TW201800178A

TW201800178A - 五軸工具機誤差檢測方法

Info

Publication number: TW201800178A
Application number: TW105119860A
Authority: TW
Inventors: 莊剛權; 江書賢; 黃俊傑; 林宸琳
Original assignee: 友嘉實業股份有限公司
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2018-01-01

Abstract

本發明係一種五軸工具機誤差檢測方法，於一待量測的五軸工具機上安裝一誤差量測及補正裝置，該誤差量測及補正裝置設有一探針組及一控制模組，探針組設有一標準球及一探針，控制模組設有一控制器及一人機介面，控制器內設有一補償參數程式，移動該待量測五軸工具機的主軸頭的方式，使探針逐漸朝標準球移動並接觸該標準球而回饋一訊號至控制器中，並透過補償參數程式進行誤差補償的運算，自動地對於待量測五軸工具機進行線上誤差量測及線上補正，提供一方便操作、提升加工精密度且節省使用時間及成本的五軸工具機誤差檢測方法。

Description

五軸工具機誤差檢測方法

本發明係關於一種誤差量測補正方法，尤指一種五軸工具機誤差檢測方法。

按，隨著科技的發展與繁榮，工件的尺寸也越來小且更加精密，因此，對於五軸工具機的加工精密度的要求也越來越高，現有提升五軸工具機加工精密度的方式，主要是透過一誤差量測系統量測出五軸工具機的誤差後，再透過誤差補正的方式，消除五軸工具機的誤差，藉以提升現有五軸工具機的加工精密度。

然而，如圖11所示現有五軸工具機50的誤差量測，係透過一量測儀器量測出誤差值(如X軸之誤差值及Y軸之誤差值等)後，再透過手動方式將所取得的誤差值輸入一控制器中，其中由於量測儀器與控制器間並未透過通訊界面傳輸量測狀態與資訊，加上控制器中並未有紀錄量測過程與計算結果的核心計算，因此，需經由量測儀器外接一電腦(PC)進行記錄與計算，屬於一離線量測方式，於離線量測後透過與量測儀器所搭配之軟體於電腦上進行量測與運算後，將所得到之結果手動輸入該控制器的補償畫面中，再透過由控制器抓取補償數據進行補償，是為一線上誤差補正，並且於輸入誤差補正後再次進行量測，藉以驗證該誤差是否已消除，因此，現有五軸工具機50的誤差量測及誤差補正是分開進行，其中透過人工進行誤差值輸入的方式，容易因操作人員誤輸數值或者搞錯補正值之正負，使得經誤差量測後的五軸工具機50仍無法有效地消除誤差值，進而產生補正結果異常之情形，不僅無法提升五軸工具機50的加工精密度，且需重新進行誤差量測及補正，相對增加使五軸工具機50所需的時間及成本，有鑒於此，實有對於現有五軸工具機50的誤差量測及補正方式進行改進之處。

因此，本發明人有鑒於現有五軸工具機的誤差量測及補正細分開進行，且需透過人工方式進行誤差值的補正，容易因錯誤操作或判斷而需重新進行量測及補正的缺失及不足，本發明特經過不斷的研究與試驗，終於發展出一種能改進現有缺失之本發明。

本發明之目的為提供一五軸工具機誤差檢測方法，其係將誤差量測及補正操作相整合，進而能進行線上的誤差量測、自動輸入以及線上補正等步驟，讓使用者僅需透過按壓一功能鍵的方式，即能自動地對於五軸工具機進行線上誤差量測及線上補正，有效避免人工輸入而產生錯誤操作或補正的情形，進而提供一方便操作、提升加工精密度且節省使用時間及成本的五軸工具機誤差檢測方法之目的者。

為達到上述目的，本發明提供一五軸工具機誤差檢測方法，其操作步驟包含有：前置處理步驟：於一待量測的五軸工具機上安裝一誤差量測及補正裝置，該誤差量測及補正裝置設有一探針組及一控制模組，該探針組設有一標準球及一探針，將該標準球設置於該待量測五軸工具機的工作平台上，而該探針設置於該待量測五軸工具機的主軸頭上，該控制模組與該待量測五軸工具機相電性連接且設有一控制器及一人機介面，該控制器內設有一補償參數程式，而該人機介面與該控制器相電性連接且設有一功能鍵；裝置校正步驟：對於該探針組進行觸發量測及偏心量校正，以碰觸該探針的方式檢視該探針是否有產生一訊號至該控制器中，若有訊號傳送至該控制器中即完成觸發量測的操作，再透過一環規進行偏心量校正的操作，確認該探針是否具有偏心量並予以校正，進而消除該探針的偏心量；以及量測及補償步驟：透過移動該待量測五軸工具機的主軸頭的方式，使該探針逐漸朝該標準球移動並接觸該標準球，當探針碰觸該標準球時會回饋一訊號至該控制器中，使該控制器取得該標準球的座標系位置，並透過該控制器的補償參數程式進行誤差補償的運算，將運算結果顯示於該人機介面上，讓使用者透過按壓該人機介面的功能鍵方式，即能自動地對於待量測五軸工具機進行線上誤差量測及線上補正。

進一步，在前置處理步驟中，當該探針設置於該待量測五軸工具機的主軸頭時，對於該探針進行偏擺校正，使該探針能準確地設置於該待量測五軸工具機的主軸頭上。

再進一步，在量測及補償步驟中，先對於線性軸進行誤差量測及補償，再對於旋轉軸進行誤差量測及補償。

較佳的是，在量測及補償步驟中，在三軸量測補償中依序對於各線性軸的垂直度、角度、直度以及定位等進行誤差量測補償，最後再進行體積誤差驗證。

較佳的是，在量測及補償步驟中，以量測所得到的三軸誤差為基礎，對於旋轉軸進行量測補償，其依序對於定位、位置之角度、位置之線性、元件之角度以及元件之線性進行誤差量測補償，最後再進行同動空間的精度檢驗，將前述量測後所取得的誤差補償值傳送至該控制器的補償參數程式中。

較佳的是，在量測及補償步驟中，在進行旋轉軸誤差量測時，係驅動該待量測五軸工具機的工作平台，藉以進行0~360°的位置量測，其中每轉45°量測一次，旋轉一圈後能得到8個標準球的位置，將各位置相連線後可取得一環形軌跡，透過該環形軌跡進而求得該工作平台的中心位置，以此方式取得該待量測五軸工具機的各旋轉軸之誤差，再將取得的誤差值傳送至該控制器的補償參數程式中，進行補償量的運算。

藉由上述的技術手段，本發明五軸工具機誤差檢測方法，於操作時係將誤差量測及補正操作相整合，透過該探針與標準球相碰觸的方式，將與位置相對應的訊號傳遞至該控制器的補償參數程式中，透過該補償參數程式的運算而得到各線性軸及旋轉軸誤差量相對應之補償量，進而達到能在線上進行誤差量測，並依據所取得的補償量，讓使用者僅需透過按壓一功能鍵的方式，經由該控制器在線上自動進行誤差量的補償，即能自動地對於五軸工具機進行線上誤差量測及線上補正，能有效改善現有五軸工具機需以離線方式量測出誤差值後，再透過手動方式將所取得的誤差值輸入一控制器中，經由該控制器進行線上的誤差補正的情形，藉以避免人工輸入而產生錯誤操作或補正的情形，進而提供一方便操作、提升加工精密度且節省使用時間及成本的五軸工具機誤差檢測方法。

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，玆進一步以圖式(如圖1至3所示)所示的較佳實施例，詳細說明如后：

本發明五軸工具機誤差檢測方法係包含有以下的操作步驟，其中：

A、前置處理步驟：於一待量測的五軸工具機40上安裝一誤差量測及補正裝置，較佳的是，該待量測的五軸工具機40為一五軸工具機，該五軸工具機設有一X軸、Y軸、Z軸、C軸及A軸，而該誤差量測及補正裝置設有一探針組10及一控制模組20，該探針組10係設有一標準球11及一探針12(Touch-Probe)，其中該標準球11係如圖4所示設置於該待量測五軸工具機40的工作平台41上，而該探針12係如圖5所示設置於該待量測五軸工具機40的主軸頭42上，進一步，當該探針12設置於該待量測五軸工具機40的主軸頭42時，對於該探針12進行偏擺校正，使該探針12能準確地設置於該待量測五軸工具機40的主軸頭42上，其中在進行偏擺校正時係將探針12固定於一刀把(圖未示)上，並將該刀把裝設於該主軸頭42上，再透過一千分錶校正該探針12的偏擺誤差於5μm 以內，該控制模組20與該待量測五軸工具機40相電性連接且設有一控制器21及一人機介面22，該控制器21內設有一補償參數程式23，而該人機介面22與該控制器21相電性連接且設有一功能鍵221。

B、裝置校正步驟：於此操作步驟中對於該探針組10進行觸發量測及偏心量校正，其中以碰觸該探針12的方式(如用手碰觸)，藉以檢視該探針12是否有產生一訊號至該控制器21中，若有訊號傳送至該控制器21中即完成觸發量測的操作，再進一步進行偏心量校正的操作，其中於該工作平台41上設置一環規，透過該探針12與該環規相碰觸的方式，確認該探針12是否具有偏心量並予以校正，進而消除該探針12的偏心量，於操作時主要係手動將探針12移至環規正中心，並設定工件座標位置，再執行一校正程式進行校正，校正完成後探針12的探球的半徑亦會自動記錄於NC(Numerical Control)相關變數中。

C、量測及補償步驟：請配合參看如圖2及4所示，透過移動該待量測五軸工具機40的主軸頭42的方式，使該探針12逐漸朝該標準球11移動並接觸該標準球11，其中當探針12碰觸該標準球11時會回饋一訊號至該控制器21中，使該控制器21取得該標準球11的座標系位置，並透過該控制器21的補償參數程式23進行誤差補償的運算，並將運算結果顯示於該人機介面22上，讓使用者能透過按壓該人機介面22的功能鍵221方式，即能自動地對於待量測五軸工具機40進行線上誤差量測及線上補正。

進一步，於量測及補償時主要係先對於線性軸(X、Y、Z)進行誤差量測及補償，再對於旋轉軸(C、A等)進行誤差量測及補償，其中如圖7所示在三軸量測補償中依序對於各線性軸(X、Y、Z)的垂直度、角度、直度以及定位等進行誤差量測補償，最後再進行體積誤差驗證，其中將標準球11以及探針12分別架設於該工作平台41及主軸頭42上，於NC中編寫行程範圍內的軸向同動量測動作程式，執行該軸向同動量測動作程式並記錄每個旋轉角度的量測數值，再透過核心依各種誤差進行計算出補正值進行補正，進一步，有關垂直度、角度、直度以及定位等量測的操作方式，為一般常見之操作，故在此不加以闡述，並且當對於前述量測進行補償後，透過進行實際切削的方式，執行體積誤差的驗證，並且以前述量測所得到的三軸誤差為基礎。

進一步，如圖8所示對於旋轉軸進行量測補償，其依序對於定位、位置之角度、位置之線性、元件之角度以及元件之線性進行誤差量測補償，最後再進行同動空間的精度檢驗，其中透過執行該軸向同動量測動作程式並記錄每個旋轉角度的量測數值，再透過核心依各種誤差進行計算出補正值進行補正，將前述量測後所取得的誤差補償值傳送至該控制器21的補償參數程式23中，進一步，量測各個定位角度之相關誤差時，會透過誤差量測及補正裝置將訊號傳回，同時核心接收到訊號後會透過核心內部運算出各個誤差值，此值會傳回至人機介面22中進行顯示，顯示後如選擇接受，則補償即可生效，且當補償生效後可在執行一次補償量測，透過重複量測驗證補償值是否有生效或有其他誤差量。

較佳的是，如圖9所示五軸工具機具有43項誤差量，其係包含21個三軸誤差量、11個旋轉軸誤差量以及11個傾斜軸誤差量，進一步，前述誤差量包含有元件誤差(Component Error)及位置誤差(Location Error)兩種，其中係以如AOZ或EAZ等三個英文符號來表示其誤差量之形式，其中AOZ中的A係表示誤差方向、O表示位置誤差，而Z表示軸線方向，而EAZ中的E表示元件誤差，A表示誤差方向，Z表示軸線方向。

較佳的是，本發明係透過一補償參數程式23使該探針12逐漸靠近並接觸該標準球11，請配合參看如圖6所示，該補償參數程式23包含以下數個方程式，當該標準球11的中心位置在工件平台41的座標系中為(R，0，L)，假設A軸的角度為α，C軸的角度為γ，則當不存在幾何誤差的情況下時，該標準球11的中心位置檢測值(x，y，z)(不存在幾何誤差時)能以下列的矩陣方程式(1)表示： E=M_α ^-1 M_γ ^-1 Q………………………………..………….………………….. (1)

其中：

其中當經該探針12與該標準球11相碰觸，而得到該標準球11的安裝位置誤差為(δx，δy，δz)時，其與標準球11的中心檢測值(x_b ，y_b ，z_b )(當安裝誤差為(δx，δy，δz)時)的關係矩陣方程式(2)如下所示： 𝐸′=E+ϒ_{𝐴𝑌} ⁻¹ M_𝛼 ⁻¹ ϒ_{𝐶𝐴} ⁻¹ M_𝛾 ⁻¹ ϒ_{𝑊𝐶} ⁻¹ 𝑄−𝑀_{𝑦𝑦} ϒ_{𝑌𝑋} 𝑀_{𝑥𝑥} ϒ_{𝑋𝑍} 𝑀_{𝑧𝑧} ϒ_{𝑍𝑇} ^𝑇 𝑄.....................(2)

其中：

請配合參看如圖10所示，在進行旋轉軸誤差量測時，主要係驅動該待量測五軸工具機40的工作平台41，藉以進行0~360°的位置量測，其中每轉45°量測一次，旋轉一圈後能得到8個標準球11的位置，將各位置相連線後可取得一環形軌跡，透過該環形軌跡進而求得該工作平台41的中心位置(如C軸)，以此方式取得該待量測五軸工具機40的各旋轉軸之誤差，再將取得的誤差值傳送至該控制器21的補償參數程式23中，進行補償量的運算。

藉由上述的技術手段，本發明五軸工具機誤差檢測方法，於操作時係將誤差量測及補正操作相整合，透過該探針12與標準球11相碰觸的方式，將與位置相對應的訊號傳遞至該控制器21的補償參數程式23中，透過該補償參數程式23的運算而得到各線性軸及旋轉軸誤差量相對應之補償量，進而達到能在線上進行誤差量測，並依據所取得的補償量，讓使用者僅需透過按壓一功能鍵221的方式，經由該控制器21在線上自動進行誤差量的補償，即能自動地對於五軸工具機40進行線上誤差量測及線上補正，能有效改善現有五軸工具機50需以離線方式量測出誤差值後，再透過手動方式將所取得的誤差值輸入一控制器中，經由該控制器進行線上的誤差補正的情形，藉以避免人工輸入而產生錯誤操作或補正的情形，進而提供一方便操作、提升加工精密度且節省使用時間及成本的五軸工具機誤差檢測方法。

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‧‧‧探針組
11‧‧‧標準球
12‧‧‧探針
20‧‧‧控制模組
21‧‧‧控制器
22‧‧‧人機介面
221‧‧‧功能鍵
23‧‧‧補償參數程式
40‧‧‧五軸工具機
41‧‧‧工作平台
42‧‧‧主軸頭
50‧‧‧五軸工具機

圖1是本發明五軸工具機誤差檢測方法的方塊流程圖。圖2是本發明五軸工具機誤差檢測方法中相關裝置的方塊示意圖。圖3是本發明五軸工具機誤差檢測方法的操作流程循環之示意圖。圖4是本發明五軸工具機誤差檢測方法中將一標準球裝設於一待量測五軸工具機之工作平台上的側視示意圖。圖5是本發明五軸工具機誤差檢測方法中探針與標準球相碰觸的操作側視示意圖。圖6是本發明五軸工具機誤差檢測方法進行誤差量測補償之結構配置示意圖。圖7是本發明五軸工具機誤差檢測方法進行線性軸量測補償之方塊流程圖。圖8是本發明五軸工具機誤差檢測方法進行旋轉軸量測補償之方塊流程圖。圖9是本發明五軸工具機誤差檢測方法中有關五軸工具機之誤差量筒整圖表。圖10是本發明五軸工具機誤差檢測方法進行旋轉軸誤差量測補償之操作俯視示意圖。圖11是現有五軸工具機進行誤差量測補償之操作俯視示意圖。

Claims

一種五軸工具機誤差檢測方法，其包含以下的操作步驟：前置處理步驟：於一待量測的五軸工具機上安裝一誤差量測及補正裝置，該誤差量測及補正裝置設有一探針組及一控制模組，該探針組設有一標準球及一探針，將該標準球設置於該待量測五軸工具機的工作平台上，而該探針設置於該待量測五軸工具機的主軸頭上，該控制模組與該待量測五軸工具機相電性連接且設有一控制器及一人機介面，該控制器內設有一補償參數程式，而該人機介面與該控制器相電性連接且設有一功能鍵；裝置校正步驟：對於該探針組進行觸發量測及偏心量校正，以碰觸該探針的方式檢視該探針是否有產生一訊號至該控制器中，若有訊號傳送至該控制器中即完成觸發量測的操作，再透過一環規進行偏心量校正的操作，確認該探針是否具有偏心量並予以校正，進而消除該探針的偏心量；以及量測及補償步驟：透過移動該待量測五軸工具機的主軸頭的方式，使該探針逐漸朝該標準球移動並接觸該標準球，當探針碰觸該標準球時會回饋一訊號至該控制器中，使該控制器取得該標準球的座標系位置，並透過該控制器的補償參數程式進行誤差補償的運算，將運算結果顯示於該人機介面上，讓使用者透過按壓該人機介面的功能鍵方式，即能自動地對於待量測五軸工具機進行線上誤差量測及線上補正。
如請求項1所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在前置處理步驟中，當該探針設置於該待量測五軸工具機的主軸頭時，對於該探針進行偏擺校正，使該探針能準確地設置於該待量測五軸工具機的主軸頭上。
如請求項1或2所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在量測及補償步驟中，先對於線性軸進行誤差量測及補償，再對於旋轉軸進行誤差量測及補償。
如請求項3所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在量測及補償步驟中，在三軸量測補償中依序對於各線性軸的垂直度、角度、直度以及定位等進行誤差量測補償，最後再進行體積誤差驗證。
如請求項4所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在量測及補償步驟中，以量測所得到的三軸誤差為基礎，對於旋轉軸進行量測補償，其依序對於定位、位置之角度、位置之線性、元件之角度以及元件之線性進行誤差量測補償，最後再進行同動空間的精度檢驗，將前述量測後所取得的誤差補償值傳送至該控制器的補償參數程式中。
如請求項5所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在量測及補償步驟中，在進行旋轉軸誤差量測時，係驅動該待量測五軸工具機的工作平台，藉以進行0~360°的位置量測，其中每轉45°量測一次，旋轉一圈後能得到8個標準球的位置，將各位置相連線後可取得一環形軌跡，透過該環形軌跡進而求得該工作平台的中心位置，以此方式取得該待量測五軸工具機的各旋轉軸之誤差，再將取得的誤差值傳送至該控制器的補償參數程式中，進行補償量的運算。
如請求項1或2所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在量測及補償步驟中，在三軸量測補償中依序對於各線性軸的垂直度、角度、直度以及定位等進行誤差量測補償，最後再進行體積誤差驗證。
如請求項7所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在量測及補償步驟中，以量測所得到的三軸誤差為基礎，對於旋轉軸進行量測補償，其依序對於定位、位置之角度、位置之線性、元件之角度以及元件之線性進行誤差量測補償，最後再進行同動空間的精度檢驗，將前述量測後所取得的誤差補償值傳送至該控制器的補償參數程式中。
如請求項8所述之五軸工具機誤差檢測方法，其中在量測及補償步驟中，在進行旋轉軸誤差量測時，係驅動該待量測五軸工具機的工作平台，藉以進行0~360°的位置量測，其中每轉45°量測一次，旋轉一圈後能得到8個標準球的位置，將各位置相連線後可取得一環形軌跡，透過該環形軌跡進而求得該工作平台的中心位置，以此方式取得該待量測五軸工具機的各旋轉軸之誤差，再將取得的誤差值傳送至該控制器的補償參數程式中，進行補償量的運算。