刀具磨耗检测装置、其检测方法及刀具磨耗补偿方法

摘要

本发明公开一种刀具磨耗检测装置、其检测方法及刀具磨耗补偿方法。该刀具磨耗检测方法，适用于以主轴结合刀具的工具机，所述的方法包括：设置第一参数组至工具机，其中第一参数组包括其值为0的第一切削深度。工具机根据第一参数组执行切削程序并记录主轴的第一负载率。之后，设置第二参数组至工具机，其中第二参数组包括其值不为0的第二切削深度。工具机根据第二参数组执行切削程序并记录主轴的第二负载率。运算装置根据第一负载率、第二负载率及机台效能数据库计算一估测切削力。模糊逻辑单元根据刀具磨耗数据库及估测切削力输出磨耗程度。工具机根据磨耗程度调整刀具的切削轨迹。

说明书

技术领域

本发明涉及一种刀具磨耗检测装置及其方法，特别是涉及一种以工具机主轴结合刀具进行铣削加工后的刀具磨耗检测装置及其方法。

背景技术

随着工业技术提高，以数值控制工具机(Computer Numerical Control，CNC)生产工件已经相当普遍，如何进一步迈向无人加工与自动化生产则是下个阶段的发展趋势。当工厂自动化的程度愈高，愈能节省加工生产中的人力成本。但高度自动化也意味着在制作工艺中需要更多用以检测生产设备状态的检测元件，方可取代原本人力目检的工作，并确保加工产品的品质，维持产线正常运作。对于各式各样的机械零件而言，在生产过程中经常使用铣削、钻削或车削等加工方法。铣削工法使用铣床将金属材料固定于床台，根据加工位置使刀具对工件作X轴或Y轴的平移，以Z轴为刀具的旋转轴，上下进行铣削动作以移除不需要的金属材料部份。基于产能提升的考虑，可通过CNC机台指令控制铣刀长时间地旋转运动。然而，若加工过程中排屑不良，或是设置了错误的加工参数，将导致刀具温度提升进而增加切削阻力。若此时未能即时侦测出刀具异常的切削状态，则会缩短加工刀具的使用寿命或导致CNC机台停摆。更甚者，当刀具剧烈磨损或发生断刀情况时，将使得产品良率下降，影响出货时程及生产产能。

承上所述，切削刀具的状态监控在加工过程中扮演举足轻重的角色。切削刀具的状态不仅关联于生产设备成本，同时更影响加工产品的品质。刀具破损或磨耗都会导致加工生产品质下降。虽然目前已有通过激光、电阻、光学及气压等直接测量刀具状态的检测方法，也有通过温度、振动、马力或热电效应等间接评估刀具状态的检测方法，但前述方法都需要另行加装感测元件例如激光收发器、加速规等。而且为满足感测元件的感测条件，有时可能延长刀具离开加工材料的时间，降低工具机的生产效率。再者，装设及维护感测元件的过程不仅增加生产成本，装设于刀具附近的感测元件很容易受到切屑或切削液的影响而故障，如此又必须付出额外的维修时间。此外，现今常见的刀具监控方法，所评估的刀具磨耗状态往往仅限于两种状态：「刀具正常无须更换」或「刀具损耗必须更换」。若缺乏对于刀具状态更细致的判断，则使得轻微磨损的堪用刀具提早被更换，增加生产设备的支出成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种无需额外增设感测元件的刀具磨损检测装置、其检测方法及刀具磨耗补偿方法，可判断出两种以上的刀具磨耗程度。对于轻微磨耗的刀具施以切削路径补偿，对于严重磨耗的刀具发出警讯通知更换。

依据本发明的一实施例所叙述的一种刀具磨耗检测方法，适用于以主轴结合刀具的工具机，所述的方法包括：以第一参数组设置工具机，其中第一参数组包括第一切削深度且第一切削深度为0；工具机及刀具根据第一参数组执行切削程序，存储装置记录切削程序执行时主轴的第一负载率；在根据第一参数组执行切削程序之后，以第二参数组设置工具机，其中第二参数组包括第二切削深度且第二切削深度不为0；工具机及刀具根据第二参数组执行切削程序，存储装置记录切削程序执行时主轴的第二负载率；运算装置根据第一负载率、第二负载率及机台效能数据库计算估测切削力；运算装置的模糊逻辑单元根据刀具磨耗数据库及估测切削力输出磨耗程度。

依据本发明的一实施例所叙述的一种刀具磨耗补偿方法，适用于以主轴结合刀具的工具机，所述的方法包括：以第一参数组设置工具机，其中第一参数组包括第一切削深度且第一切削深度为0；工具机及刀具根据第一参数组执行切削程序，存储装置记录切削程序执行时主轴的第一负载率；在根据第一参数组执行切削程序之后，以第二参数组设置工具机，其中第二参数组包括第二切削深度且第二切削深度不为0；工具机及刀具根据第二参数组执行切削程序，存储装置记录切削程序执行时主轴的第二负载率；运算装置根据第一负载率、第二负载率及机台效能数据库计算估测切削力；运算装置的模糊逻辑单元根据刀具磨耗数据库及估测切削力输出磨耗程度；以及工具机根据磨耗程度调整刀具的切削轨迹。

依据本发明的一实施例所叙述的一种刀具磨耗检测装置，适用于以主轴结合刀具的工具机，包括：控制装置、运算装置及存储装置。控制装置根据一参数组及另一参数组分别执行切削程序并输出这些切削程序执行时的一负载率及另一负载率，其中所述的参数组及所述的另一参数组具有不同的加工参数。运算装置电连接控制装置，运算装置用于根据所述的负载率及所述的另一负载率计算损耗系数组，运算装置还用于根据负载率及机台效能数据库计算估测切削力，运算装置还包括模糊逻辑单元用于根据估测切削力及刀具磨耗数据库输出磨耗程度。存储装置电连接控制装置及运算装置，存储装置包括刀具磨耗数据库、负载率数据库及机台效能数据库。刀具磨耗数据库用于存储另一参数组及对应另一参数组的实际切削力。负载率数据库用于存储切削程序执行时输出的负载率。机台效能数据库用于存储参数组、另一参数组及损耗系数组。

通过上述架构，本案所公开的刀具磨耗检测装置、其检测方法及刀具磨耗补偿方法，在铣削过程中即时地取得工具机本身具有的主轴电流负载，进一步推算出主轴的空载功率、总功率及切削功率，配合机台效能数据库计算出待测刀具的切削力后再以模糊逻辑单元判断刀具的磨耗程度。同时根据检测方法的磨耗程度判定，可提前更换已经剧烈磨耗的刀具，也可控制工具机的主轴调整切削轨迹以补偿轻微磨耗的刀具。在达到刀具状态即时监控的同时，减少不必要的刀具更换次数，而不需增测额外的刀具状态感测设备。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明是用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例所绘示的刀具磨耗检测装置的功能方块示意图；

图2为本发明一实施例所绘示的刀具磨耗检测方法的流程图；

图3为本发明一实施例所绘示的模糊集合三角隶属函数示意图；

图4为本发明一实施例所绘示的刀具补偿示意图。

符号说明

1 工具机

10主轴

12刀具

14工件

16工作台

30控制装置

50运算装置

70存储装置

72刀具磨耗数据库

74负载率数据库

76机台效能数据库

90切削动力计

S1～S8、S91、S92执行步骤

D9判断步骤

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参考图1。本发明所公开的刀具磨耗检测装置适用于工具机1及其主轴10连接的刀具12。工具机1包括前述的主轴10、工作台16及控制装置30。工件14置于工作台16上。刀具12由主轴10带动旋转，主轴10沿着X轴或Y轴方向移动以决定刀具12对工件14的切削位置，主轴10沿Z轴方向移动以决定刀具12对工件14的切削深度。

在本发明的一实施例中，刀具磨耗检测装置包括工具机1中的控制装置30、运算装置50及存储装置70。运算装置50电连接控制装置30，存储装置70电连接控制装置30及运算装置50。存储装置70包括刀具磨耗数据库72，负载率数据库74与机台效能数据库76。关于上述装置的作动方式，将于后文配合本发明所公开的刀具磨耗检测方法及刀具磨耗补偿方法的步骤一并说明。

请参考图2，依据本发明一实施例所公开的刀具磨耗检测方法及刀具磨耗补偿方法，首先必须设定加工条件。具体来说，如步骤S1所示，通过控制装置30上设置刀具12即将采用的第一参数组及第二参数组。实务上，位于工具机1中的控制装置30具有显示器及操作面板。显示器呈现加工相关信息，操作面板供使用者输入加工参数组。加工参数组例如包括：转速、进给率、切削深度及切削宽度等，本发明并不限制加工参数组的参数种类。

第一参数组及第二参数组是加工参数组的两种设定态样，其中第一参数组及第二参数组两者的转速、进给率及切削宽度等这些设定值都相同，不同之处为切削深度的设定值。第一参数组的切削深度为0，代表工具机1以第一参数组执行切削程序时，刀具12并不接触到工件14而是自行空转。第二参数组的切削深度不为0，代表工具机1以第二参数组执行切削程序时，刀具12接触到工件14并以所设定的切削深度值对工件14加工。

请参考图2的步骤S2。由于在执行所述的刀具磨耗检测方法时，运算装置50需要参考刀具磨耗数据库72与机台效能数据库76的信息以计算得出本次检测的刀具12的磨耗程度。因此若尚未建立上述二数据库，则必须在刀具12实际进行切削之前建立刀具磨耗数据库72与机台效能数据库76。然而，若上述二数据库在执行切削程序前已存在，则在执行所述的刀具磨耗检测方法时，可省略步骤S2，直接执行步骤S3。刀具磨耗数据库72与机台效能数据库76例如以一表格的形式存储于例如硬盘、闪存存储器等属于非挥发性存储媒介的存储装置70。

请参考图1，为建立上述两个数据库，本发明所公开的刀具磨耗检测装置还包括切削动力计(dynamometer)90，切削动力计90电连接主轴10及控制装置30。切削动力计90用以测量刀具12在切削程序执行时的实际切削力，切削动力计90例如旋转式切削动力计，通过压电晶体连接至主轴10，随着主轴旋转产生电压信号，经过一类比/数位转换器换算为实际切削力或实际切削力矩。

刀具磨耗数据库72的建立目的在于更精确地呈现刀具12的磨耗程度。因此根据刀具12的磨耗量(单位：毫米mm)区分出：初期磨耗(例如磨耗量为0.1mm)、正常磨耗(例如磨耗量为0.3mm)及剧烈磨耗(例如磨耗量为0.5mm)三种磨耗程度，但本发明并不局限于上述定义数值或磨耗程度分类数。

为了在刀具12长时间的切削过程中即时且精确地掌握刀具磨耗程度，有必要在实际加工之前，预先取得具有不同磨耗程度的刀具12的多个实际切削力数据，并以此作为实际加工时刀具磨耗程度判定的依据。详言之，首先取得对应初期磨耗、正常磨耗及剧烈磨耗三种磨耗程度的至少一把刀具。将上述三种不同磨耗程度的刀具的其中一者结合于主轴10。然后工具机1根据第二参数组执行切削程序。请参考图1，在切削程序执行期间，切削动力计90测量实际切削力，再将测量到的实际切削力存储至刀具磨耗数据库72。在搜集此刀具的实际切削力之后，重复地以相同方式搜集其他两种具有不同磨耗程度的刀具的实际切削力。故总共至少测量三次实际切削力且记录之。下表为一刀具磨耗数据库72的记录范例，其中转速、进给率及切削深度是第二参数组的设定值。实务上，随着工件14材质或样式的不同，需视情况设置不同的加工参数组。因此，也有必要针对这些新的加工参数组以切削动力计90测量出对应的实际切削力并新增至刀具磨耗数据库72。

刀具磨耗数据库记录范例表

机台效能数据库76的建立目的在于使运算装置50得以通过损耗系数组计算出切削功率。后文将配合主轴10负载率一并说明机台效能数据库76所记录的内容。

请参考图2的步骤S3-S4。控制装置30根据第一参数组控制工具机1执行切削程序。在切削程序执行过程中，控制装置30除了通过显示器显示负载率之外，更以每脉波一次的频率将负载率数据记录至负载率数据库74以便运算装置50即时取用。控制装置30所输出的负载率实际上是额定电流除以实际电流。请参考图2的步骤S5-S6。在工具机1根据第一参数组执行完切削程序后，工具机2根据第二参数组控制工具机1执行切削程序。与前述步骤S3-S4相同的流程，控制装置30在切削程序执行过程中，通过显示器显示负载率并将负载率数据记录至负载率数据库74以便运算装置50即时取用。

请参考图2的步骤S7。在步骤S4及步骤S6得到的负载率，需通过运算装置50经由若干次转换计算得出刀具12的估测切削力。详言之，负载率与功率具有如下关系。

P＝T×ω (公式1)

其中P为功率，T为负载率，ω为角速度，可从加工参数组中的转速换算得出角速度。

而功率P是一个时间t的函数，在本发明一实施例中，工具机1以第一参数组执行切削程序时所测量到的负载率，经由公式1换算得到空载功率P_u(t)。工具机1以第二参数组执行切削程序时所测量到的负载率，经由公式1换算得到总功率P_i(t)。总功率P_i(t)及空载功率P_u(t)具有如下关系：

P_i(t)＝P_u(t)+P_c(t)+P_a(t)>

其中P_c(t)为切削功率，P_a(t)为附加损耗功率。由公式2可知：总功率P_i(t)是空载功率P_u(t)、切削功率P_c(t)及附加损耗功率P_a(t)的总和。其中总功率P_i(t)及空载功率P_u(t)可由运算装置50根据负载率及转速换算得出。附加损耗功率P_a(t)关联于主轴10的传动机构例如齿轮、轴承或皮带等元件损耗。一般而言，附加损耗功率P_a(t)难以直接准确测量。但是附加损耗功率P_a(t)与切削功率P_c(t)具有一正比关系如下：

P_a(t)＝α₁P_c²(t)+α₂P_c(t)>

其中，α₁及α₂代表损耗系数组。

将公式2中的P_a(t)以公式3代入整理后可得到方程式如下：

α₁P_c²(t)+(1+α₂)P_c(t)+(P_u(t)-P_i(t))＝0>

为解出损耗系数组的两个未知数α₁及α₂，除了运算装置50代入先前得出的一组空载功率P_u(t)和一组总功率P_i(t)之外，当工具机1以切削动力计90测量实际切削力时，运算装置50也必须将实际切削力通过例如下列关系式计算得到切削功率P_c(t)。

P_c(t)＝F_c×V_c>

其中F_c代表切削力，V_c代表切削线速度，而切削线速度可由加工参数组中的转速换算得出。此外，控制装置30还必须通过另一加工参数组控制工具机1执行切削程序以取得第二组总功率P_i2(t)以及第二组切削功率P_c2(t)。在取得至少经过两次切削加工所得到的总功率P_i(t)及P_i2(t)和切削功率P_c(t)及P_c2(t)后，运算装置50得以解出损耗系数组α₁及α₂，并且将损耗系数组与加工参数组存储于机台效能数据库76。实务上，为确保减少人为或随机因素导致误差，可于步骤S2预先执行两次以上基于不同加工参数组的切削程序，再以最小平方法计算得出损耗系数组。机台效能数据库76记录损耗系数组及其对应的加工参数组。在机台效能数据库76建立之后，运算装置50可由负载率数据库76取出步骤S4记录的空载功率P_u(t)、步骤S6记录的总功率P_i(t)以及机台效能数据库76的损耗系数组α₁及α₂代入公式6，计算得出本次检测的刀具12的切削功率P_c(t)

接着，运算装置50根据公式5将本次检测的刀具12的切削功率P_c(t)转换成估测切削力。总括来说，在图2的步骤S7中，运算装置50基于提刀空跑与实际切削的两次切削程序中所产生的负载率，以及第一参数组和第二参数组中包括的转速信息，基于公式1到公式6逐步计算，得到本次检测的刀具12实际切削的估测切削力。而在计算过程中得到的损耗系数组则必须记录至机台效能数据库76中，以便后续检测时使用。

请参考图2的步骤S8。在本发明一实施例中，运算装置50还包含一模糊逻辑单元。模糊逻辑单元包括一三角隶属函数(Triangular-shaped membership function)如下：

当(F₁≤F_c≤F₂)时，当(F_c≤F₁)时，μ₁(F_c)＝1；当上述情况之外时，μ₁(F_c)＝0；

当(F₁≤F_c≤F₂)时，当(F₂≤F_c≤F₃)时，当上述情况之外时，μ₂(F_c)＝0；以及

当(F₂≤F_c≤F₃)时，当(F_c≥F₃)时，μ₃(F_c)＝1；当上述情况之外时，μ₃(F_c)＝0>

其中μ₁、μ₂及μ₃各自为初期磨耗、正常磨耗及剧烈磨耗的隶属函数，其进一步的内容详述于后。F_c为步骤S7所计算的估测切削力。F₁、F₂及F₃各自为初期磨耗切削力、正常磨耗切削力及剧烈磨耗切削力，也就是当建立刀具磨耗数据库72时，以动力切削计90所测量得到的实际切削力。图3则是依据公式7及刀具磨耗数据库记录范例表中三组实际切削力所绘示的三角隶属函数示意图。

模糊逻辑单元中还包括下列五条模糊集合判断规则用以判断磨耗程度：

μ₁(F_c)>μ₂(F_c)且μ₁(F_c)>μ₃(F_c)：初期磨耗。

μ₂(F_c)>μ₁(F_c)且μ₂(F_c)>μ₃(F_c)：正常磨耗。

μ₃(F_c)>μ₁(F_c)且μ₃(F_c)>μ₂(F_c)：剧烈磨耗。

μ₁(F_c)＝μ₂(F_c)且μ₃(F_c)＝0：初期磨耗。

μ₂(F_c)＝μ₃(F_c)且μ₁(F_c)＝0：正常磨耗。

故在步骤S8中，运算装置50输入估测切削力F_c至模糊逻辑单元的三角隶属函数后，分别得到三组隶属度数值μ₁(F_c)，μ₂(F_c)及μ₃(F_c)，然后根据上述模糊集合判断规则，运算装置50可判断并输出本次检测刀具12的磨耗程度。

请参考图2的步骤D9。控制装置30接收运算装置50输出的磨耗程度。请一并参考步骤S91以及图4，其关联于本发明所公开的刀具磨耗补偿方法。若本次检测的刀具12属于初期磨耗或属于正常磨耗，则控制装置30从刀具磨耗数据库72中根据估测切削力及加工参数组进行比对，得到本次检测的刀具12的估测磨耗量。然后控制装置30设置工具机1的数控指令，例如FANUC数控系统中的刀具半径补偿命令G41/G42/G43，控制装置30通过数控指令调整主轴10的切削轨迹。例如在图4中，刀具12的估测磨耗量为d，故控制装置30调整工具机1的主轴沿Z轴方向朝着工件14下移距离d，使得已磨耗的刀具12接触工件14进行加工。实务上，控制装置30利用FANUC数控系统的可编程数据输入指令，例如G10L13PxRx设定，由刀径磨耗命令获得磨耗补偿值，其中G10为可编程数据输入指令，L13为刀径磨耗值，Px为刀具12所属的编号，Rx为本次检测刀具12的估测磨耗量，如此便可自动将磨耗补偿值告知控制装置30，使其调整主轴10的切削轨迹。

请参考步骤S92，若是本次检测的刀具12属于剧烈磨耗，则控制装置30通过显示器发出警示，通知使用者及早更换刀具12。

通过步骤S91的刀具磨耗补偿方法，可增加刀具12的使用寿命，使轻微磨耗的刀具与未磨耗的刀具达到相同的切削效果。另一方面，通过步骤S92的即时警示，可避免受损的刀具12影响后续工件14的切削程序。

下表列出具有不同磨耗程度的刀具12的估算切削力及测量切削力的比对以及切削程序所采用的加工参数组。根据下表得知：在本发明所提出的刀具磨耗检测方法的一实施例中，对于切削力估测的准确度在96％以上。

刀具磨耗程度对照表

综上所述，本发明所公开的刀具磨耗检测装置、其检测方法及刀具磨耗补偿方法，使用刀具在切削过程中主轴的电流负载率、配合刀具磨耗数据库及机台效能数据库中所存储的加工相关信息，由运算装置及模糊逻辑单元判断出刀具的磨耗程度；进一步地根据磨耗程度决定进行刀具切削轨迹补偿或更换剧烈磨耗的刀具。本发明在刀具切削时可达到即时检测，其中不需额外增设感测元件。而且，检测结果更精确反映刀具的各种磨耗状态，因而提升工具机的生产效能，减少额外的生产设备成本。