TWM632979U - 銑削加工即時監測系統 - Google Patents

Abstract

一種銑削加工即時監測系統，該智慧刀把的作用是利用本體所擁有的感測能力及無線傳輸功能，通過無線傳輸方式將感測數值傳送至後台程式端，經由演算法以及解耦程序建立該即時切削模型，該即時切削模型用於預測該智慧刀把的加工刀具的切削參數，推算出該加工刀具刀尖的實際加工物理量，即時監測該加工刀具的狀態。

Description

銑削加工即時監測系統

本創作係關於一種銑削加工監測系統，特別是有關於一種智慧刀具銑削加工行為與感測機制建立模型，實現更高精度的加工即時監測。

目前，金屬銑削仍然是最重要的加工過程，為所有工藝產品提供依據。數十年來，人們對銑削工藝及其產品質量的要求越來越高，導致銑削工藝發生了巨大的變化。

在金屬加工過程中，刀具扮演著極其重要的角色，刀具數量龐大且應用複雜，使得刀具的使用與管理成為降低生產成本與縮短生產時間的重要因素。現代工廠的發展趨勢，皆朝向自動與智慧化生產方式進行生產，故能即時監控加工狀態與獲得刀具即時資訊，可提升機器設備的稼動率以及產品的競爭力。

就目前的技術而言，可能是將感測機制設計於工具機主軸或工作台的方式，以此即時動態力量感測訊號監控刀具加工狀態，所用感測為應變規式感測器，透過監控特定參數以回饋切削控制的方法，於工作臺與工件之間設置感測器偵測切削力，於夾持具上設置感測器偵測旋轉切削力。但此類監測技術的解耦設計複雜，需藉大量演算法進行分析，準確度較低，各軸向感測易相互干擾。

本創作的目的在於提供一種銑削加工即時監測系統，針對將感測機制裝設於刀把本體的智慧刀把，通過無線傳輸方式將感測數值傳送至後台程式端，經由建立之演算法以及解耦程序將數值換算成所希望求的物理量(扭矩、彎矩、軸向力)，用以偵測加工過程的刀具全域受力情況，實現更高精度的加工即時監測。

為了達成上述目的，本創作提供一種銑削加工即時監測系統，包括：一智慧刀把用於銑削加工，該智慧刀把設有一感測模組透過力學感測其加工刀具在受到對應的負載下產生的應力與應變的壓電感測數值，且透過一傳輸端無線傳輸；以及一程式端裝設於電腦裝置，可透過人機介面將一加工參數輸入，該程式端設有一接收端、一感測數值解耦模組、一切削理論模型及一即時切削模型。

該接收端用於接收該傳輸端傳出的壓電感測數值，藉由該感測數值解耦模組將前述電壓感測數值轉換為感測位置下的力訊號數值；該切削理論模型是基於該加工參數為主的基本數學模型，用於模擬切削過程中的大致的變化趨勢；及該即時切削模型是依據前述力訊號數值及該切削理論模型的模擬所建立，用於預測該智慧刀把的加工刀具的切削參數，推算出該加工刀具刀尖的實際加工物理量，即時監測該加工刀具的狀態。

作為優選方式，該感測模組包含複數個壓電感測元件內嵌在該智慧刀把本體，用以感測該智慧刀把本體在受到對應的該加工刀具負載下產生的應力與應變的壓電感測數值。該些壓電感測元件用以針對該加工刀具的彎矩負載和扭矩負載進行分層感測，且對每個彎矩和扭矩感測各配置兩個對稱內嵌位置的該些感測元件。

作為優選方式，該加工參數包括切削深度、切削寬度、切削刀刃數、工件材質及主軸轉速。該加工刀具刀尖的實際加工物理量包括扭矩、彎矩及軸向力。

作為優選方式，該切削理論模型由於理論與真實狀況會存在一定的相位差，所以在程式演算過程中需要與該感測數值解耦模組進行相位耦合，以確定切削坐標系，在建立切削坐標系後，將壓電感測數值與坐標系做為參數導入即時預測模型。

作為優選方式，該銑削加工即時監測系統包含一實驗端，該實驗端藉由實驗方式於該智慧刀把外部量測物理量，與該即時切削模型推算出該加工刀具刀尖的實際加工物理量進行一模型驗證，且將驗證回饋至該即時切削模型的模型參數的訓練修正。

作為優選方式，該實驗端包括一動力計於該智慧刀把外部量測物理量，透過一轉換矩陣將前述物理量轉換對應該即時切削模型的參數。

本創作加工動態監控系統的建立包含三個功能模塊，分別為智慧刀把、程式端、實驗端，智慧刀把的作用是利用本體所擁有的感測能力及無線傳輸功能，通過無線傳輸方式將感測數值傳送至後台程式端，再經由建立之演算法以及解耦程序將數值換算成所希望求的物理量(扭矩、彎矩、軸向力)，針對銑削加工行為與感測機制進行建立數學模型，並結合AI演算法進行模型參數修正，實現更高精度的切削力預測模型，推算出該加工刀具刀尖的實際加工物理量，即時監測該加工刀具的狀態。

以下將詳述本創作的實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本創作亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本創作之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本創作有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本創作可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本創作形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

請參照圖1至圖3，為本案加工即時監測系統的方塊圖及本案演算法的結構示意圖，及圖4為本案智慧刀把的示意圖。本實施例銑削加工即時監測系統，包括：一智慧刀把100用於銑削加工，該智慧刀把100設有一感測模組110透過力學感測其加工刀具104在受到對應的負載下產生的應力與應變的壓電感測數值111，且透過一傳輸端120無線傳輸。

實施應用上，該智慧刀把100包括一主軸組接部101、一夾持部102與一連接部103，其中該加工刀具104連接於該連接部103末端。該主軸組接部101係用以連接加工機之主軸，加工機例如為銑床、鑽床、車床或鋸床。該夾持部102連接該主軸組接部101，該夾持部102用以供刀庫夾持或換刀之用；該夾持部102連接該連接部103，該連接部103連接於該加工刀具104，該加工刀具104例如為銑刀、鑽頭、車刀、鋸片等。

實施應用上，該智慧刀把100的連接部103設有一套殼130包覆感測模組110及無線傳輸的傳輸端120。該感測模組110包含複數個壓電感測元件112內嵌在該智慧刀把100本體的該連接部103上，利用力學感測該智慧刀把100在受到對應的該加工刀具104負載下產生的應力與應變的壓電感測數值111；該些壓電感測元件112用以針對該加工刀具104的彎矩負載和扭矩負載進行分層感測，且對每個彎矩和扭矩感測各配置兩個對稱內嵌位置的該些壓電感測元件112。

實施應用上，本案利用力學分析找出該智慧刀把100的本體在受到對應的該加工刀具104刀尖負載下能夠產生最大應力、應變的位置。其結果可知靠近該主軸組接部101會擁有最大的彎矩負載之應力，為了能夠將該些壓電感測元件112的力訊號輸出進行解耦，本案針對彎矩負載和扭矩負載的感測進行分層設計，並採取對稱性設計，為每個彎矩(Mx、My)和扭矩(Tz)各配置兩個對稱內嵌位置的該些壓電感測元件112，以提升對於該加工刀具104刀尖受力的感測精度。且透過力學分析也可得知，當在刀尖處施加Mx或My彎矩作用時，雖然在彎矩的壓電感測元件112能夠輸出其相應的電壓訊號，但對於扭矩的壓電感測元件112也會受其影響而輸出部分電壓訊號。所以在實施上為了進一步獲取更好的解耦效果，而將上下兩組的該些壓電感測元件112的內嵌孔洞位置彼此錯開，例如45度，可用以改善力量耦合效應。

本實施例銑削加工即時監測系統，包括一程式端200，該程式端200裝設於電腦裝置，可透過人機介面將一加工參數230輸入，該程式端200設有一接收端210、一感測數值解耦模組220、一切削理論模型240及一即時切削模型250。

該接收端210為一無線傳輸的接收端，用於接收該傳輸端120傳出的壓電感測數值111，藉由該感測數值解耦模組220將前述電壓感測數值111轉換為感測位置下的力訊號數值。如前面所述壓電感測元件112的配置，解耦就是在原本的多變數感測系統中，需要建置出適當的機制以消除系統中各個變數之間的相互耦合，使得各項輸入只會影響相應的輸出，而每項輸出又各自只受到該輸入的控制作用，從而讓原本的多變數系統轉換為多個單輸入單輸出的系統。而本案的感測模組透過壓電感測只要將其PZT壓電片的極化方向，放置於我們希望能夠感測的負載作用下之壓電受力方向，便能夠直接產生對應負載的電壓訊號輸出，無須像是應變規感測系統所需的大量解耦計算。因此只要設計其內嵌位置與偏擺角度便可得到足夠優秀的解耦效果。

該切削理論模型240是基於該加工參數230為主的基本數學模型，用於模擬刀具切削過程中的大致的變化趨勢；該加工參數230包括切削深度231、切削寬度232、切削刀刃數233、工件材質234及主軸轉速235。

該即時切削模型250是依據前述力訊號數值及該切削理論模型240的模擬所建立，用於預測該智慧刀把100的加工刀具104的切削參數，推算出該加工刀具104刀尖的實際加工物理量260，即時監測該加工刀具的狀態。該加工刀具104刀尖的實際加工物理量260包括扭矩(Tz)261、彎矩(X)262、彎矩(Y)263及軸向力264。

實施應用上，因為該切削理論模型240是基於該加工參數230為主的基本數學模型，目的在於模擬切削過程中的大致的變化趨勢，並且由於理論與真實狀況會存在一定的相位差，因此在該程式端200中需要進行相位耦合以確定切削坐標系(如圖3所示)。在程式演算過程中需要與該感測數值解耦模組220進行相位耦合，以確定切削坐標系，在建立切削坐標系後，將壓電感測數值111與坐標系做為參數導入該即時預測模型250，根據切削時域，修正切削參數。該即時預測模型250的目標在於預測切削參數(K項:切削力係數N/mm2，e項:修正係數N)，切削參數的預測是藉由感測器力訊號(刀體)推算實際物理量(刀尖)，兩者間包含刀把材料及加工干擾等因素，因此需要藉由預測模型的方式進行。

實施應用上，本案的銑削加工即時監測系統包含一實驗端300，該實驗端300藉由實驗方式於該智慧刀把100外部量測物理量，與該即時切削模型250推算出該加工刀具104刀尖的實際加工物理量進行一模型驗證400，且將驗證回饋至該即時切削模型250的模型參數的訓練修正，根據模型準確度修正演算法參數，修正該即時切削模型250的建立。

實施應用上，該實驗端300包括一動力計310於該智慧刀把100外部量測物理量，且透過一轉換矩陣320將前述物理量轉換對應該即時切削模型250的參數。

本創作加工動態監控系統的建立包含三個功能模塊，分別為智慧刀把、程式端、實驗端，智慧刀把的作用是利用本體所擁有的感測能力及無線傳輸功能，通過無線傳輸方式將感測數值傳送至後台程式端，再經由建立之演算法以及解耦程序將數值換算成所希望求的物理量(扭矩、彎矩、軸向力)，針對銑削加工行為與感測機制進行建立數學模型，並結合AI演算法進行模型參數修正，實現更高精度的切削力預測模型，推算出該加工刀具刀尖的實際加工物理量，即時監測該加工刀具的狀態。

上述揭示的實施形態僅例示性說明本創作之原理、特點及其功效，並非用以限制本創作之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本創作之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本創作所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

100:智慧刀把 101:主軸組接部 102:夾持部 103:連接部 104:加工刀具 110:感測模組 111:壓電感測數值 112:壓電感測元件 120:傳輸端 130:套殼 200:程式端 210:接收端 220:感測數值解耦模組 230:加工參數 231:切削深度 232:切削寬度 233:切削刀刃數 234:工件材質 235:主軸轉速 240:切削理論模型 250:即時切削模型 260:實際加工物理量 261:扭矩 262:彎矩(X) 263:彎矩(Y) 264:軸向力 300:實驗端 310:動力計 320:轉換矩陣 400:模型驗證

[圖1]為本案加工即時監測系統的方塊圖一。 [圖2]為本案加工即時監測系統的方塊圖二。 [圖3]為本案演算法的結構示意圖。 [圖4]為本案智慧刀把的示意圖。

100:智慧刀把

110:感測模組

120:傳輸端

200:程式端

210:接收端

220:感測數值解耦模組

230:加工參數

240:切削理論模型

250:即時切削模型

260:實際加工物理量

Claims (8)

1. 一種銑削加工即時監測系統，包括： 一智慧刀把，用於銑削加工，該智慧刀把設有一感測模組透過力學感測其加工刀具在受到對應的負載下產生的應力與應變的壓電感測數值，且透過一傳輸端無線傳輸；以及 一程式端，裝設於電腦裝置，可透過人機介面將一加工參數輸入，該程式端設有一接收端、一感測數值解耦模組、一切削理論模型及一即時切削模型； 該接收端用於接收該傳輸端傳出的壓電感測數值，藉由該感測數值解耦模組將前述電壓感測數值轉換為感測位置下的力訊號數值； 該切削理論模型是基於該加工參數為主的基本數學模型，用於模擬切削過程中的大致的變化趨勢；及 該即時切削模型是依據前述力訊號數值及該切削理論模型的模擬所建立，用於預測該智慧刀把的加工刀具的切削參數，推算出該加工刀具刀尖的實際加工物理量，即時監測該加工刀具的狀態。
2. 如請求項1所述之銑削加工即時監測系統，其中，該感測模組包含複數個壓電感測元件內嵌在該智慧刀把本體，用以感測該智慧刀把本體在受到對應的該加工刀具負載下產生的應力與應變的壓電感測數值。
3. 如請求項2所述之銑削加工即時監測系統，其中，該些壓電感測元件用以針對該加工刀具的彎矩負載和扭矩負載進行分層感測，且對每個彎矩和扭矩感測各配置兩個對稱內嵌位置的該些感測元件。
4. 如請求項1所述之銑削加工即時監測系統，其中，該加工參數包括切削深度、切削寬度、切削刀刃數、工件材質及主軸轉速。
5. 如請求項1所述之銑削加工即時監測系統，其中，該加工刀具刀尖的實際加工物理量包括扭矩、彎矩及軸向力。
6. 如請求項1所述之銑削加工即時監測系統，其中，該切削理論模型由於理論與真實狀況會存在一定的相位差，所以在程式演算過程中需要與該感測數值解耦模組進行相位耦合，以確定切削坐標系，在建立切削坐標系後，將壓電感測數值與坐標系做為參數導入該即時預測模型。
7. 如請求項1所述之銑削加工即時監測系統，其中，該銑削加工即時監測系統包含一實驗端，該實驗端藉由實驗方式於該智慧刀把外部量測物理量，與該即時切削模型推算出該加工刀具刀尖的實際加工物理量進行一模型驗證，且將驗證回饋至該即時切削模型的模型參數的訓練修正。
8. 如請求項7所述之銑削加工即時監測系統，其中，該實驗端包括一動力計於該智慧刀把外部量測物理量，透過一轉換矩陣將前述物理量轉換對應該即時切削模型的參數。

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