈波訊號與脈衝電壓結合，即可得到主軸不平衡量相位，意即主軸振動發生點的相位訊號。

工具機之控制器12接收前述之主軸振動量的大小與主軸振動發生點的相位訊號後，藉由相關係數法可計算得到主軸11所需動平衡的量值與相位，請參閱圖4所示，當工具機的主軸11開始運轉後控制器12會先確認主軸11轉速是否已達到恆等速(101)，接著讀取CPLD處理器40進行首次測試以取得相位資料(102)，不平衡量之量值則由訊號處理電路30輸入，經過多次試重後(103)，將各次試重數據結果存入資料庫(104)，最後透過相關係數法計算出主軸原始不平衡量值和其發生位置(105)，即可得知在主軸11需何處增加多少質量並顯示結果(106)而可使主軸11達到平衡，降低主軸11的振動量，解決不對稱工件在主軸11高速旋轉時產生質量不平衡的問題。

再者，該訊號處理電路30可製成一模組化的插槽式電路板，當訊號處理電路30發生故障時可快速抽換故障的電路板，而不需更換整主機板，進而降低維修成本與時間。

11‧‧‧主軸

12‧‧‧控制器

20‧‧‧感測器

21‧‧‧加速度規

22‧‧‧磁性感測器

30‧‧‧訊號處理電路

301‧‧‧主軸振動訊號輸入端

302‧‧‧主軸參考訊號輸入端

303‧‧‧主軸不平衡量大小輸出端

304‧‧‧主軸不平衡量相位輸出端

31‧‧‧濾波模組

311‧‧‧類比高通濾波單元

312‧‧‧類比低通濾波單元

313‧‧‧數位帶通濾波單元

32‧‧‧RMS檢測單元

33‧‧‧弦波轉方波單元

34‧‧‧轉阻緩衝單元

35‧‧‧降電壓單元

40‧‧‧CPLD處理器

圖1：係本創作一較佳實施例的方塊圖。

圖2：係本創作一較佳實施例之訊號處理電路的電路方塊圖。

圖3：係本創作一較佳實施例的電路方塊圖。

圖4：係本創作一較佳實施例的流程圖。