TW201711796A - 工具機旋轉軸定位精度檢測裝置與方法 - Google Patents

Abstract

工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，是在工具機主軸安裝一感測模組，在工具機的旋轉平台設置一圓球，以感測模組偵測圓球在旋轉平台旋轉後的任意三位置計算出參考軸心，接著以參考軸心與圓球初始位置的關係計算出待測位置公式，將圓球由零點旋轉角度至待測點，接著依公式位置移動感測模組並量測圓球，將線性光學尺與圓球偏離圓心的數值相加得出待測點的實際座標，算出旋轉平台的實際軸心，以實際軸心、零點與實際座標計算出零點旋轉至待測點的實際角度，接著求得角度定位誤差輸入工具機的控制器，達到旋轉軸定位精度檢測的功效。

Description

工具機旋轉軸定位精度檢測裝置與方法

本發明係涉及一種檢測裝置，尤指一種檢測並校正多軸工具機旋轉軸定位精度的檢測裝置。

近年來許多傳統工具機的加工維度從原本的三軸提升至多軸、複合式的設計，甚至達到成為高精度、長行程的龍門機台加工機，在上述的工具機設備中，多軸工具機都擁有多個旋轉件，少則一至兩個，多則至六個以上，將愈來愈多的旋轉元件運用於機械設備是產業上的趨勢，因此旋轉元件的旋轉軸的定位精度，在未來的精密機械加工設備上將會扮演相當重要的角色。

關於工具機旋轉元件的精度，在國際標準組織(International Organization for Standardization,ISO)的草案規範中，記載了五軸工具機旋轉元件的雙向定位精度必須在16角秒(arc-sec)以內的標準，為達到此標準的要求，建立偵測、補正工具機旋轉元件精度的檢測與技術，是提升產品的品質至符合國際標準的最有效與最直接的方式。

量測工具機的系統，已經發展相當久的歷史。以下分別介紹目前常見的五軸加工機檢測旋轉平台轉動誤差的技術，與該些現有技術存在的問題：

1、量測加工中心偏擺角或傾斜軸的量測工具(API角度分割儀Swivel check)，是利用水平儀架設於上轉盤，上轉盤架設於工具機傾斜軸上，工具機旋轉一角度，上轉盤反轉一相同角度，在量取水平儀之誤差值則為工具機傾斜軸角度定位誤差，此檢測技術只適用於傾斜軸。

2、無線旋轉軸校正儀，是利用外部一高精度旋轉平台搭配雷射干涉儀作為量測基準，檢測上轉盤與下工具機旋轉軸誤差，將外部旋轉平台架設於工具機旋轉軸上，此時在旋轉軸上輸入一正轉訊號時，利用外部高精度旋轉平台輸入一相同的反轉訊號，再利用外部干涉儀檢測兩個旋轉軸相對誤差，由於是以外部的旋轉軸作為對比，因此只能量測兩旋轉軸之間的光學編碼器或線性光學尺誤差。

3、自動視準儀搭配12面或24面稜鏡，利用測量光源經多面稜鏡反射後所產生極小的角度原理，可以檢測出分度盤與轉盤的角度誤差，但由於12面或24面稜鏡本身就存在著各面相對角度的誤差，且12面或24面稜鏡中心和分度盤與轉盤軸中心需吻合否則會造成一弦波誤差。

綜上所述，可得知現有用於多軸工具機的旋轉角度檢測裝置，主要是以外加的專用儀器檢測角度誤差，或者以內、外部旋轉軸的相對比較來計算結果，且架設時間過長，如何針對多軸工具機的旋轉平台進行誤差的量測且進行補償，是當前重大需要改進的關鍵技術。

本發明有鑑於現有檢測多軸工具機旋轉軸的裝置，都需要架設於工具機外部的儀器需要寬廣的量測環境，且架設時間冗長，特經過不斷的試驗與研究，終於發展出一種能改進現有缺失之本發明。

本發明主要在於提供一種工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，是設置在一工具機，該工具機設有一線性光學尺，並且包括：一感測模組，該感測模組設有一懸吊座，在該懸吊座的頂部設有一連接桿，以該連接桿結合在該工具機，在該懸吊座安裝兩感測器，該兩感測器的感測方向交錯，將前述感測方向交錯的區域設為一圓球量測區；一圓球固定組，該圓球固定組設有一磁性座，以該磁性座設置在該工具機，在該磁性座結合一延伸桿，在該延伸桿的自由端結合一圓球，以將該圓球伸入該感測模組的圓球量測區；以及一計算機，該計算機電連接該工具機與該感測模組，接收兩感測器以及該工具機的數據進行程式運算。

進一步，本發明所述的工具機包括一主軸、一旋轉平台，以及一控制器，所述的感測模組以所述的連接桿固定在該主軸的底端，所述的圓球固定座以該磁性座磁吸固定在該旋轉平台，該控制器與所述的線性光學尺電連接，所述的計算機與該控制器電連接。

進一步，本發明所述懸吊座設有一頂板，在該頂板的四周形成四個懸臂，在其中兩相鄰的懸臂設有一儀器支架，又在另兩個懸臂分別設有一光源支架，所述連接桿結合在該頂板的中央，所述感測器結合在各儀器支架，且兩感測器的感測方向交錯為直角，在各光源支架結合一光源。

較佳的，本發明所述的計算機是以無線的方式接收所述兩感測器以及所述工具機的數據。

較佳的，本發明所述的圓球是剛體或玻璃球體。

運用本發明時，是執行工具機旋轉軸定位精度檢測方法，其中涉及計算的部分，是使用計算機進行計算。首先轉動旋轉平台，使該圓球旋轉至任意三點，以工具機帶動該感測模組偵測該圓球位置，讀取任意三點的座標，接著利用最小平方法，求得該旋轉平台的參考軸心的座標，以該參考軸心的座標與該圓球位置的座標，計算出任意一待測位置的座標公式，並以此座標公式生成工具機的進刀路徑。

工具機帶動該圓球沿該進刀路徑移動，並在移動的路徑中任選三個以上的待測點，以該感測模組分別量測位於各待測點時的圓球，將工具機的數據與該感測模組偵測該圓球偏移的數據相加，得出所有待測點的實際座標，並以最小平方法算出實際旋轉中心；最後利用餘弦定理的公式，以前述實際旋轉中心的座標，以及工具機將圓球旋轉一原始角度前、後的起始點與終點的座標數值，計算出旋轉的實際角度，將實際角度減去原始角度，即可得出該旋轉平台的旋轉軸的角度誤差量，至此完成本發明的檢測作業。

本發明對於架設環境上無特別需求，且不需要在機台外部架設儀器，可達到：1、避免誤碰，以及2、無須寬廣作業環境，以感測器任意量取三點計算其軸心位置並以生成路徑的方式來避免掉手動調整軸心的操作，因而有效降低架設時間的功效。

10‧‧‧工具機

11‧‧‧主軸

12‧‧‧旋轉平台

13‧‧‧線性光學尺

20‧‧‧感測模組

21‧‧‧懸吊座

211‧‧‧頂板

212‧‧‧懸臂

213‧‧‧儀器支架

214‧‧‧光源支架

22‧‧‧連接桿

23‧‧‧感測器

24‧‧‧光源

A‧‧‧圓球量測區

30‧‧‧圓球固定座

31‧‧‧磁性座

32‧‧‧延伸桿

33‧‧‧圓球

40‧‧‧計算機

α‧‧‧軸心

b‧‧‧零點

b’‧‧‧待測點

ω‧‧‧零點與X軸的夾角

θ‧‧‧待測點與零點的夾角

圖1是本發明較佳實施例裝置的立體示意圖。

圖2是本發明較佳實施例的感測模組的立體圖。

圖3是本發明較佳實施例的圓球固定組的立體圖。

圖4是本發明較佳實施例方法的步驟流程圖。

圖5是本發明較佳實施例方法的動作示意圖。

圖6是本發明較佳實施例方法的路徑計算公式座標圖。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，玆進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后，請參看圖1至圖3所示，本發明之工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，是在工具機10安裝一感測模組20、一圓球固定組30並設有一計算機40，其中：

該工具機10是數值控制的多軸工具機並包括一主軸11、一旋轉平台12、一線性光學尺13，以及一控制器(圖中未示)；該主軸11可沿Z軸上、下移動，該旋轉平台12可旋轉並且可於X-Y平面移動，該線性光學尺13可量測工具機10沿X軸、Y軸或Z軸移動加工的位置，該控制器與線性光學尺13電連接並可控制工具機10的主軸10以及旋轉平台12的動作。

請參看圖2所示，該感測模組20設有一懸吊座21，該懸吊座21設有一頂板211，該頂板211是十字形且水平設置的板體，在頂板211的四周形成四個懸臂212，在其中兩相鄰的懸臂212的底面分別結合一儀器支架213，又在另兩個懸臂212的底面分別結合一光源支架214，在頂板211中央的頂部結合一連接桿22，該感測模組20以該連接桿22固定在主軸11的底端，在兩儀器支架213分別安裝一感測器23，感測器23可為PSD(位置感測檢測器)、CCD(電荷耦合元件)、CMOS(互補式金屬氧化物半導體元件)、二維感測器等等可感測物體位置訊號的感測器，透過各感測器23可定義出固定於擷取畫 面正中央的影像擷取中心，並計算出攝影物體中心距離影像擷取中心的距離，兩感測器23的感測方向分別平行於工具機10的X軸方向與工具機10的Y軸方向，使得兩感測器23的感測方向交錯為直角，將兩感測器23感測方向交錯的區域設為一圓球量測區A，在兩光源支架214分別安裝一光源24，各光源24的光線分別朝位於相反方向的感測器23的方向照射，提供各感測器23足夠的光線以進行影像的擷取。

請參看圖3所示，該圓球固定組30設有一磁性座31，以該磁性座31磁吸固定在該工具機10的旋轉平台12，於該磁性座31的頂部結合一朝上延伸的延伸桿32，在該延伸桿32的自由端結合一圓球33，該圓球33可為剛體也可以為玻璃球體，該圓球33可伸入該感測模組20的圓球量測區A，以兩感測器23感測該圓球33，判斷圓球33的中心是否位於感測器23的感測中心，或者算出圓球33的中心偏離感測器23的感測中心的距離；本發明是以感測圓球33的方式進行影像的比較計算，因球體轉動前、後的影像沒有差異，只有位置移動時的影像才有變化，因此利用感測圓球33的影像進行前、後影像的比較計算，不會有角度偏差的問題，可減少誤差的產生。

該計算機40與該控制器電連接，該計算機40是以無線或者有線的方式接收兩感測器23的數據、由線性光學尺13量測得出的工具機10加工位置座標的數據，以及該旋轉平台12旋轉角度的數據，配合載入計算機40的程式進行程式運算，將程式運算的結果，提供該控制器進行工具機10旋轉軸角度的補償。

本發明亦提供一種工具機旋轉軸定位精度檢測方法，是利用前述發明的裝置進行工具機旋轉軸定位精度檢測的方法，主要是以工具機 10內部的線性光學尺13配合感測模組20以及圓球固定組30組成的外部感應器，量取工具機10的三維座標，並利用在同一平面的旋轉軸的軸心、零點(以軸心開始旋轉的起始點)和待測點(以軸心由起始點旋轉一角度後到達的點)的三點，就能利用餘弦定理求出旋轉角度的原理，計算出角度；例如在Y-Z平面上的三點可量測出A軸各待測點的旋轉角度，由X-Z平面上的三點可量測出B軸各待測點的旋轉角度，由X-Y平面上的三點可量測出C軸各待測點的旋轉角度。

由於本發明運用在工具機10的A、B或者C三個旋轉軸的方法可以類比，因此本較佳實施例僅以C軸的旋轉軸為例，其餘兩旋轉軸的方法依此類推。請參看圖4的步驟流程圖，配合圖1至圖3所示的構造，說明本發明較佳實施例的方法步驟：

安裝設備：把連接桿22固定在工具機10的主軸11底端，將感測模組20安裝在工具機10的主軸11，並將圓球固定組30的磁性座31磁吸固定在旋轉平台12，使圓球33位於感測模組20與磁性座31之間，將計算機40與感測模組20電連接，又將計算機40與工具機10的控制器電連接。

計算參考旋轉中心：請參看圖1至圖3以及圖5，以圓球33的初始位置為任意第一點，以工具機10的主軸11帶動感測模組20，使圓球33進入圓球量測區A，待兩感測器23的感測中心與圓球33中心重合後，計算機40透過控制器的函式庫與工具機10連結，讀取線性光學尺13偵測的圓球33的座標(X₁、Y₁、Z₁)，接著主軸11帶動感測模組20移開，旋轉平台12旋轉任一角度，使圓球33轉至任意第二點，接著以主軸11帶動感測模組20，重複前述量測的方式，讀取線性光學尺13偵測的圓球33的座標(X₂、Y₂、Z₂)，最 後主軸11帶動感測模組20移開，旋轉平台12再旋轉任一角度，再使圓球33旋轉至任意第三點，接著以工具機10帶動感測模組20，重複前述量測的方式，讀取線性光學尺13偵測的圓球33的座標(X₃、Y₃、Z₃)；以上述圓球33位於任意三點的線性光學尺13偵測的座標，利用最小平方法，經由計算機40運算求得旋轉平台12的參考軸心的座標。

生成量測用的進刀路徑碼：請參看圖6，在C軸的旋轉軸平面上，如圖所示，以該參考軸心α的座標為(0,0)，零點b的座標為(X₀,Y₀)，零點b與X軸的夾角為ω，待測點b’與零點b的夾角為θ，計算待測點b’的座標公式如下：零點b的座標為 ,

待測點b’的座標為 ,

所以待測點b’=(X₀cosθ-Y₀sinθ,X₀sinθ+Y₀cosθ)

將前述待測點b’的座標公式，代入計算機40生成以數位控制代碼(NC-code)寫成的工具機10的進刀路徑，使旋轉平台12帶動圓球33於X-Y平面移動至各個待測點。

求出待測點的實際座標：在前述工具機10的進刀路徑上，先將主軸11沿Z軸上升，以免感測模組20與連接圓球33的延伸桿32產生碰撞，接著將圓球33移動至第一個待測點(X_p以及Y_p)後，主軸11直接沿Z軸下降回原位，使圓球33進入圓球量測區A，接著兩感測器23偵測圓球33的中心距離感測器23的感測中心的X軸方向與Y軸方向的位移量X_e以及Y_e，將工具 機10內部記錄的線性光學尺13的座標加上圓球33的位移量，可得出實際位置，因此第一個待測點的實際座標(X_r,Y_r)=(X_p+X_e,Y_p+Y_e)，接著重複前述的量測方式量測移至第二個待測點以及其他待測點的圓球33，得出第二個待測點的實際座標以及其他待測點的實際座標。

消除待測點傾斜角：在前述求出待測點的實際座標步驟中，由於旋轉平台12有傾斜的可能，因此求得的各個待測點的實際座標需要進行齊次座標轉換，推導出未傾斜的座標位置，齊次座標公式：若兩座標系是旋轉關係，則原座標系統繞X軸、Y軸或Z軸的旋轉角θ角(也就是傾斜角)的齊次旋轉變換矩陣分別為：

上述的θ角，以下述方式求得，是以旋轉平台12將圓球33由0度旋轉至180度，以主軸11移動感測模組20，移動至使圓球33的中心與兩感測器23的感測中心重合時，讀取工具機10的線性光學尺13數值的方式，量測圓球33同在X軸上的兩點(0度和180度)的位置，此時兩點的位置由於Y座標的值相同，因此對Y軸17傾斜角的影響可先忽略，接著將量得的0度的座標、180度的座標以及理想上180度時圓球33應當位置的座標，利用計算機40 代入餘弦定理的公式，可求得θ角，透過計算機40將所有待測點的實際座標經由前述齊次旋轉變換矩陣轉換後，可得出消除傾斜角的實際座標；然而，若旋轉平台12沒有傾斜，則本發明的方法可以跳過消除待測點傾斜角的步驟，直接使用所有待測點的實際座標作為後續的計算。

計算實際旋轉中心：利用最小區域圓法，將三個實際座標代入計算機40運算，求出旋轉平台12的實際旋轉中心的座標(i,j)。

計算角度誤差值：在XYZ直角座標系，以前述實際旋轉中心的座標為(i,j)，將旋轉平台12帶動圓球33旋轉一原始角度，圓球33旋轉前、後與實際旋轉中心之間的長度為b與c，圓球33旋轉前、後的起始點與終點之間的距離為a，以電腦40運算，代入下列餘弦定理的公式：，可得出實際角度為Ω，將Ω減去原始角度即可得出C軸的旋轉軸的角度誤差量，透過電腦40將前述角度誤差量輸入控制器，修正工具機10旋轉軸的角度定位誤差補償值。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術方案的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術方案內容，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10‧‧‧工具機

11‧‧‧主軸

12‧‧‧旋轉平台

13‧‧‧線性光學尺

20‧‧‧感測模組

30‧‧‧圓球固定組

40‧‧‧計算機

Claims (10)

1. 一種工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，是設置在一工具機，該工具機設有一線性光學尺，並且包括：一感測模組，該感測模組設有一懸吊座，在該懸吊座的頂部設有一連接桿，以該連接桿結合在該工具機，在該懸吊座安裝兩感測器，該兩感測器的感測方向交錯，將前述感測方向交錯的區域設為一圓球量測區；一圓球固定組，該圓球固定組設有一磁性座，以該磁性座設置在該工具機，在該磁性座結合一延伸桿，在該延伸桿的自由端結合一圓球，以將該圓球伸入該感測模組的圓球量測區；以及一計算機，該計算機電連接該工具機與該感測模組，接收兩感測器以及該工具機的數據進行程式運算。
2. 如請求項1所述的工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，其中所述的工具機包括一主軸、一旋轉平台，以及一控制器，所述的感測模組以所述的連接桿固定在該主軸的底端，所述的圓球固定座以該磁性座磁吸固定在該旋轉平台，該控制器與所述的線性光學尺電連接，所述的計算機與該控制器電連接。
3. 如請求項1或2所述的工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，其中所述懸吊座設有一頂板，在該頂板的四周形成四個懸臂，在其中兩相鄰的懸臂設有一儀器支架，又在另兩個懸臂分別設有一光源支架，所述連接桿結合在該頂板的中央，所述感測器結合在各儀器支架，且兩感測器的感測方向交錯為直角，在各光源支架結合一光源。
4. 如請求項3所述的工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，其中所述的計算 機是以無線的方式接收所述兩感測器以及所述工具機的數據。
5. 如請求項4所述的工具機旋轉軸定位精度檢測裝置，其中所述的圓球是剛體或玻璃球體。
6. 一種工具機旋轉軸定位精度檢測方法，包括以下步驟：安裝設備：將一感測模組安裝在工具機的主軸，將一圓球固定組結合在工具機的旋轉平台，該圓球固定組設有一懸空的圓球，該工具機是數值控制工具機；計算參考旋轉中心：轉動旋轉平台，使該圓球旋轉至任意三點，以工具機帶動該感測模組偵測該圓球位置，讀取任意三點的座標並利用最小平方法，求得該旋轉平台的參考軸心的座標；生成量測用的進刀路徑碼：以該參考軸心的座標與該圓球位置的座標，計算出任意一待測位置的座標公式，並以此座標公式生成工具機的進刀路徑；求出待測點的實際座標：工具機帶動該圓球沿該進刀路徑移動，並在移動的路徑中任選三個以上的待測點，以位於進刀路徑原位的該感測模組分別量測位於各待測點時的圓球，將工具機的數據與該感測模組偵測該圓球偏移的數據相加，得出所有待測點的實際座標；計算實際旋轉中心：利用最小區域圓法，以所有待測點的實際座標計算出該旋轉平台的實際旋轉中心的座標；以及計算角度誤差值：是以XYZ直角座標系搭配利用餘弦定理的公式，以前述實際旋轉中心的座標，以及工具機將圓球旋轉一原始角度前、後的起始點與終點的座標數值，計算出旋轉的實際角度，將實際角度減去原始角度即可得出該旋轉平台的旋轉軸的角度誤差量。
7. 如請求項6所述之工具機旋轉軸定位精度檢測方法，其中在所述的計算角度誤差值的步驟中，將所述的角度誤差量輸入所述工具機的控制器，修正工具機旋轉軸角度定位誤差補償值。
8. 如請求項7所述之工具機旋轉軸定位精度檢測方法，其中在所述求出待測點的實際座標的步驟與所述計算實際旋轉中心的步驟之間，進行消除待測點傾斜角的步驟如下：取得所述旋轉平台的傾斜θ角，將所有待測點的實際座標以及θ角經由齊次旋轉變換矩陣轉換後，得出消除傾斜角之後的所有待測點的實際座標，以此實際座標進行該計算實際旋轉中心的步驟。
9. 如請求項8所述之工具機旋轉軸定位精度檢測方法，其中在消除待測點傾斜角的步驟中，是以所述旋轉平台將所述圓球由0度旋轉至180度，過程中所述工具機帶動所述感測模組偵測該圓球在0度與180度的座標位置，接著以該圓球0度、180度以及理想上180度時應當位置的座標，利用餘弦定理的公式計算出所述的θ角。
10. 如請求項6至9其中任一項所述之工具機旋轉軸定位精度檢測方法，其中所述感測模組設有兩感測器，該兩感測器的感測方向交錯為直角，當計算參考旋轉中心的步驟中，讀取所述圓球的座標時，是以兩感測器感測該圓球，判斷圓球的中心是否已位於感測器的感測中心，若是，則讀取工具機的數據而得到圓球的座標位置。