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以控制器伺服馬達電流監測切削力變化及刀具磨耗技術研究
作者
彭俊穎、王郁仁
刊登日期:2025/04/30
摘要
隨著工業 4.0 發展,製造業導入人工智慧與大數據技術,以提升生產效率與競爭力。傳統刀具磨耗監測需拆卸刀具,導致機器停機並增加成本。為克服此限制,本研究探討透過控制器伺服馬達電流監測切削力與刀具磨耗。實驗使用亞崴五軸工具機 (FV560),變換切削參數以收集西門子控制器 (840D) 的主軸馬達電流訊號並建立切削力模型。透過快速傅立葉轉換 (Fast Fourier Transform, FFT) 與希爾伯特-黃轉換 (Hilbert-Huang Transform, HHT) 提取刀具磨耗相關特徵。結果顯示,切削力與主軸電流呈線性關係,且電流訊號會隨刀具磨耗變化而改變,FFT 與 HHT 分析結果高度吻合,驗證了電流監測方法的可行性。
Abstract
With the advancement of Industry 4.0, the manufacturing industry has integrated artificial intelligence and big data technologies to enhance production efficiency and competitiveness. Traditional tool wear monitoring requires tool disassembly leading to machine downtime and increased costs. To overcome this limitation, this study explores monitoring cutting force and tool wear through servo motor current from the controller. Experiments were conducted using Awea five-axis machine (FV560), where spindle motor current signals were collected from Siemens 840D controller under varying cutting parameters to establish a cutting force model. Fast Fourier Transform (FFT) and Hilbert-Huang Transform (HHT) were employed to extract tool wear-related features. The results indicate a linear relationship between cutting force and spindle current, with current signals varying according to tool wear. The consistency between FFT and HHT analyses validates the feasibility of the current-based monitoring method.
前言
一般而言,工具機在切削工件時,經常使用不同刀具進行不同加工,如粗、精加工、鑽孔等。然而,長時間的加工會導致刀具磨耗,而刀具的嚴重磨耗可能會影響工件的表面品質及加工精度,甚至導致產品不良無法達到預期的公差範圍。因此,刀具的狀態監測變得非常重要,尤其是在不停機的情況下監測和評估刀具磨耗及更換時機,能有效確保加工品質與穩定性。傳統監測方法主要透過大量切削資料的收集,使工具機能夠了解當前加工情況與校準精度,並在刀具無法達到理想精度時即時更換,以提高加工精度、生產效率,並降低因刀具磨損導致的廢品率及替換刀具的成本。刀具狀態監測系統的建構將有助於提升製造效能與產品品質[1],而整體架構如圖1所示,刀具狀態監測系統透過感測器、訊號處理與機器學習演算法,實現對刀具健康狀態的智能判斷與即時監測。首先,在加工處理過程中,使用聲發射(Acoustic Emission, AE)、力量、振動、電流、功率等感測器來收集數據。接著,透過穩態分析、傅立葉分析、小波分析、時序分析等進行訊號處理,以提取各感測器的訊號特徵。再來,利用演算法進行分類與識別,最終評估刀具的健康狀態,如磨耗、崩刃、破損、失效與顫振。此系統可有效提升加工精度、減少非計畫性停機,並降低生產成本。
現今,在刀具磨耗的監測上,除了利用掃描電子顯微鏡直接進行刀具影像拍攝[2]並進行刀具磨耗量比較(如圖2所示) ,可以從圖片直觀的看出磨耗程度,可以經由加工容許程度即時更換刀具,還有依賴額外安裝感測器如聲學感測器或電流感測器來收集數據,除透過主流的切削力分析、音頻分析與振動分析等數據處理的方法外[3],亦可透過頻域幅值比定義斷裂特徵,但這些方式將會增加設備成本,還需要額外的數據處理與分析時間。因此,發展更高效、低成本且能即時監測的刀具狀態監測技術,將成為提升製造業競爭力的重要課題。研究人員亦廣泛收集前人相關技術文獻並學習,以全面了解各種監測技術如何更精確地評估刀具磨耗特徵。這些研究成果提供了不同監測技術的深入理解,能夠比較其優缺點,進而選擇最符合目前所需求的刀具磨耗分析方式。在製造過程中,刀具狀態監測系統的核心在於即時監測機器、加工過程、工件與工具機的動態變化,其主要目標包括:及早偵測刀具磨耗、透過適當的補償措施維持加工精度,防止刀具過度磨耗以確保最佳加工性能。
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2025年05月號
(單篇費用:參考材化所定價)