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TWI472399B - Online cutting tool real-time monitoring method - Google Patents

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TWI472399B
TWI472399B TW101104340A TW101104340A TWI472399B TW I472399 B TWI472399 B TW I472399B TW 101104340 A TW101104340 A TW 101104340A TW 101104340 A TW101104340 A TW 101104340A TW I472399 B TWI472399 B TW I472399B
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Description

線上斷刀即時監控方法
本案係屬於切削工具機的監控方法之領域，尤指一種利用切削時的振動加速度訊號，即時且快速地進行監控的線上斷刀即時監控方法。
按，切削加工是應用於製造產品時為常見之一種加工程序，其目的是除去工件上多餘之材料，而達到特定之幾何外型及適當之表面精度，切削過程都必須要求平穩。精密切削(High Speed Machining，HSM)技術因具有高生產效率、高加工精度、高表面質量等優勢，而廣泛地應用於如：航太、模具、生醫、汽車及3C等產品的製造，然，這類產品在製造過程中，最怕出現無法預期之切削異常，如：顫振(Chatter)、刃口積屑(Build-Up Edge，BUE)、斷刀(Cutter Breakage)等情況，造成產品損毀或表面粗糙度不佳等現象，嚴重時甚至會影響到工具機的壽命及操作人員的安全，故必須停機進行調整而造成生產效率降低。
由於台灣大部分工具機的關鍵零組件如：馬達或控制器等均向國外購買，因而無法像許多國外大廠如Okuma等，係直接將切削異常線上診斷系統植入其控制器中，故僅能選用外接相容式的診斷系統。目前，線上診斷及控制系統皆使用外接式感測 器作為量取切削振動之源頭，除判斷異常的診斷法有可靠度需加強的問題外，另外，該外接式感測器本身無法完全判別振動訊號發生源也是一大問題，例如機台以G00進行高速定位時所產生之振動，系統可能誤判為異常切削振動。因此，只適合用於簡單之直線切削等實驗性的切削下使用，而無法應用於複雜的切削路徑。
斷刀發生的原因，不外乎進給過快、或發生撞機，或是刀具壽命到達極限而導致。當斷刀發生時，若無法立即停機換刀，其最主要的影響係浪費時間，增加製造成本。針對斷刀的切削動態異常特性分析中，其刀具斷裂瞬間會產生一極大之振動，並反映於加速度訊號上，且其後續之振動會由於刀具已無與工件接觸而非常的接近主軸空轉之振動值。
有鑑於此，本創作人係提供一種線上斷刀即時監控方法，而透過一CNC工具機線上切削異常智能監控系統，針對即時監控切削加工時的狀態，利用斷刀時的切削異常振動理特性，搭配振動加速度訊號的分析，而提高判定時的速度及其準確性，故能夠避免誤停機而阻礙製造流程。
本發明之一目的，旨在提供一種線上斷刀即時監控方法，係透過一振動訊號擷取模組及一監控子系統，擷取連續三段時間區段內之該等切削振動加 速度訊號進行解析，並將該每一時間區段內之該切削振動加速度訊號的最大值與平均值取出相互比較，且將最後一時間區段之平均值與一空轉臨界值相比對，其二階段式同步判斷的方法能夠快速且確實地判定是否發生斷刀，大幅提昇其判定時的速度及準確性。
本發明之次一目的，旨在提供一種線上斷刀即時監控方法，俾於斷刀後立即停機，並透過設置警示單元而提示現場操作人員即時處理，而能有效提昇製造的效率。
為達上述目的，本發明之線上斷刀即時監控方法，係利用一振動訊號擷取模組及一監控子系統，該監控子系統與該振動訊號擷取模組電性連接，其包括：擷取一CNC工具機進行切削時之複數個切削振動加速度訊號；比較連續三段時間區段內之該等切削振動加速度訊號，並取出該每一時間區段內之該切削振動加速度訊號的最大值與平均值；比較該第二段時間區段之該等切削振動加速度訊號的最大值，與該第一段時間區段之該等切削振動加速度訊號的平均值間的差異；觀察其差值是否符合斷刀特性，而輸出一第一斷刀訊號；定義一空轉臨界值，並計算該第三段時間區段內之該等切削振動加速度訊號的平均值；判斷該第三段時間區段及之後的該等切削振動加速度訊號平均值，是否小於該空轉臨 界值，而輸出一第二斷刀訊號；使用該監控子系統同時接收該第一斷刀訊號及該第二斷刀訊號，而判定該CNC機具發生斷刀情況；及輸出一停機訊號至該CNC工具機而停止運轉。其中，該時間區段係為1秒。其中，該振動訊號擷取模組係包括一振動加速規、一訊號放大器、一訊號擷取盒及一資料擷取卡，該振動加速規係設置於該CNC工具機之一夾治具上，且與該訊號放大器電性連接，該訊號放大器又與該訊號擷取盒電性連接，該訊號擷取盒透過該資料擷取卡而與該監控子系統電性連接，供以擷取並處理該CNC工具機之一刀具與該夾治具上之一工件接觸時的該等切削振動加速度訊號，以確實擷取該工件實際與該刀具接觸切削時的該等切削振動加速度訊號，故其可靠度更大為提高。是以，本發明係於三秒內即可判定出是否有斷刀的情況，且隨著取樣率的提高，更可精確提高即時監控的效果。
於一實施例中，本發明之該線上斷刀即時監控方法所採用之該空轉臨界值，係以該CNC工具機之一主軸於實際空轉時，取連續10段時間區段之空轉振動加速度訊號，並將該每一時間區段的空轉振動加速度訊號之最大值作算數平均值運算，最後再乘上1.2而得，以增加判定時的可靠度。
於一實施例中，本發明之該線上斷刀即時監控方法更包括一警示單元而與該監控子系統電性連 接，且於該監控子系統輸出該停機訊號的同時，同步輸出一驅動訊號至該警示單元，供以提示現場操作人員進行斷刀處理，而該警示單元係選自一蜂鳴器、一警示燈及其結合其中之一者，而得以聲響、亮光或其結合的方式快速提示現場操作人員。
於一實施例中，本發明之該線上斷刀即時監控方法更包括一無線訊號發射裝置及一無線訊號接收裝置，該無線訊號發射裝置係電性連接至該警示單元，受該驅動訊號驅動而發出一警示訊號至該無線訊號接收裝置，以供提示位於較遠距離的操作人員前往處理斷刀情況，避免因斷刀後而無人處理影響製造。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第1、2圖，係為本發明較佳實施例的斷刀監控流程圖及其硬體方塊圖。如圖中所示，本發明之線上斷刀即時監控方法，係利用一振動訊號擷取模組1及一監控子系統2，而即時監控一CNC工具機3之切削情況，其中，該振動訊號擷取模組1係包括一振動加速規11、一訊號放大器12、一訊號擷取盒13及一資料擷取卡(DAQ)14，該振動加速規11係設置於該CNC工具機3之一夾治具(圖中未顯示)上，且與該訊號放大器12電性連接，該訊 號放大器12又與該訊號擷取盒13電性連接，該訊號擷取盒13透過該資料擷取卡14而與該監控子系統2電性連接，供以感測切削時的該等切削振動加速度訊號，並將感測所得的切削振動加速度訊號放大，以便觀察與解析，且利用該訊號擷取盒13擷取放大過後之該等切削振動加速度訊號，再經過該資料擷取卡14作類比/數位轉換後，而將經過轉換後之該等數位訊號傳送至該監控子系統2。再者，CNC工具機3包括一可程式邏輯控制器31(Programmable Logic Controller，PLC)、一電腦數值(Computer Numerical Control，CNC)控制器32及一電腦數值加工器具33。其操作時的步驟如下：
S1：擷取該CNC工具機3進行切削時之複數個切削振動加速度訊號。
S2：比較連續三段時間區段T內之該等切削振動加速度訊號，並取出該每一時間區段T內之該切削振動加速度訊號的最大值與平均值。其中，本發明之時間區段T係為1秒，由於斷刀的瞬間異常特性之周期約為3秒，且考慮到系統設定之擷取方式，斷刀診斷也以擷取單位亦以1秒為依據，並比較連續三秒之訊號是否符合斷刀特性，因而在3秒內即能判定出是否斷刀的情況，但並不以此為限，作為採樣之時間區段可加大或縮小，藉以配合其實際實施時的需求。再者，請參閱第3、4圖，係為本 發明較佳實施例之斷刀訊號特性分析表及其對應振動加速度訊號圖。如圖中所示，本發明人係透過實際觀察及實驗後，發現斷刀發生的原因，不外乎是進給過快或是發生撞機抑或是刀具壽命到達極限而導致，因而在斷刀狀況發生時，其於振動加速度的表現上會有以下二種特性：(一)斷刀瞬間會有極大的振動加速度產生，其係由於該刀具斷裂，會使切削中的能量突然被釋放(如圖中所示，約第20秒之情形)，因此，瞬間會產生一個極大的振動並反映於振動加速度訊號上。(二)斷刀後振動加速度趨近於主軸空轉時，因刀具斷裂後，其刀刃與工件已完全無接觸，故該振動加速規11所擷取之訊號會趨近主軸空轉之時之訊號(如圖中所示，第20秒之後的情形)，因此，在斷刀時必會符合上述二種特性。故本發明係根據以上兩點特性，而制訂下列斷刀時的診斷法則及其判斷步驟。
S3-1：比較該第二段時間區段T2之該等切削振動加速度訊號的最大值，與該第一段時間區段T1之該等切削振動加速度訊號的平均值間的差異。由於前一時間區段係刀刃與工件接觸而保持在一個趨近穩定的切削狀態，故取其切削振動加速度訊號的平均值，以及當發生斷刀時會有訊號突增的現象，而就下一個時間區段的切削振動加速度訊號的最大值，二者進行比較。
S3-2：觀察其差值是否符合斷刀特性，而輸出一第一斷刀訊號。由於斷刀發生的瞬間，會有極大的振動加速度產生之特性做解析，再請搭配第3圖所示，係以連續三秒所擷取到的切削振動加速度訊號為例，0到1秒為異常發生前的正常切削振動加速度訊號，1到2秒則為中的異常訊號所對應之時間則為斷刀瞬間，此加速對訊號之最大振幅經過本研究實驗發現至少會大於前一秒(0到1秒)之平均振幅的3倍，並設定為斷刀診斷法則的關鍵門檻值。因此，在觀察其差值是否符合斷刀特性時，係透過比較當下的切削振動加速度訊號最大值是否大於前一秒切削振動加速度訊號平均值的三倍(亦即關鍵門檻值)的關係，而能了解切削過程中是否有第一階段符合斷刀特性之異常振動發生，並輸出一第一斷刀訊號。
S4-1：定義一空轉臨界值，並計算該第三段時間區段T3內之該等切削振動加速度訊號的平均值。由於空轉時的振動值會因時間及環境而有所改變，但是其值會落在一定範圍內，且切削時由於刀刃切削工件時會有一定的阻力，其所產生的振動加速度往往會遠大於機台空轉時，緣是為何定義出該空轉臨界值以區別刀刃有無碰觸工件之時間，而該空轉臨界值係以加工前該CNC工具機3之一主軸於實際空轉時，任意取連續10段時間區段之空轉振動加速 度訊號，並將該每一時間區段的空轉振動加速度訊號之最大值作算數平均值運算，最後再乘上1.2而得。該空轉臨界值還可作為判斷刀刃是否有與工件接觸之依據，排除斷刀的狀態，當切削振動加速度訊號小於該空轉臨界值之時，亦可視為當下刀刃並無與工件接觸。
S4-2：判斷該第三段時間區段T3及之後的該等切削振動加速度訊號平均值，是否小於該空轉臨界值，而輸出一第二斷刀訊號。請一併搭配第3圖所示，觀察第三段時間區段T3內，亦即第2秒至第3秒之間的切削振動加速度訊號之平均值訊號的趨勢並進行分析，若該振動加速規11所擷取之振動在第2秒至第3秒之間的切削振動加速度訊號的平均值小於空轉臨界值時，則可判斷為刀刃與工件並無接觸，視為空轉，但由於斷刀情形發生時，所斷裂之刀具有可能會因撞擊工件而造成2至3秒內之加速度依然大於空轉臨界值，是以，判斷過程中係加入另一條件為：若第3秒後之切削振動加速度訊號的平均值小於空轉臨界值，則依然可視為空轉，以上各種空轉狀態均可視為斷刀狀況發生而輸出該第二斷刀訊號。
S5：使用該監控子系統2同時接收該第一斷刀訊號及該第二斷刀訊號，而判定該CNC機具3發生斷刀情況。
S6：輸出一停機訊號至該CNC工具機3而停止運轉。除了在判斷出有斷刀情況發生時，本發明更進一步將該監控子系統2與一警示單元4電性連接，於該監控子系統2輸出該停機訊號的同時，同步輸出一驅動訊號至該警示單元4，且該警示單元4係選自一蜂鳴器、一警示燈及其結合其中之一者，而得以聲響、亮光或其結合等方式，將斷刀的狀況即時通報現場操作人員，又或是利用一無線訊號發送裝置41及一無線訊號接收裝置5，該無線訊號發送裝置41係電性連接至該警示單元4，受該驅動訊號驅動而發出一警示訊號至該無線訊號接收裝置5，以供提示不在現場的操作人員快速前往處理斷刀情況，而避免停機過久而造成生產效能低落的問題。
綜上，本發明之該線上斷刀即時監控方法，係透過該振動訊號擷取模組1及該監控子系統2，擷取該CNC工具機3進行切削時之連續三段時間區段內之該等切削振動加速度訊號進行解析，再進行二階段式同步判斷的方法，以快速且確實地判定是否發生斷刀情況。再者，其斷刀後會立即停機，並透過設置該警示單元4以聲光效果或無線遠端連線的告知方式，提示現場或不在現場的操作人員即時前往處理，故能避免停機過久而導致生產效能低落，而能有效提昇其製造效率。
唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而 已，並非用以限定本發明實施之範圍，故該所屬技術領域中具有通常知識者，或是熟悉此技術所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
S1~S6‧‧‧步驟
1‧‧‧振動訊號擷取模組
11‧‧‧振動加速規
12‧‧‧訊號放大器
13‧‧‧訊號擷取盒
14‧‧‧資料擷取卡
2‧‧‧監控子系統
3‧‧‧CNC工具機
31‧‧‧可程式邏輯控制器
32‧‧‧電腦數值控制器
33‧‧‧電腦數值加工器具
4‧‧‧警示單元
41‧‧‧無線訊號發送裝置
5‧‧‧無線訊號接收裝置
第1圖，為本發明較佳實施例的斷刀監控流程圖。
第2圖，為本發明較佳實施例的硬體方塊圖。
第3圖，為本發明較佳實施例之斷刀訊號特性分析表。
第4圖，為本發明較佳實施例之斷刀振動加速度訊號圖。
S1~S6‧‧‧步驟

Claims (7)

  1. 一種線上斷刀即時監控方法，係利用一振動訊號擷取模組及一監控子系統，該監控子系統與該振動訊號擷取模組電性連接，其包括：擷取一CNC工具機進行切削時之複數個切削振動加速度訊號；比較連續三段時間區段內之該等切削振動加速度訊號，並取出該每一時間區段內之該切削振動加速度訊號的最大值與平均值；比較該第二段時間區段之該等切削振動加速度訊號的最大值，與該第一段時間區段之該等切削振動加速度訊號的平均值間的差異；觀察其差值是否符合斷刀特性，而輸出一第一斷刀訊號；定義一空轉臨界值，並計算該第三段時間區段內之該等切削振動加速度訊號的平均值，該空轉臨界值係以該CNC工具機之一主軸於實際空轉時，取連續10段時間區段之空轉振動加速度訊號，並將該每一時間區段的空轉振動加速度訊號之最大值作算數平均值運算，最後再乘上1.2而得；判斷該第三段時間區段及之後的該等切削振動加速度訊號平均值，是否小於該空轉臨界值，而輸出一第二斷刀訊號； 使用該監控子系統同時接收該第一斷刀訊號及該第二斷刀訊號，而判定該CNC機具發生斷刀情況；及輸出一停機訊號至該CNC工具機而停止運轉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之線上斷刀即時監控方法，其中，該時間區段T係為1秒。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之線上斷刀即時監控方法，更包括一警示單元而與該監控子系統電性連接。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之線上斷刀即時監控方法，於該監控子系統輸出該停機訊號的同時，同步輸出一驅動訊號至該警示單元，供以提示現場操作人員進行斷刀處理。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之線上斷刀即時監控方法，其中，該警示單元係選自一蜂鳴器、一警示燈及其結合其中之一者。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之線上斷刀即時監控方法，更包括一無線訊號發射裝置及一無線訊號接收裝置，該無線訊號發射裝置係電性連接至該警示單元，受該驅動訊號驅動而發出一警示訊號至該無線訊號接收裝置，以供提示操作人員前往處理斷刀情況。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之線上斷刀即時監控 方法，其中，該振動訊號擷取模組係包括一振動加速規、一訊號放大器、一訊號擷取盒及一資料擷取卡，該振動加速規係設置於該CNC工具機之一夾治具上，且與該訊號放大器電性連接，該訊號放大器又與該訊號擷取盒電性連接，該訊號擷取盒透過該資料擷取卡而與該監控子系統電性連接，供以擷取並處理該CNC工具機之一刀具與該夾治具上之一工件接觸時的該等切削振動加速度訊號。
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