TW201913251A

TW201913251A - 工件加工方法及其加工系統

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Publication number: TW201913251A
Application number: TW106131176A
Authority: TW
Inventors: 李維楨; 王振瑜; 韋經智
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-04-01
Also published as: TWI645274B

Abstract

一種工件加工方法以及工件加工系統。所述方法包括下列步驟：根據第一加工路徑對工件施加第一加工操作；量測經過第一加工操作後的工件以獲得第一座標資料；根據加工目標位置與第一座標資料來產生第二座標資料，並對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑；以及根據誤差補償路徑對工件進行第二加工操作。

Description

工件加工方法及其加工系統

本發明是有關於一種機械加工技術，且特別是有關於一種具有誤差補償功能的工件加工方法及其加工系統。

隨著電腦輔助製造（Computer Aided Manufacturing, CAM）技術的成熟，結合電腦數值控制（Computer Numerical Control, CNC）機械加工與三維計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）等技術，數控铣床加工製造業將工件生產導入更高精密度的領域。

針對加工尺寸的精度問題，現有的技術例如使用控制器廠商內建的磨耗補償功能來逐步往內縮小刀具路徑以加工至目標尺寸，或是採用手動修改數值控制（Numerical Control, NC）加工檔案來修改預設的刀具半徑大小等方式，先對刀具半徑大小進行假性放大，加工後再量測尺寸的誤差，接著以縮小刀具半徑的方式，達到工件尺寸的誤差補償目的。但上述的方法皆無法有效補償工件尺寸歪斜之問題，而且如果需在加工後量測尺寸，為求精準度，往往需要設置多個量測點，因此造成誤差補償的效率低落。

本發明的實施例提供一種工件加工方法。所述方法包括下列步驟：根據第一加工路徑對工件施加第一加工操作；量測經過第一加工操作後的工件以獲得第一座標資料；根據加工目標位置與第一座標資料來產生第二座標資料，並對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑；以及根據誤差補償路徑對工件進行第二加工操作。

在本發明之一實施例中，第二座標資料是第一座標資料對鏡射軸鏡射後的座標資料，其中鏡射軸是第一加工目標位置與加工目標位置之間的對稱軸，且第一加工路徑是根據第一加工目標位置產生。

在本發明之一實施例中，上述的對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑的步驟包括：對第二座標資料進行正交迴歸分析來產生誤差補償路徑。

在本發明之一實施例中，上述的對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑的步驟包括：當加工目標位置為直線時，誤差補償路徑是根據第二座標資料所計算出來的起始點與終點之間的直線路徑。

在本發明之一實施例中，上述的對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑的步驟包括：當加工目標位置為曲線時，根據第二座標資料所計算出來的多個直線路徑片段組成誤差補償路徑。

在本發明之一實施例中，上述的對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑的步驟包括：根據第二座標資料與工件在加工平台上的旋轉角度來計算誤差補償路徑。

本發明的實施例提供一種工件加工系統，包括加工機台、量測裝置以及計算裝置。加工機台根據第一加工路徑對工件施加第一加工操作。量測裝置用以量測經過第一加工操作後的工件以獲得第一座標資料。計算裝置根據加工目標位置與從量測裝置接收的第一座標資料來產生第二座標資料，並對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑，其中加工機台從計算裝置接收誤差補償路徑，並根據誤差補償路徑對工件進行第二加工操作。

基於上述，本發明實施例的工件加工方法以及工件加工系統可以縮短傳統誤差補償所耗費的時間，解決加工產生的尺度歪斜之問題，並提升了加工的尺寸精度，減少不良品的產生與提升機台的加工效率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1與圖2，圖1繪示依照本發明之一實施例的工件加工系統的方塊示意圖，圖2繪示依照本發明之一實施例的加工機台與工件的方塊示意圖。工件加工系統10包括加工機台110、量測裝置120以及計算裝置130。在本實施例中，加工機台110例如是三軸铣床機台，可以應用電腦數值控制(CNC)機械加工技術來實現加工機台110的半自動或自動化操作。更具體而言，請參照圖2，工件140會固定於加工機台110的加工平台114上，而加工機台110可以包括主機112，主機112例如是電腦主機或電腦數值控制(CNC)機械加工系統，以傳輸控制訊號CS使加工機台110能控制機台上的刀具（cutter）113或是加工平台114在X-Y-Z三維軸向上的移動或旋轉，來對工件140進行銑削加工。主機112也可以將加工機台110的加工規劃資訊(包括加工路徑以及加工目標位置)傳送至計算裝置130。

在其他的實施例中，加工機台110可以不包括主機112，電性連接計算裝置130，由計算裝置130進行加工路徑規劃，加工機台110直接從計算裝置130接收控制訊號CS來實現銑削加工。

請參照圖3，圖3繪示依照本發明之一實施例的工件加工特徵的示意圖。在本實施例中，圖3列舉了四種不同的工件加工特徵，包括對工件140銑削出正方形圖案210、圓形圖案220、逆時針旋轉θ1的正方形圖案230以及逆時針旋轉θ2的正方形圖案240，其中θ1例如是相對於水平方向的夾角3度、θ2例如是相對於水平方向的夾角30度。特別說明的是，此四種工件加工特徵僅用以示例性說明，並非用以限制本發明，本發明對於加工特徵並不以此為限，相同的，旋轉角度θ1與θ2也是用以示例性說明，本發明並不以此為限。

圖4繪示依照本發明之一實施例的工件加工方法的流程圖。請同時參照圖1至圖4，本實施例的方法40適用於圖1的工件加工系統10。以下搭配工件加工系統10中的各項元件或裝置，說明本實施例的工件加工方法40的詳細流程。

在本實施例中，工件加工特徵例如為圖3中的正方形圖案210，表示加工機台110會對工件140進行四次的直線切削212。

首先，加工機台110根據第一加工路徑對工件140施加第一加工操作（步驟S410），第一加工操作後的結果如圖5所示，加工機台110沿著第一加工路徑510在工件140表面上切削出正方形圖案。接著，量測裝置120量測經過第一加工操作後的工件140以獲得第一座標資料（步驟S420）。具體來說，量測裝置120可以是二維影像量測儀(Two Dimensional Coordinate Measuring Machine, 2D CMM)或三次元量床(3D CMM)等具有結構定位精度檢測功能的裝置，本發明並不加以限制。量測裝置120用以量測經過第一加工操作後的工件140的結構尺寸以獲得第一座標資料，並將第一座標資料提供給計算裝置130，第一座標資料例如為切削後的直線上多個量測點520的位置座標。

接著請搭配參照圖6A，圖6A繪示依照本發明之一實施例的經過第一加工操作後的工件的量測點鏡射圖。經過第一加工操作所切削出的直線的實際切削面是610，上面設置有多個量測點520，而第一加工操作的目標位置為第一加工目標位置620，第一加工路徑510是根據第一加工目標位置620產生。需特別說明的是，在一些實施例中，第一加工路徑與第一加工目標位置重合，在另一些實施例中，第一加工路徑與第一加工目標位置不重合，因為加工機台中可以內建刀具加工誤差補償程式，第一加工路徑可能因應刀具加工誤差補償程式而對第一加工目標位置作出調整。

由於加工機台110可能存在線軌不平整或是螺桿背隙的問題，導致切削的工件特徵有歪斜或尺寸偏差的情況，使得加工後的實際切削面610與第一加工目標位置620不同，在此實施例中，實際切削面610少於第一加工目標位置620，為過切狀況，需進行第二加工操作。

第二加工操作的目標位置為第二加工目標位置630，亦即此工件完成加工後預期的加工目標位置（後文稱為加工目標位置630），舉例來說，第一加工目標位置620是加工目標位置630增加一預設值的位置，以提供加工誤差補償區域。

計算裝置130除了從量測裝置120接收第一座標資料外，也會從加工機台110接收加工規劃資訊，例如包括第一加工目標位置620、加工目標位置630、或是製造商所提供的刀具誤差補償資料、工件加工特徵等。

接著，在步驟S430中，計算裝置130根據加工目標位置630與第一座標資料來產生第二座標資料，並根據第二座標資料計算誤差補償路徑。具體來說，計算裝置130根據第一加工目標位置620與加工目標位置630，計算第一加工目標位置620與加工目標位置630之間的對稱軸以作為鏡射軸640，換句話說，鏡射軸640是第一加工目標位置620與加工目標位置630的平均位置。接著，計算裝置130將第一座標資料中的多個量測點520對鏡射軸640作鏡射以得到多個鏡射點650以作為第二座標資料。

舉例來說，在圖5的實施例中，當加工目標位置是530，多個量測點520會對鏡射軸540作鏡射，以計算出誤差補償路徑。在此繪示的位置僅作為示意，不代表實際位置。

再回到圖6A，詳細說明計算誤差補償路徑的方法。計算裝置130根據鏡射後的量測點520（也就是這些鏡射點650）計算誤差補償路徑660，具體來說，計算裝置130可以對第二座標資料進行迴歸分析（Regression Analysis）而計算出誤差補償路徑660，例如當工件加工特徵是圖3的正方形圖案210時，可以選擇正交迴歸（Orthogonal Regression）分析法，對第二座標資料進行正交迴歸分析來計算直線切削的誤差補償路徑660，當工件加工特徵是圖3中具有旋轉角度的正方形圖案230或240時，可以選擇正交迴歸分析法結合座標轉換來計算直線切削的誤差補償路徑660。

由於加工機台110在不同方向或是不同角度上進行切削動作所產生的誤差也有可能不一樣，因此習知的誤差補償技術僅能對固定的刀具切削方式進行誤差補償，而在本實施例中，計算裝置130可以根據第二座標資料與工件140在加工平台114上的旋轉角度來計算誤差補償路徑，藉由考量到同樣工件加工特徵但相對於加工平台114具有不同方位角度，可對加工平台114的平面（例如X-Y平面）上不同方向的加工操作進行誤差補償，使得可以全方位修正工件角度尺寸歪斜之問題。

特別說明的是，除了使用正交迴歸分析法外，本領域具有通常知識者依照實際狀況或是設計需求，可以適當的選擇用多項式迴歸分析或是其它的曲線擬合分析法，本發明對於對第二座標資料進行擬合分析的方式並不加以限制。

在步驟S440中，計算裝置130將計算出來的誤差補償路徑660傳送至加工機台110，使得加工機台110可以根據誤差補償路徑660對工件140進行第二加工操作。由於本實施例的誤差補償路徑660為直線，因此計算裝置130也可以僅將計算出來的誤差補償路徑660的起始點與終點傳送至加工機台110，使得加工機台110控制刀具113從所接收的起始點直線移動到終點來進行切削。換句話說，當加工目標位置630為一直線時，誤差補償路徑660可以是根據第二座標資料所計算出來的起始點與終點之間的直線路徑，只要知道起始點與終點，就可以知道誤差補償路徑660，無需額外的計算與資料空間。如此一來加工機台110所接收到的誤差補償資料十分精簡而有效率，此外，由於加工機台110所執行的誤差補償路徑660為直線，因此加工時刀具113可以穩定移動，不需連續加速、減速或改變方向，可以有效縮短傳統誤差補償所耗費的時間，也不會有加工量不均的情形。

圖6B繪示依照本發明之另一實施例的經過第一加工操作後的工件的量測點鏡射圖。本實施例與圖6A之實施例類似，主要差異為：在此實施例中，實際切削面610多於第一加工目標位置620，為少切狀況，加工機台110可依據計算出來的誤差補償路徑660進行第二加工操作以進行誤差補償。關於本實施例的相關實施方式以及符號說明在圖6A的實施例中可獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

請再參照圖7，圖7繪示依照本發明之一實施例的工件誤差補償路徑規劃示意圖。在圖6A與圖6B的實施例中，經過第一加工操作後，對於工件加工特徵是正方形圖案210的工件140透過正交迴歸直線分析法可以估算四個直線邊的四條誤差補償路徑660，得到四個交點A1、A2、A3與A4，本發明還可以針對所選用之加工刀具113，配合刀具廠商型錄所提供的刀具半徑R，在加工路徑規劃中給予相同的數值，使計算裝置130再計算出補正刀具半徑R後的誤差補償路徑移動點B1、B2、B3與B4。

圖8繪示依照本發明之另一實施例的經過第一加工操作後的工件表面影像。在此實施例中，工件加工特徵是圓形圖案220，經過沿第一加工路徑710進行第一加工操作所切削出的圓型邊上有多個量測點720，而加工目標位置是730，多個量測點720會對鏡射軸740作鏡射，以計算出誤差補償路徑。在此實施例中，由於工件加工特徵是曲線，因此可以使用分段擬合，利用多個直線片段來近似曲線，例如將第二座標資料分割為多個片段，通過正交回歸直線分析法計算每個片段的直線路徑，再將所計算出來的多個直線路徑片段組成誤差補償路徑，或是直接選擇適當的多項式擬合程式根據第二座標資料來直接估算誤差補償路徑。本領域具有通常知識者可依據實際情況或是需求作適當選擇，本發明對此不加以限制。

另外，關於本實施例的相關實施方式以及符號說明在圖5至圖7的實施例中可獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

進一步掲露本發明的實驗結果，統計12組無誤差補償的對照組，與12組有誤差補償的實驗組的絕對誤差與誤差下降百分比，以呈現本發明的提升精準度與精密度的技術功效。

絕對誤差（Ea）的計算公式為，絕對誤差下降百分比（Er）的計算公式為，其中公式中的Xi 表示量測尺寸， Xt 表示目標尺寸，Xe 表示誤差補償實驗組的量測尺寸，Xc 表示無補償的對照組的量測尺寸。

下表一的實驗結果是關於工件的精準度比較，不論加工特徵是正方形、偏轉3度與30度的正方形圖案，本發明的加工尺寸的絕對誤差皆下降99%以上。對於加工特徵是圓形圖案的工件，本發明的絕對誤差也降低了92%左右。此結果表示本發明的工件加工方法及其加工系統能夠有效提升工件加工的尺寸精準度。

表一

另外，在加工精密度的比較上，也可透過下表二的實驗結果得知。母體標準差公式為如下：，x_i 表示第i次的量測值，N表示量測點數目，母體平均值為μ，母體平均值的計算公式為。

表二

根據實驗結果，針對四種不同圖案的工件特徵，有誤差補償後的母體標準差皆有下降，代表加工精密度有提升的趨勢。此結果表示本發明的工件加工方法及其加工系統能夠有效提升工件加工的尺寸精密度。

本發明的工件加工方法及其加工系統亦可以應用在量產品生產過程中。在長時間的生產過程中，會產生刀具的磨耗現象，此誤差的產生，會導致後續加工件的尺寸變得不準確。因此，在量產品的加工應用上，可以對產品進行抽檢或全檢，監控加工尺寸的變化。當量測裝置檢驗出產品尺寸逐漸偏離目標值時，透過上述圖1至圖8的實施例所教示的加工系統與加工方法，透過自動路徑補償程式，再次生成新的誤差補償路徑，修正刀具磨耗產生的工件尺寸誤差，即時把產品的尺寸修正回目標的上與下規格公差範圍內。如此一來，本發明的工件加工方法及其加工系統不僅可以提升首件打樣的加工精度，透過抽檢或全檢的方式，還可以保持批量生產時的產品良率。

綜上所述，本發明實施例的工件加工方法以及工件加工系統，通過量測經過第一加工操作後的工件的尺寸結構並根據加工目標位置來產生第二座標資料，接著對第二座標資料進行迴歸分析來產生誤差補償路徑，依照誤差補償路徑對工件進行第二加工操作，以補償加工誤差。因此，本發明實施例的工件加工方法以及工件加工系統可以在有限的量測點利用回歸分析計算誤差補償路徑，尤其在處理直線切削的情況下，可以大幅縮短傳統誤差補償所耗費的時間，並且提升機台的加工效率，而且所計算出來的誤差補償路徑能夠有效補償加工機台所產生的銑削誤差，並且可全方位修正工件角度尺寸歪斜之問題，有效提升工件加工的尺寸精準度與精密度，還可應用在量產品的生產中，減少不良品的產生。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧工件加工系統

40‧‧‧工件加工方法

100‧‧‧電子裝置

110‧‧‧加工機台

120‧‧‧量測裝置

130‧‧‧計算裝置

112‧‧‧主機

113‧‧‧刀具

114‧‧‧加工平台

140‧‧‧工件

210‧‧‧正方形圖案

220‧‧‧圓形圖案

230‧‧‧逆時針旋轉θ1的正方形圖案

240‧‧‧逆時針旋轉θ2的正方形圖案

212‧‧‧直線

510、710‧‧‧第一加工路徑為

520、720‧‧‧量測點

610‧‧‧實際切削面

620‧‧‧第一加工目標位置

530、630、730‧‧‧第二加工目標位置/加工目標位置

540、640、740‧‧‧鏡射軸

650‧‧‧鏡射點

660‧‧‧誤差補償路徑

A1、A2、A3、A4‧‧‧交點

B1、B2、B3、B4‧‧‧誤差補償路徑移動點

CS‧‧‧控制訊號

S410~S440‧‧‧加工方法步驟

R‧‧‧刀具半徑

X、Y、Z‧‧‧方向

θ1、θ2‧‧‧角度

圖1繪示依照本發明之一實施例的工作件加工系統的方塊示意圖。圖2繪示依照本發明之一實施例的加工機台與工件的方塊示意圖。圖3繪示依照本發明之一實施例的工件加工特徵的示意圖。圖4繪示依照本發明之一實施例的工件加工方法的流程圖。圖5繪示依照本發明之一實施例的經過第一加工操作後的工件表面影像。圖6A繪示依照本發明之一實施例的經過第一加工操作後的工件的量測點鏡射圖。圖6B繪示依照本發明之另一實施例的經過第一加工操作後的工件的量測點鏡射圖。圖7繪示依照本發明之一實施例的工件誤差補償路徑規劃示意圖。圖8繪示依照本發明之另一實施例的經過第一加工操作後的工件表面影像。

Claims

一種工件加工方法，包括：根據一第一加工路徑對一工件施加一第一加工操作；量測經過所述第一加工操作後的所述工件以獲得一第一座標資料；根據一加工目標位置與所述第一座標資料來產生一第二座標資料，並對所述第二座標資料進行迴歸分析來產生一誤差補償路徑；以及根據所述誤差補償路徑對所述工件進行一第二加工操作。
如申請專利範圍第1項所述的工件加工方法，其中根據所述加工目標位置與所述第一座標資料來產生所述第二座標資料的步驟包括：所述第二座標資料是所述第一座標資料對一鏡射軸鏡射後的座標資料，其中所述鏡射軸是一第一加工目標位置與所述加工目標位置之間的對稱軸，且所述第一加工路徑是根據所述第一加工目標位置產生。
如申請專利範圍第1項所述的工件加工方法，其中對所述第二座標資料進行迴歸分析來產生所述誤差補償路徑的步驟包括：對所述第二座標資料進行正交迴歸分析來產生所述誤差補償路徑。
如申請專利範圍第1項所述的工件加工方法，其中對所述第二座標資料進行迴歸分析來產生所述誤差補償路徑的步驟包括：當所述加工目標位置為一直線時，所述誤差補償路徑是根據所述第二座標資料所計算出來的起始點與終點之間的一直線路徑。
如申請專利範圍第1項所述的工件加工方法，其中對所述第二座標資料進行迴歸分析來產生所述誤差補償路徑的步驟包括：當所述加工目標位置為一曲線時，根據所述第二座標資料所計算出來的多個直線路徑片段組成所述誤差補償路徑。
如申請專利範圍第1項所述的工件加工方法，其中對所述第二座標資料進行迴歸分析來產生所述誤差補償路徑的步驟包括：根據所述第二座標資料與所述工件在一加工平台上的旋轉角度來計算所述誤差補償路徑。
一種工件加工系統，包括：一加工機台，根據一第一加工路徑對一工件施加一第一加工操作；一量測裝置，用以量測經過所述第一加工操作後的所述工件以獲得一第一座標資料；以及一計算裝置，根據一加工目標位置與從所述量測裝置接收的所述第一座標資料來產生一第二座標資料，並對所述第二座標資料進行迴歸分析來產生一誤差補償路徑，其中所述加工機台從所述計算裝置接收所述誤差補償路徑，並根據所述誤差補償路徑對所述工件進行一第二加工操作。
如申請專利範圍第7項所述的工件加工系統，其中所述第二座標資料是所述第一座標資料對一鏡射軸鏡射後的座標資料，其中所述鏡射軸是一第一加工目標位置與所述加工目標位置之間的對稱軸，且所述第一加工路徑是根據所述第一加工目標位置產生。
如申請專利範圍第7項所述的工件加工系統，其中所述計算裝置對所述第二座標資料進行正交迴歸分析來產生所述誤差補償路徑。
如申請專利範圍第7項所述的工件加工系統，其中所述加工機台包括一加工平台，並且所述工件固定於所述加工平台上，其中所述計算裝置根據所述第二座標資料與所述工件在所述加工平台上的旋轉角度來計算所述誤差補償路徑。