CN103846737A - 校准装置及多轴机械的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种校准装置及多轴机械的补偿方法，该校准装置包括一座体、多个激光感测器、一反射件、一基准点结构及一感光元件，激光感测器具有一出光端发射激光光束，多个激光光束相互平行，反射件包括一反射面，每一出光端与反射面距离相同，激光光束垂直投射于反射面，基准点结构具有一基准点，感光元件用以侦测基准点；将校准装置安装于一多轴机械的一端面，驱动激光感测器发出激光光束，以测量出光端至反射面的距离，该距离为一第一距离，纪录该第一距离，并将每一激光感测器的读值归零，以第一距离作为多轴机械补偿控制的依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种校准装置及多轴机械的补偿方法，尤其是涉及一种应用于多轴机械补偿测量的校准装置及补偿方法。
背景技术
在多轴机械加工制作工艺中所使用的座标有机台机械座标系、工件程序座标系与加工工件座标系，在加工前必须先确认这三者的关系，再进行调整或补偿修正，让工件程序座标系与加工工件座标系相符，如此方可获得正确的加工结果。
既有的非接触补偿修正方法，可使用激光测距感测器取代传统探针，让使用者可以用较安全、较快速的方式进行补偿控制。但激光测距感测器种类众多，价格落差很大，而价格又与测量精确度有关，且CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)本身并无中心点标示，应用时需进行校正，因此，如何改善测量系统的性价比，是相关技术领域人士急需解决的课题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种校准装置，其包含一座体，于座体设有多个激光感测器、一反射件、一基准点结构及一感光元件。该座体具有一第一面，每一该激光感测器具有一出光端以发射一激光光束，该多个激光光束相互平行，反射件可分离地设置于该座体，该反射件包括一反射面，该反射面与第一面之间具有一距离，每一出光端与反射面的距离相同，该多个激光光束垂直投射于反射面；该基准点结构具有一基准点；以及，该感光元件用以侦测该基准点。
本发明还提出一种多轴机械的补偿方法，其备置一校准装置，该校准装置包括一座体，于座体设有多个激光感测器、一反射件、一基准点结构以及一感光元件，该座体具有一第一面，每一激光感测器具有一出光端，激光感 测器由出光端发射一激光光束，该多个激光光束相互平行，反射件包括一反射面，反射面与第一面之间具有一距离，每一出光端与反射面的距离相同，该多个激光光束垂直投射于反射面，基准点结构具有一基准点，感光元件用以侦测该基准点；将校准装置安装于一可移动的多轴机械的一端面；驱动每一激光感测器发出一激光光束，以测量出光端至反射面的距离，该距离为一第一距离；纪录该第一距离，并将每一激光感测器的读值归零，以该第一距离作为该多轴机械补偿控制的依据；将该反射件取下，并将该多轴机械移动至一工作平台上方，于该工作平台设有一目标物，由该多个激光感测器测量该工作平台至每一该出光面的距离，该距离为一第二距离，该第二距离大于该第一距离；将该多轴机械朝向该工作平台移动一第三距离，该第三距离该第一距离与该第二距离的差值；以及，由该感光元件侦测该基准点是否对准该目标物。
附图说明
图1为本发明校准装置的一实施例的组合结构示意图；
图2为图1实施例的分解结构示意图；
图3为图1座体实施例的底视结构示意图；
图4为图3的A-A剖面结构示意图；
图5为微调激光感测器的动作示意图；
图6为图3的B-B剖面配合反射件的结构示意图；
图7及图8是将本发明实施于多轴机械补偿控制的结构示意图；
图9是本发明校准装置的座体另一实施例的顶视立体结构示意图；
图10是图9实施例的底视立体结构示意图；
图11是本发明校准装置的座体又一实施例的底视立体结构示意图。
主要元件符号说明
100-校准装置
10、10A、10B-座体
11、11A、11B-第一面
12、12A-第二面
13、13A-安装槽
131、132、131A、132A-二侧壁
133、133A-弧形槽
134-定位栓
135-第一轴向端
136、136A-第一枢接孔
137-第一出线孔
14、14A-第一卡合槽
15、15A-筒件
151-第一端
152-第二端
153-第二出线孔
154-调整孔
155-调整栓
156-第二轴向端
157、157B-第一贯穿部
158-第二凸件
20-激光感测器
21-出光端
22-第二枢接孔
30-反射件
31-反射面
32-第一凸件
40-基准点结构
41、41A-插槽
411-第二贯穿部
42-板体
421-第一纹路
422-第二纹路
421B-第一基准线
422B-第二基准线
423、423B-基准点
50-感光元件
200-多轴机械
210-端面
220-第二卡合槽
230-工作平台
240-目标物
C1-第一中心
C2-第二中心
H1-第一距离
H2-第二距离
H3-第三距离
L1-激光光束
具体实施方式
以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利贵审查委员了解，但本发明的技术手段并不限于所列举附图。
本案申请人曾于中国台湾专利申请案申请号第101134642号提出一种「用于多轴机械的补偿控制方法」(以下称该前案)，该前案技术是利用多组非接触式距离感测器以特定控制作工艺序的技术手段，达成工件位置与姿态的测量与补偿之效，以解决既有确认工件与机台设备相对空间关系过程中的干涉碰撞、校准时间长与工件备料花费高的问题。为实现该前案技术，其是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。
上述用于多轴机械的补偿控制方法可解决现有以探测棒测量的接触式测量法所存在的缺失，惟该前案技术需要使用多个非接触测距仪，并且该多 个非接触测距仪必须垂直于安装面，而同时要让多个非接触测距仪同时垂直于水平面并不容易安装。此外，该前案技术使用的非接触测距仪，若选用激光测距仪进行实现，线性度高且重现性高的激光测距仪其成本极高。此外，该前案技术使用的非接触测距仪，若选用低价的CMOS(互补氧化金属半导体)激光测距仪进行实现，虽可降低成本，但却有线性度低的问题。此外，前案技术中进行X、Y位置测量时，需要使多轴机械的中心点对准目标点，虽可用CCD进行辅助确认，但因为CCD无中心点，所以必须另外确认CCD与多轴机械中心点的关系方能协助对准程序。
据此，本案提供一种校准装置以改善该前案。
请参阅图1至图5所示实施例结构，该校准装置100，包含一座体10、多个激光感测器20、一反射件30、一基准点结构40及一感光元件50(请参阅图4所示)，该感光元件50是采用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)。
该座体10具有相对的一第一面11以及一第二面12，在本实施例中，该座体10呈现一圆盘状。于座体10设有多个安装槽13，每一安装槽13用以设置一激光感测器20，每一安装槽13包括至少相对的二侧壁131、132，于其中一侧壁131设有一弧形槽133，于弧形槽133设有一定位栓134，该定位栓134具有一第一轴向端135，该第一轴向端135具有一释放位置以及一锁固位置，于安装槽13相对于该弧形槽133的一侧设有一第一枢接孔136。该安装槽13的底部贯穿该座体10的第一面11，激光感测器20由第一面11(亦即该座体10的底部)向上嵌入设置于该安装槽13的二侧壁131、132间，激光感测器20相对应于该第一枢接孔的位置设有一第二枢接孔22，通过栓体或轴体(图中未示出)穿设于第一枢接孔136及第二枢接孔22，可将激光感测器20可转动地设置于安装槽13内。每一激光感测器20具有一出光端21用以发射一激光光束，激光感测器20外露于该第一面11，亦即激光感测器20以该出光端21朝下的状态嵌入该安装槽13内。在本实施例中，设置三个安装槽13，用以安装三个激光感测器20，该三个安装槽13环绕于该圆盘状座体10中心外围等角设置，三个激光感测器20的出光端21都是朝向该圆盘状座体10中心，于安装槽13顶部设有第一出线孔137，可提供连接激光感测器20的线路走线之用。
在理想状况下，激光感测器20与安装槽13相互嵌合呈紧配合，且激光 感测器20所产生的激光光束垂直于该第一面11射出座体10，且各激光光束相互平行，但由于尺寸误差等多种因素影响，常导致激光光束无法垂直于该第一面11射出座体10，因此必须通过弧形槽133及定位栓134对激光感测器20进行微调。
请参阅图1及图5所示，该定位栓134的第一轴向端135位于该释放位置时(如图1所示状态)，激光感测器20可以第二枢接孔22为中心于安装槽13内摆动，于激光感测器20摆动过程中，可以改变所发出的激光光束的角度，当激光感测器20摆动至一所需位置时，激光光束L1可达到垂直第一面11的状态，即可将定位栓134锁入弧形槽133，使第一轴向端135抵靠于激光感测器20，亦即第一轴向端135位于锁固位置时，该第一轴向端135顶抵于激光感测器20一侧并将激光感测器20定位于安装槽13内，使激光感测器20的位置固定而无法再摆动。如此一一以上述方法微调各个激光感测器20，即可使激光感测器20所产生的激光光束垂直于该第一面11射出座体10，且各激光光束相互平行。关于激光感测器20与安装槽13、定位栓134相互配合的尺寸，允许具有一定的误差范围值，例如，定位栓134顶抵激光感测器20可能造成激光感测器20的位移误差，可以通过激光感测器20与安装槽13搭配的尺寸得到限制，使达到一容许误差。
请参阅图1至图4及图6所示，该反射件30可分离地设置于座体10的第一面11，于本实施例中，反射件30是一圆筒状结构，其一轴向端部(图示反射件30的顶部)开放，相对另一轴向端部(图示反射件30的底部)设有一反射面31，该反射面31具有反射特性，使反射件30设有该反射面31的轴向端部呈现封闭态样(如图6所示)。该反射面31平行于第一面11，反射面31与第一面11之间具有一距离，每一激光感测器20的出光端21与反射面31的距离相同，该激光光束L1垂直投射于反射面31。反射件30与座体10之间设有一第一快拆结构，该第一快拆结构于座体10的第一面11设有多个第一卡合槽14，每一第一卡合槽14具有一弧度，该多个第一卡合槽14围绕于一第一中心C1呈环形设置，该第一中心C1是该圆盘状座体10的中心。此外，于反射件30相对于反射面31的轴向端部的外围设有多个第一凸件32，该多个第一凸件32围绕于第一中心C1呈环形设置。将反射件30设有第一凸件32的一端与座体10的第一面11相靠合并相对旋转反射件30与座体10，每一第一凸件32可对应并卡合于一第一卡合槽14内，由此将反射件30结 合于座体10底面(亦即第一面11)。激光感测器20所发出的激光光束L1投射至反射面31后，可反射回激光感测器20，由此可由激光感测器20测量出光端21至反射面31的距离。当测量完毕之后，可反向相对旋转反射件30与座体10，即可将反射件30与座体10分离。
请参阅图1至图4所示，于座体10的第二面12设有一筒件15，该筒件15具有一长度方向，筒件15沿着长度方向具有相对的一第一端151以及一第二端152，第一端151连接于座体10，于座体10设有一第一贯穿部157，第一贯穿部157位于感光元件50与基准点结构40之间。感光元件50设置于筒件15内，于筒件15的筒身设有一第二出线孔153，可提供连接感光元件50的线路走线之用。于筒件15设有多个调整孔154，该多个调整孔154以筒件15的长度方向多个阵列为多列，且该多列调整孔154等角设置于筒件15，于本实施例中，以二个调整孔154为一列，于筒件15设有三列调整孔154，每一调整孔154设有一调整栓155，每一调整栓155具有一第二轴向端156，将调整栓155穿设于调整孔154，该第二轴向端156朝向感光元件50的外表面，该第二轴向端156具有一释放位置以及一锁固位置，当第二轴向端156位于释放位置时(如图4所示态样)，第二轴向端156与感光元件50分离，当第二轴向端156位于锁固位置时，156第二轴向端可顶抵于感光元件50的外表面。通过位于不同位置的调整栓155顶抵于感光元件50，可微调感光元件50的垂直度。
其次，该基准点结构40包括一插槽41以及一板体42，
插槽41设置于座体10的第一面11，插槽41具有一第二贯穿部411，第二贯穿部411相对应于第一贯穿部157。板体42由透明材质的材料构成，，例如可采用玻璃或透明压克力，于板体42设有一十字刻纹，该十字刻纹由相互垂直的一第一纹路421以及一第二纹路422构成，第一纹路421与第二纹路422的交会点形成一基准点423；板体42设置于插槽41内，基准点423相对应于第一贯穿部157与第二贯穿部411的位置。上述关于微调感光元件50的垂直度，其作用即在于使微调感光元件50的垂直度可与该基准点423对齐。
请参阅图1及图6所示，该筒件15的第二端152用以与一多轴机械200的一端面210相结合，该第二端与该多轴机械200的一端面210之间设有一第二快拆结构，该第二快拆结构于端面210设有多个第二卡合槽220，每一 第二卡合槽220具有一弧度，该多个第二卡合槽220围绕于一第二中心C2呈环形设置，于本实施例中，该第二中心C2与该第一中心C1同轴。此外，于筒件15的第二端152外围设有多个第二凸件158，该多个第二卡合槽220围绕于第二中心C2呈环形设置。将筒件15设有第二凸件158的一端与多轴机械200的端面210相靠合，并旋转筒件15，每一第二凸件158可对应并卡合于一第二卡合槽220内，即可将筒件15与端面210相结合，由此可将座体10结合于多轴机械200的端面210。就图6所示，多轴机械200的端面210、感光元件50、板体42的基准点423是同心，感光元件50可通过第一贯穿部157与第二贯穿部411侦测到板体42上的基准点423(请参阅图2所示)。
请参阅图1至图4所示，本发明该校准装置100的组装程序可为，先利用调整栓155调整感光元件50的垂直度，并固定在座体10的中心位置上；其次，将激光感测器20分别放入安装槽13中；其次，将激光感测器20通电以进行激光光束角度调整，可微调弧形槽133的定位栓134，当激光感测器20的读值为最小值，即完成垂直度校正后，再将定位栓134锁紧在安装槽13；其次，将具有十字刻纹的板体42插入插槽41内，滑至定位，该基准点423即为多轴机械的端面的中心参考位置；其次，将反射件30的第一凸件32旋转卡入座体10第一面11的第一卡合槽14内，如此即可完成该校准装置100的组装，其组合态样如图1所示。
请参阅图6至图8所示，说明使用该校准装置100的多轴机械的补偿方法。将已经调校及组装完成的校准装置100安装于多轴机械200的端面210，如图6所示态样，驱动激光感测器20发出激光光束L1，可测量出激光感测器20出光端21(可参考图2所示)至反射面31的距离，距离为一第一距离H1。其次，纪录该第一距离H1，并将每一激光感测器20的读值归零，以第一距离H1作为该多轴机械200补偿控制的依据。其次，将反射件30取下，并将多轴机械200移动至一工作平台230上方，于工作平台230设有一目标物240，由激光感测器20测量工作平台230至每一出光端21的距离，该距离为一第二距离H2，第二距离H2大于第一距离H1，如图7所示；其次，将多轴机械200朝向工作平台230移动一第三距离H3，该第三距离H3是第一距离H1与第二距离H2的差值，如图8所示，此时，激光感测器20与工作平台230的距离为该第一距离H1，其次，由感光元件50侦测该基准点是 否对准该目标物240，如此即完成该多轴机械200的补偿。
请参阅图9与图10所示座体另一实施例结构，该座体10A是以图1的座体10的结构衍生而出，座体10A呈现扁平圆盘状，其具有一第一面11A、一第二面12A，于第一面11A设有插槽41A以及多个第一卡合槽14A，于第二面12A设有一筒件15A，于该筒件15A周围围绕等角设有三个安装槽13A，该安装槽13A是由相对的二侧壁131A、132A构成，于其中一侧壁131A设有一弧形槽133A以及第一枢接孔136A，激光感测器(图中未示出)是被夹合于该二侧壁131A、132A之间，枢接于第一枢接孔136A，并可通过弧形槽133A微调且固定激光感测器。
请参阅图11所示座体又一实施例结构，该座体10B是以图9座体10A的结构衍生而出，于座体10B的第一面11B设有相互垂直的一第一基准线421B以及一第二基准线422B，第一基准线421B与第二基准线422B横跨第一贯穿部157B，第一基准线421B与第二基准线422B的交会点对应于第一贯穿部157B，第一基准线421B与第二基准线422B的交会点形成一基准点423B。该第一基准线421B与第二基准线422B的材质或尺寸没有限制，能与所使用的感光元件的规格相搭配，使感光元件可清晰侦测该第一基准线421B与第二基准线422B所形成的基准点423B即可。
以上所述的仅为本发明的实施例而已，不能以之限定本发明所实施的范围。即凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。
Claims (12)
1.一种校准装置，包含：
座体，其具有一第一面；
多个激光感测器，设置于该座体，每一该激光感测器具有一出光端以发射一激光光束，该多个激光光束相互平行；
反射件，可分离地设置于该座体，该反射件包括一具有反射特性的反射面，该反射面与该第一面之间具有一距离，每一该出光端与该反射面的距离相同，该多个激光光束垂直投射于该反射面；
基准点结构，设置于该座体，该基准点结构具有一基准点；以及一感光元件，设置于该座体，该感光元件用以侦测该基准点。
2.如权利要求1所述的校准装置，其中该座体具有多个安装槽，每一该安装槽用以设置一该激光感测器，每一该安装槽包括至少相对的二侧壁，在其中一侧壁设有一弧形槽，于该弧形槽设有一定位栓，该定位栓具有一第一轴向端，该激光感测器设置且枢接于该二侧壁间，该出光端外露于该第一面，该定位栓穿设于该弧形槽，该第一轴向端朝向该激光感测器的一侧，该第一轴向端具有一释放位置以及一锁固位置，该第一轴向端位于该释放位置时，该激光感测器可以该枢接位置为中心摆动，该第一轴向端位于该锁固位置时，该第一轴向端顶抵于该激光感测器一侧并将该激光感测器定位于该安装槽内。
3.如权利要求1所述的校准装置，其中该多个激光感测器以该感光元件为中心，环绕设置于该感光元件的周围。
4.如权利要求3所述的校准装置，其中该多个激光感测器等角环绕设置于该感光元件的周围。
5.如权利要求1所述的校准装置，其中该反射件与该座体之间设有第一快拆结构，该第一快拆结构包括：
多个第一卡合槽，每一该第一卡合槽具有一弧度，该多个第一卡合槽围绕于一第一中心呈环形设置；以及
多个第一凸件，该多个第一凸件围绕于该第一中心呈环形设置，每一第一凸件对应卡合于一第一卡合槽内，该座体的该第一面以及该反射件相对于该反射面的一端其中之一设置该多个第一卡合槽，另一则设置该多个第一凸件。
6.如权利要求1所述的校准装置，其中该座体具有相对于该第一面的一第二面，于该第二面设有一筒件，该筒件具有一长度方向，该筒件沿着该长度方向具有相对的第一端以及第二端，该感光元件设置于该筒件内，于该筒件设有多个调整栓，每一该调整栓具有第二轴向端，该调整栓穿设于该筒件，该第二轴向端朝向该感光元件的外表面，该第二轴向端具有一释放位置以及一锁固位置，该第二轴向端位于该释放位置时，该第二轴向端与该感光元件分离，该第二轴向端位于该锁固位置时，该第二轴向端顶抵于该感光元件的外表面。
7.如权利要求6所述的校准装置，其中该多个调整栓以该筒件的该长度方向多个阵列为多列，且该多列调整栓等角设置于该筒件。
8.如权利要求6所述的校准装置，其中该筒件的该第一端连接于该座体，于该座体设有第一贯穿部，该第一贯穿部位于该感光元件与该基准点结构之间。
9.如权利要求8所述的校准装置，其中该基准点结构包括：
插槽，设置于该第一面，该插槽具有第二贯穿部，该第二贯穿部相对应于该第一贯穿部；以及
板体，其由透明材质的材料构成，于该板体设有十字刻纹，该十字刻纹由相互垂直的第一纹路以及第二纹路构成，该第一纹路与该第二纹路的交会点形成该基准点，该板体设置于该插槽内，该基准点相对应于该第一贯穿部与该第二贯穿部的位置。
10.如权利要求8所述的校准装置，其中该基准点结构包括相互垂直的第一基准线以及第二基准线，该第一基准线与该第二基准线横跨该第一贯穿部，该第一基准线与该第二基准线的交会点对应于该第一贯穿部，该第一基准线与该第二基准线的交会点形成该基准点。
11.如权利要求6所述的校准装置，其中该筒件的该第二端用以与一多轴机械的一端面相结合，该第二端与该多轴机械的一端面之间设有一第二快拆结构，该第二快拆结构包括：
多个第二卡合槽，每一该第二卡合槽具有一弧度，该多个第二卡合槽围绕于一第二中心呈环形设置；以及
多个第二凸件，该多个第二凸件围绕于该第二中心呈环形设置，每一第二凸件对应卡合于一第二卡合槽内，该筒件的该第二端以及该多轴机械的该端面其中之一设置该多个第二卡合槽，另一则设置该多个第二凸件。
12.一种多轴机械补偿方法，其包含：
备置一校准装置，该校准装置包括座体，于该座体设有多个激光感测器、反射件、基准点结构以及感光元件，该座体具有第一面，每一该激光感测器具有出光端，该激光感测器由该出光端发射一激光光束，该多个激光光束相互平行，该反射件包括一反射面，该反射面与该第一面之间具有一距离，每一该出光端与该反射面的距离相同，该多个激光光束垂直投射于该反射面，该基准点结构具有一基准点，该感光元件用以侦测该基准点；
将该校准装置安装于一可移动的多轴机械的一端面；
驱动每一该激光感测器发出一激光光束，以测量该出光端至该反射面的距离，该距离为一第一距离；
纪录该第一距离，并将每一该激光感测器的读值归零，以该第一距离作为该多轴机械补偿控制的依据；
将该反射件取下，并将该多轴机械移动至一工作平台上方，于该工作平台设有一目标物，由该多个激光感测器测量该工作平台至每一该出光面的距离，该距离为一第二距离，该第二距离大于该第一距离；
将该多轴机械朝向该工作平台移动一第三距离，该第三距离该第一距离与该第二距离的差值；以及
由该感光元件侦测该基准点是否对准该目标物。
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