TW201913034A - 盤形凸輪之輪廓精度的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法 - Google Patents

盤形凸輪之輪廓精度的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法 Download PDF

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Abstract

一種量測盤形凸輪之輪廓精度的非接觸式暨光學量測自動化系統，包含基座、旋轉夾頭、移動平台模組及雷射位移計，且適於電性連接於一計算機裝置。旋轉夾頭設置於基座以夾持盤形凸輪。移動平台模組包含第一及第二線性運動平台。第一線性運動平台可沿第一方向相對基座移動。第二線性運動平台可沿第二方向相對第一線性運動平台移動。雷射位移計設置於第二線性運動平台。計算機裝置可指示旋轉夾頭轉動以及指示移動平台模組移動，並可指示雷射位移計所發出之一光束射至盤形凸輪之輪廓表面而藉由雷射三角法原理得到盤形凸輪的輪廓尺寸誤差值。

Description

盤形凸輪之輪廓精度的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法
本發明係關於一種盤形凸輪之輪廓精度的量測自動化系統及量測方法，特別是一種以非接觸式量測輪廓精度的光學量測自動化系統及量測方法。
凸輪為各種機器與自動化設備中常用的機械元件，其透過接觸從動件使其產生預定的不規則拘束運動，藉以達成所需的運動控制。一般而言，盤形凸輪(Disk cam)於製造過程中通常需要以電腦數值控制工具機(CNC工具機)進行加工，以切削及研磨凸輪的外形以得到準確的凸輪輪廓(Cam profile)。當凸輪輪廓的製造誤差超過容許公差量時，將會影響凸輪對於從動件的定位精度，使得從動件被凸輪定位時會偏離預定位置。此外，也會影響凸輪機構的動態運動特性，使得凸輪機構在高速運轉時會產生振動與噪音。因此，在加工完成後，需要檢測盤形凸輪的輪廓精度(Profile accuracy)以監控製造良率。
凸輪輪廓精度的量測裝置與方法可分為接觸式與非接觸式兩大類。然而，接觸式的量測裝置與方法(例如使用習知的三次元量床或者習知的凸輪軸量測儀)需要使專用的探頭或測砧與盤形凸輪的待測輪廓接觸。因此，量測裝置中的探頭或測砧容易因為與待測輪廓互相接觸時的作用力而產生結構變形，導致量測上的微量誤差，同時也會有磨損探頭或測砧的缺點。
現有之非接觸式的量測裝置與方法是以雷射掃瞄儀(Laser scanner)或光學測微器(Optical micrometer)沿著盤形凸輪的徑向方向發出能包圍凸輪的平行光束而形成光學量測平面，並且偵測凸輪轉動時所擋住的部分平行光束之範圍變化以檢測凸輪的輪廓尺寸誤差。非接觸式的量測方法能避免量測裝置產生結構變形以及受到磨損，且其量測速度可較接觸式者高。然而，現有之非接觸式的量測裝置與方法僅能應用於凸輪輪廓之幾何特徵為凸狀(Convex)的盤形凸輪，對於具有凹狀(Concave)輪廓之幾何特徵的盤形凸輪而言並不適用。詳細來說，當盤形凸輪之凹狀輪廓轉動至受測的角位置時，量測裝置所發出的平行光束並無法照射到凹狀輪廓的凹陷處，故無法測得該處的輪廓尺寸誤差。
鑒於以上問題，本發明揭露一種盤形凸輪之輪廓精度的非接觸式暨光學量測自動化系統及其非接觸式光學量測方法，其在功能上能夠取代現有接觸式的量測裝置與方法，且可以解決現有非接觸式的量測裝置與方法無法應用於具有凹狀輪廓特徵之盤形凸輪的輪廓精度量測之問題。
本發明揭露之非接觸式暨光學量測自動化系統適於電性連接於一計算機裝置，以量測一盤形凸輪的輪廓精度。非接觸式暨光學量測自動化系統包含一基座、一旋轉夾頭、一移動平台模組以及一雷射位移計。旋轉夾頭設置於基座，其用以夾持盤形凸輪，以使盤形凸輪以自身之一旋轉軸線為旋轉中心轉動。移動平台模組包含一第一線性運動平台以及一第二線性運動平台。第一線性運動平台設置於基座並可沿一第一方向相對基座移動。第二線性運動平台設置於第一線性運動平台，並且第二線性運動平台可沿非平行於第一方向的一第二方向相對第一線性運動平台移動，而接近或遠離盤形凸輪。雷射位移計設置於第二線性運動平台，並且第二線性運動平台可帶動雷射位移計一併沿第二方向移動。計算機裝置用以指示旋轉夾頭帶動盤形凸輪轉動以及指示移動平台模組帶動雷射位移計移動，並且計算機裝置更用以指示雷射位移計所發出之一光束射至盤形凸輪之一輪廓表面的一真實輪廓點而藉由雷射三角法原理得到盤形凸輪之真實輪廓點與雷射位移計之間的一真實距離。盤形凸輪的一理論輪廓資訊具有對應真實輪廓點的一理論輪廓點，並且理論輪廓點與雷射位移計之間具有一理論距離。計算機裝置依據真實距離與理論距離的差值而得到盤形凸輪於理論輪廓點的一輪廓尺寸誤差值。
本發明揭露之量測一盤形凸輪之輪廓精度的非接觸式光學量測方法，包含以下步驟：輸入盤形凸輪的一理論輪廓資訊；設定一量測參數，量測參數包含理論輪廓資訊的至少一理論輪廓點，理論輪廓點與一雷射位移計之間具有一理論距離，並且理論輪廓點對應盤形凸輪之一輪廓表面的至少一真實輪廓點；以及藉由雷射位移計進行一量測程序，使雷射位移計所發出之一光束射至真實輪廓點而藉由雷射三角法原理得到盤形凸輪於真實輪廓點的一真實距離，並且依據理論距離與真實距離的差值而得到盤形凸輪於理論輪廓點的一輪廓尺寸誤差值。
根據本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統及非接觸式光學量測方法，藉由雷射位移計量測盤形凸輪的真實距離，並且再依據盤形凸輪的理論距離與真實距離的差值而得到盤形凸輪的輪廓尺寸誤差值。藉此，當盤形凸輪具有凹狀輪廓之幾何特徵時，雷射位移計發出的光束不會因為被盤形凸輪的其他部分輪廓所遮擋住而無法量測到盤形凸輪於其凹狀輪廓之凹陷處的輪廓尺寸誤差值。因此，本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統及非接觸式光學量測方法能同時適用於具有凸狀輪廓之幾何特徵的盤形凸輪以及具有凹狀輪廓之幾何特徵的盤形凸輪，有助於改善現有的雷射掃瞄儀或光學測微器等非接觸式之輪廓精度量測裝置與方法受到凸輪輪廓之幾何形狀所限制的缺點，並且本發明在功能上能夠完全取代現有接觸式的量測裝置與方法。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請同時參照圖1A至圖3B。圖1A為根據本發明第一實施例之非接觸式暨光學量測自動化系統的立體示意圖。圖1B為雷射三角法量測原理的示意圖。圖1C為圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統與計算機裝置的系統方塊圖。圖2為圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統的分解示意圖。圖3A為圖2之移動平台模組之旋轉運動平台的立體示意圖。圖3B為圖3A之旋轉運動平台的分解示意圖。本實施例提供一非接觸式暨光學量測自動化系統1，其能以自動化且非接觸的方式量測盤形凸輪之輪廓精度。非接觸式暨光學量測自動化系統1包含一基座10、一旋轉夾頭20、一移動平台模組30以及一雷射位移計40。
旋轉夾頭20設置於基座10，其用以夾持盤形凸輪，以使盤形凸輪以自身之旋轉軸線為旋轉中心轉動。旋轉夾頭20的功能將於後續再進一步詳述。
移動平台模組30包含一第一線性運動平台310、一第二線性運動平台320以及一旋轉運動平台330。第一線性運動平台310、第二線性運動平台320與旋轉運動平台330分別與動力源連接。第一線性運動平台310設置於基座10並可沿一第一方向D1相對基座10移動。第二線性運動平台320設置於第一線性運動平台310，並且第二線性運動平台320可沿非平行於第一方向D1的第二方向D2相對第一線性運動平台310移動。在本實施例中，第二方向D2正交於第一方向D1。
旋轉運動平台330可轉動地設置於第二線性運動平台320。詳細來說，旋轉運動平台330包含一旋轉台主件331、一圓弧軌道件332、多個滾輪333、一扇形齒輪334以及一小齒輪335。圓弧軌道件332設置於第二線性運動平台320並且穿過旋轉台主件331的一穿槽3311，並且圓弧軌道件332具有對應這些滾輪333的多個軌道承面3321。滾輪333可轉動地設置於穿槽3311內，並且這些滾輪333分別與這些軌道承面3321相互保持接觸，如此，旋轉台主件331相對於圓弧軌道件332具有可轉動性。扇形齒輪334固設於圓弧軌道件332，小齒輪335設置於動力源的動力軸上，動力源則設置於旋轉台主件331，並且扇形齒輪334與小齒輪335相互嚙合，如此，扇形齒輪334、小齒輪335與旋轉台主件331之間的相對運動關係即可等同於一習知的行星齒輪系(Planetary gear train)。當動力源啟動時，藉由小齒輪335相對於扇形齒輪334的滾轉運動可同步地帶動旋轉台主件331相對於圓弧軌道件332轉動，進而使旋轉運動平台330可相對於第二線性運動平台320轉動。在本實施例中，旋轉運動平台330可相對第二線性運動平台320轉動而具有一徑向量測位置以及一法向量測位置，詳細內容將於後續詳述。
雷射位移計40設置於旋轉運動平台330的旋轉台主件331，並且第二線性運動平台320可帶動旋轉運動平台330與雷射位移計40一併沿第二方向D2移動。在本實施例中，雷射位移計40包含一雷射二極體41以及一電子感光元件42。電子感光元件42例如為互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)或電荷耦合元件(Charge coupled device，CCD)感光元件。雷射二極體41能發出雷射光，並且電子感光元件42能接收並感測雷射光照射到待測物後所產生的散射光。
當待測物位於雷射位移計40的量測範圍內時，雷射二極體41所發射出的雷射光形成光束照射到待測物之表面而產生散射光，並且部分散射光會照射至電子感光元件42上。藉由偵測散射光照射到電子感光元件42上的位置，可得到待測表面到雷射位移計40之間的距離。當待測表面的位置產生變化時，電子感光元件42所接收到之散射光照射的位置會產生對應的變化，則可藉以推算出待測表面到雷射位移計40之間的距離變化。進一步來說，雷射位移計40是採用雷射三角法(Laser triangulation method)原理做量測應用。如圖1B所示，當雷射二極體41所發出之雷射光經過透鏡的聚焦後形成之一光束410照射在待測表面時，雷射光會發生散射而產生散射光，然後散射光經過透鏡的聚焦後投射於電子感光元件42上而形成光點。若待測表面於一垂直方向產生位移量+Δy或-Δy，則光點會沿著電子感光元件42的表面產生對應的偏移量+Δx或-Δx，其中+Δy與+Δx成正比，並且-Δy與-Δx成正比。如此，根據雷射光之光點在電子感光元件42上的偏移量+Δx或-Δx就可以得出待測表面的位移量+Δy或-Δy。當位移量+Δy與-Δy皆為零時，雷射位移計40的量測基準點420與待測表面會相互重疊，同時，雷射位移計40與待測表面之間具有一理論距離L。
如圖1C所示，非接觸式暨光學量測自動化系統1的旋轉夾頭20、移動平台模組30以及雷射位移計40可電性連接於一計算機裝置2。詳細來說，計算機裝置2例如為桌上型電腦等具有資料處理能力的電子裝置，其包含一中央處理模組21、一人機介面22、一記憶單元23以及一運動控制單元24，並且基座10內部設置有一驅動單元11。計算機裝置2的中央處理模組21可以經由安裝於計算機裝置2內的運動控制單元24電性連接位於基座10內的驅動單元11，以指示一個或多個動力源帶動旋轉夾頭20夾持並轉動盤形凸輪，帶動移動平台模組30的第一線性運動平台310相對基座10移動，帶動第二線性運動平台320相對第一線性運動平台310移動，並且帶動旋轉運動平台330相對第二線性運動平台320轉動。在本實施例中，係採用步進馬達作為第一線性運動平台310與第二線性運動平台320的動力源，並且採用伺服馬達作為旋轉夾頭20與旋轉運動平台330的動力源。此外，第一線性運動平台310與第二線性運動平台320的內部更分別裝設有線性編碼器，旋轉夾頭20與旋轉運動平台330的伺服馬達之內部更分別裝設有旋轉編碼器。線性編碼器可以分別偵測第一線性運動平台310與第二線性運動平台320的移動位置並分別回授給運動控制單元24以進行其閉迴路運動控制，並且旋轉編碼器可以分別偵測旋轉夾頭20與旋轉運動平台330的旋轉角度並分別回授給運動控制單元24以進行其閉迴路運動控制，藉此，非接觸式暨光學量測自動化系統1可以達到進行量測時所需的定位精準度。
中央處理模組21可經由一通訊介面(例如RS-232介面)接收雷射位移計40所測得的位移量+Δy或-Δy。使用者可經由人機介面22輸入各項量測參數，包含盤形凸輪的型號、輪廓點、待測截面等量測相關參數值。另一方面，人機介面22也可讓使用者得以即時地監控非接觸式暨光學量測自動化系統1的量測流程操作或量測過程中量測得的各項結果。記憶單元23可用以儲存量測參數以及量測結果。
以下說明使用本實施例之非接觸式暨光學量測自動化系統1量測盤形凸輪的輪廓精度。請同時參照圖4A至圖5G。圖4A為根據本發明第一實施例之非接觸式光學量測方法的流程示意圖。圖4B為圖4A之光學量測方法中之定位程序的流程示意圖。圖4C為圖4A之光學量測方法中之量測程序的流程示意圖。圖5A至圖5G為使用圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統量測盤形凸輪之輪廓精度的示意圖。如圖4A所示，本實施例的光學量測方法包含步驟S1至S5。此外，如圖5A所示，在開始量測之前，會先用非接觸式暨光學量測自動化系統1的旋轉夾頭20夾持一盤形凸輪50。
本實施例所量測的盤形凸輪50適用於平移式偏位滾子型從動件凸輪機構，但本發明並不以此為限。非接觸式暨光學量測自動化系統1也能量測平移式平面型從動件凸輪機構、擺動式滾子型從動件凸輪機構或擺動式平面型從動件凸輪機構等之單片式盤形凸輪或共軛式盤形凸輪。
首先執行步驟S1，係將盤形凸輪50的一理論輪廓資訊輸入至計算機裝置2。在本實施例中，理論輪廓資訊包含盤形凸輪50的理論基圓半徑、盤形凸輪50的理論滾子半徑、盤形凸輪50的理論滾子偏位量、盤形凸輪50的理論厚度、盤形凸輪50之從動件的運動函數方程式、盤形凸輪50之理論輪廓(Theoretical cam profile)的向量參數方程式、盤形凸輪50的理論輪廓座標、盤形凸輪50的理論旋轉中心座標、盤形凸輪50之理論輪廓所對應的的法向量、盤形凸輪50之理論輪廓所對應的的壓力角(Pressure angle)以及盤形凸輪50之理論輪廓所對應的的徑向與法向之轉換角(Shift angle between radial and normal directions)等資訊。上述的徑向與法向之轉換角即為盤形凸輪50之理論輪廓點所對應的徑向線與法向量之夾角，該夾角如同習知的壓力角一般會隨著凸輪輪廓點位置的不同而改變其數值大小，並非是一個固定值(轉換角定義之參考文獻來源：張文桐著，平面凸輪機構之機械誤差分析及其應用，博士論文，國立清華大學動力機械工程學系，新竹市，臺灣，2007年，42～44頁)。
接著執行步驟S2，係使用計算機裝置2設定一量測參數，包含輸入一待測截面P、一起始定位角度α、一量測角度β、以及在盤形凸輪50之理論輪廓530中選定位置相異的第一理論輪廓點C1 與二第二理論輪廓點C2 、C2 ”(參照圖5C至圖5G)。在本實施例中，盤形凸輪50的一輪廓表面510上具有對應第一理論輪廓點C1 且位置相異的第一徑向真實輪廓點O11 與一第一法向真實輪廓點O12 。盤形凸輪50的輪廓表面510上還具有對應第二理論輪廓點C2 且位置相異的一第二徑向真實輪廓點O21 與一第二法向真實輪廓點O22 ，以及對應第二理論輪廓點C2 ”的且位置相異的徑向真實輪廓點(未繪示)與法向真實輪廓點(未繪示)。如圖5A所示，待測截面P為位於盤形凸輪50之軸向方向上的一參考平面，並且待測截面P垂直於盤形凸輪50的一旋轉軸線520。第一徑向真實輪廓點O11 、第一法向真實輪廓點O12 、第二徑向真實輪廓點O21 以及第二法向真實輪廓點O22 皆位於待測截面P。請先參照圖5C和圖5F，起始定位角度α為盤形凸輪50的旋轉角度，其數值介於0度至360度之間。當旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50轉動起始定位角度α後，非接觸式暨光學量測自動化系統1才能對第一徑向真實輪廓點O11 與第一法向真實輪廓點O12 進行量測。當非接觸式暨光學量測自動化系統1完成對兩真實輪廓點O11 與O12 的量測之後，旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50轉動量測角度β，而使非接觸式暨光學量測自動化系統1能對第二徑向真實輪廓點O21 與第二法向真實輪廓點O22 進行量測。
接著執行步驟S3，係計算機裝置指示非接觸式暨光學量測自動化系統1進行一定位程序，以使雷射位移計40所發出之光束410對齊待測截面P並位於量測前的一預設待機位置。如圖4B所示，在本實施例中，步驟S3包含步驟S31至S33。
如圖5A所示，首先執行步驟S31，係計算機裝置2指示移動平台模組30的第一線性運動平台310相對基座10移動，以帶動第二線性運動平台320、旋轉運動平台330與雷射位移計40一併沿第一方向D1移至盤形凸輪50上方，而使雷射位移計40所發出之光束410對齊待測截面P。在本實施例中，第一方向D1平行於盤形凸輪50的旋轉軸線520。此外，如圖5C所示，在本實施例中，旋轉運動平台330在量測前係位於徑向量測位置，故當執行完步驟S31後，雷射位移計40所發出之光束410的行進方向D3會通過並正交於盤形凸輪50的旋轉軸線520。
如圖5B和圖5C所示，接著執行步驟S32，係計算機裝置2指示旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50轉動起始定位角度α，使雷射位移計40所發出之光束410對應到第一理論輪廓點C1 。在本實施例中，起始定位角度α約為15.22度，但起始定位角度α的大小並非用以限制本發明。
如圖5D所示，接著再執行步驟S33，係計算機裝置2指示移動平台模組30的第二線性運動平台320相對第一線性運動平台310移動，以帶動雷射位移計40與旋轉運動平台330一併接近或遠離盤形凸輪50，而調整雷射位移計40與盤形凸輪50的輪廓表面510之間的間距，進而使雷射位移計40的量測基準點420位於第一理論輪廓點C1 的位置。當執行步驟S33後，雷射位移計40的量測基準點420與盤形凸輪50之理論輪廓530中的第一理論輪廓點C1 會相互重疊，同時，雷射位移計40與第一理論輪廓點C1 之間的間距等於理論距離L。
在本實施例的光學量測方法中，定位程序依順序執行步驟S31至S33，但步驟S31至S33的執行順序並非用以限制本發明。
於前述的定位程序完成後，接著執行步驟S4，係藉由雷射位移計40以雷射三角法原理進行一量測程序，得到盤形凸輪50的真實輪廓點與雷射位移計40之間的真實距離。詳細來說，第一理論輪廓點C1 所對應之盤形凸輪50的真實距離包含第一徑向真實輪廓點O11 與雷射位移計40之間的一第一徑向真實距離r1 以及第一法向真實輪廓點O12 與雷射位移計40之間的一第一法向真實距離n1 。此外，第二理論輪廓點C2 所對應之盤形凸輪50的真實距離包含第二徑向真實輪廓點O21 與雷射位移計40之間的一第二徑向真實距離r2 以及第二法向真實輪廓點O22 與雷射位移計40之間的一第二法向真實距離n2 。如圖4C所示，在本實施例中，步驟S4包含步驟S41至S48。雷射三角法原理請參考圖1B以及對應段落之內容，此處不再贅述。
如圖5D所示，首先執行步驟S41，係計算機裝置2指示雷射位移計40對第一徑向真實輪廓點O11 進行量測(第一次量測)。詳細來說，雷射位移計40沿行進方向D3發出光束410射至盤形凸輪50的第一徑向真實輪廓點O11 ，而得到第一徑向真實距離r1 。在本實施例中，第一徑向真實距離r1 係為雷射位移計40到第一徑向真實輪廓點O11 之間於行進方向D3上的距離大小。
如圖5E所示，接著執行步驟S42，係計算機裝置2指示移動平台模組30的旋轉運動平台330自徑向量測位置轉動一轉換角度λ1 至法向量測位置，並且轉換角度λ1 等於盤形凸輪50於第一理論輪廓點C1 所對應的徑向與法向之轉換角。當旋轉運動平台330於法向量測位置時，光束410的行進方向D4平行於盤形凸輪50之輪廓表面510於第一理論輪廓點C1 的法線方向。
於執行步驟S42時，若雷射位移計40的量測基準點420偏離盤形凸輪50的理論輪廓530，計算機裝置可指示第二線性運動平台320對雷射位移計40的位置進行調整，以使量測基準點420與第一理論輪廓點C1 相互重疊，同時，雷射位移計40與第一理論輪廓點C1 之間的間距等於理論距離L。
接著再執行步驟S43，係計算機裝置2指示雷射位移計40對第一法向真實輪廓點O12 進行量測(第一次量測)。詳細來說，雷射位移計40沿行進方向D4發出光束410射至盤形凸輪50的第一法向真實輪廓點O12 ，而得到第一法向真實距離n1 。在本實施例中，第一法向真實距離n1 係為雷射位移計40到第一法向真實輪廓點O12 之間於行進方向D4上的距離大小。在得到第一法向真實距離n1 後，旋轉運動平台330復歸至徑向量測位置。
接著執行步驟S44，係計算機裝置2依據在步驟S1中輸入之盤形凸輪50的理論輪廓530而得到的理論距離L以及步驟S4中得到的第一徑向真實距離r1 與第一法向真實距離n1 ，而計算理論距離L與兩真實距離r1 、n1 的差值，以得到盤形凸輪50於第一理論輪廓點C1 的一輪廓尺寸誤差值，其即為第一徑向輪廓尺寸誤差值Δr1 (Δr1 = L - r1 )或第一法向輪廓尺寸誤差值Δn1 (Δn1 = L - n1 )。詳細來說，在步驟S1中輸入盤形凸輪50之理論輪廓資訊後，可得到雷射位移計40與第一理論輪廓點C1 之間的理論距離L。由於執行步驟S33與S42後，雷射位移計40的量測基準點420會與第一理論輪廓點C1 相互重疊。藉此，當盤形凸輪50的真實輪廓540(Actual cam profile)與理論輪廓530完全一致時(即真實距離等於理論距離時)，雷射位移計40量測到之輪廓表面510到雷射位移計40之間的距離大小於輸入至計算機裝置2後，所得到的輪廓尺寸誤差值為零。
如圖5D和圖5E所示，當盤形凸輪50的第一徑向真實輪廓點O11 與雷射位移計40之間的距離大於理論距離L，或是第一法向真實輪廓點O12 與雷射位移計40之間的距離大於理論距離L時，量測程序中得到的第一徑向輪廓尺寸誤差值Δr1 或第一法向輪廓尺寸誤差值Δn1 為負值，此時代表盤形凸輪50之真實輪廓540的尺寸比理論輪廓530來得小，意即盤形凸輪50於第一理論輪廓點C1 的輪廓尺寸誤差值為負。反之，當第一徑向真實輪廓點O11 與雷射位移計40之間的距離小於理論距離L，或是第一法向真實輪廓點O12 與雷射位移計40之間的距離小於理論距離L時，量測程序中得到的第一徑向輪廓尺寸誤差值Δr1 或第一法向輪廓尺寸誤差值Δn1 為正值，此時代表盤形凸輪50之真實輪廓540的尺寸比理論輪廓530來得大，即盤形凸輪50於第一理論輪廓點C1 的輪廓尺寸誤差值為正。
如圖5F和圖5G所示，當量測程序完成而得到第一徑向真實距離r1 與第一法向真實距離n1 後，接著執行步驟S45，係計算機裝置2指示旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50轉動量測角度β，而使雷射位移計40的光束410對應到第二理論輪廓點C2 。在本實施例中，量測角度β約為30度，但量測角度β的大小並非用以限制本發明。
接著執行步驟S46，係計算機裝置2判斷已轉動的量測角度β之總和是否小於360度，若否，結束針對第二理論輪廓點C2 的量測程序；若是，繼續進行針對第二理論輪廓點C2 的量測程序。在本實施例中，當雷射位移計40對應到第二理論輪廓點C2 時，已轉動的量測角度β之總和1β約為30度，故步驟S46的判斷結果為是，因此將指示雷射位移計40對第二徑向真實輪廓點O21 與第二法向真實輪廓點O22 進行量測(第二次量測)。
當步驟S46的判斷結果為是後，接著執行步驟S47，係調整雷射位移計40與盤形凸輪50之輪廓表面510之間的間距，使雷射位移計40的量測基準點420位於第二理論輪廓點C2 的位置。詳細來說，當旋轉夾頭20轉動盤形凸輪50後，雷射位移計40的量測基準點420會偏離盤形凸輪50的理論輪廓530，因此需要對雷射位移計40的位置進行調整，以使量測基準點420與理論輪廓530的第二理論輪廓點C2 相互重疊。換句話說，如圖5D和圖5F所示，步驟S41中雷射位移計40與第一理論輪廓點C1 之間的間距(即理論距離L)會等於步驟S47中雷射位移計40與第二理論輪廓點C2 之間的間距(即理論距離L)。藉此，量測得到的徑向輪廓尺寸誤差值以及法向輪廓尺寸誤差值，其正負值即能直接代表盤形凸輪50之真實輪廓540的尺寸是比理論輪廓530來得大或小，而不需要考慮理論輪廓點與雷射位移計40之量測基準點420間的差值(偏位理論距離)，有助於簡化量測方法，提高量測效率。
在本實施例的光學量測方法中，於執行步驟S46後再執行步驟S47，但步驟S46與S47的執行順序並非用以限制本發明。
於執行步驟S47後，接著執行步驟S48，係藉由雷射位移計40進行量測，得到第二徑向真實輪廓點O21 與雷射位移計40之間的第二徑向真實距離r2 ，以及第二法向真實輪廓點O22 與雷射位移計40之間的第二法向真實距離n2 。如圖5F所示，量測第二徑向真實距離r2 時，旋轉運動平台330位於徑向量測位置；如圖5G所示，旋轉運動平台330會自徑向量測位置轉動一轉換角度λ2 至法向量測位置，並接著量測第二法向真實距離n2 。轉換角度λ2 等於盤形凸輪50於第二理論輪廓點C2 所對應的徑向與法向之轉換角。量測第二法向真實距離n2 的步驟結束後，旋轉運動平台330會復歸至徑向量測位置。計算機裝置2再依據理論距離L、第二徑向真實距離r2 與第二法向真實距離n2 ，而計算理論距離與兩真實距離的差值以得到盤形凸輪50於第二理論輪廓點C2 的一輪廓尺寸誤差值，亦即第二徑向輪廓尺寸誤差值Δr2 (Δr2 = L - r2 )或第二法向輪廓尺寸誤差值Δn2 (Δn2 = L - n2 )。由於在本實施例的非接觸式光學量測方法中，雷射位移計40針對每個理論輪廓點都採用相同的量測方式進行量測程序，故步驟S48之具體細節請參閱前述步驟S41至S44，以下不再贅述。
當得到第二徑向真實距離r2 與第二法向真實距離n2 後，計算機裝置2指示旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50再度轉動量測角度β，而使雷射位移計40的光束410對應到另一個第二理論輪廓點C2 ”。接著，計算機裝置2再次執行步驟S46，以判斷已轉動的量測角度β之總和是否小於360度。在本實施例中，當雷射位移計40對應到第二理論輪廓點C2 ”時，已轉動的量測角度β之總和2β約為60度，故步驟S46的判斷結果仍為是，因此將進行針對第二理論輪廓點C2 ”所對應之真實輪廓點的量測程序(第三次量測)。
在本實施例中，當進行了12次量測(即盤形凸輪50總共轉動了11次量測角度β)並且盤形凸輪50再轉動量測角度β後，已轉動的量測角度β之總和12β約為360度，此時計算機裝置判斷數值不小於360度，故會結束量測程序。
當步驟S46的判斷結果為否後，結束量測程序並且執行步驟S5，係將量測得到的徑向真實距離、法向真實距離與輪廓尺寸誤差值等分別輸出並顯示於計算機裝置的人機介面22上，以供使用者進行後續的數據統計與分析。
本實施例在量測時使雷射位移計40的量測基準點420與當下真實輪廓點所對應之理論輪廓530的理論輪廓點相互重疊，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，雷射位移計40的量測基準點420在量測時不需要與理論輪廓點相互重疊，而是具有一偏位理論距離。於此情況下，於測得徑向真實距離以及法向真實距離後，計算機裝置或使用者再進一步地計算真實距離與偏位理論距離的差值，以得到盤形凸輪50於此理論輪廓點的輪廓尺寸誤差值。
另外，在本實施例中，雷射位移計40量測得到的徑向真實距離r1 、r2 以及法向真實距離n1 、n2 係為盤形凸輪50的輪廓表面510與雷射位移計40的距離大小，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，雷射位移計40量測得到的徑向真實距離以及法向真實距離係為盤形凸輪50之真實輪廓540的座標，並且計算機裝置2或使用者再進一步地計算真實輪廓540的座標與理論輪廓530的座標之間的距離值，以得到盤形凸輪50的輪廓尺寸誤差值。
再者，在本實施例的量測程序中，非接觸式暨光學量測自動化系統1總共量測12個真實輪廓點而得到12筆徑向真實距離以及12筆法向真實距離，但真實輪廓點的數量並非用以限制本發明。
再者，在本實施例的量測程序中，於量測同一個理論輪廓點之輪廓尺寸誤差時，計算機裝置2會指示雷射位移計40測得此理論輪廓點所對應的徑向真實距離以及法向真實距離，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，計算機裝置2指示雷射位移計40僅量測徑向真實距離，或是僅量測法向真實距離。
再者，本實施例的光學量測方法透過設定起始定位角度α與量測角度β來決定待測理論輪廓點的位置，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，於設定量測參數時，可直接在盤形凸輪50之理論輪廓530中選定數個座標，以決定待測理論輪廓點的位置。
在第一實施例中，移動平台模組30的旋轉運動平台330可帶動雷射位移計40一併轉動，而使雷射位移計40可依序測得盤形凸輪50的徑向真實距離以及法向真實距離，但本發明並不以此為限。圖6為根據本發明第二實施例之非接觸式暨光學量測自動化系統的立體示意圖。圖7為根據本發明第二實施例之非接觸式光學量測方法中量測程序的流程示意圖。由於第二實施例和第一實施例相似，故以下僅就相異處進行說明。
本實施例提供一非接觸式暨光學量測自動化系統1a。非接觸式暨光學量測自動化系統1a的移動平台模組30包含第一線性運動平台310與一第二線性運動平台320，並且未包含旋轉運動平台。
如圖7所示，在本實施例的非接觸式光學量測方法中，當執行完步驟S41後，並不會執行第一實施例中的步驟S42與S43，而是直接執行步驟S44a以得到第一徑向輪廓尺寸誤差值，並接著執行步驟S44b，係計算機裝置2依據一凸輪輪廓誤差關係式以及步驟S44a中量測得到的第一徑向輪廓尺寸誤差值進行計算，而得到一具備足夠準確度的第一法向輪廓尺寸誤差值之解析近似解。凸輪輪廓誤差關係式如下所列：Δn1 » Δr1 ´cosλ1 (凸輪輪廓誤差關係式之參考文獻來源：張文桐著，平面凸輪機構之機械誤差分析及其應用，博士論文，國立清華大學動力機械工程學系，新竹市，臺灣，2007年，42～44頁)；其中Δr1 為第一徑向輪廓尺寸誤差值，Δn1 為第一法向輪廓尺寸誤差值，且λ1 為盤形凸輪50於第一理論輪廓點C1 所對應的徑向與法向之轉換角(即第一實施例之步驟S42中所述的轉換角度λ1 )。同樣地，計算機裝置也能依據凸輪輪廓誤差關係式以及測得的第二徑向輪廓尺寸誤差值進行計算，而得到第二法向輪廓尺寸誤差值，亦即：Δn2 » Δr2 ´cosλ2 (式中各符號之意義可參照第一實施例之步驟S48所述)。
由於第一實施例之旋轉運動平台330的設置必然會增加量測系統的硬體成本。因此，本實施例的光學量測方法係將雷射位移計40量測得到的徑向輪廓尺寸誤差值代入凸輪輪廓誤差關係式計算而得到法向輪廓尺寸誤差值。藉此，能節省量測系統的部分硬體成本。而且，雷射位移計40不需要自徑向量測位置轉動至法向量測位置，故能提高量測過程的效率。
綜上所述，本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統及非接觸式光學量測方法中，藉由雷射位移計量測盤形凸輪的真實距離，並且再依據盤形凸輪的理論距離與真實距離的差值而得到盤形凸輪的輪廓尺寸誤差值。藉此，當盤形凸輪具有凹狀輪廓之幾何特徵時，雷射位移計發出的光束不會因為被盤形凸輪的其他部分輪廓所遮擋住而無法量測到盤形凸輪於其凹狀輪廓之凹陷處的輪廓尺寸誤差值。因此，本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統及非接觸式光學量測方法同時適用於具有凸狀輪廓之幾何特徵的盤形凸輪以及具有凹狀輪廓之幾何特徵的盤形凸輪，有助於改善現有的雷射掃瞄儀或光學測微器等非接觸式之輪廓精度量測裝置與方法受到凸輪輪廓之幾何形狀所限制的缺點，並且本發明在功能上能夠完全取代現有接觸式的量測裝置與方法。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1、1a‧‧‧非接觸式暨光學量測自動化系統
11‧‧‧驅動單元
2‧‧‧計算機裝置
21‧‧‧中央處理模組
22‧‧‧人機介面
23‧‧‧記憶單元
24‧‧‧運動控制單元
10‧‧‧基座
20‧‧‧旋轉夾頭
30‧‧‧移動平台模組
310‧‧‧第一線性運動平台
320‧‧‧第二線性運動平台
330‧‧‧旋轉運動平台
331‧‧‧旋轉台主件
3311‧‧‧穿槽
332‧‧‧圓弧軌道件
3321‧‧‧軌道承面
333‧‧‧滾輪
334‧‧‧扇形齒輪
335‧‧‧小齒輪
40‧‧‧雷射位移計
41‧‧‧雷射二極體
42‧‧‧電子感光元件
410‧‧‧光束
420‧‧‧量測基準點
50‧‧‧盤形凸輪
510‧‧‧輪廓表面
520‧‧‧旋轉軸線
530‧‧‧理論輪廓
540‧‧‧真實輪廓
C1‧‧‧第一理論輪廓點
C2、C2”‧‧‧第二理論輪廓點
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3、D4‧‧‧行進方向
L‧‧‧理論距離
n1‧‧‧第一法向真實距離
n2‧‧‧第二法向真實距離
r1‧‧‧第一徑向真實距離
r2‧‧‧第二徑向真實距離
O11‧‧‧第一徑向真實輪廓點
O12‧‧‧第一法向真實輪廓點
O21‧‧‧第二徑向真實輪廓點
O22‧‧‧第二法向真實輪廓點
P‧‧‧待測截面
Δn1‧‧‧第一法向輪廓尺寸誤差值
Δn2‧‧‧第二法向輪廓尺寸誤差值
Δr1‧‧‧第一徑向輪廓尺寸誤差值
Δr2‧‧‧第二徑向輪廓尺寸誤差值
+Δx、-Δx‧‧‧偏移量
+Δy、-Δy‧‧‧位移量
α‧‧‧起始定位角度
β‧‧‧量測角度
λ1、λ2‧‧‧轉換角度
S1~S5‧‧‧步驟
S31~S32‧‧‧步驟
S41~S48‧‧‧步驟
S44a、S44b‧‧‧步驟
圖1A為根據本發明第一實施例之非接觸式暨光學量測自動化系統的立體示意圖。 圖1B為雷射三角法量測原理的示意圖。 圖1C為圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統與計算機裝置的系統方塊圖。 圖2為圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統的分解示意圖。 圖3A為圖2之移動平台模組之旋轉運動平台的立體示意圖。 圖3B為圖3A之旋轉運動平台的分解示意圖。 圖4A為根據本發明第一實施例之非接觸式光學量測方法的流程示意圖。 圖4B為圖4A之光學量測方法中之定位程序的流程示意圖。 圖4C為圖4A之光學量測方法中之量測程序的流程示意圖。 圖5A至圖5G為使用圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統量測盤形凸輪之輪廓精度的示意圖。 圖6為根據本發明第二實施例之非接觸式暨光學量測自動化系統的立體示意圖。 圖7為根據本發明第二實施例之非接觸式光學量測方法中部分量測程序的流程示意圖。

Claims (10)

  1. 一種非接觸式暨光學量測自動化系統，適於電性連接於一計算機裝置以量測一盤形凸輪的輪廓精度，該非接觸式暨光學量測自動化系統包含：一基座；一旋轉夾頭，設置於該基座，該旋轉夾頭用以夾持該盤形凸輪，以使該盤形凸輪以自身之一旋轉軸線為旋轉中心轉動；一移動平台模組，包含一第一線性運動平台以及一第二線性運動平台，該第一線性運動平台設置於該基座並可沿一第一方向相對該基座移動，該第二線性運動平台設置於該第一線性運動平台，並且該第二線性運動平台可沿非平行於該第一方向的一第二方向相對該第一線性運動平台移動而接近或遠離該盤形凸輪；以及一雷射位移計，設置於該第二線性運動平台，並且該第二線性運動平台可帶動該雷射位移計一併沿該第二方向移動；其中，該盤形凸輪的一理論輪廓資訊具有一理論輪廓點，該理論輪廓點與該雷射位移計之間具有一理論距離，該盤形凸輪的一輪廓表面具有對應該理論輪廓點的一真實輪廓點，該計算機裝置用以指示該旋轉夾頭帶動該盤形凸輪轉動以及指示該移動平台模組帶動該雷射位移計移動，該計算機裝置更用以指示該雷射位移計所發出之一光束射至該真實輪廓點而藉由雷射三角法原理得到該盤形凸輪之該真實輪廓點與該雷射位移計之間的一真實距離，並且該計算機裝置依據該真實距離與該理論距離的差值而得到該盤形凸輪於該理論輪廓點的一輪廓尺寸誤差值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該第一方向平行於該盤形凸輪的該旋轉軸線，並且該第二方向正交於該第一方向。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該雷射位移計所發出之該光束的行進方向通過並正交於該盤形凸輪的該旋轉軸線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該移動平台模組更包含一旋轉運動平台，該旋轉運動平台可轉動地設置於該第二線性運動平台，並且該雷射位移計設置於該旋轉運動平台，該旋轉運動平台可帶動該雷射位移計一併相對該第二線性運動平台轉動，而使該雷射位移計所發出之該光束的行進方向平行於該盤形凸輪之該輪廓表面於該理論輪廓點的法線方向。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該移動平台模組更包含一旋轉運動平台，該旋轉運動平台可轉動地設置於該第二線性運動平台而具有一徑向量測位置以及一法向量測位置，並且該雷射位移計設置於該旋轉運動平台；其中，該真實輪廓點包含相異的一徑向真實輪廓點以及一法向真實輪廓點，該真實距離包含該徑向真實輪廓點與該雷射位移計之間的一徑向真實距離以及該法向真實輪廓點與該雷射位移計之間的一法向真實距離，當該旋轉運動平台於該徑向量測位置時，該雷射位移計所發出之該光束沿通過該盤形凸輪之該旋轉軸線的方向射至該盤形凸輪的該徑向真實輪廓點而得到該徑向真實距離，當該旋轉運動平台於該法向量測位置時，該光束沿該輪廓表面於該理論輪廓點的法線方向射至該法向真實輪廓點而得到該法向真實距離，並且該計算機裝置依據該徑向真實距離與該法向真實距離至少其中之一以及該理論距離的差值而得到該理論輪廓點的該輪廓尺寸誤差值。
  6. 一種非接觸式光學量測方法，用以量測一盤形凸輪的輪廓精度，該非接觸式光學量測方法包含：輸入該盤形凸輪的一理論輪廓資訊；設定一量測參數，該量測參數包含該理論輪廓資訊的至少一理論輪廓點，該至少一理論輪廓點與一雷射位移計之間具有一理論距離，並且該至少一理論輪廓點對應該盤形凸輪之一輪廓表面的至少一真實輪廓點；以及藉由該雷射位移計進行一量測程序，使該雷射位移計所發出之一光束射至該至少一真實輪廓點而藉由雷射三角法原理得到該盤形凸輪於該至少一真實輪廓點的一真實距離，並且依據該理論距離與該真實距離的差值而得到該盤形凸輪於該至少一理論輪廓點的一輪廓尺寸誤差值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式光學量測方法，更包含進行一定位程序，該量測參數更包含位於該盤形凸輪之軸向方向上的一待測截面，該至少一真實輪廓點位於該待測截面，該定位程序包含：移動該雷射位移計，使該雷射位移計所發出之該光束對齊該待測截面；以及調整該雷射位移計與該盤形凸輪之該輪廓表面之間的間距，使該雷射位移計的量測基準點與該至少一理論輪廓點重疊。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式光學量測方法，其中該至少一真實輪廓點包含相異的一徑向真實輪廓點以及一法向真實輪廓點，該真實距離包含該徑向真實輪廓點與該雷射位移計之間的一徑向真實距離以及該法向真實輪廓點與該雷射位移計之間的一法向真實距離，該量測程序包含：藉由該雷射位移計得到該徑向真實距離；轉動該雷射位移計，使該光束的行進方向平行於該盤形凸輪之該輪廓表面於該至少一理論輪廓點的法線方向；藉由該雷射位移計得到該法向真實距離；以及依據該理論距離與該徑向真實距離的差值或該理論距離與該法向真實距離的差值而得到該盤形凸輪於該至少一理論輪廓點的該輪廓尺寸誤差值。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式光學量測方法，其中該至少一理論輪廓點包含相異的一第一理論輪廓點以及至少一第二理論輪廓點，該至少一真實輪廓點包含相異的一第一真實輪廓點以及至少一第二真實輪廓點，該第一理論輪廓點對應該第一真實輪廓點，該至少一第二理論輪廓點對應該至少一第二真實輪廓點，該量測程序包含：藉由該雷射位移計得到該第一真實輪廓點與該雷射位移計之間的一第一真實距離，並且依據該理論距離與該第一真實距離的差值而得到該盤形凸輪於該第一理論輪廓點的一第一輪廓尺寸誤差值；將該盤形凸輪轉動至少一量測角度，使該雷射位移計對應該至少一第二理論輪廓點；藉由該雷射位移計得到該至少一第二真實輪廓點與該雷射位移計之間的一第二真實距離，並且依據該理論距離與該第二真實距離的差值而得到該盤形凸輪於該至少一第二理論輪廓點的一第二輪廓尺寸誤差值；以及判斷已轉動的該至少一量測角度之總和是否小於360度，若否，結束該量測程序；若是，繼續進行該量測程序。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之非接觸式光學量測方法，其中該雷射位移計與該第一理論輪廓點之間的間距等於該雷射位移計與該至少一第二理論輪廓點之間的間距。
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