确认刀具位置的方法与工具机系统与流程

本发明设计一种确认刀具位置的方法与使用此方法的工具机系统。

背景技术：

传统数控工具机刀库的作用不仅是存放加工过程中所需要的刀具，还负责把下一工序所要使用的刀具移送至换刀位置。数控工具机刀库与自动换刀装置中，常因人为放置错误刀具或者刀库刀号与程序设定不符等紊乱现象而造成机台故障。现有技术于换刀点设置读取器，于换刀时通过读取器读取刀具上的芯片，以判断使用的刀具是否正确。然而，现有技术中的读取器在判断刀具并未使用正确之后，仍需要通过人工作业进行复位或置换正确的刀具，不仅费时费力，并且，操作人员需要了解加工程序作动、结构特点与控制机理以外，尚须熟悉换刀的动作等流程，故通过人工作业复位或置换正确的刀具，需要一定操作基础的操作人员才能执行操作。

因此，如何能够简单且有效地确认刀具的正确性来避免上述所遭遇到的问题，是业界目前极需解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种确认刀具位置的方法与工具机系统，能轻易得知并确认刀具的位置，由此解决刀库乱刀的问题，并可确认即将使用的刀具是否正确。

本发明的实施例提出一种确认刀具位置的方法，包括以下步骤：通过位置运算单元，依据刀库中多个刀套位置，训练并取得各刀套位置的训练姿态数据与训练信号强度数据；位置运算单元发送呼叫刀具指令，使多个刀具中目标刀具移动至换刀位置，包括：取得目标刀具的姿态数据与信号强度数据；依据目标刀具的姿态数据与信号强度数据，位置运算单元比对各训练姿态数据与各训练信号强度数据，以确认目标刀具的目标刀套位置；转动刀库，使目标刀具由目标刀套位置移动至换刀位置。

本发明的实施例提出一种工具机系统，包括位置运算单元、刀库以及设备控制单元。位置运算单元包含信号收发模块以及数据运算模块，信号收发模块连接于数据运算模块。刀库具有多个刀套位置，各刀套位置具有刀具，各刀具以无线信号连接位置运算单元。设备控制单元连接于刀库与位置运算单元，设备控制单元包含加工程序，位置运算单元发送呼叫刀具指令至设备控制单元，以更新加工程序，刀库依据加工程序执行，刀库依据呼叫刀具指令将各刀具中目标刀具移动至换刀位置，包括：信号收发模块接收目标刀具产生的惯性感测坐标与无线信号，并传输至数据运算模块，以产生目标刀具的姿态数据与信号强度数据；数据运算模块依据目标刀具的姿态数据与信号强度数据，比对多个训练姿态数据与多个训练信号强度数据，以确认目标刀具的目标刀套位置；转动刀库，使目标刀具由目标刀套位置移动至换刀位置。

基于上述，在本发明的确认刀具位置的方法与工具机系统中，操作员仅须了解目前需要哪个刀具去进行加工，不需要了解刀具对应的置放位置，故即便各个刀具是任意地置放于刀库内部，仍可通过刀具本身反馈的姿态数据与信号强度数据，得以随时得知刀具位置或即将使用的刀具是否正确。

为让本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例的工具机系统的示意图。

图2为本发明的刀具的示意图。

图3为本发明的位置运算单元的示意图。

图4为本发明的确认刀具位置的方法的流程图。

图5为图4中呼叫刀具命令的流程图。

图6为图4中自动换刀命令的流程图。

符号说明

10工具机系统

1位置运算单元

11信号收发模块

12数据运算模块

2数据库单元

3设备控制单元

4机械设备

5刀具

51惯性感测元件

52无线传输模块

53天线模块

54电源模块

6刀库

61刀套位置

7换刀臂

s10确认刀具位置的方法

s110～s130步骤

s122～s126步骤

s132～s136步骤

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，本实施例的工具机系统10包括位置运算单元1、数据库单元2、设备控制单元3、机械设备4、多个刀具5、刀库6以及换刀臂7。机械设备4可为铣床、钻床、车床或锯床等机械加工制造设备，且机械设备4可装配有或连接于刀库6与换刀臂7，刀库6具有多个刀套位置61，每一刀套位置61可装有刀具5，刀具5例如为铣刀、钻头、车刀、锯片等应对机械设备4的刀具。设备控制单元3可为个人计算机(personalcomputer，pc)或可编程控制器(programmablelogiccontroller，plc)等控制单元。设备控制单元3中储存有加工程序，机械设备4依据加工程序去作动，使得机械设备4的主轴上的刀具5对工件加工，又或者，刀库6依据加工程序执行换刀，转动刀库6将下一工序所要使用的刀具5转动至换刀位置，通过换刀臂7从主轴取下前一工序使用的刀具5并替换成下一工序所要使用的刀具5，而前一工序使用的刀具5则被换刀臂7移动并存放至刀库6中相对应的刀套位置61。

在本实施例中，刀具5如图2所示，刀具5包含惯性感测元件51、无线传输模块52、天线模块53以及电源模块54。惯性感测元件51例如为陀螺仪(gyroscope)，其可感测刀具5的姿态而产生相对应的三维惯性感测坐标。惯性感测元件51连接于无线传输模块52，在本实施例中，无线传输模块52具有无线感测网络(wirelesssensornetwork，wsn)，其可利用紫蜂(zigbee)来实现无线传输的功能，然而本发明不对此加以限制，在另一实施例中，无线传输模块也可利用蓝牙(bluetooth)、无线保真技术(wi-fi)或近场通信(nearfieldcommunication，nfc)来实现无线传输的功能。天线模块53连接无线传输模块52，天线模块53包含依据无线传输模块52的型态而对应配置天线。上述惯性感测元件51、无线传输模块52以及天线模块53分别连接至电源模块54，电源模块54能提供电力至惯性感测元件51、无线传输模块52以及天线模块53，在实施例中，电源模块54可包含充电电池，可使得电源模块54可作为无线充电装置。

请复参阅图1，位置运算单元1可通过硬件(例如微控制器、指向性无线基地台)、软件(例如处理器执行的程序指令)或其组合来实现，位置运算单元1利用有线或无线方式连接于设备控制单元3。详细而言，请参阅图3，位置运算单元1包含信号收发模块11以及数据运算模块12，其中信号收发模块11连接于数据运算模块12，位置运算单元1通过信号收发模块11可传输程序指令给设备控制单元3，以更新加工程序，数据运算模块12可为微控制器(microcontroller，mcu)，其作为数据运算之用。另一方面，刀库6以无线信号连接位置运算单元1，或是位置运算单元1以无线信号连接各刀具5，通过惯性感测元件51以感测所有刀具5的姿态而产生的三维惯性感测坐标，并通过无线传输模块52以传输惯性感测坐标至位置运算单元1中的信号收发模块11，以产生刀具5的姿态数据，信号收发模块11将姿态数据传输至数据运算模块12。此外，数据运算模块12依据刀具5发送的无线信号的接收信号强度(rssi)值，以产生刀具5的信号强度数据，通过信号强度数据可以决定每一个刀具5相对于位置运算单元1的相对距离。

数据库单元2耦接于位置运算单元1，数据库单元2可通过硬件(例如集成电路)、软件(例如处理器执行的程序指令)或其组合来实现。在本实施例中，数据库单元2可为云端服务器，位置运算单元1可通过信号收发模块11来与数据库单元2进行云端数据传输。在另一实施例中，位置运算单元1可包含数据库单元2，而可作为位置运算单元1内部的数据库。本实施例的数据库单元2存取刀具的刀具数据、姿态数据与信号强度数据，刀具数据包含刀具号码、网络地址、刀具长度、刀具直径、刀具磨耗或刀具寿命。在本实施例中，位置运算单元1中的信号收发模块11可将数据库单元2的刀具数据、姿态数据与信号强度数据传输至数据运算模块12，另一方面，若有更新刀具5的刀具数据、姿态数据与信号强度数据，可通过位置运算单元1中的信号收发模块11传输并更新刀具的刀具数据、姿态数据与信号强度数据至数据库单元2。

在本实施例中，在上述的工具机系统10的配置之下，如图4所示并配合参阅图1至图3，本发明的确认刀具位置的方法s10包括以下步骤s110至步骤s130。于步骤s110中，通过位置运算单元1，依据刀库6中多个刀套位置61，训练并取得各刀套位置61的训练姿态数据与训练信号强度数据。在本实施例中，位置运算单元1可通过信号收发模块11来接收刀具5的刀具信息，进而通过信号收发模块11来与数据库单元2进行云端数据传输，来存取刀具5的刀具数据至数据库单元2，刀具数据包含刀具号码、网络地址、刀具长度、刀具直径、刀具磨耗或刀具寿命。接着，置放一个刀具5于刀库6，刀具5如图2所述具有惯性感测元件51与无线传输模块52。在本实施例中，数据运算模块12包含训练程序，位置运算单元1执行训练程序时，位置运算单元1通过信号收发模块11传输至设备控制单元3，通过设备控制单元3发送训练程序至机械设备4，以旋转刀库6来进行学习训练，数据运算模块12依据各刀套位置61中相对应刀具5的姿态所传输的三维惯性感测坐标，并通过无线传输模块52反馈惯性感测坐标至位置运算单元1中的信号收发模块11，以产生各刀套位置61的训练姿态数据，与此同时，数据运算模块12依据各刀套位置61相对应的刀具5内发送的无线信号的接收信号强度值，以产生刀库6中各刀套位置61的训练信号强度数据，信号收发模块11将各刀套位置61的训练姿态数据与训练信号强度数据传输至数据运算模块12。另一方面，信号收发模块11也将各刀套位置61的训练姿态数据与训练信号强度数据传输并储存至数据库单元2。

经由步骤s110取得各刀套位置61的训练姿态数据与训练信号强度数据之后，于步骤s120中，位置运算单元1发送呼叫刀具指令至设备控制单元3，以更新加工程序，刀库6依据加工程序执行，刀库6依据呼叫刀具指令使多个刀具5中目标刀具移动至换刀位置。需说明的是，呼叫刀具指令意思是加工程序中的t指令，t码又称为刀具机能，刀具机能以t后面接2位数字代码组成，这数字代码代表下一工序所要使用的的刀具编码(即目标刀具)。详细而言，请参阅图5，呼叫刀具指令的步骤s120包括以下步骤s122至步骤s126。于步骤s122中，取得目标刀具的姿态数据与信号强度数据。首先，如前所述，若此时要呼唤某一目标刀具，由于每个刀具5内具有惯性感测元件51与无线传输模块52，位置运算单元1中的信号收发模块11接收目标刀具产生的无线信号，并传输至数据运算模块12，数据运算模块12依据目标刀具发送的无线信号的接收信号强度值，以产生目标刀具的信号强度数据。由于信号强度数据可以决定该目标刀具相对于位置运算单元1的相对距离，故位置运算单元1可依据目标刀具的信号强度数据，以判断目标刀具是否位于刀库6中。接着，当目标刀具位于刀库6时，惯性感测元件51感测目标刀具的姿态，信号收发模块11接收目标刀具产生的三维惯性感测坐标，并传输至数据运算模块12，数据运算模块12依据三维惯性感测坐标，以产生初始姿态数据。接着，转动刀库6来改变目标刀具的姿态，取得目标刀具的移动姿态数据。详细而言，依据刀库6的型式，设备控制单元3命令刀库6旋转一个单位格数，来改变目标刀具的姿态。举例而言，当刀库6为圆型刀库时，设定刀库6被移动1格，刀具5便会改变其姿态。在另一实施例中，当刀库6为方型刀库或矩形刀库时，由于刀库6在某一些移动行程，例如水平或上下的移动，是不会让刀具5改变其姿态，只有在刀库6具有转角处时，可以让刀具5改变其姿态，故设定刀库6被移动k+1格，k为方型刀库或矩形刀库的长宽高最大值。通过上述取得目标刀具的移动姿态以后，位置运算单元1中的数据运算模块12依据移动姿态数据与初始姿态数据的差异以取得姿态数据。

此外，位置运算单元1发送呼叫刀具指令时，通过信号收发模块11以提取数据库单元2中的各训练信号强度数据与各训练姿态数据至数据运算模块12。接着，于步骤s124，数据运算模块12依据目标刀具的姿态数据与信号强度数据，比对各训练姿态数据与各训练信号强度数据，以确认目标刀具的目标刀套位置。因此，本实施例通过步骤s110，训练并取得各刀套位置61的训练姿态数据与训练信号强度数据，若欲确认目标刀具的目标刀套位置，各刀套位置61的训练姿态数据与训练信号强度数据可供比对目标刀具当时所提供的姿态数据与信号强度数据，以确认目标刀具位于刀库6中的哪个刀套位置61中。在此方式之下，操作员仅须了解目前需要哪个刀具5去进行加工，不需要了解该刀具5对应的置放位置，不同于现有技术中的固定刀号方式，故即便各个刀具5是任意地置放于刀库6内部，仍可根据本发明所提出的确认刀具位置的方法s10，通过于刀具5本身可反馈的姿态数据与信号强度数据，得以随时得知刀具位置。

于步骤s124确认目标刀具的目标刀套位置后，位置运算单元1中的数据运算模块12可计算由目标刀套位置至换刀位置的距离与刀库6所需移动格数。接着，于步骤s126，转动刀库6，使目标刀具由目标刀套位置移动至换刀位置。因此，由于本发明可预先厘清刀具5所在位置，并将刀具5移送至换刀位置，故不需将刀库6转动至换刀位置才进行确认，故可节省整体加工时间。

请复参阅图1，于步骤s120使得目标刀具移动至换刀位置之后，于步骤s130，位置运算单元1发送自动换刀指令至设备控制单元3，以更新加工程序，刀库6依据加工程序执行，刀库6依据自动换刀指令使目标刀具由该换刀位置移动至机械设备4的主轴。需说明的是，自动换刀指令意思是加工程序中的m06指令。详细而言，请参阅图6，自动换刀指令的步骤s130包括以下步骤s132至步骤s136。于步骤s132中，依据目标刀具被移动而改变目标刀具的姿态，取得目标刀具的换刀姿态数据。在本实施例中，换刀臂7先从主轴取下前一工序使用的刀具5并存放至刀库6中相对应的刀库位置61。此外，换刀臂7将目标刀具移动并装设至主轴，与此同时，依据目标刀具被移动而改变目标刀具的姿态，取得目标刀具的换刀姿态数据。在另一实施例中，于目标刀具装设至主轴后，使主轴上的目标刀具朝某轴向移动，也可改变目标刀具的姿态。于步骤s134中，刀具5中的无线传输模块52回传并更新换刀姿态数据与目标刀具内发送的无线信号至位置运算单元1中的信号收发模块11。于步骤s136中，位置运算单元1中的数据运算模块12依据数据库单元2中各刀具数据，以比对目标刀具的刀具数据是否符合呼叫刀具指令。在此方法之下，由于目前刀库6或机械设备4的主轴上只有目标刀具被移动而晃动以产生姿态上的变化，故可在加工前通过目标刀具反馈其换刀姿态数据，位置运算单元1进一步再对目标刀具进行确认是否符合呼叫换刀指令所需的刀具。此外，也可通过目标刀具反馈的换刀姿态数据，来比对数据库单元2中存取的姿态数据，进一步可以调整并补偿目标刀具的姿态。

综上所述，在本发明的确认刀具位置的方法与刀具加工系统中，操作员仅须了解目前需要哪个刀具去进行加工，不需要了解刀具对应的置放位置，故即便各个刀具是任意地置放于刀库内部，仍可通过刀具本身反馈的姿态数据与信号强度数据，得以随时得知刀具位置或即将使用的刀具是否正确。

再者，由于本发明可预先厘清刀具所在位置，并将刀具移送至换刀位置，故不需将刀库转动至换刀位置才进行确认，故可节省整体加工时间。

此外，于自动换刀指令中，由于刀库或机械设备的主轴上只有目标刀具被移动而晃动以产生姿态上的变化，故可在加工前通过目标刀具反馈其换刀姿态数据，位置运算单元进一步再对目标刀具进行确认是否符合呼叫换刀指令所需的刀具。另外，也可通过目标刀具反馈的换刀姿态数据，来比对数据库单元中存取的姿态数据，进一步可以调整并补偿目标刀具的姿态。

以上所述，是仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的较佳实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求文义相符，或依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。