TW201619570A - 具五軸量測功能之掃描探頭 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種具五軸量測功能之掃描探頭，係包括上、下基座，各具有一第一固定面及一第二固定面且係由四個Z軸彈片相連接，上基座設有一雷射二極體，第一固定面設有一維位置感測器，第二固定面設有二維位置感測器，又於第一固定面與第二固定面之間設有一分光鏡與一球透鏡；一設有一XY彈片之固定架，其中XY彈片連接有一微細樑、一探針及一頂針，又於XY彈片之上方設有一反射鏡；一探針機構，具有一第一定位件及一第二定位件，分別組設於XY彈片；以及一AC旋轉軸。

Description

具五軸量測功能之掃描探頭

     本發明係有關於一種具五軸量測功能之掃描探頭，尤其係指一種具有低成本、高精度、低觸力與五軸量測功能之掃描探頭，其可運用於精密機械量測領域，達到複雜曲面之量測。

     按，隨著科技的發展，小型化與複雜的零件需求越來越多，從近幾年來正熱門的車銑複合機、五軸加工機就是為滿足這些需要，不斷蛻變而生的產品。現今CNC數控工具機加工速度來說，在三次元量測儀上量測複雜工件的速度顯然無法跟上。傳統上，由於三次元量測儀使用固定式量測探頭來掃描表面，因此存在著動態性能的限制，當超過這個限制時，將無法正確得知三維尺寸。

     目前，已有相關業者針對上述問題加以研發，例如中華民國專利公告第352158 號揭示「 一種多功能光學接觸式量測儀」，其係包括一組電射相位法干涉儀，二組滾輪組，二組量測力調整裝置，一組單向位移測桿，一組雙向位移測桿，一工作平台及垂直升降台，其特徵在於該電射相位法干涉儀分別偵測該單向位移測桿組及該雙向位移測桿組之位移量；該單向位移測桿組及該雙向位移測桿組各利用一組量測力調整裝置；該雙向位移測桿組使用之探針係可更換者。

     德國Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）（“Development of a Special CMM for Dimensional Metrology on Microsystem Components”, Proc. of the 2000 Annual Meeting of the ASPE, Scottsdale, USA, pp. 361-364, Oct, 2000.）改良商業用的三次元量測機台，配合所架設可同時量取位置與角度的雷射干涉儀製作出一特殊三次元量測儀(Coordinate Measuring Machine，簡稱CMM)，其量測範圍為25×40×25 mm³ 與小於0.1μm的量測不確定度，且該機台於Z方向同時安裝兩個Z軸運動機構，其中一軸架設一利用光纖末端自行形成所謂的探針(probe pin)作為量測接觸圓球，此圓球的直徑為25μm，在配合光路設計與感光耦合元件（CCD）取像後，此2D與3D光纖接觸式量測探頭具0.1μm的量測不確定度與小於1μN的探頭接觸力；另一軸則架設一利用矽薄膜製作成突出形狀的3D量測探頭，經由磁觸探針使突出處受力變形，進而由突出處的壓電感應元件輸出量測資訊，此探頭具1 mm的量測範圍與80 nm的量測不確定度。

     另，韓國Advanced Institute of Science and Technology (“New Design of Precision CMM based upon Volumetric Phase-Measuring Interferometry”, Annals of the CIRP, Vol. 50, No. 1, pp. 357-360, 2001.)利用相移干涉技術製作成一超精密三次元量測儀(Ultra Precision CMM)，該系統使用三組雷射干涉儀、光纖、PZT構成一相移干涉系統，而經由CCD通過尋找參考表面和待測表面二束反射光產生的干涉圖形上，所有座標(x,y,z)處的相位值，可確定出待測物的表面輪廓。該系統具有300×300×300 mm³ 的量測範圍與30 nm的量測不確定度。

     然，目前市面上所開發的量測儀機台，其成本皆居高不下，因此如何研發出具有低成本及高精度優點之量測儀，乃成為本發明人思及之方向。

     今，發明人即是鑑於上述現有之量測儀於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

     本發明主要目的為提供一種具五軸量測功能之掃描探頭，其係指一種具有低成本、高精度、低觸力與五軸量測功能之掃描探頭，掃描探頭整體結構以XY軸系統與Z軸系統結合而成，其特色為限制整個探頭機構僅有三個自由度(X與Y方向旋轉、Z軸位移)，並採用伺服馬達作為驅動器的AC旋轉軸(A軸與C軸)，以精密滾珠軸承為導引元件，搭配編碼器做為回授控制，使本發明可運用於精密機械量測領域。

     為了達到上述實施目的，本發明一種具五軸量測功能之掃描探頭，其係包括一上基座及一下基座，各垂直設有一第一固定面及一第二固定面且係由四個Z軸彈片相連接，其中於上基座、第一固定面及第二固定面各設有一穿槽，上基座之穿槽設有一雷射二極體（Laser Diode），第一固定面之穿槽外側設有一一維位置感測器，第二固定面之穿槽外側設有一二維位置感測器，又於第一固定面與第二固定面之間設有一分光鏡，且分光鏡與第一固定面之穿槽間設有一球透鏡；一設有一XY彈片之固定架，其中XY彈片連接有一微細樑、一探針及一頂針，又於XY彈片之上方設有一反射鏡；以及一探針機構，具有一第一定位件及一第二定位件，分別由XY彈片之上方及下方組設於固定架。上述掃描探頭係進一步設有AC旋轉軸，係由一連接桿連接至上基座。

     於本發明之一實施例中，XY彈片設有複數個穿孔、第一定位件設有複數個定位塊、以及第二定位件設有複數個凹槽，第一定位件之複數個定位塊係由XY彈片之複數個穿孔上方對應穿設，以容設於XY彈片下方之第二定位件之複數個凹槽。

     於本發明之一實施例中，第一定位件及第二定位件分別設置一磁鐵。

     於本發明之一實施例中，探針之頂端係設有一圓球。

     於本發明之一實施例中，探針機構之第一定位件設有一中央穿孔以由XY彈片之頂針組設於固定架上，且頂針遠離XY彈片之一端係抵設於下基座。

     本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

     首先，請參閱第一圖~第四圖及第九圖，為本發明較佳實施例之立體結構、XY 軸系統、Z軸系統與探針機構示意圖，具五軸量測功能之掃描探頭係包括：一上基座(1)及一下基座(2)，兩者分別垂直設有一第一固定面(11)及一第二固定面(21)且係由四個Z軸彈片(3)相連接，其中於上基座(1)、第一固定面(11)及第二固定面(21)各設有一穿槽(12)，上基座(1)之穿槽(12)設有一雷射二極體(13)，第一固定面(11)之穿槽(12)外側設有一一維位置感測器(4a)，第二固定面(21)之穿槽(22)外側設有一二維位置感測器(4b)，又於第一固定面(11)與第二固定面(21)之間設有一分光鏡(5)，再於分光鏡(5)與第一固定面(11)之穿槽(12)間設有一球透鏡(6)(如第六圖)；

     一設有一XY彈片(71)之固定架(7)， XY彈片(71)連接有一微細樑(71b)、一探針(72)及一頂針(73)，探針(72)之頂端係設有一圓球(72a)，又於XY彈片(71)之上方設有一反射鏡(8) (如第六圖)；

     一探針機構(9)，具有一第一定位件(91)及一第二定位件(92)，分別由XY彈片(71)之上方及下方組設於固定架(7)，其中又可於第一定位件(91)及第二定位件(92)上分別設置一磁鐵；以及

     一AC旋轉軸(A)(第九圖)，係由一連接桿(A3)連接至掃描探頭上基座(1)。

     於本發明之一態樣中，XY彈片(71)設有複數個穿孔(71a)、第一定位件(91)設有複數個定位塊(91a)、以及第二定位件(92)設有複數個凹槽(92a)，第一定位件(91)之複數個定位塊(91a)係由XY彈片(71)之複數個穿孔(71a)上方對應穿設，以容設於XY彈片(71)下方之第二定位件(92)之複數個凹槽(92a)；又，第一定位件(91)更設有一中央穿孔(93)以供頂針(73)穿設，並使頂針(73)遠離XY彈片(71)之一端係抵設連結於下基座(2)；

     此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。

     簡言之，本發明掃描探頭的研製主要分為三個部分，分別為機構設計與光路設計，加上旋轉機構設計；在機構設計上，分別為XY軸系統、Z軸系統與探針機構三個部分。XY軸系統採用微細樑(71b)之設計，並在結構中心安裝一頂針(73)，使其達成只有二自由度之特色，Z軸系統利用Z軸彈片(3)來帶動Z軸垂直移動。光路設計則選用雷射二極體(13)作為光源，並搭配位置感測器作為感測元件使用。

     請參閱第二圖，XY軸系統中的XY彈片(71)之設計理念來至於微細樑(71b)之彎曲變形，此結構係藉由探針(72)頂端圓球(72a)所受之力量，使結構產生角度的變化。由於掃描式探頭與接觸式探頭接觸工件方式不同，所以接觸力也會有所不同，過大的接觸力不僅會造成待測物的塑性變形，也會造成XY彈片(71)的塑性變形或是產生破壞，過小的接觸力會容易使XY彈片(71)受自然頻率影響，因此必須針對所需之接觸力來設計彈片的長、寬、高之尺寸大小。此結構設計方式可將自由度限制為三個，分別為X與Y軸旋轉，Z軸位移，但在設計上，XY彈片(71)Z軸的位移會影響Z軸系統，而使Z軸系統產生誤差，因此在結構中心安裝一頂針(73)，此頂針(73)可以限制XY軸系統之Z軸位移，將整體XY軸系統之自由度限制為兩個。

     請參閱第三圖，Z軸系統的設計係使用四片長薄彈片作為帶動元件，將上下兩基座用四片長薄Z軸彈片(3)加以連接，上基座(1)保持固定不動，透過探針(72)頂端圓球(72a)受力之後，因XY軸系統之頂針(73)限制XY軸系統只有兩自由度(X與Y軸旋轉)，這樣一來Z軸位移量將傳遞至Z軸系統，使Z軸系統只有Z軸方向位移，自由度將限制為一個，所需之接觸力也能控制在所設計範圍之內，例如第五圖為Z軸位移示意圖。當使用掃描探頭作量測時，有時候會因為待測物的幾何限制或是材料不同，而必須更換適合之探針(72)，因此本發明設計一探針機構(9)，如第四圖所示，此機構分為第一定位件(91)及第二定位件(92)上下兩部分，係分別安裝至XY彈片(71)的上下兩側，並在上面第一定位件(91)的部分設置定位塊(91a)，以方便安裝時定位之用，而在第一定位件(91)及第二定位件(92)又分別設置磁鐵，以利快速更換不同探針(72)使用。

     請參閱第六圖，本發明較佳實施例之光路設計配置圖，在此使用之光學元件為雷射二極體(13)（Laser Diode）、分光鏡(5)（Beamsplitter）、一維位置感測器(4a)（1D-PSD）、二維位置感測器(4b)（2D-PSD）、反射鏡(8)（Mirror）與球透鏡(6)（Ball Lens）。整體光路流程為雷射二極體(13)發射光束，當經過分光鏡(5)時，光束會分為兩道，一道光束會經由球透鏡(6)聚焦，投射至一維位置感測器(4a)上，當探頭做垂直上下移動時，一維位置感測器(4a)將感測垂直上下移動之位移；另一道光束則會投射至探針機構(此圖未標示)上的反射鏡(8)上，光束經由反射鏡(8)反射至分光鏡(5)，再經由分光鏡(5)投射至二維位置感測器(4b)上，探針機構如產生角度變化，便可使光點產生位移，藉此得知探針(72)底端圓球(72a)之XY軸位移變化量。當有位移產生時，一維位置感測器(4a)與二維位置感測器(4b)便會產生電流訊號，經過訊號處理器處理過後，將電壓之變化與位移距離經過比對後便能得知兩者間的關係，藉此得知探針(72)前方圓球(72a)之位移。

     進一步地，利用的ANSYS 軟體進行有限元素分析，元素種類採用Soild186 20個節點立體結構元素作為元素種類來進行分析，首先建立探頭幾何模型，設定與實際相同之邊界設定，再經由網格化之程序，建構有限元素模型，最後執行靜態分析，以判斷結構是否符合設計之要求。掃描探頭所使用之材料為鋁合金和工具鋼，XY彈片(71)和Z軸彈片(3)使用工具鋼材料，其餘皆使用鋁合金材料，材料之參數如表1所示。

     表1  

     掃描探頭的量測範圍、接觸力與彈片降伏應力皆必須設計在所設定範圍之內，為了達到低觸力與大範圍的量測，因此在研究上設定X、Y 與 Z 軸三軸接觸力均為0.2 N/mm，使X、Y軸之量測範圍為±1 mm，Z 軸量測範圍為+1 mm當作分析上之一準則。將條件設為分別對探球X、Y 與 Z 軸三軸施加相等力量，使探球位移1 mm ，找出較為接近之數據，以判斷分析之結果是否符合設計之要求。ANSYS 模擬後之位移分析情況如第七圖和第八圖所示，僅舉出X 軸位移及Y軸位移之分析示意圖，表2為位移分析之結果，表3為應力分析之結果。

     表2  

     表3  

     請再參閱第九圖，上述掃描探頭進一步設有旋轉機構，其係根據五軸加工機設計的原理，將兩個旋轉軸A軸(A1)與C軸(A2)加入自行研製的掃描探頭上。此設計能達到獨立量測，並使CMM在移動時，且因本身結構、重量所導致的動態誤差降到最小，也消除了三軸掃描系統通常具有的動態量測誤差。旋轉機構之AC旋轉軸(A)係採用伺服馬達作為驅動器，以精密滾珠軸承為導引元件，並搭配編碼器做為回授控制，使其可以達到複雜曲面量測。

     由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點:

     1.本發明採用自行研製之掃描式探頭，其僅有三自由度運動，可降低結構間耦合運動誤差，且減少感測器的使用數目，使整體的成本降低。

     2.本發明之探針機構在第一定位件及第二定位件的部分設置定位塊以及對應之凹槽，以方便安裝時定位之用，又在第一定位件及第二定位件分別設置磁鐵，故當使用者因待測物的幾何限制或是材料不同，而必須更換適合之探針時，可快速更換不同探針使用。

     3.本發明進一步加裝AC旋轉軸，可達到獨立量測，使機台之動態誤差降到最小。

     綜上所述，本發明之具五軸量測功能之掃描探頭，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

     惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧上基座
(11)‧‧‧第一固定面

(12)‧‧‧穿槽
(13)‧‧‧雷射二極體

(2)‧‧‧下基座
(21)‧‧‧第二固定面

(22)‧‧‧穿槽
(3)‧‧‧Z軸彈片

(4a)‧‧‧一維位置感測器
(4b)‧‧‧二維位置感測器

(5)‧‧‧分光鏡
(6)‧‧‧球透鏡

(7)‧‧‧固定架
(71)‧‧‧XY彈片

(71a)‧‧‧穿孔
(71b)‧‧‧微細樑

(72)‧‧‧探針
(72a)‧‧‧圓球

(73)‧‧‧頂針
(8)‧‧‧反射鏡

(9)‧‧‧探針機構
(91)‧‧‧第一定位件

(91a)‧‧‧定位塊
(92)‧‧‧第二定位件

(92a)‧‧‧凹槽
(93)‧‧‧中央穿孔

(A)‧‧‧AC旋轉軸
(A1)‧‧‧A軸

(A2)‧‧‧C軸
(A3)‧‧‧連接桿

     第一圖：本發明較佳實施例之立體結構示意圖。

     第二圖：本發明較佳實施例之 XY 軸系統示意圖。

     第三圖：本發明較佳實施例之Z軸系統示意圖。

     第四圖：本發明較佳實施例之探針機構示意圖。

     第五圖：本發明較佳實施例之Z軸位移示意圖。

     第六圖：本發明較佳實施例之光路設計配置圖。

     第七圖：本發明具體實施例之X 軸位移之分析示意圖。

     第八圖：本發明具體實施例之Y 軸位移之分析示意圖。

     第九圖：本發明具五軸量測功能之掃描探頭示意圖。

(1)‧‧‧上基座

(11)‧‧‧第一固定面

(12)‧‧‧穿槽

(13)‧‧‧雷射二極體

(2)‧‧‧下基座

(21)‧‧‧第二固定面

(3)‧‧‧Z軸彈片

(4a)‧‧‧一維位置感測器

(4b)‧‧‧二維位置感測器

(5)‧‧‧分光鏡

(7)‧‧‧固定架

(72)‧‧‧探針

(72a)‧‧‧圓球

Claims (5)

1. 一種具五軸量測功能之掃描探頭，係包括： 　　一上基座及一下基座，分別垂直設有一第一固定面及一第二固定面且係由四個Z軸彈片相連接，其中於該上基座、該第一固定面及該第二固定面各設有一穿槽，該上基座之穿槽設有一雷射二極體，該第一固定面之穿槽外側設有一一維位置感測器，該第二固定面之穿槽外側設有一二維位置感測器，又於該第一固定面與該第二固定面之間設有一分光鏡，且該分光鏡與該第一固定面之穿槽間設有一球透鏡； 　　一設有一XY彈片之固定架，其中該XY彈片連接有一微細樑、一探針及一頂針，又於該XY彈片之上方設有一反射鏡； 　　一探針機構，具有一第一定位件及一第二定位件，分別由XY彈片之上方及下方組設於該固定架；以及 　　一AC旋轉軸，係由一連接桿連接至該上基座。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之五軸量測功能之掃描探頭，其中該XY彈片設有複數個穿孔、該第一定位件設有複數個定位塊、以及該第二定位件設有複數個凹槽，該第一定位件之複數個定位塊係由該XY彈片之複數個穿孔上方對應穿設，以容設於該XY彈片下方之該第二定位件之複數個凹槽。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之五軸量測功能之掃描探頭，其中該第一定位件及該第二定位件分別設置一磁鐵。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之五軸量測功能之掃描探頭，其中該探針之頂端係設有一圓球。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之五軸量測功能之掃描探頭，其中該探針機構之第一定位件設有一中央穿孔以由該XY彈片之頂針組設於該固定架，且該頂針遠離該XY彈片之一端係抵設於該下基座。