TWI566062B

TWI566062B - Numerical control processing machine and ultrasonic knife to the combination of control devices

Info

Publication number: TWI566062B
Application number: TW104111005A
Authority: TW
Inventors: Jia-Xin Lai
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2017-01-11
Also published as: TW201636752A

Description

數值控制加工機床與超音波刀把之結合控制裝置

本發明尤指其提供一種利用數值控制器與超音波控制器的互聯，達到加工作業優化控制之數值控制加工機床與超音波刀把之結合控制裝置。

請參閱第1圖，超音波刀把主要包括有刀把本體10、鎖固於刀把本體10之擴張桿11以及鎖固於擴張桿11端部之加工刀具12，其係利用超音波控制器20輸出帶頻率及振幅訊號之電流源至擴張桿11，使擴張桿11上的壓電材料產生高頻的振動，進而使擴張桿11端部之加工刀具12作超越音波頻率的高頻振動切削作業。由於高頻振動的加工刀具12，其切削面係不斷高頻地與切屑分離，而改變加工刀具12之切削面與切屑的緊密接觸狀態，此即可有效降低傳統切削方式中加工刀具與切屑間的的磨擦係數，而明顯改善切屑與加工刀具12之切削面間因高溫、高壓所造成的不良效果，進而提供防止顫紋、降低切削阻力、降低加工應變、有效改善排屑及有效改善加工表面等切削作業效果。

該超音波刀把之加工刀具12在執行高頻振動的加工作業時，頻率與振幅的大小是重要的參數，其中頻率的大小取決於擴張桿11的設計，其原因在於，高頻振動的超音波刀把其各種振動頻率的波形不僅必須使節點位置(振幅為零的位置)位於刀把本體10與擴張桿11的連接固定位置上，以避免刀把本體10受到擴張桿11的高頻振動影響而產生連結振動的情形，且必須使各種振動頻率的最大振幅點位置位於加工刀具12的刀尖位置，才能產生最大的切削效益，因此不同型式的超音波刀把在某個頻率範圍內有其適用的對應頻率；至於振幅的大小則取決於加工件的加工條件，例如加工件的材質或是加工時序等，當加工件的材質為硬脆材料時應選擇使用較小之振幅，以避免振幅過大造成加工件崩裂的情形，又或者在初始加工及末段加工時應選擇使用較小之振幅，以避免振幅過大造成加工刀具的撞擊損傷及加工件的崩裂情形，於中段加工時則可選擇使用較大之振幅，以增加加工的速度，因此頻率與振幅關係著超音波高頻振動的加工品質及加工效率。

請再參閱第1圖，目前習知的超音波刀把，其頻率與振幅的大小係完全由超音波控制器20獨立控制輸出，而未與數值控制加工機床之數值控制器相互連結，亦即當數值控制加工機床完成超音波刀把的換刀作業後，機床操作者必須依據超音波刀把的型式以及加工件的加工條件，以手動的方式調整超音波控制器20的輸出頻率與振幅大小，而如此的手動調整方式，不僅造成機床操作者莫大的工作負荷，且對加工品質及加工效率而言，也會造成如下的缺弊：

1．超音波刀把會因為刀把本體10與擴張桿11的鎖固力量不同而改變連接固定的位置，加工刀具12也會因為損耗而改變刀尖位置，因此當這些因素改變後，該超音波刀把適用的對應頻率也會跟著改變，然而機床操作者並無法觀察到這些因素的細微改變，因此並不能隨時以手動調整方式使超音波控制器20輸出正確對應頻率，而影響加工件的加工品質。

2．加工件的加工條件是有著許多的變化，就以加工時序而言，機床操作者根本無法隨時隨著加工時序而調整超音波控制器20的輸出振幅，因此在加工時序中皆以單一的輸出振幅來執行加工作業，這樣的操作模式，將可能造成加工刀具的撞擊損傷及加工件的崩裂情形，而影響加工件的加工品質及加工效率。

有鑑於此，本發明人遂以其多年從事相關行業的研發與製作經驗，針對目前所面臨之問題深入研究，經過長期努力之研究與試作，終究研創出一種將數值控制加工機床之數值控制器與超音波控制器互聯，進而利用數值控制器強大的運算能力，使超音波控制器隨時隨著數值控制器的程式控制，正確輸出對應的頻率及振幅，達到加工作業優化控制之結合控制裝置，此即為本發明之設計宗旨。

本發明之目的一，係提供一種數值控制加工機床與超音波刀把之結合控制裝置，該數值控制加工機床係連結一數值控制器，以控制加工機床之主軸作動，該超音波刀把係組設於該主軸上，並連結一超音波控制器，該超音波控制器係設有處理單元、訊號電流源、偵測單元及輸出單元，以對超音波刀把輸出帶頻率及振幅訊號之電流源，使該超音波刀把對加工件執行超音波加工作業，其中，該數值控制加工機床之數值控制器係以一組數位輸入接點(DI)連接於超音波控制器，而可經由該數位輸入接點(DI)對超音波控制器進行ON-OFF的命令，使該超音波控制器重新啟動並執行掃頻的作業，進而透過數值控制器與超音波控制器的互聯，使超音波控制器隨時隨著數值控制器的程式控制，正確輸出對應的頻率，以提升加工品質，達到加工作業優化控制的效益。

本發明之目的二，係提供一種數值控制加工機床與超音波刀把之結合控制裝置，該數值控制加工機床係連結一數值控制器，以控制加工機床之主軸作動，該超音波刀把係組設於該主軸上，並連結一超音波控制器，該超音波控制器係設有處理單元、訊號電流源、偵測單元及輸出單元，以對超音波刀把輸出帶頻率及振幅訊號之電流源，使該超音波刀把對加工件執行超音波加工作業，其中，該數值控制加工機床之數值控制器係以一組類比輸入接點(AI)連接於超音波控制器，而可經由該數位輸入接點(DI)對超音波控制器進行輸出電力大小的類比控制，以調控超音波控制器對超音波刀把的輸出振幅，進而透過數值控制器與超音波控制器的互聯，使超音波控制器隨時隨著數值控制器的程式控制，變換輸出對應的振幅，以提升加工品質及加工效率，達到加工作業優化控制的效益。

習知部份：

10‧‧‧刀把本體

11‧‧‧擴張桿

12‧‧‧加工刀具

20‧‧‧超音波控制器

本發明部份：

30‧‧‧數值控制器

31‧‧‧數位輸入接點

32‧‧‧類比輸入接點

40‧‧‧主軸

50‧‧‧超音波刀把

50`‧‧‧超音波刀把

60‧‧‧超音波控制器

61‧‧‧處理單元

62‧‧‧訊號電流源

63‧‧‧偵測單元

64‧‧‧輸出單元

第1圖：習知超音波刀把之示意圖。

第2圖：本發明機體架構之示意圖。

第3圖：本發明控制架構之示意圖。

第4圖：本發明數值控制器之程式步驟的示意圖。

為使貴審查委員對本發明作更進一步之瞭解，茲舉一較佳實施例並配合圖式，詳述如后：請參閱第2圖，本發明之數值控制加工機床係連結一數值控制器30，並以該數值控制器30控制該加工機床之主軸40作動，該超音波刀把50係組設於該主軸40上，而由該主軸40帶動旋轉進行切削加工作業，該超音波刀把50並連結一超音波控制器60，而藉由該超音波控制器60輸出帶頻率及振幅訊號之電流源至超音波刀把50，使該超音波刀把50作超越音波頻率的高頻振動切削加工作業。由於該超音波刀把50本身的結構已為習知技術，且非為本發明的重點，因此不予贅述。請參閱第3圖，本發明之超音波控制器60係設有處理單元61、訊號電流源62、偵測單元63及輸出單元64，該處理單元61係用以運算及發出命令訊號，該訊號電流源62則連結於該處理單元61，並接收該處理單元61的命令訊號，該偵測單元63係連結於該訊號電流源62，使該訊號電流源62可經由該偵測單元63偵測超音波刀把50的負載端阻抗值，以供該處理單元61運算出與該超音波刀把50匹配之頻率，該輸出單元64係連結於該訊號電流源62，使該訊號電流源62可經由該輸出單元64輸出帶頻率及振幅訊號之電流源至超音波刀把50；當該超音波控制器60之處理單元61於接收到啟動命令時，係會對該訊號電流源62發出掃頻的命令訊號，該訊號電流源62即經由該偵測單元63對該超音波刀把50執行掃頻作業，該處理單元61即利用電路阻抗匹配的原理，而獲致超音波刀把50的負載端阻抗值，並運算出與該超音波刀把50匹配之頻率，最後該處理單元61再對訊號電流源62發出匹配之頻率及振幅的命令訊號，使該訊號電流源62透過輸出單元64輸出帶匹配頻率及振幅訊號之電流源至超音波刀把50，使該超音波刀把50作超越音波頻率的高頻振動切削加工作業。此外，如先前技術所述，習知的超音波刀把其頻率與振幅的大小係完全由超音波控制器獨立控制輸出，而未與數值控制加工機床之數值控制器相互連結，因此超音波控制器不僅無法隨時隨著超音波刀把的損耗調整輸出正確的對應頻率，且對於振幅大小的控制，習知的超音波控制器，在加工件的加工時序中也僅是以單一大小的輸出振幅來執行加工作業，而影響加工件的加工品質及加工效率。為了改善前述的問題，本發明係將數值控制加工機床之數值控制器30以一組數位輸入接點(DI)31及一組類比輸入接點(AI)32連接於該超音波控制器60，使該數值控制器30與超音波控制器60互聯，該數值控制器30即可經由該數位輸入接點(DI)3 1對超音波控制器60發出ON-OFF的啟動命令，使該超音波控制器60對該超音波刀把50執行掃頻作業，並經由該類比輸入接點(AI)32對超音波控制器60進行輸出電力大小的類比控制，以調控超音波控制器60對超音波刀把50的輸出振幅，進而利用數值控制器30程式的設計及強大的運算能力，使超音波控制器60隨時隨著數值控制器30的程式控制，正確輸出對應的頻率及振幅，達到加工作業優化控制的效益。

請參閱第3、4圖，本發明數值控制加工機床之顯示螢幕當顯示數值控制器30之程式步驟為M6T1時，係表示進行編號為T1之超音波刀把50的換刀作業；接著當程式步驟顯示為M78時，係表示數值控制器30透過數位輸入接點(DI)31對超音波控制器60發出ON-OFF的啟動命令，亦即使超音波控制器60先關閉再重新啟動，當超音波控制器60之處理單元61接收到來自於數值控制器30的啟動命令時，該處理單元61係會對該訊號電流源62發出掃頻的命令訊號，該訊號電流源62即經由該偵測單元63對該T1之超音波刀把50執行掃頻作業，該處理單元61即利用電路阻抗匹配的原理，而獲致T1之超音波刀把50的負載端阻抗值，並使處理單元61運算出與該T1之超音波刀把50匹配之頻率；接著當程式步驟顯示為M125時，係表示數值控制器30透過類比輸入接點(AI)32對超音波控制器60進行輸出電力大小的類比控制，其中『5』係表示輸出電力為最大輸出電力之50%，當超音波控制器60之處理單元61接收到來自於數值控制器30的輸出電力訊號後，處理單元61會命令訊號電流源62調控輸出電流之振幅為最大輸出振幅之50%，而使訊號電流源62經由輸出單元64輸出帶匹配頻率及振幅訊號之電流源至T1之超音波刀把50；接著當程式步驟顯示為G4X5時，係表示T1之超音波刀把50 開始執行高頻振動切削加工作業；當T1之超音波刀把50完成階段性高頻振動切削加工作業後，程式步驟顯示為G6T3時，係表示進行編號為T3之超音波刀把50`的換刀作業；接著當程式步驟顯示為M78時，數值控制器30即透過數位輸入接點(DI)31對超音波控制器60發出ON-OFF的啟動命令，當超音波控制器60之處理單元61接收到來自於數值控制器30的啟動命令時，該處理單元61係會對該訊號電流源62發出掃頻的命令訊號，該訊號電流源62即經由該偵測單元63對該T3之超音波刀把50`執行掃頻作業，該處理單元61即可獲致該T3之超音波刀把50`的負載端阻抗值，並運算出與該T3之超音波刀把50`匹配之頻率；接著當程式步驟顯示為M129時，係表示數值控制器30透過類比輸入接點(AI)32對超音波控制器60進行輸出電力大小的類比控制，其中『9』係表示輸出電力為最大輸出電力之90%，當超音波控制器60之處理單元61接收到來自於數值控制器30的輸出電力訊號後，處理單元61會命令訊號電流源62調控輸出電流之振幅為最大輸出振幅之90%，而使訊號電流源62經由輸出單元64輸出帶匹配頻率及振幅訊號之電流源至T3之超音波刀把50`；接著當程式步驟為G4X5時，係表示T3之超音波刀把50`開始執行高頻振動切削加工作業。

根據上述的說明，本發明將數值控制加工機床之數值控制器30以一組數位輸入接點(DI)31及一組類比輸入接點(AI)32連接於該超音波控制器60，當該數值控制器30與超音波控制器60互聯後，該數值控制器30不僅可經由該數位輸入接點(DI)31對超音波控制器60發出ON-OFF的啟動命令，使該超音波控制器60之訊號電流源62對T1之超音波刀把50(或T3之超音波刀把50`)輸出匹配之頻率，且可隨時經由數值控制器3 0的程式設計，由該類比輸入接點(AI)32對超音波控制器60之訊號電流源62進行輸出電力大小的類比控制，以調控超音波控制器60之訊號電流源62對T1之超音波刀把50(或T3之超音波刀把50`)的輸出振幅，使得在加工件的加工時序中，可依據加工條件的需求(如加工件的材質或是不同階段的加工時序)，藉由數值控制器30的程式設計，而在不同材質或在不同階段得以不同大小的輸出振幅來執行加工作業，進而利用數值控制器30程式的設計及強大的運算能力，大幅提升加工品質及加工效率，達到加工作業優化控制的效益。此外，當超音波刀把切削加工一段時間後，會因為熱變形或刀具損耗等因素，而造成對應匹配頻率的改變，此時亦可藉由數值控制器30的程式設計適時執行M78的程式步驟，使數值控制器30對超音波控制器60發出ON-OFF的啟動命令，而使超音波控制器60之處理單元61對該訊號電流源62再次發出掃頻的命令訊號，進而處理單元61可命令該訊號電流源62對超音波刀把重新輸出匹配之頻率，達到加工作業優化控制的效益。

據此，本發明實為一深具實用性及進步性之設計，然未見有相同之產品及刊物公開，從而允符發明專利申請要件，爰依法提出申請。