TW201341757A - 設有用於補償因線性轉換器之標度之熱膨脹而導致的量測錯誤的系統的量測機 - Google Patents

Abstract

一種量測機，其包含一沿著一軸移動的構件，一與該軸平行地延伸的光學標度，一第一讀取頭，其係由該移動構件承載並與該光學標度相配合，一由該移動構件承載的附加感應器，以及一與該第一讀取頭及與該附加感應器相配合的處理單元用於探測與該光學標度之熱膨脹之狀態相關聯的資料。

Description

設有用於補償因線性轉換器之標度之熱膨脹而導致的量測錯誤的系統的量測機

本發明係有關於設有用於補償因線性轉換器之標度之熱膨脹而導致的量測錯誤的系統的量測機。

如為所知，量測機器包含為了於一量測容積中置換一量測感應器而沿著座標軸移動的構件。典型地，該等移動構件係由相對於一工作台沿著一第一軸移動的一第一托架，藉由該第一托架承載並相對於該第一托架沿著與該第一軸正交的一第二軸移動的一第二托架，以及由該第二托架承載並相對於該第二托架沿著與第一及第二軸正交的一第三軸移動的一心軸所組成。

該等移動構件之位移一般地係經由一轉換器所探測，該轉換器包含一標度其係沿著運動軸固定至支撐與引導構件，以及一讀取頭係固定至該移動構件並與該標度相配合以沿著該運動軸探測該等座標。該轉換器可為一光學、電容性或是感應性型式或一些其他的型式。例如，在一光學轉換器的例子中，該標度係配置具有一系列之固定 間隔的凹口(例如20微米)，係由讀取頭14探測並由與讀取頭相結合的邏輯元件“計數”。

量測機一般地係配備用於補償因各種原因(該等導件的幾何錯誤，該機器的該等移動構件之靜態或動態變形，該等構件之熱膨脹等)造成的量測錯誤的系統。

通常，亦設想該轉換器之該標度的熱膨脹之補償，其係根據溫度之量測以及該標度之膨脹係數的知識。為此目的，該後者較佳地係以具有低熱膨脹係數的一材料製成，或是任何具有一合格熱膨脹的一材料之例子，其係昂貴的。

本發明之目標在於製造一量測機其配置具有用於補償因線性轉換器之標度之熱膨脹而導致的量測錯誤的一可交替系統，以及用於補償該等錯誤的方法。

前述目標係藉由申請專利範圍第1項之機器及申請專利範圍第7項之方法而達成。

1‧‧‧座標量測機

2‧‧‧工作台

3‧‧‧頂部表面

5‧‧‧托架

6,7‧‧‧直立部分

8‧‧‧交叉構件

9‧‧‧馬達驅動滑動部分

10‧‧‧導件

11‧‧‧第二托架

12‧‧‧心軸

14‧‧‧讀取頭/光學標度

15‧‧‧第一讀取頭

16‧‧‧系統

17‧‧‧凹口

18‧‧‧參考標誌

19‧‧‧處理單元

20‧‧‧第二讀取頭

21‧‧‧桿條

24‧‧‧距離感應器

25‧‧‧固定參考

26‧‧‧點

30‧‧‧光學探測器

31‧‧‧賦能信號

D‧‧‧距離

D_ref‧‧‧距該固定參考的距離

D_T‧‧‧距離

E‧‧‧位移

FS‧‧‧標度因數

L1,L2‧‧‧讀數

S‧‧‧數值

T‧‧‧作業溫度

T_ref‧‧‧參考溫度

為了對本發明有較佳的瞭解，於以下藉由非限定實例並相關於該等附加的圖式說明三較佳的具體實施例，其中：圖1係為配置具有一光學標度及一用於補償因該光學標度之熱膨脹而導致的量測錯誤的一系統之一量測機的一概略透視圖；圖2係為圖示該補償系統的一第一具體實施例的一示 意圖；圖3係為在一第一作業狀況下該補償系統的一第二具體實施例的一概略圖解；圖4係圖示在一第二作業狀況下圖3之該系統；圖5係為在一第一作業狀況下該補償系統的一第三具體實施例的一概略圖解；以及圖6係圖示在一第二作業狀況下圖5之該系統。

相關於圖1，整體而言以元件符號1標示一座標量測機。該機器1包含一個配置具有一水平平面的頂部表面3或參考表面的工作台2。該機器1進一步包含一馬達驅動的托架5，其係在該工作台2上沿著該量測容積之一直角座標參考系統X、Y、Z的一第一水平軸(軸Y)滑動。

該托架5具有一橋接結構並包含二直立部分6、7及一在該等直立部分6、7之該等頂部端之間延伸的頂部水平交叉構件8。

該直立部分6包含位在該底部的一馬達驅動滑動部分9其係在與該Y軸平行的導件10上滑動並係以一熟知的方式，配置在該工作台2之一頂部縱向邊緣的鄰近區域。

該交叉構件8承載一第二托架11，該托架係設計在與該參考系統之一第二軸(X軸)平行的一方向上沿著導件(未圖示)於該交叉構件上滑動。

該第二托架11承載一具有垂直軸的心軸12，沿著其之與該參考系統之一第三軸(Z軸)平行軸移動。該心 軸12係經設計以於底部承載一量測感應器(未圖示)。

該機器1包含，針對每一軸，一用於探測位在該軸本身上該相對應的移動構件之位置的線性轉換器。特別地相關於該托架5及該Y軸，該線性轉換器包含一與該Y軸平行地固定至該工作台2的光學標度14(見圖1中放大之細節)，以及一固定至該滑動部分9並與該光學標度14相配合的第一讀取頭15。

該光學標度14具有，於一所熟知方式，以規則間隔分開地，例如每20微米，晶格形式佈置的凹口17，以及複數之參考標誌18係以較大間隔分開地佈置，例如50公厘或100公厘，只有其中之一者於圖2中可見，其可用於重置該讀取頭15。

根據本發明，該機器1包含一個用於確定及補償由於該光學標度14之熱膨脹所造成之量測錯誤的系統16。該系統16基本上包含安裝在該滑動部分9上的一附加感應器及連接至該第一讀取頭14以及該附加感應器的一處理單元19。

於圖2中所圖示的該具體實施例中，該附加感應器係由與該光學標度14相結合的一第二讀取頭20組成。

該第一及第二讀取頭15、20係沿該Y軸相互間隔開一段已知距離D。至於該距離D係為已知能夠視為大體上能夠隨著溫度變化或其他與之熟知的方式變化時而固定不變。例如，該二讀取頭15、20可安裝在具有一極低熱膨脹係數之材料製成的一桿條21上，諸如Zerodur®(Schott AG之註冊商標)，或其他具有一已知熱膨脹係數的一材料。桿條21係方便地安裝在滑動部分9上，俾以使能夠在滑動部分9與該桿條本身之間有不同的熱膨脹。

用於補償由於所圖示該實例中該光學標度14之熱膨脹而導致的量測錯誤的方法係於以下描述。

於該第一處所，該等讀取頭15及20係在該光學標度14上之同一個參考標誌18處經重置。為此目的，該托架5係連續地移動進入一第一位置於該處藉由該第一讀取頭15讀取該標誌18，以及移動進入一第二位置於該處藉由該第二讀取頭20讀取該標誌18。

一旦該二讀取頭15、20已在相同標誌18上經重置，該托架5即係移動進入與之前者(圖2)區別的一第三位置。每一讀取頭15、20探測其自身位在該光學標度14上的位置。介於二讀取頭15、20之間的距離因此可加以計算作為介於各別讀數L1、L2之間的差異。

藉由比較已知的距離D值與該等讀數L1及L2之間的差異，能夠計算一標度因數SF=D/(L1-L2) [1]

利用該因數可修正在該量測步驟中藉由該機器探測的該等座標。

在D並非隨著溫度為固定不變的例子中，方程式[1]變為SF=D_ref．(1+α(T-T_ref))/(L1-L2) [2]

其中該D_ref是在參考溫度T_ref下，例如20℃的D值。

於圖3中圖示的該具體實施例中，該附加感應器係由經組配用於量測距一固定參考25的該段距離的距離感應器24構成，其係相對於該光學標度14之一點26為固定，該點係相對於該機器1之該工作台2為固定的。

此具體實施例，就該距離感應器係較一讀取頭為低廉而言其係較先前之具體實施例更具經濟利益，要求在參考溫度T_ref的情況下初始校準的一作業(圖2)，其中該距該固定參考的距離D_ref係藉由該距離感應器利用該托架5將該讀取頭15設定在一參考標誌18處加以測量。

在作業溫度T的狀況下(圖4)，於完成一量測循環之前，本發明之該方法擬想該等步驟：-在一作業溫度T下，設定該托架5將該讀取單元15位在該參考位置中；-在該作業溫度T下，藉由該距離感應器24量測距該固定參考的該距離D_T；-計算差值S=D_T-D_ref，假設介於該讀取頭15與該感應器24之間的距離係為固定的，係等於該參考標誌18由於熱膨脹相對於光學標度14之固定點26的位移E。

該數值S可用於計算一修正值並藉由該修正值修正由該機器所探測的量測資料。

例如，假若M係在該參考溫度下為該參考標誌18距該固定點26的距離，則該修正值可藉由應用以下算式所計算的一標度因數FS加以定義SF=M/(M-S) [3]

於圖5及6中所圖示者係為本發明之一第三具體實施例，其中該附加感應器係由一光學探測器30構成該探測器經組配俾以產生一賦能信號31供當探測該參考標誌18時，藉由該讀取頭15讀取該光學標度14。易言之，由該讀取頭15讀取該光學標度14係在該光學探測器30橫過該參考標誌18的瞬間“凝結”。

在該參考溫度T_ref及該作業溫度T下，重複該作業。經由該讀取頭之二讀數L_ref及L，能夠確定該標度因數FS=L_ref/L [4]

方程式[3]及[4]係與假設有關藉此介於該讀取頭與附加感應器之間該距離係為固定不變的。在該距離無法被假設為固定不變的而是以一熟知的方式隨著溫度變化的例子中，該等方程式可容易地加以修正。

在每一說明的具體實施例中，該標度因數FS藉由由量測機所作量測構成一修正值並經由處理單元19取得能夠經修正以補償該光學標度因熱膨脹所導致之錯誤。

最後，清楚的是可對於此圖示的該機器1及該補償系統16作修改及變化，並不因而背離於以下申請專利範圍中所界定的保護領域。

特別地，該機器可為與所說明者的樣式不同的型式，該補償系統可被應用於任何機器的移動構件，附加的感應器可為任何型式，以及讀取頭及附加感應器的信號可以任何合適方法處理以產生一或更多的用於補償因光學標度之熱負載而導致的量測錯誤的修正值。

15‧‧‧第一讀取頭

16‧‧‧系統

17‧‧‧凹口

18‧‧‧參考標誌

19‧‧‧處理單元

20‧‧‧第二讀取頭

21‧‧‧桿條

D‧‧‧距離

L1,L2‧‧‧讀數

Claims (10)

1. 一種量測機，其包含至少一在與一軸平行的一方向上移動的構件以及一線性轉換器用於探測該移動構件沿著該軸的位置，該轉換器包含一與該軸平行地延伸的標度以及由該移動構件承載並與該標度相配合的一第一讀取頭，該量測機的特徵在於其包含一系統用於補償因該標度之熱膨脹而導致的測量錯誤，該系統包含一由該移動構件承載的附加感應器以及與該第一讀取頭及該附加感應器相配合的處理裝置俾用於探測與該標度之熱膨脹的狀態相關聯的資料。
2. 如申請專利範圍第1項之量測機，其之特徵在於該附加感應器係由一與該標度相配合的一第二讀取頭所構成。
3. 如申請專利範圍第2項之量測機，其之特徵在於該第一及第二讀取頭係沿著該軸相互間隔開一段距離，該距離係未隨著溫度變化或是以一相隨之已知方式變化。
4. 如申請專利範圍第2或3項之量測機，其之特徵在於該第一及第二讀取頭係相對於在該標度上設定的一共同參考標誌而重置。
5. 如申請專利範圍第1項之量測機，其之特徵在於該附加感應器係由一距離感應器構成，該距離感應器係經組配用於量測距一固定參考的該段距離，該固定參考相對於該標度之一固定點為固定的。
6. 如申請專利範圍1項之量測機，其之特徵在於該附加感 應器係由一探測器構成，該探測器經組配用於探測位在該標度上的一參考標誌，該處理裝置係經組配用於記錄當該探測器探測該參考標誌時該第一讀取頭之該讀數。
7. 一種用於修正因一量測機中的一線性轉換器之一標度之熱膨脹而導致的量測錯誤的方法，該量測機包含至少一在與該標度平行的一方向上移動的構件以及一由該移動構件承載並與該標度相配合的第一讀取頭，該方法之特徵在於其使用一由該移動構件承載的附加感應器以及與該第一讀取頭及該附加感應器相配合的處理裝置俾用於探測與該標度之熱膨脹的狀態相關聯的資料。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該附加感應器係由一與該標度相配合的一第二讀取頭所構成並設置距該第一讀取頭一段距離，其未隨著溫度變化或是以一相隨之已知方式變化，該方法包含以下步驟：- 設定該移動構件位於一第一重置位置並將該第一讀取頭位在該標度之一參考標誌處；- 設定該移動構件位於一第二重置位置並將該第二讀取頭位在該標度之該相同的參考標誌處；- 設定該移動構件位於一第三重置位置；- 根據位在該第三位置的該第一與第二讀取頭之讀數來計算介於該第一與第二讀取頭之間的距離；- 藉由將根據位在該第三位置的該第一與第二讀取頭之讀數計算而得之該距離與已知或是隨溫度變化計算而得的該距離之值比較，計算出至少一修正值；以 及- 藉由該修正值來修正由該量測機所探測的該量測資料。
9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該附加感應器係由一距離感應器構成，該距離感應器係經組配用於量測距一固定參考的該段距離，該固定參考相對於該標度之一固定點為固定的，該方法包含以下步驟：- 在參考溫度之狀況下設定該移動構件並將該第一讀取頭位在一參考位置；- 在參考溫度之該狀況下藉由該距離感應器量測距該固定參考的該距離；- 在一作業溫度下設定該移動構件並將該第一讀取頭位在該參考位置；- 在該作業溫度之狀況下藉由該距離感應器量測距該固定參考的該距離；- 根據在該參考溫度及在該作業溫度下所探測的該等距離值計算出至少一修正值；以及- 藉由該修正值來修正由該量測機所探測的該量測資料。
10. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該附加感應器係由一探測器所構成，該探測器係經組配用於探測位在該標度上的一參考標誌，該方法包含以下步驟：- 在參考溫度之狀況下，在感應藉由該探測器探測該參考標誌之後利用該第一讀取頭取得一第一讀數； - 在作業溫度之狀況下，在感應藉由該探測器探測該參考標誌之後利用該第一讀取頭取得一第二讀數；- 根據該第一及第二讀數計算出至少一修正值；以及- 藉由該修正值來修正由該量測機所探測的量測資料。