阅读说明：本技术 断屑控制系统及其控制方法 (Chip breaking control system and control method thereof ) 是由 许展毓 许维中 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种断屑控制系统及其控制方法,该系统包括控制模块、驱动器及摆动单元,控制模块包括：命令接收单元、断屑单元及路径规划单元,命令接收单元用以接收加工命令、加工条件及机台性能,且命令接收单元根据加工命令与加工条件计算移动命令；断屑单元接收由命令接收单元所传送的加工条件及机台性能,且断屑单元根据加工条件及机台性能计算摆动振幅和摆动频率；路径规划单元接收由命令接收单元计算得到的移动命令,及接收由断屑单元计算得到的摆动振幅及摆动频率,且路径规划单元根据移动命令、摆动振幅与摆动频率计算摆动移动命令。驱动器根据摆动移动命令控制摆动单元对工件进行断屑加工制程。(The invention discloses a chip breaking control system and a control method thereof, wherein the system comprises a control module, a driver and a swing unit, and the control module comprises: the system comprises a command receiving unit, a chip breaking unit and a path planning unit, wherein the command receiving unit is used for receiving a processing command, a processing condition and machine performance, and calculates a moving command according to the processing command and the processing condition; the chip breaking unit receives the processing conditions and the machine performance transmitted by the command receiving unit, and calculates the swing amplitude and the swing frequency according to the processing conditions and the machine performance; the path planning unit receives the movement command calculated by the command receiving unit, receives the swing amplitude and the swing frequency calculated by the chip breaking unit, and calculates the swing movement command according to the movement command, the swing amplitude and the swing frequency. The driver controls the swinging unit to carry out chip breaking processing procedure on the workpiece according to the swinging movement command.)

断屑控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及数字控制技术领域，特别是关于一种断屑控制系统及其控制方法。

背景技术

在机床的切削加工制程中，其切屑会缠绕在刀具或工件上，导致刮伤工件或是损坏刀具。因此使用者会根据实际加工情况开启机床的断屑加工功能，如此一来可避免产生过长的切屑影响加工质量。

现有的断屑切削技术通常会遇到以下问题：(1)需要由使用者根据实际加工参数自行设定至少一组最符合加工情况的参数来进行断屑切削功能。(2) 因为每一台机台刚性具有差异，即使设定相同的加工条件，断屑的效果也不一定会相同。因此，现有的数字控制装置无法根据使用者所设定的加工条件、机台刚性自动调整摆动振幅、摆动频率且精确地控制断屑品质。

发明内容

为了改善上述问题，本发明主要的目的在于提供一种断屑控制系统及其控制方法，在数字控制装置中增加路径规划的断屑功能，使得数字控制装置可以根据当下的加工条件、机台性能自行计算出摆动振幅与摆动频率。机台的用户只需要在使用此功能的加工区间开启此功能即可，不需要再设定任何参数，也不需要再依据每一个加工条件或是不同机台来调整断屑的参数，大幅地提高使用者的操作友善性且精确控制断屑的质量。

本发明的另一目的在于提供一种断屑控制系统及其控制方法，在考虑机台性能的情况下，可以根据不同机台的机台性能进行调整断屑的参数，因此不会因为一样的加工参数，但是不一样的机台，在进行断屑加工时会导致断屑不稳定或是机台强烈振动，而影响加工精确度或是加工质量。在考虑加工条件的情况下，可以根据不一样的主轴转速、进给速率、棒材直径参数来进行计算断屑的参数，以改善因为加工条件的改变而导致断屑过长，而断屑缠绕在刀具上的问题，进一步也可以改善机台机械振动、摆动过大造成加工对象的表面光洁度下降的问题。

根据上述目的，本发明揭露一种断屑控制系统，其包括：控制模块、驱动器及摆动单元，其中驱动器分别与控制模块及摆动单元连接。控制模块包括：命令接收单元、断屑单元及路径规划单元，命令接收单元用以接收至少一个加工命令、至少一个加工条件及至少一个机台性能，且命令接收单元根据加工命令与加工条件计算移动命令；断屑单元用以接收由命令接收单元所传送的加工条件及机台性能，且断屑单元根据加工条件及机台性能计算摆动振幅和摆动频率；路径规划单元接收由命令接收单元计算得到的移动命令，及接收由断屑单元计算得到的摆动振幅及摆动频率，且路径规划单元根据移动命令、摆动振幅与摆动频率计算摆动移动命令。驱动器用以接收由控制模块的该路径规划单元所传送的摆动移动命令。驱动器根据摆动移动命令控制摆动单元对工件进行断屑加工制程。

在本发明的较佳实施例中，断屑单元根据机台性能设定摆动频率参考区间，且断屑单元将摆动频率参考区间与摆动频率进行比较，当摆动频率未包含在摆动频率参考区间内，断屑单元根据加工条件及机台性能重新计算以得到另一摆动频率。

在本发明的较佳实施例中，断屑单元根据机台性能设定摆动振幅参考区间，且断屑单元将摆动振幅与摆动振幅参考区间进行比较，当摆动振幅未包含在摆动振幅参考区间内，断屑单元根据加工条件及机台性能重新计算以得到另一摆动振幅。

在本发明的较佳实施例中，控制模块更包含记忆单元，用以接收并储存由使用者所输入的加工条件与机台性能。

在本发明的较佳实施例中， 记忆单元中更包含储存有至少一个共振频率区间，当摆动频率包含于共振频率区间内，断屑单元根据加工条件及机台性能重新计算摆动频率以得到又一摆动频率。

在本发明的较佳实施例中，断屑控制系统中的摆动单元与至少一个摆动轴连接，摆动单元包括主轴或是进给轴，且加工条件包括主轴的转速、进给轴的进给速度与工件的至少一个工件特征，其中工件特征包括工件的形状、尺寸及/或材料特性以及机台性能包括速度回路增益及速度回路积分时间常数。

在本发明的较佳实施例中，断屑单元根据速度、进给速度、速度回路增益与速度回路积分时间常数计算摆动振幅，且断屑单元根据转速、进给速度、工件特征、速度回路增益与速度回路积分时间常数计算得到摆动频率。

在本发明的较佳实施例中，其中该机台性能还包括一位置回路增益；断屑单元更根据转速、进给速度、速度回路增益、速度回路积分时间常数与位置回路增益计算第一摆动振幅，且断屑单元更根据转速、进给速度、工件特征、速度回路增益、速度回路积分时间常数与位置回路增益计算得到第一摆动频率。

在本发明的较佳实施例中，工件在断屑加工制程中的第一时间会产生第一断屑量，在第二时间会产生第二断屑量，第一断屑量与第二断屑量皆包含于公差区间内。

在本发明的较佳实施例中，工件在断屑加工制程中的第三时间根据第三摆动振幅与第三摆动频率进行断屑加工制程，且工件在断屑加工制程中的第四时间根据第四摆动振幅与第四摆动频率进行断屑加工制程，且第三摆动振幅大于第四摆动振幅，第三摆动频率小于第四摆动频率，其中摆动单元在第三时间时所移动的第三加工距离小于在第四时间时所移动的第四加工距离。

在本发明的较佳实施例中，在断屑控制系统中，路径规划单元更包括：接收摆动单元对工件进行断屑加工制程的回授值；比较回授值与摆动移动命令以产生回授移动命令；根据回授移动命令、第二移动命令、第二摆动振幅与第二摆动频率计算摆动回授移动命令；以及根据摆动回授移动命令控制摆动单元以对工件进行断屑加工制程补偿，其中移动命令的发生时间点早于第二移动命令的发生时间点。

另外，本发明更揭露一种断屑控制方法，其步骤包括：在加工区间开启断屑加工制程；接收加工命令、至少一个加工条件及至少一个机台性能；根据加工命令及加工条件计算移动命令；根据加工条件及机台性能计算摆动振幅与摆动频率；根据移动命令、摆动振幅与摆动频率计算摆动移动命令；以及根据摆动移动命令控制驱动器驱动摆动单元以对工件进行断屑加工制程。

在本发明的较佳实施例中，根据机台性能设定摆动频率参考区间，并将摆动频率与摆动频率参考区间进行比较，当摆动频率未包含在摆动频率参考区间内，根据加工条件及机台性能重新计算另一摆动频率。

在本发明的较佳实施例中，根据机台性能设定摆动振幅参考区间，并将摆动振幅与摆动振幅参考区间进行比较，当摆动振幅未包含在摆动振幅参考区间内，根据加工条件及机台性能重新计算以得到另一摆动振幅。

在本发明的较佳实施例中，加工条件与机台性能可由用户自行输入或储存于记忆单元中。

在本发明的较佳实施例中，更包括将至少一个共振频率区间储存于记忆单元中，当摆动频率包含在共振频率区间内，根据加工条件及机台性能重新计算摆动频率以得到又一摆动频率。

在本发明的较佳实施例中，摆动单元包括主轴或进给轴，且加工条件包括主轴的转速、进给轴的进给速度与工件的工件特征，其中工件特征包括工件的形状、尺寸和/或至少一种材料特性，且摆动单元与摆动轴连接及机台性能包括速度回路增益和速度回路积分时间常数。

在本发明的较佳实施例中，断屑控制方法中的摆动振幅是根据转速、进给速度、速度回路增益与速度回路积分时间常数计算得到及摆动频率是根据转速、进给速度、工件特征、速度回路增益与速度回路积分时间常数计算得到。

在本发明的较佳实施例中，其中机台性能更包含位置回路增益，断屑控制方法更包括根据转速、进给速度、速度回路增益、速度回路积分时间常数与位置回路增益计算得到第一摆动振幅，且更根据转速、进给速度、工件特征、速度回路增益、速度回路积分时间常数与位置回路增益计算得到第一摆动频率。

在本发明的较佳实施例中，工件在断屑加工制程中的第一时间会产生第一断屑量，在第二时间会产生第二断屑量，且第一断屑量与第二断屑量皆包含于公差区间内。

在本发明的较佳实施例中，工件在该断屑加工制程中的第三时间根据第三摆动振幅与第三摆动频率进行断屑加工制程，且工件在断屑加工制程中的第四时间根据第四摆动振幅与第四摆动频率进行断屑加工制程，且第三摆动振幅大于第四摆动振幅，第三摆动频率小于第四摆动频率，其中摆动单元在第三时间时所移动的第三加工距离小于在第四时间时所移动的第四加工距离。

在本发明的较佳实施例中，断屑控制方法更包括以下步骤：接收每一个摆动单元对工件进行断屑加工制程的回授值；比较回授值与摆动移动命令以产生回授移动命令；根据回授移动命令、第二移动命令、第二摆动振幅与第二摆动频率计算摆动回授移动命令；以及根据摆动回授移动命令控制摆动单元以对工件进行断屑加工制程补偿，其中移动命令的发生时间点早于第二移动命令的发生时间点。

由于采用上述技术方案，本发明断屑控制系统及其方法达到以下技术效果：可以根据当下的加工条件、机台性能自行计算出摆动振幅与摆动频率，用户开启断屑加工功能后不需要再设定任何参数，也不需要再依据每一个加工条件或是不同机台来调整断屑的参数，大幅地提高使用者的操作友善性且精确控制断屑的质量。本发明在考虑机台性能的情况下，在考虑加工条件的情况下，可以根据不一样的主轴转速、进给速率、棒材直径参数来进行计算断屑的参数，改善了因为加工条件的改变而导致断屑过长，而断屑缠绕在刀具上的问题，进一步也改善了机台机械振动、摆动过大造成加工对象的表面光洁度下降的问题。

附图说明

图1是根据本发明一种实施例的断屑控制方法的步骤流程图。

图2是根据本发明一种实施例的断屑控制系统的方框示意图。

附图中：

1：断屑控制系统；

2：上位机；

3：控制模块；30：命令接收单元；32：断屑单元；34：路径规划单元；

36：记忆单元；

4：驱动器；

5：摆动单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所做的等效变化与修饰前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

首先请参考图1。在说明图1的同时也一并配合图2来说明，其中图1是根据本发明所揭露的技术，表示断屑控制方法的步骤流程图以及图2是表示断屑控制系统的示意图。

断屑控制方法其步骤包含:步骤S10:在加工区间开启断屑加工制程。于此步骤中，使用者依照实际加工制程需求于上位机2开启断屑加工功能。步骤S12：由命令接收单元接收加工命令、至少一个加工条件及至少一个机台性能。于此步骤中，控制模块3中的命令接收单元30接收由上位机2传来的加工命令、至少一个加工条件及至少一个机台性能，而加工命令、加工条件及机台性能的定义将在以下详细说明。值得注意的是，机台性能可由上位机2获得，也可内建于控制模块3的记忆单元36中。

接着步骤S14：根据加工命令与加工条件计算移动命令。于此步骤中，命令接收单元30根据上位机2所传来的加工命令与加工条件计算出移动命令。加工机台对工件(未在图中表示)执行加工制程前，需经由上位机2的加工命令得知工件的加工态样，例如：切削孔径大小或深度等等。步骤S16：根据至少一个加工条件及至少一个机台性能计算摆动振幅与摆动频率。于此步骤中，由断屑单元32依据上位机2所传来的加工条件及机台性能计算出摆动振幅与摆动频率。在本发明中，机台性能可视为加工机台刚性，主要包括速度回路增益、速度回路积分时间常数和/或位置回路增益等信息。步骤S18：根据移动命令、摆动振幅与摆动频率计算摆动移动命令。于此步骤是利用命令接收单元30将移动命令传送至路径规划单元34，摆动振幅与摆动频率是由断屑单元32传送至路径规划单元34，再由路径规划单元34根据移动命令、摆动振幅与摆动频率来计算出摆动移动命令。

最后于步骤S20：根据摆动移动命令驱动摆动单元5以对工件进行断屑加工制程。于此步骤，控制模块3可以依据步骤S18中，由路径规划单元34计算得到的摆动移动命令来驱动驱动器4来控制摆动单元5对工件(未在图中表示)进行断屑加工制程。针对上述的上位机2、控制模块3、命令接收单元30、断屑单元32及路径规划单元34的功能于后详细说明。

接着请参考图2。图2是表示断屑控制系统的示意图。在图2中，断屑控制系统1至少包含：上位机2、控制模块3、驱动器4及摆动单元，其中控制模块3分别与上位机2及驱动器4连接，驱动器与摆动单元5连接，并由驱动器4来驱动摆动单元5。在本发明中，上位机2可以是加工机台(未在图中表示)控制器、桌面计算机、笔记本电脑、智能型手机或远程服务器等装置，且上位机2与控制模块3通过有线或无线方式连接。

控制模块3至少包括命令接收单元30、断屑单元32、路径规划单元34及记忆单元36，其中命令接收单元30接收由上位机2所传来的加工命令、加工条件及机台性能，命令接收单元30根据加工命令与加工条件计算移动命令，其中加工条件包括主轴的转速及进给轴的进给速度，并且将计算得到的移动命令传送至路径规划单元34。另外，命令接收单元30将加工条件中的主轴的转速、进给轴的进给速度、工件的至少一个工件特征及机台性能传送至断屑单元32。在本发明中，加工命令指的是工件的加工态样，也就是使用者要将工件加工成什么形态。工件的工件特征包括工件的形状、尺寸及/或材料特性；机台性能包括速度回路增益、速度回路积分时间常数及/或位置回路增益。

断屑单元32，接收由命令接收单元30所传送的加工条件中的主轴的转速、进给轴的进给速度、工件的至少一个工件特征及机台性能来计算摆动单元5的摆动振幅及摆动频率。其中，摆动振幅是由断屑单元32依据主轴的转速、进给轴的进给速度、机台性能中的速度回路增益以及速度回路积分常数计算得到。另外，摆动频率是断屑单元32根据主轴的转速、进给轴的进给速度、工件特征及机台性能中的速度回路增益与速度回路积分时间常数计算得到。值得注意的是，加工条件中的工件特征为工件在断屑加工制程中每一阶段的工件特征。

于本发明的另一实施例中，断屑单元32可以根据主轴转速、进给轴的进给速度、速度回路增益、速度回路积分时间常数与位置回路增益来计算第一摆动振幅以及根据主轴转速、进给轴的进给速度、工件特征、速度回路增益、速度回路积分时间常数与位置回路增益计算以得到第一摆动频率。值得注意的是，断屑单元32将机台性能中的位置回路增益也纳入考虑用以计算第一摆动振幅与第一摆动频率实为一种优化方式，可提升断屑加工制程的稳定性与精准度。

接着，断屑单元32将上述计算求得的摆动振幅以及摆动频率传送至路径规划单元34，路径规划单元34根据由命令接收单元30所传送的移动命令以及由断屑单元32所传送的摆动振幅以及摆动频率计算摆动移动命令。于另一实施例中，断屑单元32将第一摆动振幅及第一摆动频率传送至路径规划单元34，同样的，路径规划单元34根据由命令传送单元30所传送的移动命令及由断屑单元所传送的第一摆动振幅及第一摆动频率来计算得到第一摆动移动命令，使得驱动器4接收由控制模块3中的路径规划单元34所传送的摆动移动命令(或第一摆动移动命令)，并且依据此摆动移动命令(或第一摆动移动命令)来控制摆动单元5对工件(未在图中表示)进行断屑加工制程。

于本发明的实施例中，断屑单元32主要根据机台性能来设定摆动频率参考区间(也可根据使用者设定)，在另一实施例中亦可以由使用者来设定摆动频率参考区间。接着，断屑单元32将摆动频率参考区间与先前计算得到的摆动频率来进行比较，当摆动频率未包含在摆动频率参考区间内，断屑单元32会重新计算另一个包含在摆动频率参考区间中的摆动频率。举例来说，当断屑单元32计算出的摆动频率(以摆动频率f1称之)小于摆动频率参考区间的最小值(以摆动频率fA称之)或大于摆动频率参考区间的最大值(以摆动频率fB称之)时(即摆动频率f1未落入摆动频率参考区间)，断屑单元32不会直接将计算出的摆动频率f1输出至路径规划单元34，而是根据摆动频率fA与摆动频率fB计算出包含于摆动频率参考区间的另一个摆动频率(以摆动频率f2称之)，后续断屑单元32会将摆动频率f2输出至路径规划单元34。

另一方面，断屑单元32主要根据机台性能来设定摆动振幅参考区间，2另一实施例中亦可由使用者设定。断屑单元32将先前所计算得到的摆动振幅与摆动振幅参考区间进行比较，当摆动振幅未包含在摆动振幅参考区间内(即摆动振幅未落入摆动振幅参考区间)，断屑单元32会重新计算另一个包含在摆动振幅参考区间中的摆动振幅。举例来说，当断屑单元32计算出的摆动振幅(以摆动振幅h1称之)小于摆动振幅参考区间的最小值(以摆动振幅hA称之)或大于摆动振幅参考区间的最大值(以摆动振幅hB称之)时(即摆动振幅h1未落入摆动振幅参考区间)，断屑单元32不会直接将计算出的摆动振幅h1输出至路径规划单元34，而是根据摆动振幅hA与摆动振幅hB计算出包含于摆动振幅参考区间的另一个摆动振幅(以摆动振幅h2称之)，后续断屑单元32会将摆动振幅h2输出至路径规划单元34。

路径规划单元34根据接命令接收单元30传来的移动命令与断屑单元32传来的摆动频率与摆动振幅计算出摆动移动命令。驱动器4根据路径规划单元34计算出的摆动移动命令以控制摆动单元5进行断屑加工制程。

摆动单元5包括主轴(未在图中表示)或进给轴(未在图中表示)，当摆动单元5为进给轴(依照实际加工流程对应于刀具或是工件)时，进给轴可于x、y或z轴中任一轴进行摆动。其中，进给轴可依照实际加工流程于x、y或z轴中的任一轴进行摆动而在加工过程中进行断屑。举例来说，当加工流程为直线断屑时，进给轴可于x、y或z轴中任一轴摆动用以断屑。于另一实施例中，当加工流程为斜线或圆弧时，进给轴可于x、y或z轴中任一轴摆动进行断屑加工制程。

在另一实施例中，当摆动单元为主轴(依照实际加工流程对应于刀具或工件)时，主轴可于a、b和c轴中的任一轴进行摆动。其中，主轴可依照实际加工流程于a、b或c轴中的任一轴摆动用以断屑。于一实施例中，当加工流程为直线断屑时，主轴可于a、b或c轴中任一轴摆动用以断屑；于又一实施例中，当加工流程为斜线或圆弧时，主轴可于a、b或c轴中的任一轴摆动进行断屑加工制程。

在本实施例中，控制模块3更包含记忆单元36，用以储存由使用者或是由上位机2所输入的加工条件及机台性能，以及断屑单元32根据机台性能所设定的摆动频率参考区间、摆动振幅参考区间以及公差区间。此外，记忆单元36中还储存有共振频率区间，当断屑单元32计算出的摆动频率(以摆动频率f3称之)包含在默认的共振频率区间时(即摆动频率f3落入共振频率区间)，则表示摆动单元5在进行断屑加工制程的过程所产生的振动频率会与机台(未在图中表示)产生共振，这会造成断屑加工制程无法顺利进行，也容易让机台(未在图中表示)以及相关零件因共振而造成损坏。此时，断屑单元32不会直接将计算出的摆动频率f3输出至路径规划单元34，而是避开共振频率区间中的所有频率重新计算出摆动频率f4，后续断屑单元32会将摆动频率f4输出至路径规划单元34。

在本发明的一实施例中，在对工件进行断屑加工制程的过程中会产生断屑量。当驱动器4依据摆动移动命令驱动摆动单元5来对工件进行断屑加工制程时，所产生的断屑量若包含在公差区间内，则表示断屑单元32计算出的摆动频率与摆动振幅可稳定断屑。若是断屑量没有包含在公差区间内，使用者可依照实际加工情况来决定断屑单元32是否需重新计算摆动频率与摆动振幅，使得在不同的单位时间进行的断屑加工制程所产生的断屑量都应该包含在公差区间内。在本发明的实施例中，断屑量可以是重量或是体积。举例来说，工件在断屑加工制程中的第一时间会产生第一断屑量，在第二时间会产生第二断屑量，当第一断屑量与第二断屑量的重量或体积皆包含于公差区间内时，代表目前机台的断屑效果稳定。

在一实施例中，随着工件的加工时间不同，摆动频率与摆动振幅也会随之调整。以工件为安装于主轴的棒材，且摆动单元为安装于进给轴的刀具为例，在断屑加工制程中，刀具会由棒材的外径表面往棒材圆心的方向进行加工。刀具在第三时间(例如棒材直径50mm)时，会根据第三摆动振幅与第三摆动频率对棒材进行断屑加工制程; 刀具在第四时间(例如棒材直径40mm)时，会根据第四摆动振幅与第四摆动频率对棒材进行断屑加工制程。其中第三摆动振幅大于第四摆动振幅，第三摆动频率小于第四摆动频率，且刀具在第三时间时所移动的第三加工距离小于在第四时间时所移动的第四加工距离。

另外，本发明对于摆动单元5在对工件进行断屑加工制程进行补偿。主要是利用路径规划单元34来接收摆动单元5对工件进行断屑加工制程时的回授值，其中此回授值是由马达编码器(未在图中表示)所产生。接着，路径规划单元34根据此回授值与先前由断屑单元32依据摆动振幅及摆动频率所计算得到的摆动移动命令进行比较，以得到回授移动命令；紧接着，路径规划单元34依据回授移动命令、在下一个单位时间，依据加工命令、加工条件及机台性能所计算得到的移动命令、摆动振幅及摆动频率来计算出摆动回授移动命令，要说明的是，在下一个单位时间所得到的移动命令所产生的时间点晚于先前所述的使用者透过上位机2于控制模块3的命令接收单元30输入加工命令、加工条件及机台性能，命令接收单元30根据加工命令计算出的移动命令的时间点。最后，控制模块3依据此摆动回授移动命令来控制摆动单元5来对工件进行断屑加工制程补偿。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用以限定本发明的保护范围；同时以上的描述，对于相关技术领域中具有通常知识者应可明了并据以实施，因此其他未脱离本发明所揭露概念下所完成之等效改变或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。