CN103659465A - 用于多轴机械的补偿控制方法 - Google Patents

用于多轴机械的补偿控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于多轴机械的补偿控制方法，多轴机械具有端面且该端面的中心位于多轴机械的心轴线上，首先，于多轴机械的端面设置三个距离测量器，且各个距离测量器与该端面的中心距离相等，接着控制该端面以其中心为轴心旋转，并令该三个距离测量器分别对工件的表面进行距离测量，直到该三个距离测量器的其中两个所测量到的距离相同，接着再令该端面以前述两个距离测量器的连线为轴翻转，直到该两个距离测量器以外的另一个距离测量器与前述两个距离测量器所测量到的距离相同，最后记录上述控制该端面所产生的数据，以供该多轴机械作为补偿控制的依据。

Description

用于多轴机械的补偿控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，尤指一种用于多轴机械的补偿控制方法。
背景技术
多轴机械进行加工制作工艺所使用的坐标系可包括机台坐标系、工件坐标系以及控制器中的工件程序坐标系，于加工前需先确认此三者的相对关系再进行调整或补偿，以使工件程序坐标系能与工件坐标系相符，如此方可获得正确的加工结果。既有的修正或补偿方法大约可分为手动修正和控制器补偿两种。
采用手动修正时，为了让工件可调整，故无法事先固定工件，但事后进行固定时又可能因为施力不均或不小心推动工件导致工件位置偏差，不易获得精确的结果，且修正时间也会随着自由度的增加而大幅上升。
采用控制器补偿时，由于现有方法大多为接触式测量法，例如探测棒，若使用者操作不佳则探测棒与工件之间可能发生撞击，导致工件的表面和探测棒皆出现物理性损伤，影响后续应用的精确度。此外，为提高接触式测量的准确性，通常于工件备料时需制作出数个研磨过的基准面，造成备料成本过高。此外，探测棒和工件需分别给予正负电源，于电源电压为零时表示探测棒与工件接触，然而，若工件为陶瓷材料等非导电体，则无法使用此种接触式测量法。
因此，提供一种用于控制器的补偿方法，以改善前揭缺陷，是为目前业界极待解决的议题。
发明内容
为解决上述现有技术的种种问题，本发明的主要目的在于提供一种用于多轴机械的补偿控制方法，无须制作多个研磨过的基准面，快速又节省成本。
为达上述目的，本发明的用于多轴机械的补偿控制方法，该多轴机械具有端面且该端面的中心位于该多轴机械的心轴线上，该用于多轴机械的补偿控制方法包括以下步骤：(1)于多轴机械的端面设置三个距离测量器，其中，各该距离测量器与该端面的中心距离相等；(2)控制该端面以该端面的中心为轴心旋转，并令该三个距离测量器分别对一工件的表面进行距离测量，直到该三个距离测量器的其中两个所测量到的距离相同；(3)控制该端面以步骤(2)的该两个距离测量器的连线为轴翻转，直到该两个距离测量器以外的另一个距离测量器所测量到的距离与步骤(2)的该两个距离测量器所测量到的距离相同；以及(4)记录上述控制该端面所产生的数据，以供该多轴机械作为补偿控制的依据。
本发明提供一种用于多轴机械的补偿控制方法，该多轴机械具有端面且该端面的中心位于该多轴机械的心轴线上，该多轴机械的端面上设置有辅助装置，该辅助装置具有与该端面平行的平面且该平面的旋转中心对应该端面的中心，且该平面上设置三个与该旋转中心距离相等的距离测量器，该用于多轴机械的补偿控制方法包括以下步骤：(1)控制该平面以该平面的旋转中心为轴心旋转，并令该三个距离测量器分别对一工件的表面进行距离测量，直到该三个距离测量器的其中两个距离测量器所测量到的距离相同；(2)控制该平面以步骤(1)的该两个距离测量器的连线为轴翻转，直到该两个距离测量器以外的另一个距离测量器所测量到的距离与步骤(1)的该两个距离测量器所测量到的距离相同；以及(3)记录上述控制该端面所产生的数据，以供该多轴机械作为补偿控制的依据。
相较于现有技术，本发明的用于多轴机械的补偿控制方法利用三个距离测量器执行非接触式测量法，无须担心碰撞或工件导电于否的问题，且本发明的用于多轴机械的补偿控制方法仅通过工件的一表面即可取得工件与多轴机械的坐标系相对关系，故无须如同现有技术般制作多个研磨过的基准面，因此当然快速又节省成本。
附图说明
图1A及图1B分别为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的主要及次要步骤流程图；
图2A及图2B分别为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的一实施态样的主要及次要步骤流程图；
图3为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的多轴机械示意图；
图4为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的平面的示意图；
图5A和图5B为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的取得自由度Rx、Ry数据的示意图；
图6A和图6B为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的取得自由度Z数据的示意图；
图7为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的平面与工件的表面平行的示意图；
图8为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的取得自由度X、Y数据的示意图；
图9为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的取得取得自由度Rz数据的示意图；以及
图10A及图10B为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的示范实施例的通过撷取画面取得自由度Rz数据的示意图。
主要组件符号说明
1辅助装置
2多轴机械
20心轴线
a、b、c激光测距仪
a′、b′、c′、m′投影点
d1厚度
d2距离
E端面
m中点
o端面的中心
o1旋转中心
o2目标点
P平面
W工件的表面
X1、Y1平面的坐标轴
X2、Y2工件的表面的坐标轴标示
S11至S15、S21至S24步骤。
具体实施方式
以下借由特定的实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它特点与功效。本发明也可借由其它不同的具体实施例加以施行或应用。
参阅图1A和图1B，图1A为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的主要步骤流程图，而图1B为本发明用于多轴机械的补偿控制方法的次要步骤流程图。
如图1A所示，于步骤S11中，于多轴机械的端面设置三个距离测量器，各该距离测量器与该端面的中心距离相等。此外，多轴机械具有心轴线，以工具机为例，该心轴线可为刀具的轴线，而该端面的中心即位于多轴机械的心轴线上。
接着，于步骤S12中，控制该端面以该端面的中心为轴心旋转，并令该三个距离测量器分别对一工件的表面进行距离测量，直到该三个距离测量器的其中两个距离测量器所测量到的距离相同。于此步骤中，当该两个距离测量器所测量到的距离相同时，表示已取得了多轴机械与工件之间的自由度Rx、Ry的相对关系。另外，该距离测量器可为非接触式距离测量器，例如激光测距仪或超音波测距仪，而关于激光测距仪的绝对测量不准性，可利用其再现性高的特点，于激光测距仪开始测量之前先执行归零程序。
接着，于步骤S13中，控制该端面以步骤S12的该两个距离测量器的连线为轴翻转，直到该两个距离测量器以外的另一个距离测量器所测量到的距离与步骤S12的该两个距离测量器所测量到的距离相同。于此步骤中，当该另一个距离测量器所测量到的距离与步骤S12的该两个距离测量器所测量到的距离相同时，表示已取得了多轴机械与工件之间的自由度Z的相对关系。
执行步骤S11至S13之后，共可取得多轴机械与工件之间的自由度Rx、Ry、Z的相对关系，则多轴机械的控制器记录该些相对关系的数据，作为控制器中的加工程序坐标系的补偿控制依据。因此，于多轴机械进行加工程序前先执行上述步骤S11至S13，以测量工件与多轴机械在空间上的相对关系，依此关系对多轴机械的控制器中的工件程序进行误差补偿控制，使控制器中的工件程序的坐标系能符合工件本身的坐标系，以改善加工误差。
此外，除了补偿自由度Rx、Ry、Z的误差之外，还可补偿其它自由度的误差。如图1B所示，于步骤S14中，控制该端面平行该工件的表面移动，直到该端面的中心对应该工件的表面上的目标点。于此步骤中，该工件的表面上设置有目标点，当该端面的中心对应该工件的表面上的目标点时，表示已取得了多轴机械与工件之间的自由度X、Y的相对关系。接着，于步骤S15中，控制该端面平行该工件的表面而以该端面的中心为轴心旋转，直到该端面的坐标系中任两个坐标轴的方向与该工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符。于此步骤中，该工件的表面设置有二维坐标轴标示，当该端面的坐标系中任两个坐标轴的方向与该工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符时，表示已取得了多轴机械端面与工件的表面之间的自由度Rz的相对关系。
在执行步骤S14至S15之后，共可在取得多轴机械与工件之间的自由度X、Y、Rz的相对关系。因此，于多轴机械进行加工程序前先执行上述步骤S11至S15，以测量工件与多轴机械在空间上(自由度Rx、Ry、Z、X、Y、Rz)的相对关系，依此关系对多轴机械的控制器中的工件程序进行误差补偿控制，使控制器中的工件程序的坐标能符合工件本身的坐标系，以改善加工误差。
另一方面，于一实施态样中，该多轴机械的端面上可设置有辅助装置，该辅助装置具有与该端面平行的平面且该平面的旋转中心对应该端面的中心，则该平面的旋转中心也位于该多轴机械的心轴线上，且该平面上设置有三个与该旋转中心距离相等的距离测量器。
请参阅图2A及图2B，于步骤S21中，控制该平面以该旋转中心为轴心旋转，直到该三个距离测量器的其中两个所测量到的距离相同；于步骤S22中，控制该平面以前述两个距离测量器的连线为轴翻转，直到该两个距离测量器以外的另一个距离测量器所测量到的距离与前述两个距离测量器所测量到的距离相同；于步骤S23中，控制该平面平行于工件的表面移动，直到该旋转中心对应该工件的表面上的目标点；以及于步骤S24中，控制该平面平行该工件的表面而以该旋转中心为轴心旋转，直到该平面的坐标系中任两个坐标轴的方向与该工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符。
于一较佳实施例中，工件的表面需具有一定平面度的区域，且所述二维坐标轴标示是在该区域中。
此外，可于平面(或端面)上设置影像撷取器以撷取一撷取画面，影像撷取器可例如CCD或CMOS，该撷取画面的画面参考中心对应该平面的旋转中心(或该端面的中心)，因而可于上述步骤S23或S14中，控制该平面(或该端面)平行于该工件的表面移动，直到该画面参考中心对应该工件的表面上的目标点。又，该工件的表面上的二维坐标轴标示同时重合该目标点，此外，也可于影像撷取器的撷取画面上标示出与该平面(或该端面)的坐标系中任两个坐标轴的方向(如X轴、Y轴)相符的画面坐标轴，因而于上述步骤S24或S15中，可控制该平面(或该端面)平行该工件的表面而以该旋转中心(或该中心)为轴心旋转，直到该平面(或该端面)的坐标系中任两个坐标轴(如X轴、Y轴)的方向与该工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符。或者，可于平面的旋转中心处(或端面的中心处)设置激光发射器，也可达到工件的表面的目标点与旋转中心(或中心)对应的目的。
图3至图9为图2A至图2B所示的本发明用于多轴机械的补偿控制方法的一实施态样的示范实施例。于图3至图9所示的实施例中，多轴机械2的控制器(未图标)可控制端面E进行六个自由度X、Y、Z、Rx、Ry、Rz的移动。
参阅图3和图4，多轴机械2的端面E连接设置有辅助装置1，辅助装置1为具有厚度d1的圆盘，平面P为圆形平面，旋转中心o1为圆心。首先，于辅助装置1的平面P圆周上设置激光测距仪a、b、c，厚度d1可视为平面P与端面E之间的距离，且激光测距仪a、b、c中的任意两个的连线不通过旋转中心o1。如图4中，为了便于计算，可将激光测距仪a、b和c中的任意一个(如激光测距仪c)设置于激光测距仪a、b连线
Figure BDA00002588521900061
的中垂线与圆周的交点上，其中，m为
Figure BDA00002588521900062
的中点。此外，多轴机械2具有心轴线20，端面E的中心o位于心轴线20上，平面P的旋转中心o1与端面E的中心o对应，故平面P的旋转中心o1也位于心轴线20上。
如图5A和图5B所示，平面P上的三个激光测距仪a、b、c在工件的表面W上的投影点为a′、b′、c′，即激光测距仪发射激光光至工件的表面W的投射点。控制端面E以令平面P以旋转中心o1为轴心旋转，直到激光测距仪a与激光测距仪b所测量到的距离相同，即如图4B所示的
Figure BDA00002588521900071
与相等。至此取得多轴机械与工件的相对的自由度Rx、Ry数据。
如图6A和图6B所示，控制端面E以令平面P以激光测距仪a、b的连线为轴翻转，则工件的表面W上的投影点a′、b′、c′皆会随之移动，直到激光测距仪c所测量到的距离d2与激光测距仪a或b所测量到的距离相同，即如图5B所示的
Figure BDA00002588521900074
与
Figure BDA00002588521900075
相等。至此取得多轴机械与工件的相对的自由度Z数据。
如图7所示，工件平面W与平面P平行且相距距离d2。
如图8所示，令平面P平行于工件的表面W移动，直到旋转中心o1对应工件的表面W上的目标点o2。至此取得多轴机械与工件的相对的自由度X、Y数据。须说明的是，辅助装置1上可设置影像撷取器以撷取一撷取画面，该撷取画面的画面参考中心是对应平面P的旋转中心o1，则当画面参考中心对应至工件的表面W上的目标点o2时，取得多轴机械与工件的相对的自由度X、Y数据。
如图9所示，令平面P平行工件的表面W而以旋转中心o1为轴心旋转，直到平面P的坐标轴X1、Y1与该工件的表面的坐标轴标示X2、Y2方向相符。至此取得多轴机械与工件的相对的自由度Rz数据。在图9中，工件的表面W上具有二维坐标轴标示，且该二维坐标轴标示同时重合目标点o2。须说明的是，辅助装置1上可设置影像撷取器以撷取一撷取画面，该撷取画面的画面参考中心是对应平面P的旋转中心o1，且该撷取画面上可标示有与平面P的坐标轴X1、Y1方向相符的画面坐标轴，则当该画面坐标轴的方向与工件的表面W的二维坐标轴标示X2、Y2的方向相符时，取得多轴机械与工件的相对的自由度Rz数据。
另外，所谓撷取画面的画面坐标轴的方向与工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符的实施态样，在此举例两种实施态样，参阅图10A和图10B。如图10A所示，于撷取画面中，在虚拟的X轴上在+X方向的末端标示箭号，在虚拟的Y轴上在+Y方向的末端标示箭号，则可确认二维坐标轴标示的方向。如图10B所示，也可于十字线分割出的四个区域中标示特定图样，如圆形、方形或星形等，此时可指定以该图样的右侧十字线线段的向外延伸方向为+X，而该图样的左侧十字线线段的向外延伸方向为+Y，则可确认二维坐标轴标示的方向。在另一实施例中，二维坐标轴标为两条互相垂直的L形线条。
由图3至图10A和图10B所示的示范实施例可知，工件平面W与端面E的相对关系为o2(Xo2,Yo2,Zo2,Rxo2,Ryo2,Rzo2)=o(Xo,Yo,(Zo+d1+d2),Rxo,Ryo,Rzo)，因此，利用上述数据可进行控制器中工件程序的误差补偿，例如，先以(Xo,Yo,(Zo+d1+d2))作为工件程序的目标点坐标，再以(Rxo,Ryo,Rzo)对工件程序进行旋转以达成补偿。
综上所述，本发明用于多轴机械的补偿控制方法采用非接触式距离测量器，因而不会有工件碰撞或工件无法导电的问题。此外，本发明用于多轴机械的补偿控制方法仅对工件的一表面进行距离测量，即可取得工件与多轴机械的坐标为相对关系，故无须如同现有技术般制作多个研磨过的基准面，因此当然快速又节省成本。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (14)

1.一种用于多轴机械的补偿控制方法，该多轴机械具有端面且该端面的中心位于该多轴机械的心轴线上，该用于多轴机械的补偿控制方法包括以下步骤：
1)于该多轴机械的端面设置三个距离测量器，其中，各该距离测量器与该端面的中心距离相等；
2)控制该端面以该端面的中心为轴心旋转，并令该三个距离测量器分别对一工件的表面进行距离测量，直到该三个距离测量器的其中两个距离测量器所测量到的距离相同；
3)控制该端面以步骤2)的该两个距离测量器的连线为轴翻转，直到该两个距离测量器以外的另一个距离测量器所测量到的距离与步骤2)的该两个距离测量器所测量到的距离相同；以及
4)记录上述控制该端面所产生的数据，以供该多轴机械作为补偿控制的依据。
2.根据权利要求1所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，于步骤4)所记录的控制该端面所产生的数据为该多轴机械与该工件之间的自由度Rx、Ry、Z的相对关系。
3.根据权利要求1所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该工件的表面上设有目标点，于步骤4)之前还包括：控制该端面平行于该工件的表面移动，直到该端面的中心对应该工件的表面上的目标点，且于步骤4)所记录的控制该端面所产生的数据为该多轴机械与该工件之间的自由度Rx、Ry、Z、X、Y的相对关系。
4.根据权利要求3所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该工件的表面设置有二维坐标轴标示，于步骤4)之前还包括：控制该端面平行该工件的表面而以该端面的中心为轴心旋转，直到该端面的坐标系中任两个坐标轴的方向与该工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符，且于步骤4)所记录的控制该端面所产生的数据为该多轴机械与该工件之间的自由度Rx、Ry、Z、X、Y、Rz的相对关系。
5.根据权利要求1所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该三个距离测量器的任意两个距离测量器的连线不通过该端面的中心。
6.根据权利要求1所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，于步骤3)中，步骤2)的该两个距离测量器以外的另一个距离测量器是在步骤2)的该两个距离测量器的中垂线上。
7.根据权利要求1所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该工件的表面设置有目标点，该端面上设置有影像撷取器以撷取一撷取画面，该撷取画面的画面参考中心对应该端面的中心，且于步骤4)之前还包括：控制该端面平行于该工件的表面移动，直到该画面参考中心对应该工件的表面上的目标点。
8.根据权利要求7所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该工件的表面设置有二维坐标轴标示，该二维坐标轴标示同时重合该目标点，且该撷取画面上标示有与该端面的坐标系中任两个坐标轴的方向相符的画面坐标轴，于步骤4)之前还包括：控制该端面平行该工件的表面而以该端面的中心为轴心旋转，直到该画面坐标轴的方向与该工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符。
9.根据权利要求1所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该距离测量器为激光测距仪或超音波测距仪。
10.一种用于多轴机械的补偿控制方法，该多轴机械具有端面且该端面的中心位于该多轴机械的心轴线上，该多轴机械的端面上设置有辅助装置，该辅助装置具有与该端面平行的平面且该平面的旋转中心对应该端面的中心，且该平面上设置有三个与该旋转中心距离相等的距离测量器，该用于多轴机械的补偿控制方法包括以下步骤：
1)控制该平面以该平面的旋转中心为轴心旋转，并令该三个距离测量器分别对一工件的表面进行距离测量，直到该三个距离测量器的其中两个距离测量器所测量到的距离相同；
2)控制该平面以步骤1)的该两个距离测量器的连线为轴翻转，直到该两个距离测量器以外的另一个距离测量器所测量到的距离与步骤1)的该两个距离测量器所测量到的距离相同；以及
3)记录上述控制该端面所产生的数据，以供该多轴机械作为补偿控制的依据。
11.根据权利要求10所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于中，于步骤3)所记录的控制该平面所产生的数据为该多轴机械与该工件之间的自由度Rx、Ry、Z的相对关系。
12.根据权利要求10所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该工件的表面上设置有目标点，于步骤3)之前还包括：控制该平面平行于该工件的表面移动，直到该平面的旋转中心对应该工件的表面上的目标点，且于步骤3)所记录的控制该平面所产生的数据为该多轴机械与该工件之间的自由度Rx、Ry、Z、X、Y的相对关系。
13.根据权利要求12所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该工件的表面设置有二维坐标轴标示，于步骤3)之前还包括：控制该平面平行该工件的表面而以该平面的旋转中心为轴心旋转，直到该平面的坐标系中任两个坐标轴的方向与该工件的表面的二维坐标轴标示的方向相符，且于步骤3)所记录的控制该平面所产生的数据为该多轴机械与该工件之间的自由度Rx、Ry、Z、X、Y、Rz的相对关系。
14.根据权利要求10所述的用于多轴机械的补偿控制方法，其特征在于，该距离测量器为激光测距仪或超音波测距仪。
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