阅读说明：本技术 智能五轴同动多相态水刀加工系统 (Intelligent five-axis same-motion multi-phase water jet cutting machining system ) 是由 苏友欣 郑品聪 林弘祥 于 2019-08-05 设计创作，主要内容包括：一种智能五轴同动多相态水刀加工系统,包含加工单元及监控单元。所述加工单元包括射流装置。所述射流装置具有机械臂、可被所述机械臂驱动的切割头,及设置于所述切割头上的惯性量测模块。所述监控单元包括水刀加工参数智能计算补偿模块,及智能化控制器。所述惯性量测模块可实时且准确地测得所述切割头的倾摆角度,使姿态补偿角参数可回授给所述智能化控制器,达到高精准度的倾斜角度补偿。加上所述切割头的2.5D枪头机构特性,及所喷射出的高能量混砂射流束属于可调式弹性刀长的加成,使本发明的加工精度能趋近机构定位精度,达到航天工业精密加工以上的等级。(An intelligent five-axis same-motion multi-phase water jet cutting machining system comprises a machining unit and a monitoring unit. The processing unit comprises a fluidic device. The fluidic device is provided with a mechanical arm, a cutting head driven by the mechanical arm and an inertia measuring module arranged on the cutting head. The monitoring unit comprises a water jet cutting processing parameter intelligent calculation compensation module and an intelligent controller. The inertia measurement module can accurately measure the tilt angle of the cutting head in real time, so that the attitude compensation angle parameter can be fed back to the intelligent controller, and the high-precision tilt angle compensation is achieved. In addition, the 2.5D gun head mechanism characteristic of the cutting head and the ejected high-energy sand-mixing jet beam belong to the addition of adjustable elastic cutter length, so that the processing precision of the invention can approach the positioning precision of the mechanism, and the precision processing grade of the invention reaches above the precision processing grade of the aerospace industry.)

智能五轴同动多相态水刀加工系统

技术领域

本发明涉及一种喷射流切割系统，特别是涉及一种智能五轴同动多相态水刀加工系统。

背景技术

水刀切割是一种通过高增压转换成高动能水射流来对工件进行切割加工的技术，高压的水束流会通过切割头的喷嘴孔(orifice)而形成具放射性的射流，并据此对射流路径上的工件进行切割，另外，为了进一步提升切割能力，常会通过文氏管原理将磨料颗粒吸入切割头的混砂管中，并混入高压水束流中形成高压混砂水射流。五轴水刀加工系统是水刀切割机具中常见的一种高阶类型，其包含可进行五个轴向运动的机械臂、设置于所述机械臂底端且用于输出高压混砂水射流的切割头，及用于控制所述机械臂的动作及所述切割头的开关动作的控制器系统。当操作人员输入加工条件后，所述控制器会带动所述机械臂上的马达，使所述机械臂带动所述切割头进行五轴运动及对工件喷出高压混砂射流以进行切割加工。

由于混砂高能射流束相当于一种可调变式弹性刀具，也就是其并非是一固定不变的刚体刀长，因此在射出后会受高速移动的移除工件等条件的影响而偏移或弯曲射流束，造成工件上产生水流滞后(Trailback)及切口斜边(Taper)等瑕疵，为了克服前述问题，所述机械臂(A/C轴)会在切割时控制所述切割头呈倾斜角，如此便可将所有的切口斜边集中至裁切的一侧，并通过控制所述切割头倾斜拟补偿水束流滞后的瑕疵，通过拟精准控制所述切割头的倾斜角度，使所述切割头能在高速作业下进行精准加工目的。

然而，所述机械臂上的马达虽可受控制而精准地进行旋转，但在所述马达旋转后，所述机械臂及所述切割头还会因机构受背隙误差、节距误差等多项定位精度因素影响，或受磨料条件、水刀条件、运动条件、加工材料等等其他因素影响，导致所述切割头的实际倾斜角度与马达所输出的理想角度有所差距，造成加工精度的降低及补偿效果的打折，因此所述五轴水刀加工系统仍有技术改良的空间。

本案申请人为了改善前述问题，因此在第I618602号中国台湾发明专利案中揭露了一种水刀切割装置，其在切割头上设有惯性量测组件(Inertial measurement unit，IMU)，以达到实时监测切割头的实际倾斜角度的功效。所述水刀切割装置的静态定位精度(Accuracy of Position)范围为0.0001°～0.1°间，最佳动态定位精度(TransmissionAccuracy)操作在0.001°～0.05°，足见其高精密性，这种实时监测实际倾斜姿态角度的技术也为五轴水刀加工系统带来崭新的发展可能性，如，可实时修正加工程序代码的编程补正。然而目前市面上五轴水刀系统的控制器并无法应用于本案申请人所发明的水刀切割装置。

参阅图1，OMAX公司在美国专利US20180364679A1号中揭露了一种为射流切割工具产生优化的刀具路径及机床命令的方法，虽然其可通过经验数据的第一阶函数及第二阶函数来产生刀具路径，但所述刀具路径中对于倾斜角度的数据仍是撷取自马达等致动器，非刀具中心点(TCP)位置与姿态角回授，更无法实时修正加工程序代码的编程误差值，故仍不够精准且其控制器无法应用于第I618602号中国台湾发明专利案具有惯性量测组件切割头。

Water Jet Sweden公司在美国专利US20180059638A1号中揭露了一种流体射流切割系统及控制所述系统运动的方法，其控制单元可根据预定的倾斜角度值(PIA)来操作切割头的运动，并且根据PIA自动地调整切割头相对于工件的速度，从而控制工件切割表面的回迹角(trailback angle，TA)，并自动补偿射流引起的角度位移值(AD)，但所述案中也是用编码器等传感器来量测马达的输出量，以计算出切割头的倾斜程度，亦非刀具中心点(TCP)位置与姿态角回授，同样有前述精度不足且无法应用于第I618602号台湾发明专利案具有惯性量测组件切割头的问题。

参阅图2，Flow公司在美国专利US9597772B2号中揭露了一种可自动确定切割射流2的速度与取向参数的自适应向量控制系统，其通过射流入射轮廓及出射轮廓的点来确定三维曲率特征的指定容差是否超出预期，若是，则自动确定偏离校正角，以通过调整切割头的倾斜及旋转位置来将射流取向调整至指定容差内，所述自动确定偏离校正角的过程中，并未将切割头的实际偏摆角度作为参考值进行补偿，仅属于数学模型的偏差补偿计算，未结合刀具中心点(TCP)的实际物理(整体电控讯号处理速度与软硬件参数匹配)模型的偏差回授补偿计算，因此与前述案件产生相同的问题。综上所述，目前纵使是各国水刀系统的大厂，也未有以实际物理倾斜角度来对倾斜角度进行姿态角度补偿的有效技术方案，因此申请人欲在此提出能基于实际倾斜姿态角度进行姿态角补偿的五轴水刀加工系统，所得出的姿态补偿角参数可回授给智能化控制器，而本发明的所述智能化控制器也可用于控制前述大厂的切割头装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实际操作精准地进行刀具中心点(TCP)位置与倾斜姿态角度补偿，以及水刀加工参数智能计算补偿模块的智能化控制器的智能五轴同动多相态水刀加工系统。

本发明智能五轴同动多相态水刀加工系统，用于对工件进行加工；其特征在于：所述智能五轴同动多相态水刀加工系统包含加工单元，及监控单元，所述加工单元包括射流装置、连接所述射流装置的供砂源，及连接所述射流装置且提供高压水射流的供水源，所述射流装置具有机械臂、连接于所述机械臂上且连接所述供砂源及所述供水源而可受控制喷出混砂射流的切割头、多个设置于所述机械臂上以使所述机械臂带动所述切割头沿五个轴向进行运动的马达，及设置于所述切割头上，并可感测所述切割头的刀具中心点空间位态定位的惯性量测模块，所述监控单元包括可根据目标加工条件计算出补偿值的水刀加工参数智能计算补偿模块，及讯号连接所述水刀加工参数智能计算补偿模块、所述马达及所述惯性量测模块的智能化控制器，所述水刀加工参数智能计算补偿模块的目标加工条件包括欲在所述工件上加工的角度，所述补偿值包括姿态补偿角参数，所述智能化控制器可将所述加工的角度与所述姿态补偿角参数汇流而得出理想值，接着比对所述马达的实际摆转角度与所述惯性量测模块所测得的倾摆角度而得出差值，将所述差值与所述理想值汇流而得出回授姿态角度，所述智能化控制器可根据所述回授姿态角度实时控制所述马达以实时进行角度补偿。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述加工单元的惯性量测模块具有磁力计、加速计，及陀螺仪。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述加工单元还包括多个设置于所述马达上且讯号连接所述智能化控制器的编码器，所述编码器用于实时检测所述马达的实际摆转角度。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述监控单元还包括讯号连接所述智能化控制器且对应所述加工单元的机械臂的定位检验模块，所述定位检验模块用于检测所述机械臂多个目标位置与实际位置的误差值，并将所述误差值输入所述智能化控制器以通过调整所述马达对所述机械臂进行补偿。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述定位检验模块具有至少一个用于检测背隙及节距误差的激光干涉仪。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述监控单元的水刀加工参数智能计算补偿模块的目标加工条件还包括磨料参数及切割头参数。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述磨料参数包括磨料粒径、磨料形状，及磨料密度。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述切割头参数包括枪头形式、混砂管长及混砂管径。

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述监控单元的智能化控制器可将数据排列成VDW格式，并以通信平台统一架构方式输出

较佳地，前述智能五轴同动多相态水刀加工系统，其中所述监控单元还包括讯号连接所述智能化控制器及所述加工单元的预警模块，及讯号连接所述智能化控制器并监测所述切割头，以提示所述切割头的耗材更换的耗材提示模块。

本发明的有益的效果在于：所述惯性量测模块是直接设置于所述切割头上，因此可实时且准确地测得所述切割头的刀具中心点TCP的空间倾摆角度，所述水刀加工参数智能计算补偿模块则可计算出基于所述倾摆角度的姿态补偿角参数，姿态补偿角参数可回授给所述智能化控制器，以对刀具中心点(TCP)位置与姿态角回授进行高精密度的姿态角度补偿，加上所述切割头的2.5D枪头机构特性，及所射出的混砂射流属于可调式弹性刀长的加成，使本发明的加工精度能趋近定位精度，达到航天工业精密以上的加工等级。此外，本发明的智能化控制器也可应用于未设置惯性量测模块的一般切割头装置，泛用性高。

附图说明

图1是流程图，说明美国专利US20180364679A1号产生刀具路径的流程；

图2是配置图，说明美国专利US9597772B2号的自适应向量控制系统；

图3是配置图，说明本发明智能五轴同动多相态水刀加工系统的实施例；

图4是侧视局部剖面图，说明本实施例中的射流装置；

图5是流程图，说明本实施例的作业逻辑；

图6是流程图，说明本实施例的GM码制成及动作流程；

图7是流程图，说明本实施例的M码执行步骤；

图8是示意图，说明本实施例的角度补偿流程；及

图9是示意图，用于辅助说明图8的角度补偿。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图3及图4，本发明智能五轴同动多相态水刀加工系统1的一个实施例，包含一个加工单元2及一个监控单元3，所述加工单元2包括一个射流装置21、一个连接所述射流装置21的供砂源22，及一个连接所述射流装置21的供水源23。所述射流装置21具有一个机构配置如图4所示而具五个轴向的自由度的机械臂211、一个连接于所述机械臂211上且连接所述供砂源22及所述供水源23的切割头212、两个设置于所述机械臂211关节(joint)处的马达213、一个设置于所述切割头212顶端的惯性量测模块214(Inertial measurementunit，IMU)，及多个设置于所述马达213上的编码器(Encoder)215(未显示于图4上)。在本实施例中，所述切割头212属于AWJ(Abrasive-WaterJet)式2.5D枪头，所述马达213为中空式而可供管线通过的谐波式伺服马达(Harmonic Drive)，通过所述马达213可带动所述机械臂211在三个轴向上直线移动(x、y、z轴)，及在两个轴向上旋转(Pitch、yaw)，使所述切割头212进行2.5D加工。当然，在实际配置上所述马达213并不以前述类型为限，所述机械臂211的机构也不以图4的型式为限，只要能带动所述机械臂211进行五轴运动，并使所述切割头212偏摆倾斜即可。所述惯性量测模块214具有一个磁力计216、一个加速计217，及一个陀螺仪218(仅显示于图4)。前述构件可通过磁北方向、重力及加速度来计算所述切割头212的旋转倾摆方位角度，以感测所述切割头212的刀具中心点(TCP)A空间位态。所述编码器215是被动地感测所述马达213的旋转，以实时检测及反馈所述马达213所输出的实际摆转角度。所述供砂源22是提供石榴石砂等磨料，所述供水源23提供高压水射流，两者通过文氏管原理在所述切割头212的混砂室及混砂管(图未示)中混合，最后以高压混砂射流之形态输出以进行切割，属于可调式弹性刀长(A beam cutting tools of adjustable jetswithcutting model)。

所述监控单元3包括一个讯号连接所述马达213及所述惯性量测模块214的智能化控制器31、一个讯号连接所述智能化控制器31的水刀加工参数智能计算补偿模块(Cuttingmodel)32、一个讯号连接所述智能化控制器31并对应所述机械臂211的定位检验模块33、一个讯号连接所述智能化控制器31及所述加工单元2的预警模块34，及一个讯号连接所述智能化控制器31并监测所述切割头212的耗材提示模块35。所述智能化控制器31(Controller)可与一个计算机41连接，并将取得的各项数据排列成VDW格式，再以通信平台统一架构方式(OPC UA)输出至所述计算机41、其他智能装置42，或云端数据库43上，VDW格式可与德国工具机数据兼容，提升泛用性。在本实施例中，所述智能化控制器31为可控制所述马达213作动的CNC控制器，并通过控制所述切割头212上的开/关阀来射出或停止射流，此外还可通过数据撷取来监控行号、加工坐标点、实际速率，及偏摆角度等等。

所述水刀加工参数智能计算补偿模块32内嵌于计算机41端的可编程软件CAD/CAM/CAE中，但也可以直接设置于所述智能化控制器31中，其可预先建构理想模型，并根据目标加工条件计算出补偿值及分析值。所述目标加工条件可包括在工件上加工的角度、磨料参数、切割头212参数、射流装置21条件、材料特性条件及表面质量需求等等，所述磨料参数包括磨料粒径、磨料形状及磨料密度。所述切割头212参数包括枪头形式(T type或Ytype)、混砂管长及混砂管径。所述射流装置21条件包括水刀输出压力、喷嘴直径、总马力及最佳效率等等。所述材料特性条件包括加工件的材料种类及材料厚度。所述补偿值包括一个姿态补偿角参数，其计算方式容后详述。所述分析值包括所述射距净空(stand-off)、姿态角度(Attack angle，或称攻击角度)、切割移动速率、加工总时间、目前机械输出效率、系统设备能源使用效率(kWE，kWD)与加工成本概算等等。

所述定位检验模块33具有多个用于检测所述机械臂211的激光干涉仪，所述激光干涉仪分别用于监测所述机械臂211的各个目标部位(例如各关节、枢转处、连接处等等)的实际位置，并与所述智能化控制器31中的目标位置比对而得出误差值，所述激光干涉仪可将所述误差值输入所述智能化控制器31中，使所述智能化控制器31可调整所述马达213以对所述机械臂211进行补偿，从而消弥所述机械臂211在机构运动时的背隙(backlash)及节距误差(Pitch Error)，当然，不仅是对机械臂211，若所述机械臂211前端还有连接龙门型滑台或其他运动机构，也可通过其他激光干涉仪进行监测。所述预警模块34可监控所述供砂源22及所述供水源23的开关、砂位，及所述射流装置21的油位、油压、水压、行程是否过载。所述耗材提示模块35可监控所述切割头212的总加工时间、总喷水时间及总喷砂时间，并经计算后在所述智能化控制器31的人机接口(Human Machine Interface)显示所述切割头212，及设置于所述切割头212上的密封圈、喷嘴及混砂管的剩余寿命，并显示高压主机的故障问题点。

参阅图3及图5，首先说明本实施例的作业逻辑，本实施例如图5所示地先制成GM码(制成方式容后说明)，接着在计算机41端上进行路径空跑模拟，此属于数学模式确认，若模拟的加工路径正确，便以人机接口(HMI)模拟水刀运行，此属于物理模式确认，若运行路径同样正确的话，便以纯水不加砂进行打样以供比对，若正确则在最后开启超高压(UHP)水刀进行加工，若刀具空行路径的模拟或以人机接口模拟水刀运行的路径有误的话，则重新产生GM码，并依流程再次进行模拟，而若水刀试打样的结果有误的话，则根据加工参数的姿态补偿角修改NC码(修改方式容后叙述)。

参阅图3、图6及图7，接着说明前述GM码的制作及动作流程，先将产品的设计构思以CAD软件(如Solidwork或AutoCAD)建构成形，接着再以CAM软件(如Mastercam)分析CAD所生成的档案并转成刀具路径文件，再通过后处理器将刀具路径文件转换为NC文件(即GM码)，所述智能化控制器31转换成自动模式后将所述参数智能计算补偿模块32的加工切割参数加载，并开启NC档执行(确认材料型号、几何尺寸)，接着进行前述的路径空跑模拟、HMI水刀模拟运行及纯水试打样，确认完模拟加工路径后便开始作业。本实施例用来控制开关水砂及低高压的M码如图7所示。制成的G码及M码输入所述智能化控制器31后，所述智能化控制器31的译码器(Decoder)将GM码转换为数据结构(此步骤简称为DEC)，接着通过所述智能化控制器31的坐标数据前处理器(Coodinate Data Preprocessor，简称CDP)以将机械命令转换为刀具及工件坐标(坐标轴包括X、Y、Z、U、V、W)，以所述智能化控制器31的插值器(Interpolator)对前述的坐标进行实时插值得出X(t)、Y(t)、Z(t)、U(t)、V(t)、W(t)，这时会通过(1)前述所述定位检验模块33所得到的误差值、(2)所述惯性量测模块214等组件得出的角度补偿(角度补偿流程容后叙述)、(3)输出力道回馈等数据进行补偿，得出补偿值ΔX、ΔY、ΔZ、ΔU、ΔV、ΔW，再以所述智能化控制器31的位置控制回路(Position ControlLoop，PCL)进行PID控制(PID control)及前馈控制(Feed Forward control)，作为所述智能化控制器31修正NC码的参考，以控制所述马达213调整所述切割头212的刀具中心点(TCP)A位置，达到在线实时修改NC码的功效。

参阅图3、图8，及图9，接着说明本实施例进行前述角度补偿的流程，首先所述水刀加工参数智能计算补偿模块32会根据用户所输入的目标加工条件，也就是一个欲在工件上加工的角度51(本例示中以6°为例)，而输出一个姿态补偿角参数52(本例示中为0.01°)，接着所述智能化控制器31将所述加工的角度51与所述姿态补偿角参数52汇流而得出一个理想值53(6°+0.01°＝6.01°)，另一方面，所述编码器215会实时测得所述马达213的实际摆转角度54(本例示中为6°)，此角度54是由所述马达213所输出的旋转量换算而得，但受到机构的定位精度、所述工件的材料特性及其他运动条件等影响，所述切割头212呈现的倾斜角度并不会等于所述实际摆转角度54，因此还需与所述惯性量测模块214所测得的倾摆角度55(本例示中为6.05°)相比对，将所述实际摆转角度54及所述倾摆角度55相减而得出一差值56(6.05°-6°＝0.05°)，将前述的理想值53与所述差值56汇流而得出一个回授姿态角度57(6.01°+0.05°＝6.06°)，所述智能化控制器31会根据所述回授姿态角度57对所述马达213进行控制以进行角度补偿58(在本例示中，便是控制所述马达213修正6.06°-6°＝0.06°)，也就是所述回授姿态角度57会回授给所述智能化控制器31作为修正NC码的参考，以进行在线实时编程加工NC码，且通讯端口协议TCP/IT可适用于全球IT规格，更可应用于一般的切割头上，反观背景技术的控制器并无法应用于本案的切割头212上，足见本案具有较高的泛用性。本案通过前述的方式对刀具中心点(TCP)A位置与姿态角回授进行高精密度的姿态角度补偿。

复参阅图3及图4，本发明智能五轴同动多相态水刀加工系统1有以下几点优势：

(1)本发明通过所述参数加工模块、所述智能化控制器31及所述惯性量测模块214相配合，可实时且准确地测得所述切割头212的实际物理倾摆角度，并能对刀具中心点(TCP)A位置与姿态角回授进行高精密度的姿态角度回授补偿(≦0.04°)，加上所述切割头212的可调式弹性刀长及2.5D枪头的机构特性，使本发明的加工精度能趋近定位精度，切割精度可达到±0.1mm内，斜度误差小于0.025mm内，达到航天工业精度加工等级(<±0.2mm)以上，让水刀的切割精度几可达到超精密CNC工具机的标准。

(2)所述水刀加工参数智能计算补偿模块32能分析及计算枪头混砂群组的相关条件，包括磨料参数及切割头212参数，故可根据磨料参数将射流装置21条件的喷嘴直径(do)及混砂管径(df)间的比值关系控制在最佳的2～4，提高加工精密度，此外所述水刀加工参数智能计算补偿模块32还能分析具有倾角的混砂枪头组(例如前述的Y type及T type)，根据高压水流量mw及磨料流率ma可配比出砂水最适流率比(ma/mw)15～25％，不仅加工参数项较一般水刀系统齐全，且即使加工材料的厚度小于2mm仍可进行分析，更适合于复合材料如CFRP的加工使用。

(3)所述智能化控制器31的数据输出采用国际通讯的OPC UA协议，数据格式为与德国工具机兼容的VDW格式，适配性及通用性高，可将警报、加工坐标位置、程序名称、完成工件数等数据输出，其输出的数据除了可输送至计算机的数据库外，也能通过物联网(IoT)上传至网络附加存储器(NAS)、云端数据库或智能装置中，如此一来管理人员便能于远程实时掌握多台智能五轴同动多相态水刀加工系统1的加工情形，这些数据可进一步汇整或经机器学***台收集加工参数及履历)，以作为加工算法开发、制程改善、参数调整甚至是新增材料库的材料特性的依据，于加工产线的大方向来说，还能用来拟定资源规划(ERP)、物料需求规划(MRP)、生产排程、质量管理等经营策略，使产线自动化、智能化，及优化。

(4)通过所述定位检验模块33的激光干涉仪可消弥所述机械臂211的背隙及节距误差，以通过所述智能化控制器31将机构运动补偿至正确的目标位置，完成体积补偿及轮廓补偿，提高定位精度，同时使运动控制轴卡的种类不受制，而有更大的选用弹性。

综上所述，所述水刀加工参数智能计算补偿模块32加入了基于所述惯性量测模块214的姿态补偿角参数，结合刀具中心点(TCP)A的实际物理模型的偏差回授补偿计算，并可将回授姿态角度回授给所述智能化控制器31，以作为修正NC码的参考，此属在线实时编程加工NC码的新技术，能有效提高加工精度，配合所述切割头212的可调式弹性刀长及2.5D枪头机构特性，可使加工精度趋近定位精度，达到航天工业加工等级以上及工具机标准，故确实能达成本发明的目的。