一种刀库控制系统及其控制方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202010246800.7 | 申请日 | 2020-03-31 |
| 公开(公告)号 | CN111360572A | 公开(公告)日 | 2020-07-03 |
| 申请人 | 新代科技(苏州)有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 林昱辰; 郑宪昇; | 第一发明人 | 林昱辰 |
| 权利人 | 新代科技(苏州)有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 新代科技(苏州)有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省苏州市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省苏州市工业园区春辉路9号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：215122 |
| 主IPC国际分类 | B23Q3/155 | 所有IPC国际分类 | B23Q3/155 ; B23Q3/16 ; B23Q1/00 |
| 专利引用数量 | 18 | 专利被引用数量 | 1 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 苏州根号专利代理事务所 | 专利代理人 | 仇波; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种刀库控制系统及其控制方法，它包括：刀库，所述刀库具有多个刀杯，且每个所述刀杯用于容置一个刀具；刀臂，所述刀臂用于由所述刀库取放所述刀具和更换 主轴 上的所述刀具；控制单元，所述控制单元用于控制所述刀库旋转使其刀杯与所述刀臂相对应，控制所述刀臂旋转以将所述刀具由所述主轴上转移并容置于所述刀库的所述刀杯内或由所述刀库的所述刀杯内转移至安装在所述主轴上。通过刀具重量信息调整刀库转速、刀臂转速与编排刀具在刀库的 位置 以减少刀库偏载，进而提升刀库换刀效率与刀库的使用寿命。据此以维持在精加工过程中， 工件 有良好的表面品质。 | ||
| 权利要求 | 1.一种刀库控制系统，其特征在于，它包括： |
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| 说明书全文 | 一种刀库控制系统及其控制方法技术领域[0001] 本发明涉及一种工具机刀库换刀技术领域，具体涉及一种刀库控制系统及其控制方法。 背景技术[0002] 工具机(即工作母机或机床)的刀库系统是加工过程中储刀和换刀需求的一种装置。由于此刀库系统可以一次储放多把刀具，且能够依据程序控制正确地选择刀具，在加工 过程中，先将下一把预设要使用的刀具进行事先储备，在需要使用的时候再进行刀具交换； 相较于现有技术中的手动换刀的方式，可以大幅地减少人力与缩短加工时间。 [0004] 步骤S100：由外部I/O装置的O点开始(on)；此步骤是透过外部I/O装置的控制，需要刀库旋转时会触发O点； [0005] 步骤S102：变频马达旋转；当刀库旋转时会触发O点，进而让变频马达旋转带动刀库转动； [0006] 步骤S104：刀库转到定位；当变频马达旋转带动刀库转动时，刀库到达定位； [0007] 步骤S106：外部I/O装置的O点关闭(off)；当刀库转到定位之后，外部I/O装置触发Ι点，并使O点关闭(off)； [0008] 步骤S108：变频马达停止运转；但，此种刀库的缺点在于：变频马达只能以固定的转速转动，无法达到最佳化的备刀速度；另一缺点在于：使用外部I/O装置容易有损坏的问 题，进而导致刀库机构容易受损。 [0009] 另外，伺服刀库则是采用驱动器搭配伺服马达，通过控制单元串列命令进行动程规划，通过驱动器让伺服马达转到定位，可实现高速、高加减速、精确定位的特点。相较于非伺服刀库以外部I/O装置控制，伺服刀库只需要马达装配编码器即可使用，耐用度高且配线 容易。 [0010] 现有技术中的伺服刀库在旋转时，并未考虑刀库内刀具的重量来调整动程的加减速与速度，若刀库承载的刀具重量较重时，整体的加减速规划需要比较和缓；若刀库承载的 刀具重量较轻时，可以承受较剧烈的加减速规划。但是因为现有技术中，并未考虑刀库的负 载来调整刀库旋转的动程规划，因此只能采取最保守的加减速规划来进行运转。同样的情 况也会出现在刀臂式换刀，刀臂式换刀若对于大型刀具以较快速度旋转，机构容易震动且 造成损坏，有些控制单元提供了解决方法，其方法是利用开放几个转速让使用者根据刀具 重量去设定，但此机制设定较耗时，且通常只能以使用者的经验值输入，因此控制单元无法 针对正确刀具重量做精确的动程规划，因此具有改善的空间。 [0011] 另外，刀库若为圆盘式刀库或是链式刀库，为了将刀库与主轴侧交换，常需要搭配刀臂式换刀，在此情况下，刀库内的刀具会随随着持续换刀，位置不断地变化。倘若刀库内 仍有数把重量不同的刀具，在不断换刀下，会有重刀具(刀具负载较大者)同时在刀库同一 侧的可能，在此情况下会造成刀库偏载，刀库在旋转时会有偏心，导致刀库寿命的减少。除 非使用者留意刀库偏载的问题，并且将自动换刀的程序改为手动换刀，不然刀库偏载的问 题难以被发现。 [0012] 此外，若机台正在进行精密加工(后续统一称为精加工)时，刀库若进行备刀的动作，刀库的旋转会导致机台的震动，亦有可能会导致工件表面的加工效果不佳。所以在考虑 不影响工件的加工效果的前提下，刀库旋转的动程规划又会多了其他限制条件，亦会更为 保守的来进行，最终使得单一一组的刀库转动速度规划无法满足各种情境需求，进而影响 加工效率。 发明内容[0013] 本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种刀库控制系统。 [0014] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种刀库控制系统，它包括： [0015] 刀库，所述刀库具有多个刀杯，且每个所述刀杯用于容置一个刀具； [0016] 刀臂，所述刀臂用于由所述刀库取放所述刀具和更换主轴上的所述刀具； [0017] 控制单元，所述控制单元用于控制所述刀库旋转使其刀杯与所述刀臂相对应，控制所述刀臂旋转以将所述刀具由所述主轴上转移并容置于所述刀库的所述刀杯内或由所 述刀库的所述刀杯内转移至安装在所述主轴上；所述控制单元还估算所述刀具的刀具负载 和所述刀库的总载重以调整所述刀库的转速，并根据所述刀具的所述刀具负载以编排所述 刀具在对应所述刀库的所述刀杯内。 [0018] 优化地，所述刀库为圆盘式刀库或链式刀库。 [0019] 优化地，所述控制单元还包含驱动器或感测器，所述刀具负载由所述驱动器的电流计算得到或由所述感测器感测得到。 [0020] 优化地，所述控制单元还根据所述刀具负载，将所述刀库的总载重和总偏载与所述刀库的参考值进行对比，以判断所述刀库的总载重是否异常，以实时地调整所述刀库的 转速。 [0021] 进一步地，所述刀库的参考值为其可承受的刀具总负载。 [0022] 进一步地，所述控制单元包含用于储存所述刀具负载、刀库总载重和总偏载的储存单元。 [0023] 本发明的又一目的在于提供一种上述刀库控制系统的控制方法，它包括以下步骤： [0024] 刀具上主轴步骤：将刀具置放在主轴上； [0025] 刀库旋转步骤：旋转刀库，使其的任意刀杯与主轴上的所述刀具相对应； [0026] 刀臂旋转步骤：利用刀臂将所述刀具由主轴上取下，旋转夹持有所述刀具的所述刀臂，且于旋转所述刀臂时测量或计算刀具负载； [0027] 刀库上刀具步骤：旋转所述刀臂使得所述刀具转换到所述刀库的任意所述刀杯内； [0028] 重复所述刀具上主轴步骤至所述刀库上刀具步骤，使得在所述主轴上的下一把刀具放置在所述刀库的其它所述刀杯内，且其它所述刀杯的位置为前述刀具向量总和相反的 位置；直至刀具全部转换至所述刀库的所述刀杯内。 [0029] 优化地，还包含判断所述刀库中的各刀具是否在精加工阶段；若是，则调整所述刀库在备刀阶段时的转速，对所述刀库不执行备刀动作。 [0030] 优化地，刀臂旋转步骤中还包括： [0033] 根据所述转动惯量与所述刀臂的机构惯量以得到所述刀具惯量，并根据所述刀臂的旋转半径得到所述刀具负载。 [0034] 优化地，重复所述刀具上主轴步骤至所述刀库上刀具步骤中还包括： [0035] 计算在所述刀库中各所述刀具位置对于所述刀库圆形方向的向量总和； [0036] 将下一个所述刀具编排在向量总和相反位置的刀杯内。 [0037] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明刀库控制系统及其控制方法，利用刀臂式刀库上刀的动作，通过刀臂负载计算每把刀具的重量，通过 刀具重量信息调整刀库转速、刀臂转速与编排刀具在刀库的位置以减少刀库偏载，进而提 升刀库换刀效率与刀库的使用寿命。 [0038] 本发明还通过刀具负载来计算刀库的载重以及刀库偏载量，并且与刀库的机构规格相比，以提醒使用者刀库是否达到上限，若是，则将刀库旋转速度降低，以避免刀库偏载 又在高速转速下造成刀库受损。 [0040] 图1为现有非伺服刀库使用的备刀流程步骤示意图； [0041] 图2为本发明刀库控制系统的方块图； [0042] 图3为本发明用于刀库控制系统的刀库控制方法步骤流程示意图； [0043] 图4是根据本发明所揭露的技术，表示刀臂式上刀流程各步骤的示意图：(a)刀具上主轴；(b)刀库旋转；(c)刀臂旋转；(d)刀库上刀具； [0044] 图5是根据本发明所揭露的技术，表示在刀库中根据各把刀具的重量编排刀杯位置的各步骤流程示意图：(a)一把刀具；(b)两把刀具；(c)三把刀具；(d)四把刀具； [0045] 图6是根据本发明所揭露的技术，表示不同负载大小的动程规划示意图：(a)负载大；(b)负载小； [0046] 图7是根据本发明所揭露的技术，表示刀库旋转定位时的速度反馈与负载的示意图； [0048] 图9是根据本发明所揭露的技术，表示在精加工阶段，调整刀库转速的步骤流程示意图。 具体实施方式[0049] 下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。 [0050] 以下各实施例的说明是参考附图，用以例示本发明可据以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“侧面”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本申请，而非用以限制本申 请。另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”或“包含”应被理解为意指包括该元件，但是不排除任何其它元件。 [0051] 首先参考图2。图2是根据本发明所揭露的技术，表示刀库控制系统的方块图。 [0052] 在图2中，刀库控制系统1至少包括刀库2、刀杯4、刀臂6和控制单元8。其中，刀库2内具有多个刀杯4，每一个刀杯4用于容置一把刀具(图中未显示)。刀臂6用于从主轴(图中 未显示)上取放刀具并将刀具放在刀库2内的刀杯4内。控制单元8用于控制刀库2旋转至对 应的刀杯4处，并且可以控制刀臂6旋转使得刀臂6将刀具从主轴上取下，且于旋转刀臂时测 量或是计算刀具负载；控制单元8还用于估算每一把刀具的刀具负载及刀库2的总载重以调 整刀库2旋转时的转速，并根据每一把刀具的刀具负载用以编排在刀库2的任意一个刀杯4 内。 [0053] 在本发明较佳的实施例中，控制单元8还可以根据刀具负载，将刀库2的总载重和总偏载与刀库2的参考值进行比对，以判断刀库2的总载重是否异常，以实时地调整刀库2的 转速；在本发明的实施例中，刀库2的参考值为刀库2可承受的刀具总负载。另外，刀库2可以是圆盘式刀库或是链式刀库。而在以下的实施例中，则是以圆盘式刀库来举例说明。 [0054] 接着参考图3。图3是根据本发明所揭露的技术，表示用于刀库控制系统的刀库控制方法，并同时一并参考图2进行说明。刀库控制方法的步骤包括： [0055] 步骤S10：执行刀具上主轴步骤(即将刀具安装至主轴上)。于此步骤中，利用主轴(图中未显示)来放置刀具。 [0056] 步骤S12：执行刀库旋转步骤。于此步骤中，旋转刀库2，使得主轴上的刀具与任意刀杯4相对应，这样刀具可以被转换到刀库2的任意刀杯4内。 [0057] 步骤S14：执行刀臂旋转步骤。于此步骤中，利用刀臂6将刀具从主轴上取下之后，旋转夹持有刀具的刀臂6，在旋转的过程中，可以量测或计算刀具的刀具负载，并将刀具负 载记录至控制单元8(如图2所示)内。 [0058] 步骤S16：执行刀库上刀具步骤(即将刀具放入刀库内)。于此步骤中，旋转刀臂6使得从主轴上取下的刀具被转换到刀库2的任意刀杯4内。 [0059] 步骤S18：重复刀具上主轴步骤至刀库上刀具步骤。于此步骤中，重复上述步骤S10至步骤S16，使得在主轴上的下一把刀具被放置在刀库2的其它刀杯4内，该用于放置刀具的 其它刀杯位置为刀具向量总和相反的位置，直至刀具完全转换至刀库2的刀杯4内为止。 [0060] 接下来是对上述的刀库控制系统及其刀库控制方法具体的进一步说明。参考图4(a)至图4(d)表示刀臂式上刀流程各步骤的示意图(在本实施例中，是以圆盘式刀库来进行 说明)。刀臂式上刀流程如图4(a)所示，刀库10中具有多个刀杯102a、102b、104a、104b、 106a、106b、108a和108b，每一个刀杯102a、102b、104a、104b、106a、106b、108a和108b用于容置一把刀具30，刀具30放置或安装在主轴20上，并且利用刀臂40将刀具30从主轴上取下并 放置于刀库10的刀杯中。在本发明的较佳实施例中，刀杯102a与102b、刀杯104a与104b、刀 杯106a与106b以及刀杯108a与108b以对角线的方式设置。 [0061] 接着如图4(b)所示，当控制单元8发出换刀命令时，刀库10会朝着图4(b)中箭头所指示的方向旋转，使得刀杯102a旋转至与刀臂40相对应。如图4(c)所示，控制单元8继续发 出命令让刀臂40旋转(如图4(c)中箭头所指示的方向)，使得刀臂40上的刀具30移向刀库 10。接着如图4(d)所示，完成刀具30上刀至刀库10的动作。 [0062] 参见图4(a)至图4(c)，刀库10中无任何刀具30，因此可以计算要放在刀库10中的该把刀具30的负载，并且将此刀具30的负载记录在控制单元8内。刀具30负载的计算方法参 见以下计算公式： [0063] T＝J×α 式(Ι)，式中T为扭力，J为转动惯量，α为角加速度； [0064] J驱动器测量＝J刀臂+J刀具总重 式(Ⅱ)； [0065] 式中m为质量，r为刀臂的旋转半径。 [0066] 因此，在本发明所揭露的刀库控制系统1中，利用刀库控制系统1中的编码器(图中未显示)读取刀具30在刀库10的刀杯102a、102b、104a、104b、106a、106b、108a和108b的位置信号；接着，利用控制单元8将此位置信号转换成角加速度α，并将刀库控制系统1中驱动器 (图中未显示)内部的负载当成扭力，计算得到刀臂40加上刀具30的总转动惯量。由上述式 (Ⅱ)可知，由于已知刀臂40本身的转动惯量，将驱动器内部总转动惯量扣除刀臂40本身的 转动惯量就可以得到该把刀具30的惯量J刀具总重。再根据式(Ⅲ)并由已知刀臂40的旋转半径r来求得刀具30的负载。因此，在本发明中，可以事先利用上述式(Ι)至式(Ⅲ)来计算出要置 放在刀库10中的每一把刀具30的负载。于另一较佳实施例中，每一把刀具30的刀具负载可 以由驱动器的电流计算得到或是感测器(图中未显示)感测得到。 [0067] 在得到刀具30的负载信息之后，在继续上刀的流程中，为了解决各把刀具30负载可能不同的问题，在刀具30上刀至刀库10时，必须要对刀具30位于刀库10上的位置进行编 排，因为当不同负载的刀具30上刀至刀库10时，可能会造成刀库10偏载的问题。 [0068] 继续参考图5(a)至图5(d)。图5(a)至图5(d)是根据本发明所揭露的技术，表示在刀库中根据各把刀具的重量编排刀杯位置的各步骤流程示意图。 [0069] 如图5(a)中，每一个刀杯102a、102b、104a、104b、106a、106b、108a和108b的位置对于刀库10的圆心都有个方向向量，此向量的量值为负载大小。为了减少刀库10的偏载，需要将向量总和降到最小值，因此在连续上刀的步骤中，需要将下一把刀具30b置放在相对应于 上一把刀具30a向量总和的相反位置上。 [0070] 当上一把刀具30a利用上述式(Ι)至式(Ⅲ)计算出刀具30a的负载之后(例如6公斤)，再根据图4(a)至图4(d)的上刀步骤流程，将刀具30a上刀置放在任意一个刀杯102a、 102b、104a、104b、106a、106b、108a或108b的位置，如刀杯102a。接着，再对下一把刀具30b进行上刀，并计算出其刀具30b的负载为8公斤，由于刀具向量总和是朝着时钟12点钟的方向 (如图5(a)所示)，故下一把刀具30b需置放在离时钟6点钟方向最接近的位置，如图5(b)所 示，将刀具30b放在刀杯102b的位置。 [0071] 要再置放第三把刀具30c时，由于在刀库10上，刀具30a和刀具30b的刀具向量总和指向时钟6点钟方向，因此负载为4公斤的第三把刀具30c须放置在离时钟12点钟方向最接 近的位置，如图5(c)所示，将刀具30c放在刀杯104b的位置。 [0072] 接着，在置放第四把刀具30d时，由于在刀库10上，刀具30a、刀具30b及刀具30c的刀具向量总和指向时钟9～10点钟之间的方向，因此第四把刀具30d(负载为2公斤)须放置 在离时钟3～4点钟之间方向最接近的位置，如图5(d)，将刀具30d放在刀杯104a的位置。以 此类推，后续要上刀至刀库10的刀具可以根据目前刀库10上所承载的刀具向量总和，置放 在刀具向量总和的相反位置即可。 [0073] 根据上述利用刀具负载及刀具向量总和的方式，可以将不同负载的刀具编排在刀具10中适当刀杯102a、102b、104a、104b、106a、106b、108a和108b的位置，来避免刀库10因刀具负载分配不均而产生刀库10偏载的问题。 [0074] 当所有的刀具都上刀至刀库10之后，由于控制单元8已经知道目前在刀库10上承载的所有刀具的负载，因此进一步可以针对刀库10与刀臂40的动程(即行程)作细节最佳 化。 [0075] 图6(a)和图6(b)是根据本发明所揭露的技术，表示不同负载大小的动程规划示意图；其中，图6(a)表示的是负载大的动程规划以及图6(b)表示的是负载小的动程规划。在本 发明的较佳实施例中，最佳化的方向是负载越重，旋转速度与加速度越慢，如此一来可减低 刀库10所承受的冲击力，进而可以提升整个刀库控制系统1的使用寿命。再者，动态将惯量 同步至驱动器，配合位置环/速度环/扭力环的三环控制，可以提升速度环的控制，并且可以 让驱动器内部的三环控制更加平稳。 [0076] 此外，当刀库10平常在进行换刀时，控制单元8检测负载与偏载是否有超过刀库10的上限值；若是超过上限，则刀库控制系统1会提醒使用者，并且自动降低刀库10的转速。平常换刀检测的优点在于：能针对当下的刀具配置做检验，使用者无需定时检测，而计算负载 的方式与前述计算刀具负载相同，因此针对刀库10是否承受过多的载重如下所述并参考图 7。图7是根据本发明所揭露的技术，表示刀库旋转定位时的速度反馈与负载的示意图；如图 7所示，刀库10旋转定位包含加减速段和等速段(即匀速段)，其中加减速段受到的负载会等 同惯性力加上动摩擦力，由于等速段的负载几乎是等于动摩擦力，故要先从等速段计算动 摩擦力，并将加减速段的负载扣除动摩擦力，才会是单纯的惯性力，因此得到了惯性力之 后，利用上述式(Ι)计算出刀库10与刀具的总负载。另外，计算刀库10的负载必须扣掉已知 刀库10本身的负载才会是刀具所造成的负载，一般来说，刀库厂皆会提供刀库可承受的刀 具总负载信息，据此，可以来判断刀库10是否承受过多的负载。 [0077] 另外，在本发明中的刀库控制系统1还可以计算刀库偏载，如图8所示。 [0078] 图8(a)是根据本发明所揭露的技术，表示刀库偏载/无偏载的速度反馈与负载的示意图；在图8(a)中，由于负载会因偏心产生如同大波的拨动，故对于负载做频域转换可以 在低频处发现偏载的振幅较大，进而侦测偏载。侦测的低频频率可由刀库转速从式(Ⅳ)计 算得到， [0079] 式中f为频率，w为刀库转速。 [0080] 侦测频域转换振幅的阀值可以由驱动器模型得知，因此将上述所计算得到的动摩擦力与机构偏载代入驱动器模型，可以模拟驱动器受到偏心负载，将此偏心负载做频域转 换可得到侦测偏载的阀值，进而侦测刀库10是否承受过多的偏载(如图8(b)所示)。 [0081] 由于带有刀库10的工具机(图中未显示)为了节省换刀的速度，因此会在某把刀具进行加工时，刀库10会预算旋转备妥下一把需要用的刀具；而为了追求精加工的良好品质， 在任何的加工过程中，机台的振动都可能影响工件的良率，也就是说，在精加工的情况下， 若为了备刀而旋转刀库10，进而造成机构振动，就有可能在工件表面产生不必要的纹路，为 了解决在精加工的情况下，避免机台振动而影响工件良率，本发明还提出一种在精加工阶 段，调整刀库转速的方法，如图9所示，包括以下步骤： [0082] 步骤S20：设定刀具对应的加工条件。于此步骤中，由使用者先在刀具管理界面输入使用刀号的加工场合，举例来说，使用者设定各把刀具所对应的加工条件是粗加工或是 精加工。 [0083] 步骤S22：设定在精加工时，刀库的速度、加速度及/或加加速度。 [0084] 步骤S24：根据刀具管理，判断目前加工阶段是否在精加工。于此步骤中，是在步骤S22设定好精加工的各种条件之后，开启精加工模式的刀库智能化功能，藉由智能化功能来 判断目前加工是在何种阶段。若是在精加工阶段，则进行步骤S26； [0085] 步骤S26：刀库根据精加工设定的速度、加速度及/或加加速度进行旋转。于此步骤中，由于刀库智能化功能可以判断目前的加工阶段，若是在精加工阶段，则依据上述所设定 的动程参数进行刀库10的转动，甚至可以让使用者决定在精加工的状态下，不进行刀库10 旋转的备刀动作；若刀库智能化功能判断目前的加工阶段不是在精加工阶段，则进行步骤 S28； [0086] 步骤S28：根据刀库的负载调整刀库转速。因此透过刀库智能化的应用，可以对工件的加工效率及工件的加工品质上做到最佳化的设计。 [0087] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据依据本 发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 |
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