TW200804756A - A system for detecting errors of a one-dimensional five degrees of freedom(DOF) system - Google Patents

Description

200804756 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為提供-種檢測_維五自由度誤差系統，為設置於 機台之移動處及固定處’可同時量測單軸五自由度誤差，包括定 位誤差、水平直度誤差、#直直度誤差、搖擺度誤差與俯仰度誤 差等’具有低成本、高精確度、體積小、攜帶方便、架設簡易及 k測迅速等實質效益為創新設計者。 【先前技術】 按’目則五軸加工機線性軸之校正與定位技術，不管在於離 線决差^測與線上^位量測之發展，已朝向可同時校正或平台多 自由度誤差。惟，既知領域中所使用之量測儀器所存在的問題有 為回準確度，但量測距離不足，如電容式探頭；一為量測 距離長，但是準確度不高。 就目前業界常用量測儀器之一的雷射干涉儀，為業界在做精 也疋位里測時，最可信賴之量測設備；其巾Hp 5529a雷射干涉 儀是目前世上公認最準確的量測儀器之一，具有高準確度（1〇聰） 及里測範圍大（線性），其不僅可量測位移，亦可以配合特殊之 鏡組置測直度與搖擺度（Yaw)與俯仰度（pitch)誤差·，只是， 其每-次的設定只能量測—種誤差元素，光學元件狀與光路對 準不易且耗時，又由於各種鏡組價格偏高，且量測不同的誤差時 就需要重新架設鏡組’十分不方便’亦造成其量測結果不僅不符 200804756 合經濟效益’且其欲達成精確度之量測效果不彰。 雖然現今產業技術無不積極研究發展—些新的量測架構，為 了能同時量測多個誤^^素，這些量測方法不管在離線與線上量 測概括可分為（a)多光路干涉設計⑻整合二維位置感測器之多 光路設計⑹平面光學尺多維度量測以及⑷其他...等等四個大 項；然而，如目前除了德國Si0S公司的雙光束（Duai ） 雷射可同時量測機台定位、搖擺度與俯仰度誤差；美國自動精密 工程公司(API)已開發出具六自由度的量測六個自由度之商品化 量測設備以外，仍無其他較上述兩者更優良之量測系統出現，造 成上述兩者之量測設備的價袼非常昂貴。 基於此，本發明人開發出一種可微型化且架設簡單，價格遠 比吳國自動精Sji程公司（Αρϊ)所開發之量測設備更為便宜的多 自由度$測系統’可提供五轴加工機線性轴之靜態誤差快速檢 測。 【發明内容】 本發明之主要目的即在於提供一種檢測一維五自由度誤差 系統，為設置於機台之移動處（待測平台）及固定處（與待測平 台呈相對位置），可同時量測單軸五自由度誤差，包括定位誤差、 水平直度誤差、垂直直度誤差、搖擺度誤差與俯仰度誤差等，本 發明具有低成本、高精確度、體積小、攜帶方便、架設簡易及檢 測迅速等特性。 為達本發明上揭目的之一種檢測一維五自由度誤差系統，係

6 200804756 分成直度誤差量測單元、角度誤差量測單元，其中：

直度誤差量測單元，乃包括··構成，，光源發射端，，之雷射干 V儀配合分光鏡、聚焦透鏡與光電式位置感測器，以及構成，， 反射端’’之角隅稜鏡；利用雷射干涉儀之雷射頭將一光源射入角 隅稜鏡，光源由角隅稜鏡反射出一道平行光射入分光鏡，由分光 鏡將光源分成兩道光，其中一道光，轉成九十度通過聚焦透鏡， 再射入光電式位置感測器，另一道光，依原始光路射入雷射干涉 儀之田射頭的接收為，由光電式位置感測器求得水平直度誤差與 垂直直度誤差，由雷射干涉儀即可獲得定位誤差。 、…角度，差量測單元’乃包括··構成”光源發射端”且由雷射 光，u $、偏極分光鏡、雙凸透鏡、像散透鏡與光電式位置感 測器所形成之角度量測光路組件，以及構成，，反射端”之平面反 射鏡’利用角度！測光路組件所發射之準直光源，光線射入平面 反射鏡後，直接射回角度量測光路組件，由角度量測光路組件之 光電式位置感測器求得搖擺度誤差與俯仰度誤差。 ^即’、本發明上述所設計檢測—維五自由度誤差系統，以光 路型態分成直度誤差量測單元、角度誤差量測單^，此兩單元皆 同設置於機台之移動處、較處上，而雷射干涉儀、分光鏡、聚 焦透鏡與光電式位置感測器、角度量測光路組件形成設置於機台 之移動處（或機台之固定處u之光源發射端，則角隅稜鏡鱼平 面反射鏡形成設置於機台之固定處（或機台之移動處）上之^射 端0 …㈣量測時，利用直度額 里早凡、角度μ量測單元各具光源發射端以發射光源至虚 相對之反射端’由反射端將光源反射至光源發射端，由光源發 200804756 端内建之光電式位置感測器求得所需結果，而可達到同時且精準 量測單軸五自由度誤差，包括定位誤差、水平直度誤差、垂直直 度誤差、搖擺度誤差與俯仰度誤差技術，而具有低成本、高精確 度、體積小、攜帶方便、架設簡易及檢測迅速等之實質效益。 【實施方式】 為使貴審查委員進一步了解本發明於前述之發明目的及 特徵’茲配合圖面及圖號詳細說明如后： 首先，請參閱圖一、圖二所示，係為本發明檢測一維五自由 度誤差系統之架構圖及角度量測光路組件之構造及其光路形成 圖； 八 y 本發明所設計檢測一維五自由度誤差系統，係分成一直度誤 差量測單元1、一角度誤差量測單元2，其中： 又°、 直度誤差量測單元卜乃包括：構成’，光源發射端”之雷射 干涉儀H，配合分光鏡12、聚焦透鏡13與光電式位置感測器A 以及構成”反射端，，之角隅稜鏡15; ❿ 該儀U，係設置於機台之移動處3 (或機台· 處4)，為發射光源至角隅稜鏡15，以供量測定位誤差及光源用 該分光鏡12,係設置於機台之移動處3(或機 與雷射干涉儀U相鄰，為將角隅稜鏡15 °光^ :道光’其中一道光穿透分光鏡12射回雷二 為，另一道光則轉向90度並通過聚焦透鏡 / 、 位置感測器14; 处兄13,取後射入光電i 與 聚焦透鏡13,係設置於機台之移動處 雷射分光鏡12相對應，為縮小光束截 3(或機台之固定處4)， 面積用，以獲得更佳的 200804756 量測結果； 光電感測器14,係設置於機台之移動處3 (或機台之固定處 4)，與聚焦透鏡13相對應，為量測直度誤差用；以及， 角隅稜鏡15,係設置於機台之固定處4(或機台之移動處3)， ，雷射干涉儀11欲發射之光源方向相對應，係為雷射干涉儀n 里測疋位誤差之元件’並有抗角度之設計，可容許機台之移動處 3 (待測平台）㈣減雷射干涉儀u量狀雷射妹有微小角 度誤差，以檢測垂直直度與水平直度誤差。 據此，利用雷射干涉儀u之雷射頭1U將__光源射入角隅 稜鏡15,光源由角隅稜鏡反射出一道平行光射入分光鏡12，由 分光鏡12將光源分成兩道光，其中—道光，轉成九十度通過聚 焦透鏡13，再射入光電式位置感測器14，另一道光，依原始光 路射^雷射干涉儀11之雷射頭的接收器，由光電式位置感測器 14求得水平直度誤差與垂直直度誤差，由雷射干涉儀即可獲得定 位誤差。 曰角度誤差里測單元2，乃包括：構成，，光源發射端，，之角度 量測光路組件2卜該角度量測光路組件21乃由雷射光源供應器 211、偏極分光鏡212、雙凸透鏡213、像散透鏡214與光電式位 置感測器215所形成，以及構成，，反射端，，之平面反射鏡22; 該角度量測光路組件21，係設置於機台移動處3 (或機台之 固定處4 )，為發射光源至平面反射鏡22 ; 該平面反射鏡22,係設置於機台固定處4(或機台移動處3)， 可採一般光碟片； 上述之田射光源供應裔211，係為發射雷射光源至偏極分光

9 200804756 鏡212用； '、上述之偏極分光鏡212，係與雷射光源供應器211相對應， 係為讓振動方向90度的光反射，振動方向0度的光直接料； 上述之雙凸透鏡213，係將一發散之光束通過可將其準直， 一準直光束通過可將其聚焦； “上述之像散透鏡214，係供光源通過，並產生像散光源至光 電式位置感測器，此即為像散法原理，此為通常知識者皆知之技 _ 術，故於此不與贅述其本身作用目的與功效； 上述之光電式位置感測器，係為接收通過像散透鏡214之光 源而取彳于檢測結果，並供角度量測光路組件21量測平面反射鏡 22之角度誤差。 據此，利用角度量測光路組件21所發射之準直光源，光線 射入平面反射鏡22後，直接射回角度量測光路組件21，由角度 里測光路組件21之光電式位置感測器215求得搖擺度誤差與俯 仰度誤差。 ^ _ ’亦W本兔明上述所設計檢測-維五自由度誤差系統，以光 路型態分成直度誤差量測單元丨、角度誤差量測單元2，此兩單 元皆同設置於機台移動處3、機台时處4上，而雷射干涉儀u、 分光鏡12、？武焦透鏡13與光電式位置感測器14、角度量測光路 組件21形成設置於機台移動處3 (或機台之固定處4)上之光源 發射端，則角隅稜鏡15與平面反射鏡22形成設置於機台固定處 3 (或機台移動處4)上之反射端，如此—來，藉由直度誤差量測 單元1、角度誤差量測單元2各元件之構成及其本身之功能，即 可同時董測機台上之定位誤差、水平直度誤差、垂直直度誤差、 200804756 搖擺f誤差與俯仰度誤差等’亦因各元件之設置，而具有低成 本、同精確度、體積小、攜帶方便、架設㈣及檢測迅速等實質 效益。 、、 月/閱圖一、圖四所示，係為本發明直度誤差量測示意圖及 角度誤差量測示意圖； 在本發明之直度誤差量測單幻進行量側時，當機台之移動 處3 (待測平台）沿著移動軸移動時，機台之固定處4上的角隅 牙夂鏡15不僅會因此沿著移動軸前後移自，亦會因為水平直度誤 至與垂直直度誤差的影響而產生左右與上下方向的微小位移。 由於角隅稜鏡15是由多組兩兩相對的九十度轉向鏡所組万

的’當直度誤差量測單元1之光源發射端發出-道光束射入角R 棱鏡15時，會先經過角隅稜鏡15之第—次轉向鏡，而將光束車 向成九十度，接著光束會經過角隅稜鏡15之第二次轉向鏡再」 轉向九十度，最後光束射出角_鏡15時會與射人光束平行 j角度相差-百八十度，此外角隅稜鏡15中心點會與該則 光專距（如圖三所示）。

耵述之角隅稜鏡15係為雷射干涉儀n欲量測定位誤差之元 具有抗角度之設計，可容許待測之機台之移動處3的移動轴 :、雷，干涉儀11量測之雷射光軸有微小角度誤差，再者可由下 述之量測方法檢測垂直直度與水平直度誤差； 广册；丨、、、口蛮罝直度與水平直度誤差量測方式，由於垂] 度與水平直度誤差量測方式均相同，故在㈣針料直 量測方式說明，說明如后： 又^ 就垂直直度誤差而言，當機台 固定處4有一向下之微小位移 π

200804756 5，則角隅稜鏡15會隨著向下位移占的距離，令原始射入光束 與角隅稜鏡15中心線距離（M)為d，原始射入光束與射出光束 距離為： ------------------------------------- / (1) 又，角隅稜鏡15向下位移5，則光束與角隅稜鏡中心線距離變 M=d+(5

又射出光束與射入光束距離角隅稜鏡中心線等距，則射出光束與 角隅稜鏡中心線距離（N)為： ' N-d+ δ 則位移後射入光束與射出光束距離為 L1:M+N 二 ---- ------------------ (4) 則位移前後的差距為

Ll~L=：2d+2 δ ~2d-2 δ--------------- (5) 則垂直直度誤差量測值除以2後，才㈣際誤差值，如圖三所示； 同理，水平直度誤差亦同。 ’ 在本發明之角度誤差量測單元2進行量側時，當待測之機台 移動處3沿著移動軸移動時，機台固定處4上的平面反射鏡a Γ堇會沿著X、YW轴的方向轉動，產生角度誤差；角度誤差 里測是利用反射原理進行量測的，如圖四所示，由反射原理得 ° ’原始入射角《與反射角石相等，則原始之角度和為： 入射角+反射角------------------ \ 12 (6) 200804756 田平面反射鏡有一角度—0變化，則 (7) (8) (9) 入射角=α - 0 — — —________________ 反射角=yS — 0 -―_________________ 則角度變化後之角度和為： 入射角+反射角20_________ 則量測所得之角度差為： • 原始角度和-變化後角度和=—2 0-------------------(1〇) 則角度誤差量測值除以2後，才為實際誤差值。 總結上述，藉由本發明據以直度誤差量測單元1、角度誤差 里測單元2之設計，在各別以其光源發射端、反射端之組件分別 5又置於機台之移動處3(或固定處4、）、固定處4(或移動處3)， 於進行機台檢測時，可利用兩組（直度誤差量測單元丨、角度誤 差量測單元2)光源及多個各求所需誤差結果之光學式位置感測 杰，即旎同時且精準量測出單軸之定位誤差、水平直度誤差、垂 % 直直度誤差、搖擺度誤差與俯仰度誤差等五自由度誤差，而具有 低成本、高精確度、體積小、攜帶方便、架設簡易及檢測迅速等 之實質效益。 另外，關於本發明所設計之角度量測光路組件，除了如前述 之雷射光源供應器21卜偏極分光鏡212、雙凸透鏡213、像散透 鏡214、光電式位置感測器等元件構成所需光源發射端之光路以 外亦可運用雷射光源供應器、偏極分光鏡、準直透鏡、光電式 位置感測器等元件構成所需光源發射端之光路；亦可採以一般取 得容易之DVD光學讀寫頭，皆能達到本發明所欲求得角度量測 13 200804756 之搖擺度誤差與俯仰度誤差值。 說明係針對本發明之—可行實施例之具體說明，惟 精神所為之等效實施Μ 目未脫離本發明技藝 更’均應包含於本案之專利範圍中。 綜上所述，本案不但在方法上確屬 法增進上述多項功效，應已充分符合新賴性及進It 理方 專利要件，爰依法提出巾請，懇冑貴局 ^之法定發明 案，以勵發明’至感德便。 "隹本件發明專利申請

14 200804756 【圖式簡單說明】 圖一為本發明檢測一維五自由度系統之架構圖； 圖二為本發明角度量測光路組件之構造及光路形成圖； 圖三為本發明直度誤差量測示意圖；以及 圖四為本發明角度誤差量測示意圖 【主要元件符號說明】

1 直度誤差量測單元 11 雷射干涉儀 12 分光鏡 13 聚焦透鏡 14 光電式位置感測器 15 角隅稜鏡 16 平面反射鏡 2 角度誤差量測單元 21 角度量測光路組件 211 雷射光源供應器 212 分光鏡 213 雙凸透鏡 214 像散透鏡 215 光電式位置感測器 22 平面反射鏡 15 200804756 3 移動處 4 固定處

Claims (1)

1. 200804756 、申請專利範圍： ι· ❿ 2. 3· 種檢測一維五自由度誤差系統，係分成直度誤差量測單 元、角度誤差量測單元，其中·· 直度誤差量測單元，乃包括：構成”光源發射端，，之雷射干 涉儀、分光鏡、聚焦透鏡與光電式位置感測器，以及，構成 反射端’’之角隅稜鏡；利用雷射干涉儀將一光源射入角隅 稜鏡’光源由角隅稜鏡反射出—道平行光射人分光鏡，由分 光鏡將光源分成兩道光，其巾―道光，轉成九十度通過聚焦 透鏡，再射人光電式位置感測器，另—道光，依原始光路射 二雷射干涉儀之接㈣，由光t式位置感測器求得水平直度 誤差與垂直直度*差’而雷射干涉儀即可獲得定位誤差丨 角度誤差量測單元，乃包括：構成’，光源發射端，，之角度量 =組件，以及構成’，反射端”之平面反射鏡; =測，路_發射準直光源，對應射人平面反射鏡後，直接 、口、度:測光路組件，由角度量測光路組件内建之光電式 位置感測器求得搖擺度誤差與俯仰度誤差； 二 據此，將直度誤差量測單元、角产 一 同設置於機台之移動處二 L結Γ共進订機台量測後’即可同時獲得單轴五自由度誤 :申請專利範圍第1項所述-種檢測-維五自由度誤差系 、、、’其中该光源發射端可設置、〜“ 則可設置於機台之移動處上。口之固疋處上，而反射端 如申明專利範圍第1項所述一種檢測-維五自由度誤差系 \ 17 200804756 ’其中該光源發射端設置於機台之移動處上，反射端設置 機台之固定處的内部或外部 4.利範圍第1項所述-種檢測-維五自由度誤差系 、、先，其中該光源發射端可設置於機台之固定處的内部或外 部，而反射端則可設置於機台之移動處上。 s· μ請專利範圍第μ所述之雙光束雷射干涉儀檢測直度 誤差之系統，其中該角度量測光路組件，可包括：

   田射光源供應益，係、為發射雷射光源至偏極分光鏡用； 偏極分光鏡，係與雷射光源供應器相對應，係為讓振動方向 90度的光反射，振動方向〇度的光直接穿透； 雙凸透鏡，係將一發散之光束通過可將其準直，一準直光束 通過可將其聚焦； 像散透鏡’係供光源通過，並產生像散光源至光電式位置感 測器； ~ 光電式位置感測器，係為接收通過像散透鏡之光源而取得檢 測結果，並供角度量測光路組件量測平面反射鏡之角度誤 差。 ^申請專職圍第！項所狀雙光束雷射干㈣檢測直度 誤差之系統，其中該角度量測光路組件，可包含： 雷射光源供應器，係為發射雷射光源至偏極分光鏡用； 偏極分光鏡，係與雷射光源供應器相對應，係為讓振動方向 90度的光反射，振動方向〇度的光直接穿透； 準直透鏡，係將一發散之光束通過可將其準直，一準直光束

   18 200804756 * ) ! 通過可將其聚焦； 光電式位置感測器，係為接收準直透鏡之準直光束而取得檢 測結果，並供角度量測光路組件量測平面反射鏡之角度誤 差。 又口、 =請料miu丨韻狀雙光束雷射干耗檢測直度 誤差之系、统其中遠角度量測光路組件，可採議光學讀寫 - 頭。 19