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智慧刀把

智慧刀把是一種具備感測功能的工具機配件，能夠即時監測加工過程中的力和力矩數據。為了確保模擬結果的準確性，需要正確設定以下參數：

感測器設定

力臂高度設定

模擬出來、對感測器取的力矩，是在刀軸上的一個點——刀具的觀測點——取的。凡是要拿去與刀把的彎矩通道相比的東西，都在那裡計算：每一步對感測器的力矩結果、下文的安裝角估計，以及由刀把錄製資料做的係數訓練。把這個點沿著刀軸移動，軸向扭矩 Mz 不變，彎矩 Mx 與 My 則大致隨力臂成比例改變。因此高度填錯，只會是彎矩通道上的一個倍率誤差，而且沒有任何東西會報告它。

這個點是一個錨點加上一段沿刀軸的高度，朝主軸方向為正。它在刀具的「智慧刀把」節點上設定（「參照」與「相對於參照的 Z」）——控制樹只在「偏好設定」選單的「顯示物理選項」開啟時才顯示這個節點——也可以經由 HTTP API 以 PUT /api/ToolHouse/{id}/observation 設定，本體例如 {"reference": "HolderAnc", "relativeHeight_mm": 95}；沒有給的欄位保留原值。

參照 錨點 感測器位置這樣給時適用
HolderAnc——刀把錨點 刀把鼻端，也就是夾住刀具本體的那一端（柱狀刀把輪廓的 Z = 0）；刀具沒有刀把時則是主軸量規線 刀把鼻端之上的一段距離
ToolTip——刀尖 刀具本體的刀尖 刀尖之上的一段距離；刀具本體每重夾一次它就會變
SpindleMountAnc——主軸安裝點 主軸量規線，刀具與機台相接之處 距量規線的一段距離；感測器若在它下方，高度為負
None 沒有點 都不適用：對感測器的力矩取在一個未定義的高度上，所以它的彎矩分量與大小都讀作 NaN（軸向分量仍等於對刀尖的扭矩）

感測器內建在刀把裡時，HolderAnc 是自然的參照。應變規相對於刀把鼻端是固定的，所以填進去的高度在伸出量改變之後依然成立，而從刀尖起算的力臂就是伸出量加上這個高度：鼻端之上 95 mm 的應變規，配上伸出 30 mm 的刀具本體，力臂是 125 mm。刀把鼻端與伸出量在哪裡，見刀具幾何。

新刀具從 HolderAnc 與高度 0 開始——那是刀把鼻端，而應變規並不在那裡。就這樣留著的話，上面那個例子會以 30 mm 而不是 125 mm 的力臂計算，模擬出來的彎矩就會小了大約四倍。

「觀測環半徑」只決定刀具畫布上畫在觀測點的那個綠色圓環有多大，沒有任何計算會讀它。它從 0 開始，畫不出看得見的環；填刀把在感測器處的外半徑，會是個有用的值。

座標系對齊

  1. 基本原則

    • 刀刃應對齊感測器的X軸
    • 確保感測器XY坐標系與模擬XY坐標系一致
    • 座標系對齊的影響程度相對力臂設定較小

  2. 安裝角度調整

    • 如果無法完全對齊，請測量偏移的角度——或讓軟體由一小段錄製資料估出來，見下文「從錄製資料估計安裝角」一節
    • 把角度填入刀具的安裝角欄位（刀具庫 → 該把刀具 → 夾持）——也就是刀具本體在刀把裡繞刀軸轉過的角度
    • 物理計算把每一條刃擺在刀具本體的刃偏移角（該刃在刀具本體上的角位置）加上這個安裝角的位置，所以一把刃偏移角不為零的刀具本體，會與這裡填的角度疊加起來
    • 均勻刃雕構型的偏差不會超過半個刃距——四刃 45°、三刃 60°、兩刃 90°——因為把刀具本體轉過整整一個刃距，就會有另一條一模一樣的刃落到軸上；刃距不等的自由刃雕構型沒有這種對稱性

從錄製資料估計安裝角

球頭銑刀沒有一條刃可以對齊感測器軸：刀刃沿著螺旋線彎向軸心，所以要填進去的角度只能用猜的。這個角度可以改由刀把自己的錄製資料估出來。把刀轉一個角度裝上去，對主軸旋轉座標系的力矩做了兩件事：每一筆 (Mx, My) 取樣都轉了那個角度，而波形也沿著旋轉方向平移。係數訓練本來就會做的逐步相位搜尋會把那個平移吸收掉，剩下的就是每一步共有的那一個旋轉。SessionShell.EstimateSetupAngle (API) 會對著由已知切削參數建出的模型，擬合出那個旋轉（連同一個自由的比例係數），並以刃距為模回報它——四刃刀是 90°——同時附上判斷可不可信所需的診斷值。套用的估計值會把刀具在「夾持」節點上的安裝角依該值往前推進，各種刃雕構型一視同仁；刀具本體的刃雕維持當初設計的樣子，不會被動到。

EstimateSetupAngle(Mx|My, "Output/setup-angle.json");        // 估計並回報
EstimateSetupAngle(Mx|My, "Output/setup-angle.json", true);  // ……並套用到刀具上
ResetRuntime();                                              // 物理工作階段會快照刃形幾何：重播前先重置

錄製資料和任何訓練資料一樣會被對映到步驟上（見銑削力參數訓練）；估計讀的是對映後的彎矩。取樣的那一刀必須提供什麼：

  • 間歇接觸。 刀刃在每一轉之內切入又切出，才讓角度顯現出來。全嚙入、好幾刃同時接觸的一刀幾乎會把它抵銷掉：合力在一整轉內幾乎不變，刀把看到的是一個純粹在旋轉的向量，而旋轉此時與時間平移無法區分。刃數愈多、同時接觸愈多，估計就愈困難；估計會以偏低的 Contrast 回報這件事並提出警告。輕量的側銑與薄壁穿越——如智慧刀把訓練所述——才是對的切削形狀。
  • 兩個橫向通道都要，Mx 與 My。Mz 是選用的，只會讓相位對齊更銳利；它本身不帶任何角度資訊。
  • 在刀具壽命的早期。 每一次裝刀估一次；取樣裝上之後的第一段切削，趁磨耗還沒把切削力帶離參數之前。寧可取好幾段約一秒的窗，也不要取單一的切入或切出事件——它們的暫態並不穩定。
  • 一個不依賴這支刀把的參數。 安裝角與參數本身的力方向，是以一個合併後的旋轉進入刀把資料的。一個在未知安裝角下、由這支刀把自己訓練出來的參數，早已把角度吸收進係數裡，估出來會是零；請使用測力計訓練或資料庫的參數，或是在角度已知的情況下訓練的參數，而且不要在套用了對著它估出的角度之後，又去重訓那個參數。

怎麼讀報告：Angle_deg 是要加到刀具目前安裝角上的旋轉量，已折入刃距週期；Contrast 低於約 0.01 表示這一刀並不能約束角度；Scatter_deg 是逐步角度的離散程度；ScaleRatio 接近 1 表示參數量級與力臂都對得上；MirrorPreferred 表示感測器軸看起來是被對調或反號，而不是被旋轉——先檢查刀把的軸向對應，再決定要不要套用任何東西（兩刃刀不做這項檢查，因為它的波形幾乎就是自己的鏡像）。

播放過程中的線上估計

一支刀每裝一次就要辨識一次，而且要從它開始切削的前幾秒辨識——現場之後不會再記錄這個角度。因此估計可以在程式播放的同時自己跑完。在播放前（任務清單中排在播放指令之前的一行腳本）或播放中武裝它，指定刀具、要取樣的接觸時間，以及刀把的錄製檔：

ArmSetupAngleEstimation(1, 30, "Record/holder.csv");                                     // 刀具 1：它最初的 30 秒接觸
ArmSetupAngleEstimation(-1, 30, "Record/holder.csv", true, "Output/setup-angle.json");   // 下一支切削的刀，並輸出 JSON 報告

接觸時間只計算該刀有接觸的步驟，從武裝之後它的第一刀起算；窗內發生換刀並不會結束它。窗滿之後，播放器執行緒會在它的下一個步進點——所以沒有任何東西與播放同時進行，暫停中的播放也維持暫停——把錄製資料對映到正是那些步驟上、在該子集上估出安裝角，並在閘門不拒絕的前提下，把該刀的安裝角依估計值前進，再由已儲存的嚙合資料重新計算至今建好的每一步（SessionShell.RecomputeStepPhysics (API)）。播放接著以新角度繼續，所以完成的步驟串從該刀的第一刀起只有一個角度。閘門會拒絕——而且只回報——Contrast 低於 0.01、Scatter_deg 高於 10°，或鏡像假說較被支持的情形；報告會說是哪一項。若估計值落在該刀目前角度的 SetupAngleEstimation.MinDeltaToApply_deg 之內——預設 0.5°，並折入刃距週期——則以 --NegligibleDelta 回報，既不寫入也不重算，免得對一支已經修正過的刀再估一次就白白重跑力核心。明示的形式對至今建好的步驟做同樣的事——排在任務清單的播放指令之後，或在播放結束後從主控台呼叫：

EstimateSetupAngleByFirstContact(1, 30, "Record/holder.csv");   // 同一個窗、估計、閘門、套用與重算——立即執行

錄製檔：CSV 播放時，可以是被播放的檔案本身（控制器與刀把欄位在同一個檔內），也可以是寫在它旁邊的取樣檔——步驟帶著控制器的實際時鐘，資料列就以它配對。NC 播放沒有實際時鐘，所以檔案的 Time 欄會被讀成播放自身的時間碼；同一支程式、同一解析度下重播所產生的取樣檔，就會正好落在產生它的那些步驟上，這是整條鏈在仿真側的自我檢查。檔案會在觸發當下重新讀取，所以仍在寫入中的錄製也看得到最新內容。訊息：SetupAngle-Online--Armed、--Triggered 與 --Done 描繪正常路徑；--Refused 指出是哪一道閘門；--NegligibleDelta 表示估計值小到不值得套用；--NotReached 表示運行在窗滿之前就結束了；--NoPlayerRun 表示這次播放不在播放器上（一個直接的 PlayNcFile 請求）——請在它之後改用明示的形式；--Busy 拒絕的是運行正佔住播放器時、從主控台發出的明示形式——等運行結束，或把呼叫放進任務清單裡，那裡本來就在播放器執行緒上；--AppliedNotRecomputed 是真正要注意的警告——角度已經寫進刀具，但重算沒有跑，所以完成的那些步驟仍停在舊角度上，程式必須在 ResetRuntime() 之後重播。

套用對步驟串做了什麼、代價是什麼，是重新計算已完成的步驟串的主題：安裝角一改——刀具本體的刃偏移角一改也一樣——就會在該刀有接觸的步驟上重跑力核心，而那會消耗銑削力授權步數。

精度影響因素

座標轉換影響

  • 安裝角偏差等於把量到的 (Mx, My) 轉一個角度。合力矩 |M| 不變，但單看一個通道，讀值可以是 0 到 |M| 之間的任何值——同樣偏 45°，往一邊轉會讓 Mx 變成對齊時的 √2 倍，往另一邊轉則讓它歸零
  • 這種差異本質上是座標轉換的結果，而非測量精度的問題
  • 即使使用相同的智慧刀把，不同的安裝角度也會產生不同的測量數據

雙刃銑刀斷面的三張俯視示意圖：左圖刀刃壓在感測器 X 軸上、力矩向量 M 位於 45°；中圖刀刃往一邊轉 45°，M 跟著轉到 X 軸上，Mx 變成整個 |M|；右圖刀刃往另一邊轉 45°，M 落到 Y 軸上，Mx 變成零 ① — 刀刃（藍色）壓在感測器 X 軸上，θ = 0；此例中切削產生的橫向力矩 M 位於 45°，所以 Mx = My = |M|/√2。 ② — 同一支刀，裝上時刀刃順時針偏離 X 軸 45°。切削本身沒有任何改變，所以 M 跟著刀刃一起轉，落到 X 軸上：Mx′ = |M|，是 ① 的 √2 倍，My′ = 0。 ③ — 同樣 45° 往另一邊轉，M 落到 Y 軸上，Mx′ = 0。一般而言 Mx′ = |M| · cos(M 與感測器 X 軸的夾角)：合力矩永遠不變，單一通道卻可以讀到 0 到 |M| 之間的任何值——這是座標效應，不是量測誤差。 把 θ 填進刀具的安裝角，模擬就會以感測器自己的座標系回報。

最佳實踐建議

  1. 優先確保力臂高度設定的準確性
  2. 盡可能將刀刃對準感測器X軸
  3. 若無法完全對齊，務必測量並設定正確的安裝角度

只有正確設定上述參數，模擬的微觀波形才能與感測器實際測量結果保持一致。

延伸閱讀

  • 智慧刀把訓練 — 讓一支設定正確的刀把訓練出銑削係數的三種切削形狀與條件
  • 銑削物理座標系 — 刀把回報的力與力矩所在的座標系
  • 銑刀 — 刀把的設定在應用程式裡從哪裡填
  • 刀具幾何 — 觀測高度所從起算的刀把鼻端與伸出量
  • 重新計算已完成的步驟串 — 套用的安裝角估計值會在已建好的步驟上重新推導哪些量，以及要耗用多少授權步數