刀具狀態檢測裝置及方法

2023-05-02 09:33:16

專利名稱：刀具狀態檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種刀具狀態檢測裝置及方法，更具體地，涉及--禾中 用於檢測針對工作物進行加工作業的刀具磨耗或斷刀與否的刀具狀態 檢測裝置及方法。
背景技術：
使用自動化加工機具進行加工作業時，必須即時偵測刀具狀態以 確保產品品質。以印刷電路板的鑽孔作業為例，其通過高速非接觸式 氣靜壓主軸馬達夾持鑽針來實現。鑽孔機具有快、穩、準等高性能表 現，然而鑽針在高速運轉下亦會產生磨耗甚至斷刀。而為了在鑽針產 生磨耗、斷刀的情形下及時發現並加以更換，以往是在非接觸式馬達 底部相對鑽針頭端附近加設感測設備。當鑽針狀態異常時，則將信息 回傳至相關控制非接觸式馬達的控制器，以停機更換鑽針。目前偵測 鑽針運轉中的狀態有光線遮斷法、碳刷接觸法、粉塵碎屑搜集法、電 壓信號法，以及驅動電流法等偵測方法。光線遮斷法是在鑽針的兩側設置投射以及接收光的裝置，根據光 線接收端接收光信號的有無來判斷鑽針的狀態。然而在鑽針直徑越來 越小的趨勢下，欲使光信號正確地被鑽針所阻斷所要的設置精度要求 也越高，因此使得光線遮斷法有越來越難以實施的趨勢，即使裝置架 設成功也耗費了相當多的時間以及甚高的成本。碳刷接觸偵測法是將碳刷與鑽針直接接觸，根據碳刷傳回信號的 有無來判斷鑽針的狀態。然而在非接觸式馬達高速運轉下，鑽針會因 接觸到碳刷而快速磨耗，且在摩擦過程中產生的粉塵以及碎屑亦會傷 害非接觸式馬達的轉子。粉塵碎屑偵測法是在碳刷與鑽針對加工物件加工時，將產生的粉 塵以及碎屑以集塵器加以搜集，再根據集塵器內的粉塵及碎屑感測器 信號來偵測鑽針的狀態。然而粉塵搜集量卻有難以拿捏的困擾，且粉 塵中含多少比例以上的鑽針成分方可判定鑽針已受損的標準亦難以制 定，因此使得粉塵碎屑偵測法難以應用於實際操作..匕驅動電流偵測法是在主軸驅動器的電流輸出線安裝電流感測器， 冉根據鑽針在加工時因扭力而產生的電流變化，來偵測鑽針的狀態。電壓信號偵測法是在加工物件與機臺間建立電位差，通過鑽針貫 穿上層加工物件的動作，將上層電壓信號傳導至下層，電腦控制器再 根據電壓信號是否傳遞，來偵測鑽針的狀態。但是驅動電流偵測法以及電壓信號偵測法均必須加裝感測器，從 而增加整體鑽孔機的成本，並且難以適用在高速且微孔的鑽孔作業， 因此亦造成應用範圍的限制。再者，鑽針的頭端在未進行加工動作前離開工作物的高度稱為非 加工行程，而非加工行程是與鑽孔速度呈反比，因此各式的鑽孔機均 著重於縮小非加工行程以提升鑽孔速度。然而上述的光線遮斷法、碳 刷接觸法、粉塵碎屑搜集法、電壓信號法或驅動電流法，均多少必須 在鑽針附近增設偵測裝置或感測元件，經常會因此而增加非加工行程， 進而影響鑽孔速度。因此，如何改善以上種種缺點，為當今亟待思考的課題。發明內容鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的--個目的在於提供一種 刀具狀態檢測裝置及方法，無須於該刀具周圍增設偵測裝置，從而可 具有最小的加工行程。本發明的又一 目的為提供一種刀具狀態檢測裝置及方法，從而明 確地判斷出刀具的磨耗或斷刀狀態。本發明的再一 目的為提供一種可節省成本的刀具狀態檢測裝置及 方法。本發明的又-- 目的為提供一種無須接觸磨損刀具的刀具狀態檢測 裝置及方法。為達到上述及其他目的，本發明提供一種刀具狀態檢測裝置，其 應用於檢測針對工作物進行加工作業的刀具狀態。該工作物設置於-加工機臺上，該刀具是由主軸馬達的中心轉子帶動旋轉，而該主軸馬
達的中心轉子是與該主軸馬達的外殼保持絕緣。該刀具狀態檢測裝置包括電場信號產生器，用以施加電場信號於該主軸馬達的外殼，以 使該外殼與該中心轉子之間產生感應電場；電場信號處理器，用以接收來自該主軸馬達的外殼的感應電場的信兮，並根據該感應電場的信號的狀態而輸出相對信號；以及控制器，耦合至該電場信號處理器且根據該相對信號以判斷該感應電場的存在與否，當該感應電場因刀具接觸工作物並經該加工機臺接地而使該感應電場的信號消失時，視為未斷刀狀態；當該感應電場的信號持續存在時，則視為斷刀狀態。本發明亦揭示一種刀具狀態檢測方法，其應用於檢測針對工作物 進行加工作業的刀具狀態。該工作物設置於一加工機臺上，該刀具是 由主軸馬達的中心轉子帶動旋轉，而該主軸馬達的中心轉子是與該主軸馬達的外殼保持絕緣，該方法包括施加電場信號於該主軸馬達的 外殼，以使該外殼與該屮心轉子之間產生感應電場；令該主軸馬達帶 動該刀具以對工作物進行加工作業；以及在加工作業中偵測該感應電 場的存在與否，當該感應電場因刀具接觸工作物並經該加工機臺接地 而使信號消失時，視為未斷刀狀態；當該感應電場的信號持續存在時， 則視為斷刀狀態。就應用於鑽孔作業為例。該刀具為一鑽針，相對於現有技術屮各 種關於偵測鑽針使用狀態的方法會造成增加非加工行程而降低鑽孔速 度，本發明的刀具狀態檢測方法，是於主軸馬達的中心轉子及外殼間 形成電場，再在鑽針進行鑽孔作業時，偵測該電場信號的有無，以判 斷鑽針的狀態，無需於鑽針周遭設置相關偵測裝置。因此，相比於現 有技術可有效地縮短非加工行程而加快鑽孔速度，在實際測試屮，約 可加快30%的鑽孔速度。且，相對於現有技術中以碳刷接觸偵測法容易導致鑽針快速磨耗 而受損的缺失，本發明的刀具狀態檢測方法無須以任何結構接觸到鑽 針而避免增加鑽針磨耗的速度。又，相對於現有技術中以粉塵搜集法有鑽針狀態無法確定的疑慮，本發明的刀具狀態檢測方法，以電場信號的有無即可明確判斷出鑽針 的狀態。再者，相對於現有技術各式偵測鑽針狀態的方法，例如以光阻斷 偵測的方法所要求的精度甚高、粉塵搜集法有粉塵搜集量難以拿捏的 缺點，均會導致偵測鑽針狀態所需的成本提高；本發明的刀具狀態檢測方法只須通電使該主軸馬達的屮心轉子帶正電荷，而使該外殼感應 帶負電荷，再將該外殼電性導接於該加工機臺上即可，無須精密的設置精度，亦不須搜集副產品，而可以節省成本的方式，精確地測出該 鑽針的狀態。另外，並可量測出每次鑽針接觸到工作物的時間，當發現鑽針接 觸該工作物所需時間偏離正常值較多時，代表鑽針所受的磨耗過大， 亦可於此時主動更換鑽針。


圖1顯示本發明刀具狀態檢測裝置的示意圖；圖2顯示本發明刀具狀態檢測裝置中，主軸馬達的中心轉子與外 殼產生感應電場的示意圖；圖3顯示本發明刀具狀態檢測裝置，當鑽針接觸到工作物時的示 意圖；以及圖4顯示本發明刀具狀態檢測方法的流程圖。主要元件符號說明1 主軸馬達 10 中心轉子 11. 外殼12 鑽針2 工作物3 加工機臺4 刀具狀態檢測裝置41 電場信號產生器42 電場信號處理器43 控制器a 第一半徑b 第二半徑c 第三半徑 +Q 一Q第 -電荷 .泰_______電^可U義SI 01 歩驟SI 02 步驟SI 03 歩驟S104 步驟SI 05 步驟SI 06 步驟具體實施方式
以下通過特定的具體實施例說明本發明的實施方式，所屬領域技 術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其他優點與功 效。請參閱圖1至圖3，是本發明刀具狀態檢測裝置及方法的具體實施 例。在本實施例中以應用於鑽孔作業為例，因此以鑽針代表刀具，但 是所屬領域技術人員均可理解本發明並非僅限於應用在鑽孔作業中， 而所指刀具亦非以鑽針為限。如圖1所示，主軸馬達1具有中心轉子10以及環繞該中心轉子10 的外殼11。該中心轉子IO運轉時，該主軸馬達1導入空氣於該中心轉 子10及該外殼11之間而使該中心轉子10氣浮式地絕緣於該外殼11 。該屮心轉子10的一端外露於該主軸馬達1並夾持有一鑽針12，該 鑽針12受該中心轉子10的帶動而旋轉，以在--工作物2上進行鑽孔， 該工作物2可為一印刷電路板，承載於一加工機臺3上。該外殼11及該加工機臺3間電性連接有- -檢測該鑽針12狀態的 刀具狀態檢測裝置4。該刀具狀態檢測裝置4包括有用以在該中心轉 子IO及該外殼11間產生感應電場的電場信號產生器41、偵測該感應 電場的信號的狀態而輸出相對信號的電場信號處理器42、以及接收由 電場信號處理器42所傳來的相對信號以判斷該感應電場存在與否的控 制器43。如圖2所示，當該主軸馬達1的中心轉子10幵始運轉時，該電場
信號產生器41亦同時施加電場信號於該外殼11使其帶有正電，而由 於該中心轉子10絕緣於該外殼11，因此該中心轉子10會感應電場而帶有負電。現就以下參數加以定義中心轉子10的第一半徑-a、中心 轉子10中心至該外殼1外表面的第二半徑=1)、電場E產生之處與中 心轉子10中心的第三半徑^，且a〈r〈b、鑽針12所帶的第一電荷二+Q、 外殼所帶的第二電荷-:-Q，介電係數=8 、電荷密度=入、外殼11與該 中心轉子10產生感應的長度為1、中心轉子10的電位^V,。外殼11的 電位-Vh、電容=(:。當然，前述的電場信號產生器41亦可施加電場信 號於該外殼ll，使其帶有負電且該中心轉子IO會感應電場帶有正電， 使鑽針12所帶的第-^電荷=-Q、而外殼所帶的第二電荷則=+0已知的是a、 b、 1、 e等參數，而屮心轉子IO與外殼11間的電位而又可由 代入前---式求得中心轉子10與外殼11間的電位差Va—Vb=2;rs〃，其中， /。「 一 J再由電容公式可求得電容C- 2加" "因此，該主軸馬達K具有相互絕緣的屮心轉子lO與外殼ll，而形成為一電容裝置。請配合參閱圖3，同時該中心轉子IO往下移動而使該鑽針12於該 加工物2上進行鑽孔。當鑽針12處於非斷刀狀態時，可順利地接觸於 該加工物2，而由於該刀具狀態檢測裝置4電性連接於該加工機臺3 而產生有一接地的效應。因此當該鑽針12接觸到加工物2時，感應電 場與電容C會消失，可據此判斷鑽針12為非斷刀狀態。同時，電場信 號處理器42將輸出一 "無感應電場"的相對信號傳送給控制器43。然而，當該鑽針2發生折斷的情形時，鑽針12將無法觸及工作 物2，而使得感應電場與電容C保持不變，即可判斷鑽針12的狀態不
正常，而必須停機檢修更換。此時電場信號處理器42輸出一 "有感應 電場"的相對信號傳送給控制器43，且控制器43更可進一步啟動一告 警機制，例如停止該主軸馬達或是發出警報聲響。另外，即使鑽針12 T每--次鑽孔作業中均可觸及該工作物2，但 是該鑽針12亦有可能已產生磨耗現象而影響鑽孔品質，因此可測量每 次鑽孔作業中鑽針12軀汲該工作物2所需的時間。與鑽針12第一次 下刀狀態下，觸及該加工機臺3所需的時間相比較，當超過一定的容 許值時，則判定鑽針12己磨耗嚴重而必須更換。請參閱圖4，因此，本發明刀具狀態檢測方法可由步驟SIOI產生 感應電場後，在步驟S102讀取該刀具狀態檢測裝置4中的感應電場的 信號，接著啟動該中心轉子10進行前述的鑽孔作業。並在步驟S103 偵測感應電場的信號存在與否，當一次的鑽孔作業中，持續偵測到有 感應電場的信號時，代表鑽針12為斷刀狀態，可直接進行到歩驟S106， 進行鑽針12的更換；然而當偵測到感應電場的信號消失時，則進行歩 驟S104將前述量測鑽針12觸及工作物2所需時間與第一次進行鑽孔 觸及工作物2所需時間相減。歩驟S105則判斷該相減的數值，當低於 一額定的設定值時，則回到步驟S102;而當高於該設定值時，則進展 至步驟S106進行鑽針12檢査或更換。相對於現有技術中各種關於偵測鑽針使用狀態的方法會造成增加 非加工行程而降低鑽孔速度，本發明的刀具狀態檢測方法，是於主軸 馬達的中心轉子及外殼間形成電場，再於鑽針進行加工時偵測該電場 信號的有無以判斷刀具的狀態，無需於鑽針周遭設置相關偵測裝置。 因此相對於現有技術可有效地縮短非加工行程而加快鑽孔速度，於實 際測試中，約可加快30%的鑽孔速度。且，相對於現有技術中以碳刷接觸偵測法容易導致鑽針快速磨耗 而受損的缺失，本發明的刀具狀態檢測方法無須以任何結構接觸到鑽 針而避免增加鑽針磨耗的速度。又，相對於現有技術中以粉塵搜集法有鑽針狀態無法確定的疑慮， 本發明的刀具狀態檢測方法以電場信號的有無即可明確判斷出鑽針的 狀態。再者，相比於現有技術各式偵測鑽針狀態的方法，例如以光阻斷
偵測的方法所要求的精度甚高、粉塵搜集法有粉塵搜集量難以拿捏的 缺點，均會導致偵測鑽針狀態所需的成本甚高。本發明的刀具狀態檢 測方法只須通電使該主軸馬達的中心轉子帶正電荷，而使該外殼帶負 電荷，再將該外殼電性導接於該加工機臺上即可，無須精密的設置精 度，亦不須搜集副產品，而可以節省成本的方式精確地測出該鑽針的I ^另外，並可量測出每次鑽針接觸到工作物的時間，當發現鑽針接 觸該工作物所需時間偏離正常値較多時，代表鑽針所受的磨耗已屆臨 界值，亦可於此時主動更換鑽針。由上可知，本發明刀具狀態檢測裝置及方法可改進現有技術的缺 點，並可提早發現鑽針的磨耗，因此具有高度產業利用價值。但是以上所述的具體實施例，僅用以例釋本發明的特點及功效， 而非用以限定本發明的可實施範疇，在未脫離本發明上述的精神與技 術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成的等效改變及修飾，均 仍應為下述的申請專利範圍所涵蓋。
權利要求
1. 一種加工作業中的刀具狀態檢測方法，該刀具是由主軸馬達的中心轉子帶動旋轉，而該主軸馬達的中心轉子與該主軸馬達的外殼保持絕緣，該方法包括施加電場信號於該主軸馬達的外殼，以使該外殼與該中心轉子間產生感應電場；令該主軸馬達帶動該刀具以對工作物進行加工作業；以及於加工作業中偵測該感應電場的存在與否，當該感應電場消失時，視為未斷刀狀態；當該感應電場持續存在時，則視為斷刀狀態。
2. 根據權利要求1所述的刀具狀態檢測方法，其中，該感應電場通過 -一電場信號產生器於該外殼與該中心轉子之間產生。
3. 根據權利要求1所述的刀具狀態檢測方法，其中，該感應電場通過 一電場信號處理器處理後輸出一相對信號至一控制器，並由該控制器 判讀該感應電場存在與否。
4. 根據權利要求3所述的刀具狀態檢測方法，其中，該控制器於判斷 該感應電場持續存在時，還進-一歩啟動一告警機制。
5. 根據權利要求4所述的刀具狀態檢測方法，其中，該告警機制為停
6. 根據權利要求4所述的刀具狀態檢測方法，其中，該告警機制為發 出警報聲響。
7. 根據權利要求1所述的刀具狀態檢測方法，其中，該中心轉子是氣 浮式地轉動定位於該外殼中，以與該外殼保持絕緣。
8. 根據權利要求1所述的刀具狀態檢測方法，其中，該外殼帶有負電荷、而該中心轉子則:Jl有正電荷，從而令該主軸馬達成為一電容裝置。
9. 根據權利要求1所述的刀具狀態檢測方法，其中，在未斷刀狀態下， 還包括偵測每-一次加工作業開始至信號消失所需時間的時間差，並於 該時間差大於等於一預設值時視為刀具磨損狀態。
10. 根據權利要求1所述的刀具狀態檢測方法，其中，該刀具為鑽針。
11. 根據權利要求1所述的刀具狀態檢測方法，其中，該工作物為印刷 電路板。
12. —種加工作業中的刀具狀態檢測裝置，該刀具是由主軸馬達的中心轉子帶動旋轉，而該主軸馬達的中心轉子與該主軸馬達的外殼保持絕緣；該裝置包括電場信號產生器，用以施加電場信號於該主軸馬達的外殼，以使 該外殼與該中心轉子間產生感應電場；電場信號處理器，用以接收來自該主軸馬達的外殼的感應電場的 信號，並根據該感應電場的信號的狀態而輸出相對信號；以及控制器，耦合至該電場信號處理器，並根據該相對信號以判讀該 感應電場的存在與否。
13. 根據權利要求12所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該控制器於判 讀感應電場的信號持續存在時，還進--歩啟動一告警機制。
14. 根據權利要求13所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該告警機制為 停止該主軸馬達。
15. 根據權利要求13所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該告警機制為 發出警報聲響。
16. 根據權利要求12所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該中心轉子是 氣浮式轉動定位於該外殼中，以與該外殼保持絕緣。
17. 根據權利要求12所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該電場信號產 生器使該外殼帶有負電荷、而該中心轉子則具有正電荷，從而令該主 軸馬達成為- -電容裝置。
18. 根據權利要求12所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該電場信號處理器電性連接至該加工機臺。
19. 根據權利要求12所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該刀具為鑽針。
20. 根據權利要求12所述的刀具狀態檢測裝置，其中，該工作物為印 刷電路板。
全文摘要
一種刀具狀態檢測裝置及方法，其應用於檢測針對工作物進行加工作業的刀具狀態。該工作物設置於一加工機臺上，該刀具是由主軸馬達的中心轉子帶動旋轉。而該主軸馬達的中心轉子與該主軸馬達的外殼保持絕緣，主要通過施加於該外殼的電場信號而使該外殼與該中心轉子之間產生感應電場，並在加工作業中偵測該感應電場是否存在。當該感應電場因刀具接觸工作物並經該加工機臺接地而使信號消失時，視為未斷刀狀態；當該感應電場的信號持續存在時，則視為斷刀狀態。
文檔編號B23Q17/09GK101209530SQ20061016998
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月26日 優先權日2006年12月26日
發明者張漢傑 申請人:財團法人工業技術研究院