专利名称：旋转主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法及装置，特别是一种适用于气浮主轴装置上，藉由传感器直接量测刀具轴向偏摆量作为回授信号，由气浮主轴装置内部来驱动刀具于轴向上的补偿位移，进而达到将刀具切削点控制在适当的轴向定位精度的一种方法及装置。
为了解决高速旋转的主轴于进行切断制程时所产生的切割刀具振动偏摆问题，一种可在高速旋转环境下提供较稳定主轴定位的气浮式主轴装置于是被开发出来，气浮式主轴装置的相关技术可参考请参考美国专利号US 5997223。此种气浮式主轴装置在高速旋转时虽然可提供相对较高的主轴稳定性。然而，即使是主轴本身的稳定性再高，由于切削刀具一般是直经约为50-100mm左右的圆盘状切削刀具，其在高速旋转(转速可超过10000rpm甚至高达60000rpm以上)的切割负载过程中，在切削刀具本身的外周缘仍会产生高达10-25μm左右的往复偏摆现象，此将造成刀具相对于被加工件本身的轴向偏摆撞击。所以，此种传统旋转主轴装置仍无法避免在切削刀具外缘产生相对于主轴的轴向偏摆位移，而前述的切道裂缝与工件背面破损状况仍然持续发生。
因此，全球晶片用硬脆材料切割机市场占有率超过60％的日厂DISCO公司，针对此一问题曾开发出双主轴切割机(请参考美国专利US 6102023)。利用阶梯切割或倒角切割双主轴切割方式提高切割品质，其第一主轴进行切削浅槽的动作，目的是为了引导第二主轴依循浅槽的固定下刀位置与刀具路径加工，降低第二主轴进行切断制程时，切割刀具因主轴轴向偏摆造成的切道边缘裂缝与晶片背面破损。其缺点是加工件需要经过两道切割制程，且切割设备需要配置两组气浮主轴系统，设备成本与系统控制困难度均相对倍增，并非良好的解决方案。
其它参考资料另可参阅美国专利US4309925以及US6062778。该两件专利均涉及「镗孔刀具(Boring Tool)」的「径向定位(RadialPosition)」技术与装置，其与本发明所诉求的切割刀具轴向定位装置与技术有明显差异，且该两件专利均是藉由感测「主轴」本身的偏移来进行主轴径向定位。
根据本发明的一个方面，提供了一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，该主轴包括一心轴、一结合于心轴的一前端的切削刀具、一结合于心轴以带动其旋转的马达转子、以及一支撑于心轴外侧的主轴本体，该心轴可沿着轴向进行相对于本体的小幅度线性位移；该内部主动补偿装置包括一传感器，可感测刀具相对于本体的轴向偏摆位移量；一磁性组件，装置于心轴末端并与其同步旋转；以及，一电磁组件，设置于本体内部对应于该磁性组件的处且与磁性组件相距一适当间隙，该电磁组件可对应一电力的输入而产生磁力，进而可对磁性组件产生轴向力而使心轴相对于本体进行小幅度轴向位移。
根据本发明的另一个方面，提供了一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，包括一主轴装置，包括一心轴；一切削刀具，结合于心轴的一末端上；以及一马达转子，结合于心轴以带动心轴以及切削刀具旋转；以及，一主动补偿装置，结合于主轴装置以提供切削刀具于轴向上的位移补偿，该主动补偿装置包括一传感器，其是对应于该刀具且与刀具保持一适当间隙，可感测该刀具相对于传感器的轴向偏摆位移量；一致动模块，可对心轴提供一轴向力，以使心轴进行小幅度轴向位移；以及一电磁控制模块，连接于该致动模块，该电磁控制模块可接受该传感器所传来的轴向偏摆位移量并据以控制致动模块。
根据本发明的另一个方面，一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法，包括有下列步骤(A)提供一主动补偿装置装设于一主轴装置上，该主轴装置包括有一心轴、一切削刀具结合于心轴的前端上、以及一马达转子结合于心轴以带动心轴以及切削刀具旋转，该主动补偿装置包括有一传感器其可感测该刀具的轴向偏摆位移量、一致动模块可驱动心轴进行小幅度轴向位移、以及一电磁控制模块可接受该传感器所传来的轴向偏摆位移量并据以控制致动模块；(B)由传感器检测该刀具的轴向偏摆位移量并将该偏摆位移量传送给电磁控制模块；(C)由电磁控制模块依据该偏摆位移量计算出对应的轴向补偿位移量；(D)由电磁控制模块控制致动模块来驱动心轴进行该补偿位移量的轴向位移。
由于本发明不需变更气浮主轴的外形结构，除大幅降低主轴结构复杂度与制造困难性外，更具有较双主轴切割系统相对成本较低的优点，并可达成更佳的切割品质。
由于本发明藉由一非接触式传感器直接量测切削刀具近外周缘处的轴向偏摆量，并将量测得到的轴向偏摆量作为回授讯号以进行主轴的补偿位移控制，可抵消因刀具外周缘于高速旋转切削时产生变形所导致的轴向偏摆现象的影响，进而获得更佳的切割品质。
图1B是图1A的心轴止推轴承部份的部份放大图。
图2是本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置的方块示意图。
图3是本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法的一较佳图4是本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法的另一较佳实施例流程图。
附图标号说明10主轴装置；11心轴；111定位环；112间隙；12切削刀具；13止推轴承；14马达；15本体；17结合座18气嘴；19控制接头；21主控制单元；22电源；23操作接口；231屏幕；232输入装置；30主动补偿装置；31传感器；32磁性组件；33电磁组件；34电磁控制模块；341电磁致动器；342次控制单元；41-47执行步骤。
请见图1A、图1B以及图2，为本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置的一较佳实施例。其中，图1A是为本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置的较佳实施例剖面示意图。图1B是为图1A的心轴止推轴承部份的部份放大图。图2是为本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置的方块示意图。
如图1A与图1B所示，本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，主要是由主轴装置10以及主动补偿装置30两部份组合构成。于本较佳实施例中，该主轴装置10是为一气浮式主轴装置，然而其亦可能是一液压式主轴装置、或是其它适用于进行硬脆材质(例如硅晶片、玻璃、陶瓷等)的高速旋转切割的主轴装置10。该主轴装置10可装配于一切削机台(图中未示)上而可进行切削工作。由于此所述的切削机台均为传统技术且非为本发明的诉求特征，故以下将不再赘述。
该主轴装置10具有包括一心轴11、一结合于心轴11的一前端上的切削刀具12、用于进行心轴11的轴向定位的止推轴承13机构、一结合于心轴11以带动其旋转的马达14(马达转子)、一包覆于心轴11外侧以提供结构刚性的主轴本体15、固设于本体15末端以供结合至切削机台(图中未示)的一结合座17、以及若干气嘴18与控制接头19。由于该止推轴承13机构在容置心轴11的定位环111时，会有约数μm至数十μm左右的轴向间隙112，因此该心轴11是可沿着轴向的方向上进行相对于本体15的小幅度(约为数μm至数十μm左右)的线性位移，本发明便是利用此一间隙112进行刀具12的轴向偏摆补偿所需的作动行程。
该内部主动补偿装置30包括有一传感器31、一磁性组件32、一电磁组件33、以及一电磁控制模块34。
于本实施例中，该传感器31是为一非接触式传感器，例如光学传感器、或是电容式、电磁式、或涡电流式传感器等，其是结合于该本体15一前端外侧且是对应于该刀具12侧表面的一近外周缘位置处、且是与刀具12相距一适当的量测间隙，该传感器31可感测刀具12相对于本体15(亦即相对于传感器本身31)的轴向偏摆位移量。
于心轴11相对于刀具12的另一末端装置固定有该磁性组件32。该磁性组件32可为一永久磁铁(permanent magnet)，由于磁性组件32是与心轴11固定成一体，因此可与其同步旋转。
电磁组件33是设置于本体15内部对应于该磁性组件32的处且与磁性组件32相隔一适当间隙。该电磁组件33可为一电磁铁为佳，其可对应一电力的输入而产生磁力且其磁力线的分布可为平行于心轴11的轴向为较佳(并不限于平行状态)。因此，藉由控制对电磁组件33的电力的输入，可控制电磁组件33产生不同强度与方向的磁场，进而对磁性组件32产生轴向上不同程度的推力或拉力，而使心轴11连同刀具12一起相对于本体15进行小幅度轴向位移。本发明的其中的一特色，便是藉由电磁组件33与磁性组件32的搭配而形成一非接触式的致动模块，其可在不需大幅改变原有架构的情况下装置于传统气浮式主轴装置中，且更可在不直接接触到高速旋转心轴11的情况下去进行其轴向补偿位移的微调。
该电磁控制模块34是连接于该电磁组件33，于本较佳实施例中，该电磁控制模块34可接受该传感器31所传来的轴向偏摆位移量并据以控制对电磁组件33的电力输入，进而对磁性组件32产生适量的轴向的推力或拉力，促使心轴11连同刀具12进行微量的轴向补偿位移，可确保刀具12的切削点始终保持在预定路径与位置上，大幅消减刀具11轴向偏摆所可能造成的切道裂缝与工件背面破损的程度，仅需一组主轴进行一次切削便可达到较佳的切割品质，完全克服的外技术的缺陷。
如图2所示，于本较佳实施例中，该电磁控制模块34更包括有一电磁致动器341(Actuator)以及一位于主轴外部的次控制单元342(Sub-Controller)，该电磁致动器341是用于输出电力给电磁组件33以产生磁力，该次控制单元342是连接于传感器31与电磁致动器341之间且是位于主轴外部，可依据传感器31所感测的轴向偏摆位移量控制电磁致动器341的电力输出。并且，该主轴装置10更包括有一主控制单元21，其连接于电源22与马达14以控制心轴11的旋转，该次控制单元342是连接于主控制单元21，主控制单元21可将心轴11旋转的转速数据传送给次控制单元342，使次控制单元342可依据所接收的转速资料来决定传感器31感测刀具时的检测频率(Detecting Frequency；或称取样频率)。同时，主控制单元21与次控制单元342亦可将心轴11旋转的转速资料以及传感器31所感测到的刀具轴向偏摆量等讯息资料，透过一操作接口23而显示于一屏幕231上。操作人员亦可藉由一输入装置232操控该主轴装置10或是内部主动补偿装置30。例如，假设对于心轴11转速(亦即刀具转速)15000rpm时的运转过程中，可设定传感器31检测频率与心轴11转速相符合，亦即传感器31检测频率(取样频率)为250Hz时，如此，该传感器31将可感测到该刀具12于同一相位上的轴向偏摆量。倘若设定传感器31检测频率为心轴11转速的整数倍，例如调高为十倍而为2.5kHz时，将可在刀具12上区分为十个相位进行取样，可确实掌握刀具11的各部位于高速运转时的轴向偏摆状况。反之，若设定使心轴11转速大于传感器31检测频率时，则可减少单位时间的感测取样数量以降低次控制单元342的负荷。
请见阅图3与图4，本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法的数个较佳实施例流程图。
于图3中，该主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法可包括有下列步骤步骤41提供如前述的主轴装置10以及主动补偿装置30，并进行控制参数的初始化设定后，开始运转。
步骤42由主轴装置10的主控制单元21检测刀具12(亦即心轴11)的转速，并将转速资料传送给主动补偿装置30的电磁控制模块34。
步骤43由电磁控制模块34依据该刀具12转速资料决定传感器31的检测取样频率(Detecting Frequency)。
步骤44由传感器31检测该刀具12的轴向偏摆位移量并将该偏摆位移量传送给电磁控制模块34。
步骤45由电磁控制模块34依据该偏摆位移量计算出对应的轴向补偿位移量。
步骤46由电磁控制模块34控制致动模块的电磁组件33来驱动心轴11进行该补偿位移量的轴向位移。
上述的步骤44至步骤46将重复进行，直到电磁控制模块34接受一中止讯号47后才会停止。当然，于另一实施例中，本发明亦可能适用于刀具12转速是为动态变动的状态，此时，该重复进行的回路亦可选择调整为重复执行步骤42至步骤46，以便能对应改变传感器31的检测频率。
请参阅图4，为本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法的另一较佳实施例。其主要是在图3所示的流程图中的步骤44与步骤45之间，还额外增加下列步骤步骤44传感器31检测到刀具12的轴向偏摆量。
步骤441将该偏摆位移量与一预先设定的容许范围值比较，当该偏摆位移量超出容许范围值时，电磁控制模块34才会执行步骤45，倘若偏摆位移量是在容许范围值的内时，电磁控制模块34则暂不改变对电磁组件33的电力输出控制，并回到步骤44。
步骤442将该偏摆位移量与一预先设定的警示范围值比较，当该偏摆位移量超出警示范围值时，电磁控制模块34会进入步骤443以发出警示讯号并进入下一步骤。倘若偏摆位移量是在警示范围值的内时，则不发出警示讯号且直接进入步骤45。
步骤45由电磁控制模块34依据该偏摆位移量计算出对应的轴向补偿位移量。
步骤46由电磁控制模块34控制致动模块来驱动心轴11进行该补偿位移量的轴向位移。
如图4所示的较佳实施例中，藉由先预先设定一刀具12轴向偏摆位移量的容许范围值，例如可选择设定为±3μm左右或是其它值，该容许范围值应视实际操作工件材料、刀具规格、与操作环境等状况而定。一般而言，在该容许范围值之内程度的刀具偏摆量应尚不至于造成工件的切道裂缝与工件背面破损状况，如此，将可减少本发明的内部主动补偿装置过度频繁地去调整心轴位置。而警示范围值的设定，则是依据当刀具磨耗过多或是其它原因导致刀具偏摆过度(例如大于±15μm左右或是其它值)时，有可能造成较严重的工件破损状态，此时本发明便可主动发出警示讯号通知操作人员进行进一步检查。
综上所述，本发明的主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法及装置，仅需一个主轴进行一次切割，便可获得相对较佳的硬脆材料切割品质，可克服的外技术使用两组主轴所造成的高成本与控制系统复杂的缺陷。并且，本发明可在不需大幅变更气浮式主轴架构的情况下进行设计，结构相对简单且制造成本低。此外，本发明藉由直接感测「刀具」的轴向偏摆位移量以进行主动补偿微调，可获致更直接且更精确的切割点定位控制，大幅降低工件背面碎裂的情况，有效改善传统技术的种种缺陷。
当然，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的实施范围，任何本领域的熟练技术人员在不违背本发明的精神下所做的修改，均应属于本发明的范围，因此本发明的保护范围当以下述的权利要求做为依据。
权利要求
1.一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，该主轴包括一心轴、一结合于心轴的一前端的切削刀具、一结合于心轴以带动其旋转的马达转子、以及一支撑于心轴外侧的主轴本体，该心轴可沿着轴向进行相对于本体的小幅度线性位移；该内部主动补偿装置包括一传感器，可感测刀具相对于本体的轴向偏摆位移量；一磁性组件，装置于心轴末端并与其同步旋转；以及，一电磁组件，设置于本体内部对应于该磁性组件之处且与磁性组件相距一适当间隙，该电磁组件可对应一电力的输入而产生磁力，进而可对磁性组件产生轴向力而使心轴相对于本体进行小幅度轴向位移。
2.如权利要求第1所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，其中，该传感器是为一非接触式传感器且是与刀具相距一适当测间隙。
3.如权利要求第1所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，其中，还包括有一电磁控制模块，连接于该电磁组件，该电磁控制模块可接受该传感器所传来的轴向偏摆位移量并据以控制对电磁组件的电力输入。
4.如权利要求第3所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，其中，该电磁控制模块还包括一电磁致动器(Actuator)以及一次控制单元(Sub-Controller)，该电磁致动器是用于输出电力给电磁组件以产生磁力，该次控制单元连接于传感器与电磁致动器之间，可依据传感器的感测的轴向偏摆位移量控制电磁致动器的电力输出；其中，该主轴还包括一主控制单元，其连接于马达以控制心轴的旋转，该次控制单元是连接于主控制单元，主控制单元可将心轴旋转的转速数据传送给次控制单元，次控制单元可依据所接收的转速资料来决定传感器感测刀具时的检测频率(Detecting Frequency)。
5.如权利要求第3所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，其中，该电磁控制模块于接收到该传感器所传来的轴向偏摆位移量后，会将该位移量与一预先设定的容许范围值比较，当该位移量超出容许范围值时，电磁控制模块才会对电磁组件的电力输入进行控制；并且，该电磁控制模块于接受到该传感器所传来的轴向偏摆位移量后，亦会将该位移量与一预先设定的警示范围值比较，当该位移量超出警示范围值时，电磁控制模块会发出警示讯号。
6.一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，包括一主轴装置，包括一心轴；一切削刀具，结合于心轴的一末端上；以及一马达转子，结合于心轴以带动心轴以及切削刀具旋转；以及，一主动补偿装置，结合于主轴装置以提供切削刀具于轴向上的位移补偿，该主动补偿装置包括一传感器，其是对应于该刀具且与刀具保持一适当间隙，可感测该刀具相对于传感器的轴向偏摆位移量；一致动模块，可对心轴提供一轴向力，以使心轴进行小幅度轴向位移；以及一电磁控制模块，连接于该致动模块，该电磁控制模块可接受该传感器所传来的轴向偏摆位移量并据以控制致动模块。
7.如权利要求第6所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿装置，其中，该致动模块包括一磁性组件，固定于心轴的末端；以及一电磁组件，位于对应于该磁性组件的处且与磁性组件相距一适当间隙，该电磁组件可接受由电磁控制模块所控制的电力输入而产生磁力。
8.一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法，包括有下列步骤(A)提供一主动补偿装置装设于一主轴装置上，该主轴装置包括有一心轴、一切削刀具结合于心轴的前端上、以及一马达转子结合于心轴以带动心轴以及切削刀具旋转，该主动补偿装置包括有一传感器其可感测该刀具的轴向偏摆位移量、一致动模块可驱动心轴进行小幅度轴向位移、以及一电磁控制模块可接受该传感器所传来的轴向偏摆位移量并据以控制致动模块；(B)由传感器检测该刀具的轴向偏摆位移量并将该偏摆位移量传送给电磁控制模块；(C)由电磁控制模块依据该偏摆位移量计算出对应的轴向补偿位移量；(D)由电磁控制模块控制致动模块来驱动心轴进行该补偿位移量的轴向位移。
9.如权利要求第8所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法，其中，于步骤(A)与步骤(B)之间还包括有下列步骤(A1)检测刀具的转速；(A2)由电磁控制模块依据该刀具的转速来决定传感器感测刀具时的检测频率(Detecting Frequency)。
10.如权利要求第8所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法，其中，于步骤(B)与步骤(C)之间还包括有下列步骤(B1)将该偏摆位移量与一预先设定的容许范围值比较，当该偏摆位移量超出容许范围值时，电磁控制模块才会执行步骤(C)；(B2)将该偏摆位移量与一预先设定的警示范围值比较，当该偏摆位移量超出警示范围值时，电磁控制模块会发出警示讯号。
11.如权利要求第8所述的一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法，其中，该内部主动补偿方法会重复执行步骤(B)至步骤(D)直到接受一中止讯号。
全文摘要
本发明是一种主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法及装置,主要是利用主动偏摆控制技术,应用于气浮主轴,以主轴外部的传感器直接量测刀具的轴向偏摆,所得量测资料作为回授信号,用以将刀具切削点控制保持在预定的轴向定位精度,本发明藉由在主轴内部的心轴尾端增设一电磁控制模块,以非接触式的磁力来微调心轴的轴向位置,达成刀具切削点动态轴向定位的主动补偿功能。
文档编号B23Q15/007GK1347787SQ0113464
公开日2002年5月8日 申请日期2001年11月8日 优先权日2001年11月8日
发明者王维汉, 黄荣宏, 陈昌铭, 陈来胜 申请人:财团法人工业技术研究院